北京交通大學(xué)碩士學(xué)位論文電氣化鐵路接觸網(wǎng)系統(tǒng)維修計(jì)劃的多目標(biāo)優(yōu)化研究姓名劉曉民申請學(xué)位級(jí)別碩士專業(yè)電氣工程指導(dǎo)教師吳俊勇20090601北京交通大學(xué)碩士學(xué)位論文中文摘要中文摘要摘要中國高速鐵路的快速發(fā)展對(duì)電氣化鐵道的供電可靠性及接觸網(wǎng)系統(tǒng)維修提出了更高的要求。本文首先將電氣化鐵路接觸網(wǎng)系統(tǒng)及部件的維修方式分為三類，不同維修方式下系統(tǒng)的可靠性和維修費(fèi)用不同，并在此基礎(chǔ)上建立了不同維修方式組合下接觸網(wǎng)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)可靠性模型和維修費(fèi)用模型。為實(shí)現(xiàn)提高接觸網(wǎng)系統(tǒng)的可靠性并降低維修費(fèi)用的目標(biāo)，本文提出了一種混沌自適應(yīng)進(jìn)化算法CESA來求解這多目標(biāo)優(yōu)化問題，新算法的混沌初始種群算子提高了初代種群的多樣性，分組選擇策略保證了各代中一定數(shù)量的劣勢個(gè)體能參與進(jìn)化，自適應(yīng)遺傳算子增加了劣勢個(gè)體的交叉和變異概率，從而避免算法早熟，增強(qiáng)了算法的全局搜索能力。計(jì)算結(jié)果表明，CESA在種群多樣性保持和帕雷托PARETO最優(yōu)解收斂方面均優(yōu)于流行的NSGAII多目標(biāo)算法。采用CSEA算法得到的優(yōu)化維修計(jì)劃，不但可以顯著提高接觸網(wǎng)系統(tǒng)的可靠性，同時(shí)也大大降低了維修費(fèi)用。最后，將本文提出的多目標(biāo)優(yōu)化算法與傳統(tǒng)的單目標(biāo)優(yōu)化算法進(jìn)行了比較，也驗(yàn)證了多目標(biāo)優(yōu)化算法的優(yōu)越性。關(guān)鍵詞接觸網(wǎng)系統(tǒng)；可靠性維修；多目標(biāo)優(yōu)化；混沌初始種群；分組選擇算法；自適應(yīng)遺傳算法ABSTRACTABSTRACTHIGHEL“RELIABILITYOFPOWERSUPPLYANDOPTIMIZEDMAINTENANCESCHEDULEOFCATENARYSYSTEMALEREQUIREDURGENTLYWITHCHINASRAPIDDEVELOPMENTOFHIGH。SPEEDRAILWAYTHEDYNAMICRELIABILITYMODELANDMAINTENANCECOSTMODELOFTHECATENARYSYSTEMINHIGHSPEEDRAILWAYHAVEBEENESTABLISHEDATFIRSTINTHISPAPERWHEREALLTHEMAINTENANCEACTIONSHAVEBEENCATEGORIZEDINTOTHREETYPESANDDIFFERENTMAINTENANCEACTIONSLEADTODIFFERENTRELIABILITIESANDCOSTSTHEOPTIMIZATIONOFTHEMAINTENANCESCHEDULEISTOACHIEVEMAXIMUMRELIABILITYOFTHECATENARYSYSTEMANDMINIMUMMAINTENANCECOSTATTHESAMETIMETOSOLVETHISTYPICALMULTIOBJECTIVEOPTIMIZATIONPROBLEM，ANADVANCEDCHOASSELFADAPTIVEEVOLUTIONARYALGORITHM，CALLEDCSEA，HASBEENPROPOSEDINTHISPAPERTHECHAOTICINITIALPOPULATIONHELDSTOIMPROVETHEINITIALDIVERSITYTHEGROUPINGSELECTIONSTRATEGYHASBEENSUGGESTEDTOGIVETHEDOMINATEDSOLUTIONSMORECHANCETOENTERTHEMATEPOOL，ANDASELFADAPTIVEGENETICOPERATORISADOPTEDTOGIVETHEDOMINATEDSOLUTIONSHIGHERPOSSIBILITVTOCROSSANDVARIATIONALLOFTHEABOVEHELPTOAVOIDPREMATURITYANDENHANCETHEGLOBALSEARCHINGABILITYOFTHEALGORITHMSIMULATIONRESULTSSHOWTHAT，CSEAOUTPERFORMSNSGAIIINTERMSOFDIVERSITYPRESERVATIONANDINCONVERGINGCLOSERTOTHEPARETOOPTIMALSETATONERUNTIMEATTHEENDOFTHISPAPER,THECOMPARISONOFCESAWITHTHESINGLE。OBJECTIVEOPTIMIZINGALGORITHMHASBEENDONE，SHOWINGTHATCESACANOBTAINTHELIMITBOUNDARYOFTHESINGLEOBJECTIVEOPTIMIZINGALGORITHMANDPOSSESSESADVANTAGEOVERITINALGORITHMSTABILITYANDEFFECTIVENESSKEYWORDCATENARYSYSTEM；RELIABILITYCENTEREDMAINTENANCEMULTIOBJECTOPTIMIZATIONALGORITHM；CHAOTICINITIALPOPULATION；GROUPINGSELECTIONSTRATEGY；SELFADAPTIVEGENETICALGORITHML北京交通大學(xué)碩士學(xué)位論文獨(dú)創(chuàng)性聲明獨(dú)創(chuàng)性聲明本人聲明所早交的學(xué)位論文是本人在導(dǎo)師指導(dǎo)下進(jìn)行的研究I作和取得的研究成果，除了文中特別加以標(biāo)注和致謝之處外，論文中不包含其他人已經(jīng)發(fā)表或撰寫過的研究成果，也不包含為獲得北京交通大學(xué)或其他教育機(jī)構(gòu)的學(xué)位或證F5而使用過的材料。與我一同一J作的同J占對(duì)本研究所做的任何貢獻(xiàn)均已在論文中作了明確的說明并表示了謝意。學(xué)位論文作者簽名玉1幢C；簽字眺砂羅年占月爭日61學(xué)位論文版權(quán)使用授權(quán)書本學(xué)位論文作者完全了解北京交通人學(xué)有關(guān)保留、使用學(xué)位論文的規(guī)定。特授權(quán)J匕京交通人學(xué)可以將學(xué)位論文的全部或部分內(nèi)容編入有關(guān)數(shù)據(jù)庫進(jìn)行檢索，并采剛影印、縮印或掃描等復(fù)制手段保存、匯編以供奄閱和借閱。同意學(xué)校向國家有關(guān)部門或機(jī)構(gòu)送交論文的復(fù)印件和磁盤。保密的學(xué)位論文在解密后適用本授權(quán)說明學(xué)位論文作者簽名玉嘵肉簽字嗍加了年占月日導(dǎo)師簽名期7年石月鄉(xiāng)傭致謝本論文的工作是在我的導(dǎo)師吳俊勇教授的悉心指導(dǎo)下完成的，從論文的選題到研究的進(jìn)展，再到論文的撰寫，無處不傾注著吳老師的心血。