基于GO-FLOW法的高速鐵路接觸網(wǎng)系統(tǒng)可靠性分析

趙 峰 梁 麗 王思華

（蘭州交通大學(xué)自動(dòng)化與電氣工程學(xué)院 蘭州 730070）

1 引言

高速鐵路牽引供電系統(tǒng)中，無備用的接觸網(wǎng)系統(tǒng)是整個(gè)供電系統(tǒng)的薄弱環(huán)節(jié)，因此對(duì)接觸網(wǎng)系統(tǒng)的可靠性進(jìn)行準(zhǔn)確的計(jì)算評(píng)估對(duì)于提高整個(gè)牽引供電系統(tǒng)的可靠性和經(jīng)濟(jì)性有著十分重要的意義。如何評(píng)估和提高接觸網(wǎng)系統(tǒng)的可靠性，已經(jīng)成為提高整個(gè)高速鐵路可靠性的關(guān)鍵。

我國科研人員對(duì)接觸網(wǎng)可靠性的研究起步于 20世紀(jì) 90年代[1]，有學(xué)者分別運(yùn)用故障樹分析（Fault Tree Analysis,FTA）模型[2]、遺傳算法[3]以及GO法[4]等對(duì)牽引供電系統(tǒng)進(jìn)行了可靠性的建模及分析。張衛(wèi)東等建立了接觸網(wǎng)重要部件的可靠性計(jì)算模型，并推導(dǎo)了不同供電方式下供電可靠性的指標(biāo)[5]；冷宏俊總結(jié)了接觸網(wǎng)系統(tǒng)可靠性工程的研究范疇，并介紹了接觸網(wǎng)典型零部件的可靠性設(shè)計(jì)方法[6]；萬毅等將神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)理論和有限元分析等理論結(jié)合在一起建立了接觸網(wǎng)系統(tǒng)的可靠性分析模型，得到各部件可靠度計(jì)算結(jié)果[7-8]，胡海濤等基于FTA和FMEA（failure mode and effects analysis）法對(duì)地鐵牽引供電系統(tǒng)進(jìn)行了可靠性評(píng)估[9]，但已有文獻(xiàn)對(duì)接觸網(wǎng)部件隨時(shí)間的失效現(xiàn)象沒有考慮或考慮不全面。

本文擬通過對(duì)高速鐵路接觸網(wǎng)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，結(jié)合邏輯框圖及GO法與GO-FLOW法，分別建立不考慮部件失效率與考慮部件失效率的接觸網(wǎng)系統(tǒng)可靠性研究模型，根據(jù)模型計(jì)算出兩種情況下接觸網(wǎng)系統(tǒng)的可靠度，并對(duì)不同情況下的接觸網(wǎng)可靠度進(jìn)行對(duì)比，驗(yàn)證GO-FLOW法的有效性，同時(shí)提出提高接觸網(wǎng)運(yùn)行可靠性的措施，為接觸網(wǎng)的設(shè)計(jì)、維修提供科學(xué)的理論依據(jù)。

2 GO-FLOW法分析的基本算法簡介

GO-FLOW法[10-14]是20世紀(jì)80年代以后在GO法的基礎(chǔ)上逐漸發(fā)展起來的，其基本思想是將系統(tǒng)圖或工程圖直接翻譯成GO-FLOW圖，是一種新的概率風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)方法，采用圖形演繹的方式，以成功作為系統(tǒng)的導(dǎo)向，主要用于運(yùn)行具有復(fù)雜時(shí)序或狀態(tài)隨時(shí)間變化的系統(tǒng)。

2.1 GO-FLOW法分析的特點(diǎn)

（1）GO-FLOW法的建模是以成功為導(dǎo)向。

（2）GO-FLOW法根據(jù)部件/分系統(tǒng)的功能，選擇相應(yīng)的GO-FLOW運(yùn)算符直接將系統(tǒng)的原理圖轉(zhuǎn)換為模型圖，并提供程序計(jì)算系統(tǒng)各種狀態(tài)發(fā)生的概率，完成對(duì)系統(tǒng)的定性與定量分析，從而對(duì)系統(tǒng)的可靠性進(jìn)行評(píng)價(jià)。

（3）GO-FLOW 圖中的操作符與所研究系統(tǒng)中的部件幾乎一一對(duì)應(yīng)，反映系統(tǒng)原來的結(jié)構(gòu)組成，明顯地描述出大多數(shù)相關(guān)部件之間的關(guān)系和相互作用情況，模型結(jié)構(gòu)清晰，易于與原系統(tǒng)進(jìn)行核對(duì)。

