基于云理論的JTC可靠性實(shí)時(shí)評(píng)估方法

孫 哲，趙林海，2

(1.北京交通大學(xué)電子信息工程學(xué)院，北京 100044； 2.北京交通大學(xué)軌道交通控制與安全國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100044)

軌道電路作為列車運(yùn)行控制系統(tǒng)的重要組成部分，對(duì)保障列車安全高效運(yùn)行起著至關(guān)重要的作用。由現(xiàn)場調(diào)研可知，每個(gè)軌道電路的工作狀態(tài)都是由其自身元器件、運(yùn)用條件和外部環(huán)境等多種因素共同決定的，同一時(shí)刻不同軌道電路的可靠性并不相同。因此，分析和評(píng)估軌道電路的實(shí)時(shí)可靠性能夠及時(shí)發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)可靠性的變化，彌補(bǔ)“計(jì)劃修”體制的不足，減少不必要的維護(hù)，節(jié)約維修成本，進(jìn)而從“系統(tǒng)級(jí)”層面實(shí)現(xiàn)軌道電路的“狀態(tài)修”。

目前，我國鐵路普遍采用的軌道電路制式為無絕緣軌道電路JTC(Jointless Track Circuit)和25 Hz相敏軌道電路。其中，既有線區(qū)間主要采用ZPW-2000型JTC，客運(yùn)專線全部采用ZPW-2000型JTC，既有線站內(nèi)部分采用25 Hz相敏軌道電路。由于JTC組成元件多，設(shè)備之間具有復(fù)雜的冗余關(guān)系[1]，且廣泛應(yīng)用于區(qū)間，維護(hù)起來相對(duì)困難，而25 Hz相敏軌道電路僅用于站內(nèi)，設(shè)備構(gòu)成為簡單的串聯(lián)關(guān)系。因此，從設(shè)備維護(hù)難度和結(jié)構(gòu)復(fù)雜性考慮，本文選擇JTC作為可靠性實(shí)時(shí)評(píng)估研究對(duì)象。

同時(shí)，TCR(Track Circuit Reader)遠(yuǎn)程監(jiān)測系統(tǒng)能夠?qū)εc鋼軌相連的JTC室外設(shè)備進(jìn)行有效監(jiān)測。因此，本文通過TCR遠(yuǎn)程監(jiān)測系統(tǒng)對(duì)JTC可靠性實(shí)時(shí)評(píng)估方法進(jìn)行研究是可行的。

然而，國內(nèi)外目前尚沒有開展JTC可靠性實(shí)時(shí)評(píng)估方面的研究，對(duì)JTC的研究主要集中在狀態(tài)監(jiān)測和故障診斷方面。文獻(xiàn)[2]提出基于HHT、DBWT的JTC補(bǔ)償電容故障診斷方法。文獻(xiàn)[3]提出基于L-M算法的道砟電阻定量計(jì)算方法。文獻(xiàn)[4]提出基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的JTC調(diào)諧區(qū)故障診斷方法。文獻(xiàn)[5]建立了感應(yīng)電壓對(duì)補(bǔ)償電容容值的求解模型，對(duì)補(bǔ)償電容容值估計(jì)方法進(jìn)行了研究。

以上研究可以對(duì)JTC主要元件進(jìn)行狀態(tài)監(jiān)測和故障診斷，如果進(jìn)一步考慮運(yùn)用條件和外部環(huán)境影響，可以給出指定JTC在當(dāng)前狀態(tài)下的可靠性。

JTC室外設(shè)備工作在復(fù)雜的外部環(huán)境中，環(huán)境條件對(duì)失效率的影響具有較強(qiáng)的模糊性和隨機(jī)性，很難用具體的公式對(duì)其進(jìn)行精確描述[6]，而云理論是用云的概念將某個(gè)定性概念與其定量表示之間的不確定性描述出來，構(gòu)成定性與定量之間的映射[7]，能夠用于描述環(huán)境條件對(duì)失效率的模糊性和隨機(jī)性。