吳老師嚴(yán)謹(jǐn)?shù)闹螌W(xué)態(tài)度和科學(xué)的工作方法給了我極大的影響；開闊的思維和思考問題的方式給了我極大的啟發(fā)；謙遜的處世態(tài)度和平易近人的待人之道讓我受益匪淺。吳老師既是我的良師，亦是我的益友，在我面臨人生方向選擇等難題的時(shí)候總是總能給我智慧的解答，并啟發(fā)我思考和解決這些問題，在此衷心感謝多年來吳老師對(duì)我的關(guān)心和指導(dǎo)在實(shí)驗(yàn)室工作及撰寫論文期間，楊嬡師姐、謝將劍等同學(xué)對(duì)我論文的研究工作和R常生活給予了熱情幫助，在此向他們表達(dá)我的感激之情感謝在研期間陪伴我一起學(xué)習(xí)和生活的同學(xué)們，我們的友誼地久天長感謝我的家人，他們無私的奉獻(xiàn)使我能夠在學(xué)校專心完成我的學(xué)業(yè)。緒論11研究背景及意義第1章緒論111我國電氣化鐵路發(fā)展概況鐵路作為國民經(jīng)濟(jì)大動(dòng)脈，是國家的重要基礎(chǔ)設(shè)施，其發(fā)展對(duì)促進(jìn)經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展，實(shí)現(xiàn)我國全面建設(shè)小康社會(huì)宏偉目標(biāo)有重要意義。為適應(yīng)全面建設(shè)小康社會(huì)的目標(biāo)要求，鐵路網(wǎng)要擴(kuò)大規(guī)模，完善結(jié)構(gòu)，提高質(zhì)量，快速擴(kuò)充運(yùn)輸能力，迅速提高裝備水平。2004年1月，國務(wù)院審議通過了我國鐵路史上第一個(gè)中長期鐵路網(wǎng)規(guī)劃，確定到2020年，我國鐵路營業(yè)里程將達(dá)到10萬KM，其中客運(yùn)專線12萬KM；復(fù)線率和電氣化率均達(dá)50。鐵道電氣化是鐵路現(xiàn)代化的重要標(biāo)志，是實(shí)現(xiàn)鐵路高速、重載的主要途徑。電氣化鐵路具有運(yùn)輸能力大、行駛速度快、消耗能源少、運(yùn)營成本低、工作條件好等優(yōu)點(diǎn)，對(duì)運(yùn)量大的干線鐵路和具有陡坡、長大隧道的山區(qū)干線鐵路實(shí)現(xiàn)電氣化，在技術(shù)上、經(jīng)濟(jì)上均有明顯的優(yōu)越性。隨著新技術(shù)、新材料的應(yīng)用，電氣化鐵路在數(shù)量上和質(zhì)量上都得到了很大的發(fā)展，電氣化鐵路己成為世界各國鐵路現(xiàn)代化的重要標(biāo)志。高速鐵路是當(dāng)前我國電氣化鐵路發(fā)展的趨勢，是解決客運(yùn)供需矛盾的重要手段之一。高速鐵路是指具有高加速和高減速性能及對(duì)列車運(yùn)行進(jìn)行自動(dòng)控制，時(shí)速在200KM以上的鐵路。與其他運(yùn)輸方式相比，高速鐵路具有全天候、安全好、運(yùn)能大、速度快、耗能低、污染輕等優(yōu)點(diǎn)乜1。從上世紀(jì)初至50年代，德、法、日等國都開展了大量的有關(guān)高速列車的理論研究和試驗(yàn)工作。鐵路高速技術(shù)至60年代己進(jìn)入實(shí)用階段，80年代又取得了一系列新突破，90年代后進(jìn)入建設(shè)與發(fā)展的新時(shí)期。例如，日本的新干線于1964年投入運(yùn)用，法國的高速列車TGV由1981年開始運(yùn)行，意大利的擺式列車從1988年聯(lián)接了米蘭和羅馬，德國的高技術(shù)ICE列車1961年6月正式通車等等1。截至2003年底，世界上時(shí)速超過250KM的高速鐵路運(yùn)營罩程己達(dá)到5900KM，還有超過3000KM高速鐵路在建疆1。我國近幾年已初步形成適合中國國情路情的高速鐵路自主技術(shù)體系。2006年的第六次大提速實(shí)現(xiàn)了京滬、京廣、京哈和隴海線部分區(qū)段，膠濟(jì)、浙贛、武九、廣深線等時(shí)速200KM的運(yùn)行目標(biāo)。在鐵路客運(yùn)專線網(wǎng)和鐵路提速規(guī)劃線路中，符合新建鐵路列車最高運(yùn)行時(shí)速不小于250KM，改建鐵路列車最高運(yùn)行時(shí)速不小于200KM，鐵路的集合，形成高速鐵路網(wǎng)規(guī)劃。路網(wǎng)結(jié)構(gòu)方面，將鐵路客運(yùn)專線按經(jīng)北京交通大學(xué)碩士學(xué)位論文濟(jì)社會(huì)發(fā)展需要和市場需求，分別定位為時(shí)速300“350KM檔次高速鐵路和時(shí)速200,250KM以客為主兼顧貨運(yùn)甚至是雙層集裝箱通路檔次高速鐵路目前這類客貨混跑的線路有甬福深、石太、寧合漢、昌莆等；環(huán)渤海、長江三角洲、珠江三角洲地區(qū)的城際軌道交通，以及長吉、昌九等城際軌道交通，時(shí)速不小于200KM；經(jīng)過提速改造，東、中部地區(qū)既有線已形成的時(shí)速不大于200KM的線路。這些線路構(gòu)成了一張完整的快速客運(yùn)鐵路網(wǎng)，時(shí)速200“250KM動(dòng)車組可上時(shí)速300“,350KM的線路運(yùn)行，時(shí)速不小于120KM客車可上時(shí)速200250KM的線路運(yùn)行。目前，設(shè)計(jì)時(shí)速為200,一300KM的京津城際鐵路己實(shí)現(xiàn)運(yùn)行，已經(jīng)在建的客運(yùn)專線項(xiàng)目有武廣、鄭西、石太、合武、甬臺(tái)溫、溫福、福廈、廣深港、膠濟(jì)、哈大等，建設(shè)規(guī)模達(dá)到5600公里，今年將相繼開工建設(shè)京滬H1、京石、石武、津秦等10條時(shí)速200KM以上客運(yùn)專線，建設(shè)規(guī)模為4100KM呻3。中國高速鐵路的大發(fā)展邁入了黃金時(shí)期。112電氣化鐵路接觸網(wǎng)維修情況簡介目前H1，世界各國對(duì)本國氣化鐵道接觸網(wǎng)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)、結(jié)構(gòu)、懸掛方式及使用的材料等均有一套較為完善的維修標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)接觸網(wǎng)的運(yùn)行質(zhì)量控制采用先進(jìn)的檢測手段和維修方式。檢測手段主要是應(yīng)用高速接觸網(wǎng)參數(shù)綜合檢測車、便攜式測量設(shè)備，對(duì)接觸網(wǎng)的動(dòng)態(tài)和靜態(tài)參數(shù)進(jìn)行檢測，并根據(jù)檢測情況對(duì)接觸網(wǎng)進(jìn)行維修；維修設(shè)備為專用接觸網(wǎng)作業(yè)車和維修工具。限于技術(shù)條件，當(dāng)前我國電氣化鐵路接觸網(wǎng)維修仍以人工維修為主，停電維修作業(yè)占有相當(dāng)大的比例。停電維修會(huì)影響到整個(gè)運(yùn)輸組織，供電分區(qū)內(nèi)將無法向列車提供電力。鐵路部門采用在列車運(yùn)行圖中為每個(gè)供電分區(qū)預(yù)留“天窗“的方法來安排維修時(shí)間。