2.2 GO-FLOW法分析的步驟

GO-FLOW法的主要步驟是建立GO-FLOW圖和進(jìn)行GO-FLOW運(yùn)算，包括三大要素：信號(hào)、時(shí)間點(diǎn)和運(yùn)算符?；贕O-FLOW法可靠性評(píng)價(jià)基本流程與步驟如圖1所示。

圖1 GO-FLOW法分析流程及步驟Fig.1 Process and steps of GO-FLOW analysis

3 接觸網(wǎng)系統(tǒng)的GO-FLOW分析及建模

3.1 高速鐵路接觸網(wǎng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

隨著電氣化鐵路的快速發(fā)展，作為牽引供電系統(tǒng)主構(gòu)架的接觸網(wǎng)承擔(dān)著向鐵路負(fù)荷即動(dòng)車組提供充足電力的重任。接觸網(wǎng)主要由接觸懸掛、支持裝置、附屬懸掛、定位裝置、支柱與基礎(chǔ)及補(bǔ)償裝置等幾部分串聯(lián)組成[15]，其邏輯框圖如圖2所示。

圖2 高速鐵路接觸網(wǎng)結(jié)構(gòu)邏輯框圖Fig.2 The structure logic diagram of high-speed railway catenary

3.2 高速鐵路接觸網(wǎng)系統(tǒng)可靠性分析模型的建立

結(jié)合圖2所示的高速鐵路接觸網(wǎng)系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)邏輯框圖，本文以接觸網(wǎng)系統(tǒng)能夠正常工作為導(dǎo)向，分別建立不考慮部件失效率的接觸網(wǎng)系統(tǒng) GO圖與考慮部件失效率的接觸網(wǎng)系統(tǒng)的 GO-FLOW圖。其中，A、B、C、D、E、F分別代表高速鐵路接觸網(wǎng)的六個(gè)部分，由于只有當(dāng)六個(gè)部分全部正常運(yùn)行才能使接觸網(wǎng)系統(tǒng)正常工作，所以它們?cè)谶壿嬌鲜谴?lián)的關(guān)系，為了方便分析，假定接觸網(wǎng)各部分是一個(gè)等效的單元。

3.2.1 不考慮接觸網(wǎng)系統(tǒng)部件失效率的接觸網(wǎng)系統(tǒng)GO圖的建立

不考慮部件失效率的接觸網(wǎng)系統(tǒng) GO圖如圖3所示。其中接觸懸掛采用操作符 5（信號(hào)發(fā)生器）來代替，其余五個(gè)都是兩狀態(tài)單元替代。其中1、2、3、4、5、6代表信號(hào)流。

圖3 不考慮接觸網(wǎng)系統(tǒng)部件失效率的接觸網(wǎng)系統(tǒng)GO圖Fig.3 GO figure with regardless of the catenary system component failure rate of the catenary system

3.2.2 考慮接觸網(wǎng)系統(tǒng)部件失效率的接觸網(wǎng)系統(tǒng)GO-FLOW圖的建立

（1）信號(hào)流定義。高速鐵路接觸網(wǎng)系統(tǒng)在運(yùn)行過程中，各組成單元可能會(huì)發(fā)生故障，為了保障動(dòng)車組安全、穩(wěn)定的運(yùn)行，就應(yīng)該減少接觸網(wǎng)系統(tǒng)元件故障的發(fā)生，提高其供電的可靠度。因此，接觸網(wǎng)系統(tǒng)供電的可靠度用信號(hào)流的強(qiáng)度來表示。信號(hào)流強(qiáng)度越高，說明供電的可靠性越好[16]，反之亦然。

（2）操作符定義。高速鐵路接觸網(wǎng)系統(tǒng)的主要組成部分—接觸懸掛包括接觸線、吊弦、承力索以及部分連接零件，其作用是將從牽引變電所獲得的電能輸送給電力機(jī)車，所以接觸懸掛采用操作符25（信號(hào)發(fā)生器）來代替，其余五個(gè)部件由兩狀態(tài)操作符21來替代，分別表示操作符工作狀態(tài)的成功和故障，同時(shí)考慮到接觸網(wǎng)六個(gè)組成部分隨使用時(shí)間的變化，其使用壽命也會(huì)發(fā)生變化，其可靠度也會(huì)降低，即考慮元件的失效率，用操作符35來表示隨時(shí)間失效的工作元件，考慮部件失效率的接觸網(wǎng)系統(tǒng)的GO-FLOW圖如圖4所示。

圖4 考慮接觸網(wǎng)系統(tǒng)部件失效率的接觸網(wǎng)系統(tǒng)GO-FLOW圖Fig.4 The GO-FLOW diagram with considering the catenary system component failure rate of the catenary system