本文通過失效率適應(yīng)云模型構(gòu)造JTC設(shè)備失效率與環(huán)境數(shù)據(jù)之間的數(shù)學(xué)模型，根據(jù)TCR遠(yuǎn)程監(jiān)測系統(tǒng)獲取的JTC實(shí)時(shí)狀態(tài)信息，建立實(shí)時(shí)狀態(tài)下JTC的可靠度模型，實(shí)現(xiàn)JTC可靠性實(shí)時(shí)評(píng)估指標(biāo)的計(jì)算。最后，通過云模型構(gòu)造可靠性實(shí)時(shí)評(píng)估語言評(píng)價(jià)集，實(shí)現(xiàn)對(duì)JTC可靠性的實(shí)時(shí)評(píng)估。

1 JTC與TCR工作原理

JTC由發(fā)送器、傳輸電纜(發(fā)送、接收)、鋼軌傳輸線路(鋼軌、補(bǔ)償電容、發(fā)送端匹配調(diào)諧區(qū)、接收端匹配調(diào)諧區(qū)組成)以及接收器等構(gòu)成；TCR遠(yuǎn)程監(jiān)測系統(tǒng)主要由TCR天線、A/D采樣和解碼譯碼模塊、遠(yuǎn)程監(jiān)測車載傳輸模塊、GPRS網(wǎng)絡(luò)、Internet網(wǎng)絡(luò)以及TCR遠(yuǎn)程監(jiān)測數(shù)據(jù)服務(wù)器和地面監(jiān)測終端[8]構(gòu)成。其組成系統(tǒng)工作原理如圖1所示。

圖1 JTC與TCR遠(yuǎn)程監(jiān)測系統(tǒng)工作原理圖

對(duì)于JTC來講，在調(diào)整狀態(tài)下，JTC信號(hào)經(jīng)發(fā)送通道進(jìn)入鋼軌后，由接收端調(diào)諧區(qū)向發(fā)送端調(diào)諧區(qū)方向傳輸，之后由接收通道將信號(hào)傳輸給接收器。若接收信號(hào)幅值高于接收器接收閾值，則JTC能正常工作；該信號(hào)振幅若因元件故障或運(yùn)用條件變化低于閾值，則該JTC失效并被關(guān)閉；在分路狀態(tài)下，JTC信號(hào)被列車輪對(duì)截止，并在鋼軌中形成短路電流，若該短路電流幅值均高于規(guī)定閾值，此后經(jīng)空間電磁感應(yīng)，TCR主機(jī)可以接收該信號(hào)，獲得移頻信息，若因JTC運(yùn)用條件變化，該短路電流幅值低于規(guī)定閾值，則列車無法獲取移頻信息，導(dǎo)致緊急停車。

對(duì)于TCR來講，TCR天線與短路電流進(jìn)行電磁感應(yīng)作用后，會(huì)收到相應(yīng)的電壓信號(hào)，TCR主機(jī)對(duì)該信號(hào)進(jìn)行處理后，將提取的信息發(fā)送給列控車載設(shè)備。此后，遠(yuǎn)程監(jiān)測車載傳輸模塊通過網(wǎng)絡(luò)將當(dāng)前所在JTC區(qū)段的信號(hào)機(jī)標(biāo)號(hào)、公里標(biāo)、列車速度以及載頻信息、感應(yīng)電壓幅值數(shù)據(jù)傳輸給地面監(jiān)測服務(wù)器和終端，方便現(xiàn)場人員查看。

2 云理論

2.1 云模型

云模型的最小單位是云滴x，并用確定度μ來表示云滴對(duì)某一定性概念的貼近程度，其兼有概率論中的隨機(jī)意義和模糊理論中的隸屬度意義。文獻(xiàn)[7]對(duì)云的定義和種類進(jìn)行了具體描述。