維修天窗預(yù)留的原則是既要保證供電系統(tǒng)的檢修作業(yè)，又不能因?yàn)榫S修天窗時(shí)間過長而造成鐵路通過能力較大損失和列車運(yùn)行速度降低過多，并且維修天窗應(yīng)安排在白天，便于各工種配合作業(yè)，也便于工務(wù)部門利用天窗時(shí)間維護(hù)線路哺，。到目前為止，設(shè)備的維修方式經(jīng)歷了事后維修、定期預(yù)防維修和狀態(tài)預(yù)知維修三個(gè)階段。電氣化鐵路接觸網(wǎng)設(shè)備沿鐵路露天布置，工作環(huán)境惡劣，使用條件苛刻，在無備用的情況下，某一部件損壞，就會(huì)影響整體運(yùn)行。我國接觸網(wǎng)設(shè)備自20世紀(jì)50年代以來，主要是進(jìn)行定期維修，現(xiàn)在處于向狀態(tài)維修過渡的階段呻1。1定期維修接觸網(wǎng)設(shè)備周期修體制是按時(shí)間周期和項(xiàng)目內(nèi)容，定期對(duì)接觸網(wǎng)設(shè)備進(jìn)行巡回檢修。它分為小修和大修兩種。小修維持性維修主要是對(duì)接觸網(wǎng)設(shè)備進(jìn)行檢2緒論測、清掃、涂油對(duì)磨損銹蝕到限的接觸線、承力索及供電線、回流線進(jìn)行整修、補(bǔ)強(qiáng)或局部更換；對(duì)損壞的零部件進(jìn)行更換，以保持接觸網(wǎng)設(shè)備的良好技術(shù)狀態(tài)。大修恢復(fù)性徹底維修主要是成批更換磨耗損壞到限的接觸線、承力索及供電線、回流線，更新零部件、定位支持裝置和支柱；對(duì)接觸線、承力索及供電線進(jìn)行必要改造，以改善接觸網(wǎng)設(shè)備技術(shù)狀態(tài)，提高供電能力舊1。2狀態(tài)維修接觸網(wǎng)設(shè)備狀態(tài)修體制是以設(shè)備的實(shí)際運(yùn)行狀態(tài)作為控制目標(biāo)來進(jìn)行檢測與維護(hù)的預(yù)防性維修方式。它是一種有目標(biāo)、有針對(duì)性的維護(hù)修理，根據(jù)設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)，在設(shè)備工作期內(nèi)，按照規(guī)定的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和測量周期，以科學(xué)的檢測手段和方法對(duì)設(shè)備技術(shù)數(shù)據(jù)、運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行檢測和綜合分析，獲取設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)，診斷出設(shè)備的劣化程度，找出相應(yīng)原因，進(jìn)行針對(duì)性的檢修。經(jīng)過統(tǒng)計(jì)分析來判斷確定設(shè)備是否應(yīng)進(jìn)行維修，應(yīng)在多長時(shí)間內(nèi)進(jìn)行維修，從而針對(duì)存在的問題，在設(shè)備狀態(tài)不良前進(jìn)行相應(yīng)合理地檢修和維護(hù)，確保設(shè)備安全運(yùn)行，最后根據(jù)使用年限，在達(dá)到使用壽命終極前進(jìn)行一次性更換，實(shí)行壽命管理。由于設(shè)備狀態(tài)在安全值范圍內(nèi)，就不進(jìn)行維修作業(yè)，只是加強(qiáng)巡視和檢查，因此減少不必要的維修，可節(jié)省大量人力、物力和時(shí)間，可集中力量用于其他設(shè)備的精檢細(xì)修，所以能夠有效地解決接觸網(wǎng)天窗與鐵路運(yùn)輸?shù)拿?，。隨著監(jiān)測手段和維修技術(shù)的進(jìn)步，狀態(tài)維修方式正在迅速發(fā)展，由于其技術(shù)要求高、維修系統(tǒng)復(fù)雜、前期投入大、準(zhǔn)備工作量大等特點(diǎn)，在我國仍處于探索階段隨1。我國電氣化鐵路J下在大力推廣綜合維修天窗模式，即供電、工務(wù)與電務(wù)維修作業(yè)統(tǒng)一于同一維修天窗時(shí)間內(nèi)進(jìn)行，為了更好地配合綜合維修天窗的開設(shè)，制定合理、優(yōu)化的維接觸網(wǎng)系統(tǒng)維修計(jì)劃具有重要意義。113本文研究的內(nèi)容及意義電氣化鐵道是一個(gè)系統(tǒng)工程，其中功能完備、配置合理、運(yùn)作高效的電氣化鐵道牽引供電系統(tǒng)的維護(hù)維修體系將直接影響運(yùn)行效率和經(jīng)濟(jì)效益。根據(jù)統(tǒng)計(jì)，2004年我國牽引供電系統(tǒng)因變電所故障導(dǎo)致停電次數(shù)為32次，停電總時(shí)間為902分鐘，平均停電時(shí)間6725分鐘；因接觸網(wǎng)故障導(dǎo)致停電次數(shù)為274次，累積停電時(shí)間為25160分鐘，平均停電時(shí)間為9182分鐘哺1。根據(jù)多年的電氣化運(yùn)營經(jīng)驗(yàn)，變電所及車站內(nèi)電氣設(shè)備故障率較低，而接觸網(wǎng)發(fā)生故障的概率較高，且無法實(shí)現(xiàn)備用，牽引供電系統(tǒng)的可靠性主要取決于接觸網(wǎng)系統(tǒng)的可靠性。因此應(yīng)充分、合理地進(jìn)行接觸網(wǎng)維護(hù)，切實(shí)保證接觸網(wǎng)平時(shí)的維護(hù)和事故狀態(tài)下的及時(shí)搶修N訓(xùn)。維護(hù)和維修是電氣化鐵路保證安全可靠的最基本要素之一N，而接觸網(wǎng)系統(tǒng)的可靠3北京交通大學(xué)碩士學(xué)位論文性、維修計(jì)劃的合理性及維修成本的高低直接關(guān)系到電氣化鐵道的運(yùn)營效率和運(yùn)營成本。本文研究的主要內(nèi)容，是從電氣化鐵路接觸網(wǎng)系統(tǒng)在周期預(yù)防性維修計(jì)劃下的可靠性和維修成本出發(fā)，采用多目標(biāo)進(jìn)化算法，對(duì)維修計(jì)劃進(jìn)行探索、優(yōu)化，求取在一定的經(jīng)濟(jì)條件下使系統(tǒng)可靠性最高、在一定的系統(tǒng)可靠性下使經(jīng)濟(jì)性最好以及使得系統(tǒng)可靠性和經(jīng)濟(jì)性同時(shí)最優(yōu)的維修計(jì)劃系列，為電氣化鐵路接觸網(wǎng)系統(tǒng)維修提供建議和理論支持。12研究方法及現(xiàn)狀121系統(tǒng)可靠性分析概述可靠性工程從工程實(shí)踐中發(fā)展起來，是一門綜合了故障分類學(xué)、統(tǒng)計(jì)學(xué)、失效物理學(xué)、環(huán)境科學(xué)和系統(tǒng)工程學(xué)等學(xué)科的新興學(xué)科。從學(xué)科性質(zhì)上來看，可靠性工程是系統(tǒng)工程的分支，是研究設(shè)備和系統(tǒng)在設(shè)計(jì)、研制、生產(chǎn)和使用各階段進(jìn)行可靠性定性和定量的分析、控制、評(píng)估、增長的理論方法，是實(shí)現(xiàn)設(shè)備和系統(tǒng)可靠性指標(biāo)與經(jīng)濟(jì)平衡的技術(shù)N21?？煽啃怨こ痰闹饕蝿?wù)是保證產(chǎn)品的可靠性和可用性，延長使用壽命，降低維修費(fèi)用，提高產(chǎn)品使用效益3。