BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在軌道交通車輛可靠性預(yù)測中的應(yīng)用

馬洪崗

摘? ? 要：隨著我國經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展，大量外來人口涌入城市，城市人口大規(guī)模發(fā)展造成系列問題，為解決城市交通擁堵問題，全國加快地鐵建設(shè)步伐，全國20多個城市擁有地鐵運營線路，地鐵運營安全成為人們關(guān)注的焦點，對地鐵運營系統(tǒng)做出安全性評價，可以辨識地鐵車站運營安全風(fēng)險因素，基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測軌道交通車輛可靠性，傳統(tǒng)可靠性預(yù)測方法預(yù)測效果差，采用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對軌道交通車輛可靠性預(yù)測。建立BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型，輸入中間層采用S型正切函數(shù)，結(jié)合反傳算法為學(xué)習(xí)函數(shù)，利用國內(nèi)某城市地鐵故障數(shù)據(jù)仿真分析，印證預(yù)測效果較好。

關(guān)鍵詞：BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò);可靠性分析;軌道交通列車

1? 引言

隨著現(xiàn)代社會不斷發(fā)展，城軌交通在交通系統(tǒng)中作用日益突出。研究城軌交通可靠性預(yù)測對保證列車安全運行具有重要意義。目前可靠性預(yù)測用于定量估計產(chǎn)品未來可靠性，常用有回歸預(yù)測法，相似產(chǎn)品類似論證法等。研究采用圖示法及故障分析法分析機(jī)車可靠性，預(yù)測效果差。楊晶等采用動態(tài)故障樹分析法對地鐵綜合監(jiān)控系統(tǒng)可靠性預(yù)測，張曉輝等運用蒙特卡洛改進(jìn)算法分析穩(wěn)態(tài)下地鐵可靠性指標(biāo)，面對時序特征故障數(shù)據(jù)預(yù)測精度不高。城軌交通是結(jié)構(gòu)復(fù)雜的機(jī)電系統(tǒng)，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)能實現(xiàn)輸入輸出狀態(tài)空間非線性映射，采用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測城軌交通車輛可靠性，分析BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對城軌交通車輛預(yù)測效果。

2? 城軌交通車輛運營安全評價相關(guān)研究

城軌快交通速發(fā)展同時，伴隨運營安全問題日益突出。國內(nèi)外城軌交通運營事故時有發(fā)生，主要集中在各種設(shè)備設(shè)施故障導(dǎo)致列車運營延誤等事故。通過各地地鐵運營安全事故統(tǒng)計了解，我國地鐵未發(fā)生火災(zāi)等災(zāi)難性運營事故，列車延誤等運營事故時有發(fā)生【1】。

軌道交通運營安全具有自身特殊性。由于地鐵線路鋪設(shè)于地下，環(huán)境相對封閉，人員密集度高，遇到緊急情況應(yīng)急疏散難度大，發(fā)生事故會造成巨大損失。城軌交通系統(tǒng)運營安全性關(guān)乎乘客正點出行，需要將安全放在運營首位，如何科學(xué)評價城軌交通所處安全狀態(tài)，發(fā)現(xiàn)消除存在安全隱患需要對城軌交通安全進(jìn)行系統(tǒng)合理評價。地鐵運營安全評價體系構(gòu)建是指導(dǎo)地鐵安全管理政策的重要途徑。風(fēng)評中多采用層次分析法為主要評價模型。由于模型涉及大規(guī)模矩陣計算，運算中容錯能力較大，指標(biāo)存在不易察覺相關(guān)關(guān)系，影響評價結(jié)果準(zhǔn)確性。

國外地鐵安全研究通過對地鐵事故實例積累形成成熟的理論體系。倫敦地鐵是上運營時間最長的地鐵系統(tǒng)，對地鐵安全管理總結(jié)風(fēng)評方法，分析預(yù)測重大因素對乘客造成的上海，確定危險因素傷害程度，采取相應(yīng)方法控制改進(jìn)。地鐵運營安全評價是信息復(fù)雜多因素綜合分析過程，為避免調(diào)查資料不全面帶來困難，避免指標(biāo)相關(guān)性帶來問題，采用具有高度非線性逼近能力，可自學(xué)習(xí)的BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)評價法，有效規(guī)避主觀因素，使得地鐵運營安全評價客觀。

3? 基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)地鐵運營可靠性評價模型

產(chǎn)品可靠性為規(guī)定時間內(nèi)完成規(guī)定功能能力，對產(chǎn)品可靠性定性分析需要給出可靠性定量表示。常用可靠性指標(biāo)包括故障率，故障概率密度等。故障率是表征城軌交通車輛科學(xué)重要指標(biāo)，是工作到t時刻未失效產(chǎn)品。