云模型采用期望Ex、熵En和超熵He這3個(gè)數(shù)字特征來表征一個(gè)定性概念，如圖2所示。

圖2 云及數(shù)字特征

此3個(gè)數(shù)字特征具有如下特點(diǎn)：Ex為云滴群的均值，最能代表該定性概念；En體現(xiàn)了定性概念在論域空間中的取值范圍，其取值大小反映了云的“寬、窄”；He體現(xiàn)了對(duì)應(yīng)樣本取值的隨機(jī)性，提供了模糊性和隨機(jī)性結(jié)合的途徑，其取值大小反映了云層的“厚、薄”。

在云理論中，云發(fā)生器解決了云滴樣本與Ex，En，He之間轉(zhuǎn)換的問題，可以分為正向云發(fā)生器、逆向云發(fā)生器和X條件云發(fā)生器，如圖3所示。

(a)正向云發(fā)生器 (b)逆向云發(fā)生器 (c)X條件云發(fā)生器圖3 云發(fā)生器原理圖

圖3中，drop(xi，μi)為特定個(gè)數(shù)的云滴樣本，x=x0為特定的輸入值，Ndrop為生成的云滴個(gè)數(shù)，各種云發(fā)生器的生成算法可以參考文獻(xiàn)[6]。

2.2 失效率適應(yīng)云模型

每個(gè)元件都有一定的工作壽命，環(huán)境條件的改變會(huì)對(duì)元件的使用時(shí)間產(chǎn)生影響。一般情況下，元件處于最佳工作環(huán)境條件下，發(fā)生失效的概率最小，使用時(shí)限最長；處于正常工作環(huán)境條件邊沿時(shí)，發(fā)生失效的概率最大，使用時(shí)限最??；當(dāng)超出正常工作環(huán)境范圍時(shí)，元件無法工作。由環(huán)境對(duì)元件壽命影響的特點(diǎn)可知，在可變環(huán)境下，元件失效概率服從以最佳環(huán)境為中心值的泛正態(tài)分布，而云模型本質(zhì)上即是此分布[9]。文獻(xiàn)[10-12]構(gòu)造了服從正態(tài)云分布的適應(yīng)能力模型，描述了環(huán)境與元件失效率間的影響關(guān)系。因此，可以采用n維正態(tài)云模型來描述元件對(duì)n項(xiàng)環(huán)境的適應(yīng)能力。

C[(Ex1，…，Exn)，(En1，…，Enn)，(He1，…，Hen)]

( 1 )

式中：AC為綜合適應(yīng)云，表示元件對(duì)所有環(huán)境影響因素的綜合適應(yīng)能力；n為環(huán)境影響因素總數(shù)；ACi為單一環(huán)境適應(yīng)云，表示元件對(duì)第i個(gè)環(huán)境的適應(yīng)能力，可以按照環(huán)境的特點(diǎn)，選取合適的云的類型。

對(duì)于綜合適應(yīng)云AC的所有數(shù)字特征，文獻(xiàn)[10]提供了一個(gè)指標(biāo)近似求法。

( 2 )

式中：Fmin，F(xiàn)max為元件工作環(huán)境適應(yīng)范圍的邊界值；k為常數(shù)，一般取En/10。

根據(jù)式( 1 )可以得到失效率對(duì)環(huán)境條件的適應(yīng)云為

ACλ=λideal/AC

( 3 )

式中：ACλ為失效率適應(yīng)云；λideal為理想條件下元件的失效率。

ACλ求出的云滴是所有環(huán)境影響因素下對(duì)應(yīng)元件失效率的值，對(duì)于特定環(huán)境下的具體元件失效概率取值λX=x0，可以采用X條件云發(fā)生器求出。

( 4 )

式中：AC|X為失效率適應(yīng)云構(gòu)成的X條件云發(fā)生器；x0為X條件云發(fā)生器的輸入條件，取值為當(dāng)前具體的環(huán)境值；Ex(·)為期望；λideal為元件固有理想失效率。