可靠性分析方法是指以概率論及數(shù)理統(tǒng)計(jì)等數(shù)學(xué)手段為基礎(chǔ)，對(duì)產(chǎn)品可靠性規(guī)律進(jìn)行定性和定量分析的方法。系統(tǒng)可靠性分析方法很多，較常用的有故障模式、影響及致命性分析法FAILUREMODEEFFECTANDCRITICALITYANALYSIS，F(xiàn)MECA、故障樹分析法FAULTTREEANALYSIS，F(xiàn)TA、事件樹分析法EVENTTREEANALYSIS，ETA、可靠性框圖模型RELIABILITYBLOCKDIAGRAM、貝葉斯信念網(wǎng)絡(luò)模型BAYESIANBELIEFNETWORKS，BBN、馬爾可夫隨機(jī)過程模型等。下面簡單介紹兩種最常用的方法。1故障模式、影響及危害性分析法FMECAFMECA是一種可靠性定性分析技術(shù)。目的是在設(shè)計(jì)初期對(duì)產(chǎn)品設(shè)計(jì)進(jìn)行評(píng)價(jià)，對(duì)系統(tǒng)單元可能的故障模式、影響及危害性進(jìn)行分析，以便作出設(shè)計(jì)評(píng)審與修改，預(yù)防產(chǎn)品在試驗(yàn)及使用時(shí)失敗。隨著多年的發(fā)展，F(xiàn)MECA方法廣泛應(yīng)用于機(jī)械維修N引、電子工業(yè)N副、計(jì)算機(jī)應(yīng)用N鉑以及軍事航天N8叫們等領(lǐng)域。2故障樹分析方法F，IA故障樹分析法是一種評(píng)價(jià)復(fù)雜系統(tǒng)可靠性與安全性的方法。早在60年代初就由美國貝爾實(shí)驗(yàn)室首先提出并應(yīng)用于民兵導(dǎo)彈的發(fā)射控制系統(tǒng)安全性分析中，用它來預(yù)測導(dǎo)彈發(fā)射的隨機(jī)故障概率。FTA是一種圖形演繹法，用一定的符號(hào)表示出頂事件一二次事件一叫底事件的邏輯關(guān)系，其程序是選擇頂事件、4緒論建立故障樹、定性及定量評(píng)定故障樹并求底事件的重要度等。它首先確定的是頂事件，通常是失效系統(tǒng)事件，然后對(duì)造成頂事件的各種根本原因底事件進(jìn)行分析，建立故障樹框圖模型，再根據(jù)各個(gè)底事件的失效概率和彼此問的邏輯關(guān)系計(jì)算系統(tǒng)可靠性概率。F1A法現(xiàn)已廣泛應(yīng)用于核工業(yè)洶1、采礦業(yè)妲交通運(yùn)輸業(yè)艘引、電力系統(tǒng)2舶等眾多領(lǐng)域。122系統(tǒng)維修策略概述系統(tǒng)通常指由一定數(shù)量設(shè)備或子系統(tǒng)組成的具有一定結(jié)構(gòu)、功能的實(shí)體。在系統(tǒng)維修中，通常需要對(duì)各個(gè)設(shè)備進(jìn)行單獨(dú)維修，也需要考慮對(duì)系統(tǒng)的整體維修。常見的設(shè)備維修策略模型主要以下分為5類陽11壽命相關(guān)預(yù)防性維修策略AGEDEPENDENTPMPOLICY。在此策略下，設(shè)備的維修時(shí)間與其壽命相關(guān)聯(lián)，在預(yù)先給定的有效壽命T或故障時(shí)進(jìn)行，直到設(shè)備完全維修為止。根據(jù)不同種類的預(yù)防性維修最小維修、不完全維修、完全維修、修復(fù)性維修最小維修、不完全維修、完全維修和費(fèi)用結(jié)構(gòu)，壽命相關(guān)預(yù)防性維修策略有不同的模型。2周期預(yù)防性維修策略PERIODICPMPOLICY。周期預(yù)防性維修策略中，不受設(shè)備失效歷史的約束，采用固定時(shí)間間隔KTKL，2，進(jìn)行預(yù)防維修，并且在其間的設(shè)備故障時(shí)進(jìn)行修復(fù)。3有限故障策略FAILURELIMITPOLICY。有限故障策略中，預(yù)防維修只有在設(shè)備的故障率或其他可靠性指標(biāo)達(dá)到事先制定的水平時(shí)才進(jìn)行，期問發(fā)生的故障通過修復(fù)來消除。4序列預(yù)防性維修策略SEQUENTIALPMPOLICY。與周期預(yù)防性維修策略不同，序列預(yù)防性維修策略中設(shè)備的預(yù)防維修間隔彼此不相等，通常維修間隔是逐漸縮短的，因?yàn)殡S著壽命的增加，設(shè)備需要更頻繁的維修來保持一定的可靠性。5有限維修策略REPAIRLIMITPOLICY。有限維修策略分為2類維修費(fèi)用有限策略和維修時(shí)間有限策略。維修費(fèi)用有限策略指當(dāng)設(shè)備發(fā)生故障時(shí)，對(duì)維修費(fèi)用進(jìn)行估計(jì)，如果維修費(fèi)用少于預(yù)先設(shè)定值，則進(jìn)行修復(fù)；否則，此設(shè)備將被替換。維修費(fèi)用有限策略的缺點(diǎn)是設(shè)備的替換和修復(fù)僅僅由維修費(fèi)用決定，如果進(jìn)行較為頻繁的維修，雖然維修費(fèi)用的預(yù)設(shè)值已經(jīng)達(dá)到，但實(shí)際上設(shè)備仍有較高的可靠性，顯然這種策略并不節(jié)約費(fèi)用。維修時(shí)間有限策略認(rèn)為如果一個(gè)設(shè)備沒有在指定的時(shí)間T內(nèi)完成修復(fù)，那么它將被新設(shè)備替換；否則，經(jīng)過修復(fù)的設(shè)備會(huì)被再次投入運(yùn)行，其中T稱為維修時(shí)間限制值。北京交通大學(xué)碩士學(xué)位論文上述5種設(shè)備維修策略模型啤中，壽命相關(guān)預(yù)防性維修策略和周期預(yù)防性維修策略得到了最為廣泛的研究和關(guān)注，相比之下，有限故障策略、有限維修策略和序列預(yù)防性維修策略更為實(shí)用，但相關(guān)研究卻較少。有限故障策略與序列預(yù)防性維修策略的一個(gè)缺點(diǎn)是它們的維修問隔不相等，因此維修工作實(shí)施較為困難。周期預(yù)防性維修策略與壽命相關(guān)預(yù)防性維修策略相比應(yīng)用更為廣泛，因?yàn)闊o需保留設(shè)備的使用記錄。總之，每種維修策略都有自己的優(yōu)勢和不足，在實(shí)際工程中需要根據(jù)具體的系統(tǒng)可靠性特點(diǎn)來選擇合適的維修策略陽1。系統(tǒng)維修策略基于設(shè)備維修策略，但由于牽涉較多的設(shè)備和復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，相比之下非常復(fù)雜。研究最為廣泛的系統(tǒng)維修策略有2種群維修策略GROUPMAINTENANCEPOLICY和機(jī)會(huì)維修策略O(shè)PPORTUNISTICMAINTENANCEPOLICY。1群維修策略從系統(tǒng)可靠性和運(yùn)行費(fèi)用的角度考慮，群維修策略是一種非常有效的維修策略。目前有關(guān)群維修策略的研究主要分為三類第1類的主要思路是按設(shè)備的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)或可靠性規(guī)律進(jìn)行分組，當(dāng)故障發(fā)生時(shí)對(duì)同組的設(shè)備進(jìn)行維修；第2類是在系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)引入備用設(shè)備的群替換策略，從而降低維修和運(yùn)營費(fèi)用；第3類研究主要集中于由彼此獨(dú)立的設(shè)備構(gòu)成的系統(tǒng)的群維修策略，所有的設(shè)備假設(shè)服從相同分布的隨機(jī)故障規(guī)律。