（3）運(yùn)算規(guī)則。本系統(tǒng)有三種類型操作符，如果用 KC、KR分別表示操作符本身的故障率和輸出故障率，AC、AR分別表示操作符本身的可靠度和輸出可靠度，KS、AS分別表示輸入信號(hào)的故障率和可靠性，則各操作符的運(yùn)算規(guī)則如下。

1）信號(hào)發(fā)生器類型 25。信號(hào)發(fā)生器輸出信號(hào)的強(qiáng)度(可靠度)和故障率就是操作符的可靠度和故障率，即

2）兩狀態(tài)單元類型 21。兩狀態(tài)單元操作符的輸出信號(hào)強(qiáng)度（可靠度）和故障率分別為

3）隨時(shí)間失效的工作單元類型 35。據(jù)系統(tǒng)可靠性工程理論，如果時(shí)變單元的故障率為常數(shù) K，則其輸出信號(hào)強(qiáng)度（可靠度）和故障率分別為

4 接觸網(wǎng)系統(tǒng)可靠度計(jì)算

4.1 不考慮部件失效率的接觸網(wǎng)系統(tǒng)可靠度計(jì)算

不考慮接觸網(wǎng)單元失效率的接觸網(wǎng)系統(tǒng)GO圖共有6個(gè)操作符（見圖3），參閱相關(guān)文獻(xiàn)并結(jié)合實(shí)際統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)[17-18]，假設(shè)各組成單元的操作符可靠性參數(shù)如表1所示。

表1 不考慮部件失效率的接觸網(wǎng)系統(tǒng)各單元操作符可靠性參數(shù)Tab.1 Reliability parameters with regardless of the component failure rate of the catenary system

表1列出了不考慮單元失效的接觸網(wǎng)系統(tǒng)所有操作符的數(shù)據(jù)，因?yàn)椴捎肎O法處理該類系統(tǒng)時(shí)，是通過求解部件的狀態(tài)轉(zhuǎn)移方程來獲取部件的狀態(tài)概率，從而得到各環(huán)節(jié)的故障率和可靠度，計(jì)算得到所有信號(hào)流狀態(tài)的概率如表2所示。

表2 不考慮部件失效率的接觸網(wǎng)系統(tǒng)GO-FLOW圖中信號(hào)流強(qiáng)度Tab.2 Signal intensity of GO-FLOW diagram with regardless of the component failure rate of the catenary system

4.2 考慮部件失效率的接觸網(wǎng)系統(tǒng)可靠度計(jì)算

圖4所示的考慮元件失效率的接觸網(wǎng)系統(tǒng)GOFLOW圖共有18個(gè)操作符，為了便于與基于GO法的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析，選取相同的初始條件和系統(tǒng)邊界，參閱相關(guān)文獻(xiàn)并結(jié)合實(shí)際統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)[17-18]，接觸網(wǎng)系統(tǒng)各組成單元的操作符可靠性參數(shù)如表3所示。這些參數(shù)的概率統(tǒng)計(jì)值是否準(zhǔn)確可信，是否符合接觸網(wǎng)系統(tǒng)的實(shí)際運(yùn)行情況，還有待時(shí)間進(jìn)一步驗(yàn)證，但這不會(huì)影響對(duì)接觸網(wǎng)系統(tǒng)可靠性分析評(píng)估方法的探討。

表3 考慮部件失效率的接觸網(wǎng)系統(tǒng)各單元操作符可靠性參數(shù)Tab.3 Reliability parameters with considering the component failure rate of the catenary system unit operator

表3中考慮單元失效率的接觸網(wǎng)系統(tǒng)所有操作符的數(shù)據(jù)（可以在實(shí)際運(yùn)作過程中統(tǒng)計(jì)一段時(shí)期內(nèi)各單元部件隨運(yùn)行時(shí)間的變化而產(chǎn)生的損耗，即元件失效率，從而得到各環(huán)節(jié)的故障率和可靠度）。將接觸網(wǎng)系統(tǒng)部件可靠性參數(shù)代入式（1）～式（6），可得到所有信號(hào)流的輸出概率如表4所示。

表4 考慮部件失效率的接觸網(wǎng)系統(tǒng)GO-FLOW圖中信號(hào)流強(qiáng)度Tab.4 Signal intensity of GO-FLOW diagram with considering the component failure rate of the catenary system