3 JTC可靠性實(shí)時(shí)評(píng)估算法設(shè)計(jì)

3.1 總體思路

本文所提算法的總體思路如圖4所示。

圖4 JTC可靠性實(shí)時(shí)評(píng)估算法的總體思路

文獻(xiàn)[2-5]提供了JTC補(bǔ)償電容容值、調(diào)諧單元狀態(tài)以及道砟電阻阻值等信息的求解算法，可以根據(jù)TCR遠(yuǎn)程監(jiān)測系統(tǒng)采集的感應(yīng)電壓幅值包絡(luò)進(jìn)行JTC狀態(tài)求解；鐵路信號(hào)集中監(jiān)測系統(tǒng)提供了JTC室內(nèi)設(shè)備的狀態(tài)。根據(jù)各監(jiān)測系統(tǒng)提供的狀態(tài)，可以建立單個(gè)JTC實(shí)時(shí)狀態(tài)下的可靠度模型，進(jìn)而推導(dǎo)出JTC實(shí)時(shí)狀態(tài)下的MTTF表達(dá)式。根據(jù)天氣數(shù)據(jù)庫[13]中環(huán)境信息和JTC設(shè)備失效率適應(yīng)云模型，能夠得到設(shè)備的具體失效概率值，二者結(jié)合后，可以求出具體的指標(biāo)值。最后，通過建立相應(yīng)的指標(biāo)評(píng)價(jià)語言集，實(shí)現(xiàn)指標(biāo)的評(píng)估。

3.2 JTC實(shí)時(shí)狀態(tài)下的可靠度模型

由JTC的結(jié)構(gòu)可知，JTC中發(fā)送器、傳輸電纜、匹配變壓器、鋼軌傳輸線路和接收器滿足串聯(lián)關(guān)系，則實(shí)時(shí)狀態(tài)下JTC的系統(tǒng)可靠度為

RJTC(τ，τ+t)=PJTC(τ+t時(shí)刻正常|τ時(shí)刻正常)=

Rse(τ，τ+t)Rtc(τ，τ+t)Rmt(τ，τ+t)·

Rtr(τ，τ+t)Rmt(τ，τ+t)Rtc(τ，τ+t)·

Rat(τ，τ+t)Rre(τ，τ+t)

( 5 )

式中：τ為當(dāng)前時(shí)刻，即獲取設(shè)備狀態(tài)時(shí)刻；t為τ時(shí)刻后的運(yùn)行時(shí)間；PJTC(τ+t時(shí)刻正常|τ時(shí)刻正常)表示JTC在τ時(shí)刻正常，t時(shí)刻后仍正常的概率；Rse(τ，τ+t)，Rtc(τ，τ+t)，Rmt(τ，τ+t)，Rtr(τ，τ+t)，Rat(τ，τ+t)，Rre(τ，τ+t)分別為發(fā)送器、傳輸電纜、匹配變壓器、鋼軌傳輸線路、衰耗器、接收器實(shí)時(shí)狀態(tài)下的可靠度。

對(duì)JTC各組成部分實(shí)時(shí)狀態(tài)下的可靠度分別進(jìn)行建模。

(1)鋼軌傳輸線路實(shí)時(shí)狀態(tài)下的可靠度

設(shè)一段JTC長度為l，由nc個(gè)補(bǔ)償電容、4個(gè)調(diào)諧單元和2個(gè)空心線圈組成。τ時(shí)刻，經(jīng)JTC狀態(tài)辨識(shí)算法進(jìn)行狀態(tài)檢測后，道砟電阻阻值為Rd，鋼軌傳輸線路各元件的狀態(tài)構(gòu)成初始狀態(tài)組合S0為

( 6 )

假設(shè)當(dāng)前鋼軌線路中有m個(gè)元件能夠正常工作，則t時(shí)間后，鋼軌傳輸線路元件共有2m種可能狀態(tài)組合情況，并構(gòu)成狀態(tài)空間W。

( 7 )

上文指出，JTC可靠工作應(yīng)滿足

( 8 )

基于傳輸線理論，文獻(xiàn)[1，14]對(duì)Azg和Adl進(jìn)行了建模，給出了接收器輸入信號(hào)模型Fzg(·)[1]和最小短路電流模型Fdl(·)[14]。