2機(jī)會(huì)維修策略經(jīng)濟(jì)相關(guān)性普遍存在于絕大多數(shù)連續(xù)運(yùn)行的系統(tǒng)中，這樣的系統(tǒng)包括航空運(yùn)輸、船舶運(yùn)輸、電力系統(tǒng)、通信系統(tǒng)等瞳引。對(duì)于這類系統(tǒng)，系統(tǒng)停止運(yùn)行造成的費(fèi)用損失遠(yuǎn)大于維修成本，因此，采用機(jī)會(huì)維修策略可以獲得可觀的費(fèi)用節(jié)省。機(jī)會(huì)維修策略的思路簡單來說就是當(dāng)某個(gè)子系統(tǒng)發(fā)生故障進(jìn)行修復(fù)時(shí)，其他的非故障系統(tǒng)利用這個(gè)機(jī)會(huì)進(jìn)行預(yù)防性維修，從而提高系統(tǒng)的可靠性。123最優(yōu)化問題簡介最優(yōu)化問題就是對(duì)眾多方案進(jìn)行全面細(xì)致的分析、比較，找出使目標(biāo)最優(yōu)的方案。例如，常見的最優(yōu)化問題有從A點(diǎn)到B點(diǎn)走哪條路最近，怎樣最省時(shí)間，怎樣最省財(cái)力等等。很多實(shí)際工程都需要先進(jìn)行最優(yōu)規(guī)劃，建立最優(yōu)化模型并求取使目標(biāo)函數(shù)最優(yōu)的決策解，再根據(jù)求解結(jié)果展開工程。一般來說，最優(yōu)化問題有三個(gè)要素，分別是決策變量和參數(shù)、目標(biāo)函數(shù)、約束或限制條件，決策變量需要使目標(biāo)函數(shù)最優(yōu)并滿足約束條件，缺一不可。研究如下問題6緒論在約束條件X0，F(xiàn)1,2，聊和吩X0，凈ML，P下，求向量石，使函數(shù)FX取得極大值或極小值，這就是典型的最優(yōu)化問題。最優(yōu)化問題乜明分為線性規(guī)劃LINEARPROGRAMMING，LP，二次規(guī)劃QUADRATICPROGRAMMING，QP，非線性規(guī)劃NONLINEARPROGRAMMING，NP，整數(shù)規(guī)劃INTEGERPROGRAMMING，IP，幾何規(guī)劃GEOMETRICPROGRAMMING，GP，多目標(biāo)規(guī)劃MULTIOBJECTIVEPROGRAMMING，MOP，動(dòng)態(tài)規(guī)劃、不可微規(guī)劃、參數(shù)規(guī)劃和隨機(jī)規(guī)劃等。1線性規(guī)劃LINEARPROGRAMMING，LP若廠X、G，X、Z都是X的線性函數(shù)，則上述問題卜1就稱為線性規(guī)劃問題LP。線性規(guī)劃就是由目標(biāo)函數(shù)為決策變量的線性函數(shù)和約束條件為線性等式或線性不等式所組成的數(shù)學(xué)規(guī)劃。2二次規(guī)劃QUADRATICPROGRAMMING，QP在式II中，若函數(shù)GZX、忍X都是X的線性函數(shù)，而FX是X的二次函數(shù)，則上述問題卜1稱之為二次規(guī)劃問題。3非線性規(guī)劃NONLINEARPROGRAMMING，NP在式卜1中，若函數(shù)FX、GIX、忽X中至少有一個(gè)是X的非線性函數(shù)，則上述問題11稱之為非線性規(guī)劃問題。4整數(shù)規(guī)劃INTEGERPROGRAMMING，IP在卜1中，如果還要求某些決策變量或全部決策變量取非負(fù)的整數(shù)值，則上述問題11稱之為整數(shù)規(guī)劃問題。5多目標(biāo)規(guī)劃MULTIOBJECTIVEPROGRAMMING，MOP在卜1中，如果目標(biāo)函數(shù)石彳石，六X，ZZR，P2，即FX是石的一個(gè)向量函數(shù)，則上述問題11稱之為多目標(biāo)規(guī)劃問題。多目標(biāo)規(guī)劃問題通常包括多個(gè)目標(biāo)，在大多數(shù)情況下這些目標(biāo)不可比，它們的數(shù)值不能直接進(jìn)行優(yōu)劣關(guān)系的比較。另外，目標(biāo)之間經(jīng)常是相互沖突的，在不降低一種目標(biāo)值的情況下不能任意提高其他目標(biāo)的性能，因而只能在各個(gè)目標(biāo)之間取均衡后的結(jié)果?，F(xiàn)實(shí)世界的很多問題通常就是由相互沖突的多個(gè)目標(biāo)組成，單目標(biāo)優(yōu)化的最優(yōu)解一般可以清楚地定義，卻不能簡單地定義多目標(biāo)優(yōu)化問題的最優(yōu)解。對(duì)于多目標(biāo)優(yōu)化問題，存在一組帕雷托PARETO最優(yōu)解腳1，稱為PARETO最優(yōu)解集。這里的難點(diǎn)在于利用有限的信息，求出盡可能多的最優(yōu)解。多目標(biāo)進(jìn)化算法是用來解決這類問題的非常有效的方法，目前國內(nèi)外已經(jīng)提出了一些較為成熟的多目標(biāo)優(yōu)化算7，_IP斛、JQ汪廠人L啦地弘肛卜眥毋力U六塒厶1北京交通大學(xué)碩士學(xué)位論文法瞳吼6并在多目標(biāo)TSP、運(yùn)輸方式選擇等很多行業(yè)和工程中得到了具體的應(yīng)用心7。2引；CMFONSECA6副；，JHORN1，JKNOWLES64|，EZITZLER851和KDEB刪提出的進(jìn)化算法，可以通過一次計(jì)算就求解出PARETO最優(yōu)解。這些方法有兩個(gè)特點(diǎn)1基于當(dāng)代種群的非劣排序指定個(gè)體的適應(yīng)度；2在帕雷托前端上能保持物種的多樣性。此外，一些多目標(biāo)算法還引入了精英保留策略來增強(qiáng)算法收斂能力，女HPAES訓(xùn)和SPEA陽51。KDEB等在NSGA叫的基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)，提出了NSGAIIM。124系統(tǒng)維修策略優(yōu)化研究現(xiàn)狀維修計(jì)劃優(yōu)化模型通常都是有約束的非線性數(shù)學(xué)規(guī)劃或者整數(shù)規(guī)劃問題啤1，常用的數(shù)學(xué)規(guī)劃問題的傳統(tǒng)解法包括可行方向法、罰函數(shù)法、序列二次規(guī)劃法、分支定界法等。N3，這些方法通常能獲得規(guī)劃問題的局部最優(yōu)解。實(shí)際中，由于維修計(jì)劃模型的工程背景相對(duì)很復(fù)雜，模型規(guī)模較大、變量較多，傳統(tǒng)方法難以勝任，有關(guān)維修計(jì)劃優(yōu)化問題求解方法的研究更多地集中在智能優(yōu)化方法遺傳算法、模擬退火算法、禁忌搜索算法等和其它啟發(fā)式算法方面。