設(shè)樣本數(shù)目為N，在（t+[Δ]t）時刻產(chǎn)品失效數(shù)為n（t+[Δ]t），利用城軌車輛歷史故障數(shù)據(jù)，可得出車輛各時段故障率估值。已知產(chǎn)品在故障時序為t1，t2…tn，時刻可靠性指標(biāo)歷史數(shù)據(jù)，數(shù)學(xué)模型表述為

ytn+1=f（yt1，yt2，…ytn，t）

模型關(guān)鍵是確定函數(shù)關(guān)系f，假設(shè)數(shù)據(jù)符合指數(shù)分布常見分布，運用數(shù)理統(tǒng)計法給出分布參數(shù)估計，得到顯式表達(dá)式，方法人為性較大，會出現(xiàn)錯選分布模型，采用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測應(yīng)用方便。

4? BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在城軌交通車輛可靠性評價分析

神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)經(jīng)多年發(fā)展成為各國不同領(lǐng)域發(fā)展成熟的理論。BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是多層前饋神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，能學(xué)習(xí)存儲大量輸入模式映射關(guān)系，BP網(wǎng)絡(luò)模型同層神經(jīng)元間無聯(lián)系。Xm為輸入變量，wji，wkj為權(quán)值，f1，ff2為傳遞函數(shù)，BP網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)分為正反向傳播，先由輸入層經(jīng)中間層傳遞到輸出層，進(jìn)行到網(wǎng)絡(luò)輸出誤差小于規(guī)定值訓(xùn)練完成。

地鐵運營安全評價包括危險因素識別與評價，必須交叉進(jìn)行，要做好地鐵運營安全評價，需要找出危險因素。地鐵運營事故具有偶發(fā)性，必然性與規(guī)律性，類型多樣性與子間非線性等特征。根據(jù)《地鐵運營安全評價標(biāo)準(zhǔn)》，按照行車事故，人身傷亡危害程度，將地鐵運營事故分為5個等級。統(tǒng)計分析軌道交通運營事故數(shù)據(jù)，運營數(shù)據(jù)來源通過收集相關(guān)論文數(shù)據(jù)，網(wǎng)絡(luò)搜索得到。通過統(tǒng)計分析軌道交通運營故障，發(fā)現(xiàn)軌道交通運營故障類型不同，為對地鐵運營事故清楚認(rèn)識，匯總統(tǒng)計圖進(jìn)行分析?；馂?zāi)事故，爆炸事故占比較大。地震災(zāi)害事故占比較小。

采用S型正切函數(shù)輸入層到中間層傳遞函數(shù)：

f（x）=ax+b

對故障樣本處理，設(shè)總數(shù)為n，分為m小組，每組包含n-m+1個值，n-m+1個值為期望映射，后m-k組用于檢測。利用MATLAB對網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練，中間層神經(jīng)元數(shù)量m0按公式計算m0=[q1]，l為輸出層神經(jīng)元數(shù)，采用線性函數(shù)purelin中間層到輸出層傳遞函數(shù)，學(xué)習(xí)函數(shù)采用反傳算法的trainlm。

基于國內(nèi)某城市地鐵一號線車輛故障數(shù)據(jù)，求出車輛故障率，采用數(shù)據(jù)分16小組，前10組進(jìn)行訓(xùn)練。采用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對車輛故障數(shù)據(jù)仿真，BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練與目標(biāo)輸出吻合。測試故障率可跟蹤設(shè)計故障率。網(wǎng)絡(luò)輸出與目標(biāo)輸出測試輸出相關(guān)性達(dá)到0.90069，仿真效果較好。BP網(wǎng)絡(luò)可用于精確預(yù)測車輛可靠性。

5? 結(jié)束語

建立科學(xué)的地鐵運營安全評價體系，對加強地鐵安全管理具有重要意義。本文分析軌道交通運營安全特點，研究地鐵運營安全評價，建立改進(jìn)BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型，揭示地鐵運營安全與影響因素的關(guān)系。考慮傳統(tǒng)可靠性預(yù)測方法，面對可靠性數(shù)據(jù)處理精度不高問題，提出采用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對城軌交通車輛可靠性預(yù)測分析，利用歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)訓(xùn)練，仿真結(jié)果證明BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)能精確預(yù)測城軌交通車輛可靠性。僅對BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)城軌交通車輛可靠性預(yù)測應(yīng)用研究，有待對預(yù)測精度等問題深入研究。

參考文獻(xiàn)：

[1] 賞吳俊.城市軌道列車輔助逆變電源的開路故障診斷研究[D].西南交通大學(xué)，2014.

[2] 李建偉，程曉卿，秦勇，張媛，邢宗義.基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的城市軌道交通車輛可靠性預(yù)測[C].中國自動化學(xué)會智能自動化專業(yè)委員會.2013年中國智能自動化學(xué)術(shù)會議論文集（第四分冊）.中國自動化學(xué)會智能自動化專業(yè)委員會：中國自動化學(xué)會智能自動化專業(yè)委員會，2013.