將狀態(tài)空間W中的各狀態(tài)組合Sj、道砟電阻阻值Rd、軌道電路長度l、載頻fz等信息代入Fzg(·)和Fdl(·)，可得

( 9 )

結(jié)合式( 8 )、式( 9 )，可以求出W中能夠令JTC可靠運(yùn)行的狀態(tài)組合sk，并構(gòu)成鋼軌傳輸線路狀態(tài)子空間w，滿足

(10)

式中：ξ為W中能夠令JTC可靠工作的狀態(tài)組合數(shù)。

則鋼軌傳輸線路實(shí)時(shí)狀態(tài)下的可靠度為

(11)

式中：P{sk，τ+t|S0，τ}為鋼軌傳輸線路狀態(tài)在τ時(shí)刻為S0的條件下，t時(shí)間后為sk的概率。

設(shè)S0中正常工作的補(bǔ)償電容、調(diào)諧單元、空心線圈個(gè)數(shù)分別為mc，mb，ms，sk中正常工作的補(bǔ)償電容、調(diào)諧單元、空心線圈個(gè)數(shù)分別為mck，mbk，msk。由于電子元件失效分布為指數(shù)分布，P{sk，τ+t|S0，τ}可以表示為

P{sk，τ+t|S0，τ}=(e-λct)mck(1-e-λct)mc-mck·

(e-λbt)mbk(1-e-λbt)mb-mbk(e-λst)msk(1-e-λst)ms-msk

(12)

式中：λc，λb和λs分別為當(dāng)前環(huán)境條件下補(bǔ)償電容、調(diào)諧單元和空心線圈的具體失效率值。

從而，式(11)可以表示為

(1-e-λbt)mb-mbk(e-λst)msk(1-e-λst)m-msk|

(13)

(2)發(fā)送器、接收器實(shí)時(shí)狀態(tài)下的可靠度

實(shí)驗(yàn)分別從所有(ALL)用戶和僅考慮冷啟動(dòng)(Cold-Start)用戶兩個(gè)角度來進(jìn)行對(duì)比.圖1～圖4給出了本文算法DPTrustSVD與兩個(gè)相關(guān)算法從All角度得到的MAE和RMSE結(jié)果比較.其中，DPSVD代表對(duì)無社會(huì)化關(guān)系的SVD++做目標(biāo)函數(shù)加擾的算法.圖1和圖2是FilmTrust數(shù)據(jù)集上的結(jié)果，圖3和圖4是Epinions數(shù)據(jù)集上的結(jié)果.

本文以ZPW-2000A型JTC為例，研究發(fā)送器、接收器實(shí)時(shí)狀態(tài)下可靠度模型的建立方法?？紤]發(fā)送器、接收器設(shè)備失效服從指數(shù)分布，發(fā)送器的發(fā)送報(bào)警繼電器完全可靠。

在τ時(shí)刻，如果發(fā)送器主備機(jī)、接收器主并機(jī)均正常，此時(shí)發(fā)送器的狀態(tài)轉(zhuǎn)移過程可以采用三狀態(tài)的Markov過程來描述[15]，則發(fā)送器實(shí)時(shí)狀態(tài)下的可靠度可以描述為

Rse(τ，τ+t)=-Ne-(N+1)λse(τ+t-τ)+

(N+1)e-Nλse(τ+t-τ)=

-Ne-(N+1)λset+(N+1)e-Nλset

(14)

由于接收器采用“雙機(jī)熱備”冗余方式，接收器實(shí)時(shí)狀態(tài)下的可靠度為

Rre(τ，τ+t)=1-(1-e-λre(τ+t-τ))(1-e-λre(τ+t-τ))=

2e-λret-e-2λret

(15)

式中：N為發(fā)送器的冗余個(gè)數(shù)；λse，λre為發(fā)送器、接收器設(shè)備在當(dāng)前環(huán)境條件下的失效率。

在τ時(shí)刻，如果發(fā)送器主備機(jī)或接收器主并機(jī)有一個(gè)故障，此時(shí)發(fā)送器、接收器均僅有兩個(gè)狀態(tài)，則發(fā)送器、接收器實(shí)時(shí)狀態(tài)下的可靠度可以表示為