近年來，國外有關(guān)維修計(jì)劃優(yōu)化問題的研究較為廣泛，主要的研究文獻(xiàn)包括LAPA等2000建立了以核工業(yè)系統(tǒng)可用度最大為目標(biāo)的維修計(jì)劃優(yōu)化模型，并采用遺傳算法求解提出的模型；TSAI等2001應(yīng)用遺傳算法求解機(jī)械設(shè)備的維修計(jì)劃問題；SIRAM等2003應(yīng)用啟發(fā)式方法求解航空運(yùn)輸中飛機(jī)維修計(jì)劃優(yōu)化問題；BUDAI等2004應(yīng)用優(yōu)化軟件CPLEX求解鐵路線路維修計(jì)劃的混合整數(shù)規(guī)劃問題；LAPA等2006提出了基于費(fèi)用一可靠性的維修計(jì)劃模型，并通過遺傳算法搜索模型的最優(yōu)解。相比之下，國內(nèi)的相關(guān)研究較少，主要研究文獻(xiàn)有于毅等2001提出應(yīng)用層次分析法來研究船舶維修計(jì)劃的優(yōu)化問題；易邁群2003應(yīng)用優(yōu)化軟件LINDO進(jìn)行維修計(jì)劃的優(yōu)化設(shè)計(jì)；厲紅等2005應(yīng)用遺傳算法解決集束型半導(dǎo)體制造設(shè)備的維修計(jì)劃優(yōu)化問題；周宇等2005建立了軌道狀態(tài)最優(yōu)綜合維修計(jì)劃模型，并通過遺傳算法進(jìn)行求解等。目I；I國內(nèi)可見的用多目標(biāo)進(jìn)化算法解決系統(tǒng)維修問題的研究文獻(xiàn)較少。徐林生等2008提出維修備件的模型和方法，該方法首先按照多屬性群決策方法對(duì)各種維修備件進(jìn)行綜合排序，然后再用多目標(biāo)規(guī)劃理論確定維修備件的選擇方案邊晶梅等2008采用小生境PARETO遺傳算法NPGA研究了在各種約束條件下混凝土橋面板最佳維修策略問題等。13論文的結(jié)構(gòu)緒論本文借鑒國內(nèi)外關(guān)于可靠性及系統(tǒng)維修的研究成果，結(jié)合中國電氣化鐵路發(fā)展情況及接觸網(wǎng)維修現(xiàn)狀，使用多目標(biāo)進(jìn)化算法對(duì)接觸網(wǎng)系統(tǒng)維修計(jì)劃進(jìn)行優(yōu)化，求取使得接觸網(wǎng)系統(tǒng)可靠性盡量高且維修費(fèi)用盡量低的最優(yōu)維修計(jì)劃解集，為國內(nèi)電氣化鐵路接觸網(wǎng)系統(tǒng)維修提供建議。文章分五章對(duì)上述內(nèi)容進(jìn)行詳細(xì)論述。第1章為緒論。主要闡述了論文研究的背景及意義，簡單介紹我國鐵路發(fā)展及維修情況現(xiàn)狀，說明制定合理的維修計(jì)劃的重要意義；總結(jié)了系統(tǒng)可靠性分析方法和維修策略，簡單介紹多目標(biāo)優(yōu)化問題及系統(tǒng)維修策略優(yōu)化研究現(xiàn)狀；介紹了論文的組織結(jié)構(gòu)。第2章為接觸網(wǎng)系統(tǒng)及其設(shè)備可靠性建模及維修費(fèi)用建模研究。主要介紹了電氣化鐵路接觸網(wǎng)系統(tǒng)及其重要設(shè)備，從系統(tǒng)可靠性分析出發(fā)說明接觸網(wǎng)系統(tǒng)可靠性建模的理論依據(jù)；簡要闡述了以可靠性為中心的維修和預(yù)防性維修，介紹了常用的可靠度函數(shù)威布爾分布，基于這兩種維修思想建立了在周期預(yù)防性維修活動(dòng)下的接觸網(wǎng)系統(tǒng)及其部件可靠性及故障率模型，最后建立了維修費(fèi)用模型。第3章為接觸網(wǎng)系統(tǒng)維修計(jì)劃的多目標(biāo)優(yōu)化研究。闡述了多目標(biāo)進(jìn)化算法及其關(guān)鍵問題，基于目前流行的NSGAII算法，提出使用混沌自適應(yīng)進(jìn)化算法CSEA來解決本文的優(yōu)化問題；詳細(xì)論述了CSEA在初始種群、選擇進(jìn)化個(gè)體、遺傳算子幾個(gè)部分的改進(jìn)及具體實(shí)現(xiàn)方法，最后給出了CSEA的流程圖。7第4章為算例及算法分析。主要通過算例求取接觸網(wǎng)維修計(jì)劃的最優(yōu)解集，通過比較分析，說明了CSEA在解決本文優(yōu)化問題時(shí)較NSGAII的優(yōu)越性，證明了CSEA的各部分改進(jìn)的正確性及有效性；對(duì)最優(yōu)計(jì)劃進(jìn)行選擇，給出系統(tǒng)各部件相應(yīng)維修方法及動(dòng)態(tài)可靠性圖。第5章為總結(jié)。主要概括了論文研究的主要內(nèi)容及取得的成果。9電氣化鐵路接觸網(wǎng)可靠性及維修策略分析第2章電氣化鐵路接觸網(wǎng)可靠性及維修策略分析21接觸網(wǎng)系統(tǒng)可靠性模型211電氣化鐵路接觸網(wǎng)系統(tǒng)及其主要設(shè)備概述作為電氣化鐵路的標(biāo)志之一，接觸網(wǎng)系統(tǒng)是鐵路電氣化工程的主構(gòu)架，承擔(dān)著向電力機(jī)車提供電力的重任。接觸網(wǎng)主要包括接觸懸掛、支持裝置、定位裝置、支柱與基礎(chǔ)幾部分。圖21所示為電氣化鐵道接觸網(wǎng)系統(tǒng)及其主要部件圖。嗍Z一1IU氣化鐵道接觸網(wǎng)系統(tǒng)及其土要部件倒FIG2ITHECATENARYSYSTEMANDITSCOMPONENTS接觸懋掛包括接觸線、吊弦、承力索以及連接零件，通過支持裝置架設(shè)在支柱J，將從牽引變電所獲得的電能輸送給電力機(jī)車。其中，接觸線直接和受電弓淅板摩擦接觸，電力機(jī)車可以直接從接觸線上去的電能，因此要求接觸線要有足夠的機(jī)械強(qiáng)度和良好的電氣性能；承力索的作用是通過吊弦講接觸線懸掛起來，要求其能夠承受較大的張力和具有抗腐蝕能力，日在溫度變化時(shí)弛度變化較小。支持裝置包括腕臂、水平托桿、懸式絕緣子串，棒式絕緣子及其它建筑物的特痧北京交通大學(xué)碩士學(xué)位論文殊支持設(shè)備等，用以支持接觸懸掛，并將其負(fù)荷傳給支柱或其它建筑物，根據(jù)接觸網(wǎng)所在區(qū)間、站場和大型建筑物而有所不同。絕緣子用以懸吊和支持接觸懸掛并使帶電體與接地之間保持電氣絕緣。定位裝置包括定位管和定位器，其功用是固定接觸線的位置，使接觸線在受電弓滑板運(yùn)行軌跡范圍內(nèi)，保證接觸線與受電弓不脫離，并將接觸線的水平負(fù)荷傳給支柱。支柱與基礎(chǔ)用以承受接觸懸掛、支持和定位裝置的全部負(fù)荷，并將接觸懸掛固定在規(guī)定的位置和高度上。為滿足供電和機(jī)械受力方面的需要，將接觸網(wǎng)分成若干一定長度且互相獨(dú)立的分段，這種獨(dú)立的分段稱為錨段。設(shè)立錨段便于限制事故范圍和供電分段，也便于在接觸線和承力索兩端設(shè)置補(bǔ)裝置，以調(diào)整線索的張力與弛度。兩個(gè)相鄰錨段的銜接部分稱為錨段關(guān)節(jié)，其結(jié)構(gòu)復(fù)雜，工作狀態(tài)的好壞直接影響接觸網(wǎng)供電質(zhì)量和電力機(jī)車取流。補(bǔ)償裝置是自動(dòng)調(diào)節(jié)接觸線和承力索張力的補(bǔ)償器及其制動(dòng)裝置的總稱，當(dāng)溫度變化時(shí)，線索受溫度變化的影響熱脹冷縮出現(xiàn)伸長或縮短，由于在錨段兩端線索下錨處安裝了補(bǔ)償器，在其墜砣串重力的作用下，能夠自動(dòng)調(diào)整線索的張力并保持線索尺度滿足技術(shù)要求，從而使解除懸掛的穩(wěn)定性與彈性得到改善。