4.3 兩種情況的對(duì)比分析

為了驗(yàn)證將GO-FLOW法用于高速鐵路接觸網(wǎng)系統(tǒng)可靠性分析的可行性，本文將基于GO法的不考慮單元失效率的信號(hào)流計(jì)算結(jié)果與基于GO-FLOW法的考慮單元失效率的信號(hào)流計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析，信號(hào)流可靠度分析結(jié)果如圖5所示（因原始統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)存在一定的誤差，故仿真結(jié)果也存在一定的誤差）。

圖5 信號(hào)流可靠度分析結(jié)果Fig.5 Reliability analysis results of signal flow

由圖5可知，不考慮接觸網(wǎng)部件單元失效率的接觸網(wǎng)系統(tǒng)的可靠度 R=0.850，考慮接觸網(wǎng)部件單元失效率的接觸網(wǎng)系統(tǒng)的可靠度R=0.611，兩種情況下接觸網(wǎng)系統(tǒng)可靠度相差23.9%，說明在對(duì)該類運(yùn)行環(huán)境下的系統(tǒng)進(jìn)行可靠性分析時(shí)，必須要考慮系統(tǒng)元件壽命會(huì)隨時(shí)間變化而發(fā)生變化，即元件的失效率。GO-FLOW 方法獲得的系統(tǒng)可靠度低于采用GO法的系統(tǒng)可靠度，更接近系統(tǒng)實(shí)際的運(yùn)行情況。同時(shí)，可以看出，接觸懸掛與定位裝置故障失效對(duì)于接觸網(wǎng)系統(tǒng)可靠性影響較大。

5 結(jié)論

根據(jù)高速鐵路接觸網(wǎng)的特點(diǎn)，結(jié)合 GO-FLOW法，建立了接觸網(wǎng)的GO-FLOW圖。通過對(duì)接觸網(wǎng)系統(tǒng)實(shí)例計(jì)算以及結(jié)果分析，得出以下結(jié)論：

（1）在不考慮接觸網(wǎng)系統(tǒng)相關(guān)部件隨工作時(shí)間的失效率情況下，該系統(tǒng)可靠度曲線在一定使用周期內(nèi)下降幅度較小，曲線比較平滑，而在考慮接觸網(wǎng)系統(tǒng)部件隨工作時(shí)間的失效率情況下，其可可靠度隨時(shí)間變化而減小的幅度較大，可見第二種情況更接近實(shí)際運(yùn)行情況。

（2）從文中可靠度計(jì)算式（5）可知，影響接觸網(wǎng)可靠度的因素為接觸網(wǎng)各部件的失效率和運(yùn)行周期，因而要提高接觸網(wǎng)可靠度，降低接觸網(wǎng)部件失效率，提高其維修率是有效途徑。

（3）從文中接觸網(wǎng)系統(tǒng)可靠度信號(hào)流曲線對(duì)比得知，接觸懸掛與定位裝置故障失效對(duì)于接觸網(wǎng)系統(tǒng)可靠性影響較大，因而要加強(qiáng)對(duì)接觸懸掛和定位裝置的故障檢修。

（4）為提高接觸網(wǎng)系統(tǒng)可靠度，在此提出以下建議：①在接觸網(wǎng)建造時(shí)，采用質(zhì)量高、便于維修的接觸網(wǎng)零部件；②條件允許范圍內(nèi)對(duì)接觸網(wǎng)系統(tǒng)進(jìn)行預(yù)防性維修，降低接觸網(wǎng)部件失效率；建議對(duì)接觸網(wǎng)的檢修周期小于120天；③加強(qiáng)接觸網(wǎng)的故障檢測(cè)與定位，以便及時(shí)發(fā)現(xiàn)故障并搶修，提高接觸網(wǎng)部件的使用壽命。

因此，利用GO-FLOW法進(jìn)行接觸網(wǎng)的可靠性分析是切實(shí)可行的。運(yùn)用GO-FLOW法評(píng)價(jià)接觸網(wǎng)系統(tǒng)的安全可靠度直觀方便，不僅能夠計(jì)算整個(gè)系統(tǒng)的安全性，而且在計(jì)算過程中可以得到各個(gè)環(huán)節(jié)的安全性，有利于找出制約接觸網(wǎng)系統(tǒng)安全可靠運(yùn)行的瓶頸，為提高系統(tǒng)整體的安全性提供依據(jù)。GO-FLOW 法為運(yùn)行環(huán)境下系統(tǒng)安全可靠性評(píng)估提供了一種有效的定量評(píng)價(jià)方法。以上結(jié)論可對(duì)以后接觸網(wǎng)設(shè)計(jì)與維修提供一定的參考，但在接觸網(wǎng)設(shè)計(jì)與維修中如何保證接觸網(wǎng)高可靠度的同時(shí)又滿足經(jīng)濟(jì)性的要求，還有待解決。

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