(16)

設(shè)λtc，λmt，λat分別為傳輸電纜、匹配變壓器、衰耗器在當(dāng)前環(huán)境條件下的失效率，由于不含冗余結(jié)構(gòu)，則當(dāng)τ時(shí)刻設(shè)備正常時(shí)，實(shí)時(shí)狀態(tài)下可靠度可以分別表示為

(17)

3.3 JTC實(shí)時(shí)狀態(tài)下MTTF

平均失效前時(shí)間MTTF作為可靠性指標(biāo)之一，是在可靠度的基礎(chǔ)上對(duì)時(shí)間進(jìn)行積分，消除了變量t對(duì)評(píng)估結(jié)果的影響，可以用于評(píng)估JTC實(shí)時(shí)狀態(tài)下的可靠性。

由式( 5 )可得

Rtr(τ，τ+t)Rmt(τ，τ+t)Rtc(τ，τ+t)Rat(τ，τ+t)·

Rre(τ，τ+t)]dt

(18)

將式(13)代入式(18)得

Rtc(τ，τ+t)Rmt(τ，τ+t)Rmt(τ，τ+t)·

Rtc(τ，τ+t)Rat(τ，τ+t)Rre(τ，τ+t)]dt=

Rmt(τ，τ+t)Rmt(τ，τ+t)Rtc(τ，τ+t)Rat(τ，τ+t)·

(e-λbt)mbk(1-e-λbt)mb-mbk(e-λst)msk(1-e-λst)ms-msk·

Rse(τ，τ+t)Rtc(τ，τ+t)Rmt(τ，τ+t)Rmt(τ，τ+t)·

Rtc(τ，τ+t)Rat(τ，τ+t)Rre(τ，τ+t)dt]=

(19)

在實(shí)際運(yùn)用過程中，JTC發(fā)送端、接收端調(diào)諧區(qū)中若累計(jì)發(fā)生兩個(gè)及以上調(diào)諧區(qū)元件故障，則系統(tǒng)必故障，因此，為減少計(jì)算量，僅考慮調(diào)諧區(qū)最多會(huì)出現(xiàn)一個(gè)元件故障的情況，即

mb-mbk+ms-msk≤1

(20)

將式(19)經(jīng)二項(xiàng)式展開后積分求和，即可求出JTC實(shí)時(shí)狀態(tài)下的MTTF表達(dá)式。

3.4 指標(biāo)計(jì)算

文獻(xiàn)[16]規(guī)定了JTC設(shè)備可靠工作的環(huán)境條件，即環(huán)境溫度在-40～70 ℃之間；環(huán)境相對(duì)濕度≥95%。由于室內(nèi)設(shè)備一直處于最佳的工作環(huán)境下，而室外元件工作于多變的外部環(huán)境下，因此，僅需建立室外元件對(duì)室外溫度T和相對(duì)濕度H的適應(yīng)能力二維正態(tài)云模型，如圖5所示。

圖5 元件對(duì)室外溫度、相對(duì)濕度的二維正態(tài)云

結(jié)合式( 2 )，可以求出元件對(duì)T，H的綜合適應(yīng)云為

ACT，H=C[(15，0)，(18.3，0.32)，(1.83，0.032)]

(21)

其中，元件對(duì)T的適應(yīng)能力采用一維正態(tài)云描述，元件對(duì)H的適應(yīng)能力采用一維半降云描述。

將ACT，H、當(dāng)前的室外溫度和相對(duì)濕度以及文獻(xiàn)[1]中提供的JTC元件失效率代入式( 4 )，即可求出JTC各組成部分的失效率，進(jìn)而得到JTC實(shí)時(shí)狀態(tài)下的可靠度值。