接觸網(wǎng)的分類大多以接觸懸掛的類型來區(qū)分。接觸懸掛的種類較多，一般根據(jù)其結(jié)構(gòu)的不同分成簡單接觸懸掛和鏈形接觸懸掛兩大類。簡單接觸懸掛以下簡稱簡單懸掛系由一根接觸線直接固定在支柱支持裝置上的懸掛形式。我國現(xiàn)采用的帶補(bǔ)償裝置的彈性簡單懸掛系在接觸線下錨處裝設(shè)了張力補(bǔ)償裝置，以調(diào)節(jié)張力和弛度的變化；在懸掛點(diǎn)上加裝8，20M長的彈性吊索，通過彈性吊索懸掛接觸線，減少了懸掛點(diǎn)處產(chǎn)生的硬點(diǎn)，改善了取流條件。另外跨距適當(dāng)縮小，增大接觸線的張力去改善弛度對(duì)取流的影響。鏈形懸掛減小了接觸線在跨距中間的弛度，改善了彈性，增加了懸掛重量，提高了穩(wěn)定性，可以滿足電力機(jī)車高速運(yùn)行取流的要求。鏈形懸掛比簡單懸掛有較好的性能，但也帶來了結(jié)構(gòu)復(fù)雜、造價(jià)高、施工和維修任務(wù)量大等許多問題。鏈形懸掛分類方法較多，按懸掛鏈數(shù)的多少可分為單鏈形，雙鏈形和多鏈形。鏈形懸掛根據(jù)線索的錨定方式即線索兩端下錨的方式，可分為未補(bǔ)償鏈形懸掛、半補(bǔ)償鏈形懸掛、全補(bǔ)償鏈形懸掛等幾種方式。接觸網(wǎng)的供電方式有單邊、雙邊供電和越區(qū)供電，其中單邊和雙邊供電為正常的供電方式。單邊供電是指供電臂只從一端的變電所取得電流的供電方式；雙邊供是指供電臂從兩端相鄰的變電所取得電流的供電方式；越區(qū)供電是一種非正常供電方式也稱事故供電方式，是當(dāng)某一牽引變電所因故障不能正常供電時(shí)，12電氣化鐵路接觸網(wǎng)可靠性及維修策略分析故障變電所擔(dān)負(fù)的供電臂，經(jīng)開關(guān)設(shè)備成分區(qū)亭同相鄰的供電臂接通，由相鄰牽引變電所進(jìn)行臨時(shí)供電。對(duì)于接觸網(wǎng)系統(tǒng)這樣一個(gè)多設(shè)備系統(tǒng)，任何設(shè)備的故障都有可能影響供電可靠性。常見的設(shè)備故障有吊弦燒斷、磨斷、腐蝕、拉斷、脫落；定位器扭斷、腐蝕、緊固螺絲松動(dòng)、折斷、脫落；承力索燒斷股、拉斷股、腐蝕斷股、高度改變、斷線；接觸線拉斷、燒斷；絕緣子擊穿、閃絡(luò)、折斷；中心錨段關(guān)節(jié)被盜、因發(fā)生剮弓事故損壞、輔助繩松弛、脫落甚至斷丌；補(bǔ)償滑輪偏斜補(bǔ)償卡滯、補(bǔ)償繩斷線等等。212系統(tǒng)可靠性模型可靠性是指一個(gè)部件或整個(gè)系統(tǒng)在特定的設(shè)計(jì)環(huán)境中運(yùn)行時(shí)執(zhí)行特征函數(shù)的概率，在接觸網(wǎng)系統(tǒng)體現(xiàn)為系統(tǒng)能保持正常供電運(yùn)行的概率。在傳統(tǒng)的靜態(tài)可靠性規(guī)則中，每個(gè)部件都有雙重狀態(tài)運(yùn)行或失效，而且，當(dāng)系統(tǒng)由N個(gè)單部件組成時(shí)需根據(jù)部件的配置以及單個(gè)部件的運(yùn)行或失效來決定系統(tǒng)的運(yùn)行或失效。根據(jù)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的不同，常見的系統(tǒng)分為串聯(lián)系統(tǒng)、并聯(lián)系統(tǒng)、串并聯(lián)系統(tǒng)以及構(gòu)造更為復(fù)雜的系統(tǒng)如KOUTOFN系統(tǒng)、橋式系統(tǒng)等等，不同結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的可靠性模型不相同。當(dāng)且僅當(dāng)所有元件運(yùn)行時(shí)系統(tǒng)正常運(yùn)行，這樣的系統(tǒng)稱為串聯(lián)系統(tǒng)。眾所周知，當(dāng)存在相互獨(dú)立的概率事件時(shí)，這些事件同時(shí)發(fā)生的概率是各個(gè)事件概率之積，在可靠性工程中這也是基本點(diǎn)。在串聯(lián)系統(tǒng)中，若一個(gè)部件失效，就會(huì)導(dǎo)致整個(gè)系統(tǒng)失效，串聯(lián)系統(tǒng)每個(gè)單元的可靠度之積就是整個(gè)系統(tǒng)的可靠度。圖22所示為由四個(gè)部件構(gòu)成的串聯(lián)系統(tǒng)的可靠性框圖。圖22串聯(lián)系統(tǒng)可靠性框圖FIG22THERELIABILITYBLOCKDIAGRAMOFSERIESSYSTEM假設(shè)系統(tǒng)由N個(gè)串聯(lián)部件構(gòu)成，各單元的可靠度為RF，I1，2，3N，則系統(tǒng)的可靠度為NRFNRF2一1I1第二種常見的系統(tǒng)為并聯(lián)系統(tǒng)。在并聯(lián)系統(tǒng)中，當(dāng)且僅當(dāng)至少一個(gè)部件正常運(yùn)北京交通大學(xué)碩士學(xué)位論文行時(shí)系統(tǒng)正常運(yùn)行，當(dāng)且僅當(dāng)所有部件失效時(shí)，系統(tǒng)失效。圖23所示為由四個(gè)部件構(gòu)成的并聯(lián)系統(tǒng)的可靠性框圖。I_1L氫LLLLLI3JLLI4L圖23并聯(lián)系統(tǒng)可靠性框圖FIG23THERELIABILITYBLOCKDIAGRAMOFPARALLELSYSTEM假設(shè)系統(tǒng)由N個(gè)串聯(lián)部件構(gòu)成，各單元的可靠度為RIT，I1，2，3N，則系統(tǒng)的可靠度為RF1兀1RJT22I1如圖24所示，為由多個(gè)部件構(gòu)成的串并聯(lián)系統(tǒng)的可靠性框圖。圖24串并聯(lián)系統(tǒng)可靠性框圖FIG24THERELIABILITYBLOCKDIAGRAMOFSERIESPARALLELSYSTEM對(duì)這樣的的系統(tǒng)，分析其可靠度時(shí)，先求出各并聯(lián)部分的可靠度，再將系統(tǒng)等效為串聯(lián)系統(tǒng)，進(jìn)而由式21求得整個(gè)系統(tǒng)的可靠度。此外，復(fù)雜系統(tǒng)例如橋狀系統(tǒng)，圖25所示的可靠度常采用最小路集、最小割集等方法求得。14電氣化鐵路接觸網(wǎng)可靠性及維修策略分析圖25橋狀系統(tǒng)可靠性框圖FIG25THERELIABILITYBLOCKDIAGRAMOFBFIDGESYSTEM接觸網(wǎng)系統(tǒng)整體可靠性分析是制定維修計(jì)劃的基礎(chǔ)?；舅悸肥鞘紫葘?duì)系統(tǒng)內(nèi)各個(gè)設(shè)備進(jìn)行可靠性分析，然后綜合到整體系統(tǒng)中得到系統(tǒng)可靠性。對(duì)于接觸網(wǎng)這樣一個(gè)復(fù)雜的大系統(tǒng)，與陳少寬陋1的思路一致，本文在進(jìn)行系統(tǒng)可靠性分析之前，根據(jù)鐵路接觸網(wǎng)系統(tǒng)的特點(diǎn)提出有2個(gè)假設(shè)的前提條件1認(rèn)為接觸網(wǎng)系統(tǒng)內(nèi)各個(gè)設(shè)備的可靠性在統(tǒng)計(jì)學(xué)上彼此獨(dú)立。