3.5 指標(biāo)評(píng)估

TB/T 3206—2008《ZPW-2000軌道電路技術(shù)條件》規(guī)定了JTC設(shè)備的MTBF不得低于106h[17]。對(duì)于可修系統(tǒng)，若維修時(shí)間很短，則MTBF可以近似為MTTF。為滿足行車需求，JTC故障后，須在數(shù)小時(shí)恢復(fù)，因此，MTBF可近似為MTTF。由此可得，MTTFJTC最低為106h。

同時(shí)，鐵路中將電子設(shè)備的安全完善度劃分成4個(gè)等級(jí)，且文獻(xiàn)[18]中規(guī)定系統(tǒng)容許的失效率最低為10-9/h，由此可得，MTTFJTC最高為109h。

因此JTC的MTTFJTC取值范圍為

106h≤MTTFJTC≤109h

(22)

為評(píng)價(jià)JTC實(shí)時(shí)狀態(tài)下可靠性的高低，便于指導(dǎo)信號(hào)檢修人員工作，現(xiàn)將JTC的可靠性從“極低”至“極高”劃分為11個(gè)級(jí)別，其各個(gè)評(píng)價(jià)級(jí)別對(duì)應(yīng)的可靠性評(píng)價(jià)集云見表1。

表1 JTC系統(tǒng)可靠性評(píng)價(jià)集云

由表1的JTC可靠性評(píng)價(jià)集云可以得到JTC系統(tǒng)可靠性實(shí)時(shí)評(píng)價(jià)集對(duì)數(shù)云，如圖6所示。

圖6 JTC系統(tǒng)可靠性實(shí)時(shí)評(píng)價(jià)集對(duì)數(shù)云

云理論中的確定度包含了隸屬度的意義，可以用于描述一個(gè)定量值對(duì)定性概念的貼近程度，因此，可以采用X條件云發(fā)生器來計(jì)算MTTFJTC對(duì)某一可靠性評(píng)價(jià)級(jí)別的貼近程度。

μvalue=VC|X(X=MTTFJTC)

(23)

式中：μvalue為MTTFJTC對(duì)某個(gè)可靠性評(píng)價(jià)級(jí)別的確定度；VC|X為某個(gè)可靠性評(píng)價(jià)級(jí)別對(duì)應(yīng)云構(gòu)造的X條件云發(fā)生器。確定度越高，表明對(duì)該可靠性評(píng)價(jià)級(jí)別貼近越高，其最大值對(duì)應(yīng)的級(jí)別為最終評(píng)價(jià)結(jié)果。

4 算例驗(yàn)證

4.1 仿真驗(yàn)證

4.1.1 不同環(huán)境條件的可靠性評(píng)估結(jié)果

取Rd=2.5 Ω·km，補(bǔ)償電容C8故障(從發(fā)送端數(shù)第8個(gè))，其他補(bǔ)償電容均為25 μF，JTC其余部分均正常。在此條件下，不同環(huán)境條件的室外設(shè)備失效率與可靠性評(píng)估結(jié)果見表2。

表2 不同環(huán)境條件的室外設(shè)備失效率與可靠性評(píng)估結(jié)果

4.1.2 不同補(bǔ)償電容故障的可靠性評(píng)估結(jié)果

取補(bǔ)償電容容值為25 μF，道砟電阻阻值Rd=2.5 Ω·km，室外溫度T=20 ℃，相對(duì)濕度H=50%，其余JTC組成部分均正常。在此條件下，不同補(bǔ)償電容故障的可靠性評(píng)估結(jié)果見表3。

表3 補(bǔ)償電容故障狀態(tài)的可靠性評(píng)估結(jié)果

4.1.3 不同道砟電阻的可靠性評(píng)估結(jié)果

取補(bǔ)償電容C8斷線，其余補(bǔ)償電容均為25 μF，室外溫度T=20 ℃，相對(duì)濕度H=50%，JTC其余部分正常。在此條件下，不同道砟電阻的可靠性評(píng)估結(jié)果見表4。

表4 道砟電阻變化可靠性評(píng)估結(jié)果

4.1.4 不同調(diào)諧區(qū)故障的可靠性評(píng)估結(jié)果

取補(bǔ)償電容容值均為25 μF，室外溫度T=20 ℃，相對(duì)濕度H=50%，Rd=3 Ω·km。對(duì)發(fā)送端、接收端零阻抗和極阻抗調(diào)諧單元分別斷線狀態(tài)下的JTC可靠性進(jìn)行評(píng)估，結(jié)果見表5。

表5 調(diào)諧區(qū)故障狀態(tài)下可靠性評(píng)估結(jié)果

由表2～表5的仿真數(shù)據(jù)驗(yàn)證結(jié)果可以看出。本文算法能夠有效地對(duì)JTC系統(tǒng)實(shí)時(shí)狀態(tài)下的可靠性進(jìn)行評(píng)估，評(píng)估結(jié)果能夠反映元件故障以及環(huán)境變化對(duì)系統(tǒng)可靠性的影響。

4.2 現(xiàn)場數(shù)據(jù)

現(xiàn)選取某局管內(nèi)一JTC區(qū)段4個(gè)時(shí)間點(diǎn)的實(shí)際運(yùn)行監(jiān)測數(shù)據(jù)對(duì)本算法進(jìn)行驗(yàn)證。

由現(xiàn)場反饋情況可知，該JTC區(qū)段于某年3月3日發(fā)生補(bǔ)償電容C7斷線故障，并于3月6日進(jìn)行了維修，該區(qū)段補(bǔ)償電容個(gè)數(shù)nc=13，長度lm=1 200 m，載頻fz=2 000 Hz，相應(yīng)4個(gè)時(shí)間點(diǎn)的TCR監(jiān)測數(shù)據(jù)如圖7所示。

圖7 某JTC補(bǔ)償電容C7故障前后 TCR感應(yīng)電壓幅值包絡(luò)

經(jīng)JTC狀態(tài)辨識(shí)后，將此4個(gè)時(shí)間點(diǎn)的JTC各部分狀態(tài)以及當(dāng)時(shí)的室外溫度和相對(duì)濕度數(shù)據(jù)帶入本文算法，結(jié)果見表6。

表6 某JTC區(qū)段4個(gè)時(shí)刻的可靠性評(píng)估結(jié)果

該JTC補(bǔ)償電容C7發(fā)生斷線后，實(shí)時(shí)可靠性評(píng)估結(jié)果降為“較高”。此后，3月4日溫度回升、濕度降低，室外元件所處環(huán)境變優(yōu)，評(píng)估結(jié)果升高為“高”。最后，3月6日經(jīng)過維修，評(píng)估結(jié)果恢復(fù)為“極高”。由評(píng)估結(jié)果可知，本文算法能夠?qū)?shí)際JTC實(shí)時(shí)狀態(tài)下的可靠性進(jìn)行有效、準(zhǔn)確地評(píng)估。

5 結(jié)束語

本文在分析JTC和25 Hz相敏軌道電路特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，確定以JTC作為可靠性實(shí)時(shí)評(píng)估研究對(duì)象。針對(duì)目前可靠性分析方法在反映JTC實(shí)時(shí)健康狀況方面的不足，基于云理論，研究了JTC系統(tǒng)可靠性的實(shí)時(shí)評(píng)估方法。由仿真數(shù)據(jù)和實(shí)際數(shù)據(jù)驗(yàn)證結(jié)果可知，本算法可以對(duì)JTC實(shí)時(shí)的可靠性進(jìn)行準(zhǔn)確、有效的評(píng)估，為現(xiàn)場運(yùn)營維護(hù)人員能夠從“系統(tǒng)級(jí)”的層面判斷JTC當(dāng)前的運(yùn)用狀態(tài)提供了指導(dǎo)依據(jù)。同時(shí)由于不同制式的軌道電路之間具有同構(gòu)性，將本文算法進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整，可以應(yīng)用于包括25 Hz相敏軌道電路在內(nèi)的任何制式軌道電路。