與很多系統(tǒng)不同，鐵路接觸網(wǎng)系統(tǒng)不能容忍在某些設(shè)備失效的情況繼續(xù)運(yùn)行，這樣會(huì)較大程度地增加其他設(shè)備失效甚至整個(gè)系統(tǒng)加速失效的可能性。通常的做法是在發(fā)現(xiàn)某個(gè)設(shè)備進(jìn)入損耗期或者剛剛失效就投入新設(shè)備的使用，因此，從整體上看，單個(gè)設(shè)備的失效對(duì)其他設(shè)備無顯著影響，這一點(diǎn)符合統(tǒng)計(jì)學(xué)上彼此獨(dú)立的條件。2將接觸網(wǎng)系統(tǒng)看作不可修復(fù)系統(tǒng)。接觸網(wǎng)系統(tǒng)的特殊之處在于鐵路運(yùn)輸?shù)牟婚g斷性要求供電系統(tǒng)僅存在兩種狀態(tài)，正常運(yùn)行或完全失效僅在意外事故發(fā)生時(shí)出現(xiàn)，而不存在像修復(fù)狀態(tài)這樣的中間狀態(tài)。對(duì)牽引供電系統(tǒng)的可靠性分析的一個(gè)重要目的就是為預(yù)防性維修計(jì)劃的優(yōu)化提供依據(jù)，盡量確保整個(gè)系統(tǒng)始終處于正常運(yùn)行狀態(tài)，因此，從這個(gè)角度分析，接觸網(wǎng)系統(tǒng)不可修復(fù)。對(duì)于接觸網(wǎng)系統(tǒng)這樣一個(gè)復(fù)雜的多部件系統(tǒng)，較難建立完整準(zhǔn)確的模型，在本文的研究中，為了能夠求得使接觸網(wǎng)系統(tǒng)可靠度，選出了七個(gè)對(duì)接觸網(wǎng)系統(tǒng)可靠性影響最大的主要部件進(jìn)行設(shè)備建模，視這七個(gè)重要部件在可靠性分析中相互獨(dú)立，進(jìn)而并視系統(tǒng)可靠性為由這七個(gè)主要部件組成的串聯(lián)系統(tǒng)的可靠性，從而為系統(tǒng)可靠性建模打下基礎(chǔ)。設(shè)備的失效分布是指其失效概率密度函數(shù)或累積失效概率函數(shù)，與可靠性特征量有著很密切的關(guān)系。如已知設(shè)備的失效分布函數(shù)，則可求出可靠度函數(shù)、失效函數(shù)和壽命特征量。在可靠性理論中，研究設(shè)備的失效分布類型是一個(gè)十分重要的問題口2|。常見的設(shè)備失效分布有指數(shù)分布、正態(tài)分布、對(duì)數(shù)分布、威布爾WEIBULL分布等。威布爾WEIBULL分布是一種在可靠性理論中適用較廣的分布口剄，能全面地北京交通大學(xué)碩士學(xué)位論文描述浴盆失效率曲線的各個(gè)階段，當(dāng)威布爾分布中的參數(shù)不同時(shí)，可以變化為指數(shù)分布、銳利分布和正態(tài)分布。大量實(shí)踐說明，凡是因?yàn)槟骋痪植渴Щ蚬收纤鸬娜謾C(jī)能停止運(yùn)行的元件、器件、設(shè)備、系統(tǒng)等的壽命都服從威布爾分布2L。目前，威布爾分布已經(jīng)在壽命估計(jì)口31、供電系統(tǒng)可靠性評(píng)估B引、軟件可靠性分析。剮等領(lǐng)域得到極廣泛的應(yīng)用。威布爾WEIBULL分布的失效概率密度函數(shù)FF為魚型E一譬尸，萬T；口，胗O21其中，是形狀參數(shù)，口是尺度參數(shù)，萬是位置參數(shù)。進(jìn)而，得到累積失效概率密度函數(shù)FF為T8、LPFO1一E、“7，萬T；A，022可靠度函數(shù)RT為TT8、IP尺FE、口7，萬T；CT，023失效率函數(shù)為力OFLT,羅FL1，萬T；口，024威布爾分布通常采用雙參數(shù)形式，可以通過調(diào)整尺度參數(shù)口和形狀參數(shù)產(chǎn)生多種曲線形狀適應(yīng)收集到的失效數(shù)據(jù)。圖26為口、艿不變，失效率函數(shù)隨形狀參數(shù)變化而變化圖。失效率父1時(shí)，故障率呈上升趨勢；P3時(shí)故障率分布接近于正態(tài)分布。圖27所示為口、萬不變，可靠度函數(shù)尺F隨形狀參數(shù)變化而變化圖。AEJF司圖27不同的形狀參數(shù)下可靠度函數(shù)曲線FIG27THERELIABILITYFUNCTIONCURVESUNDERDIFFERENTSHAPEPARAMETERS當(dāng)和萬不變，調(diào)整尺度參數(shù)口，可以改變可靠度函數(shù)的形狀，比如，口值增大時(shí)，RT的高度變小而寬度變大，如圖28所示?？煽縇蔓圖28不同的尺度參數(shù)下的可靠度函數(shù)圖FIG28THERELIABILITYFUNCTIONCURVESUNDERDIFFERENTSCALEPARAMETERS17北京交通大學(xué)碩士學(xué)位論文此外，位置參數(shù)艿決定了分布的出發(fā)點(diǎn)，但不改變分布的形狀和尺度，類似于“曲線平移“的功能?？偨Y(jié)起來，威布爾分布的物理背景較為明確且使用廣泛、可以靈活設(shè)置參數(shù)使之適用于不同時(shí)間階段的失效模型、解析表達(dá)式清晰簡單，便于進(jìn)行數(shù)學(xué)處理，在描述經(jīng)典的故障率曲線方面有一定優(yōu)勢，是一種因參數(shù)設(shè)置靈活而適用領(lǐng)域較廣的可靠性模型。因此，本文采用威布爾WEIBULL分布建立接觸網(wǎng)設(shè)備和系統(tǒng)可靠性模型。22接觸網(wǎng)維修策略221以可靠性為中心的維修以可靠性為中心的維修RCM艫371思想產(chǎn)生于上世紀(jì)60年代，與傳統(tǒng)的維修觀念認(rèn)為裝備越老，故障就越多，故障主要是耗損造成的，從而必須進(jìn)行定時(shí)維修不同，RCM理論認(rèn)為，定時(shí)維修對(duì)某些簡單裝備的故障預(yù)防是有用的，但對(duì)大多數(shù)復(fù)雜裝備而言，定時(shí)維修不僅對(duì)故障預(yù)防的作用甚微，相反還會(huì)帶來早期故障和人為差錯(cuò)，導(dǎo)致增大了總的故障率MQ9|。RCM最初應(yīng)用于飛機(jī)及其航空設(shè)備，后應(yīng)用于軍用系統(tǒng)與設(shè)備，現(xiàn)已廣泛于其它各個(gè)行業(yè)，如核電企業(yè)、電力公司、汽車制造廠等，逐漸擴(kuò)展到企業(yè)的生產(chǎn)設(shè)備與民用設(shè)施H嗍1。盡管RCM分析方法的基本體系結(jié)構(gòu)己基本形成，但還有許多問題有待于進(jìn)一步的完善，尤其是實(shí)用性、針對(duì)性和精確性等方面。改進(jìn)分析過程突出實(shí)用性，引入定量分析提高精確性，結(jié)合具體問題分析強(qiáng)調(diào)針對(duì)性等方面是RCM進(jìn)一步發(fā)展的方向。222周期預(yù)防性維修預(yù)防性維修PREVENTIVEMAINTENANC曠PM是指為保持運(yùn)行系統(tǒng)的功能度而在預(yù)先計(jì)劃的特定時(shí)間實(shí)施維修作業(yè)，為降低裝備故障的概率或防止功能退化，按預(yù)定的時(shí)間間隔或規(guī)定的準(zhǔn)則實(shí)施的維修。自60年代以來，預(yù)防性維修理論和技術(shù)已在美國國防部和海軍中得到了廣泛應(yīng)用并且有了進(jìn)一步發(fā)展H州71。目前預(yù)防性維修已經(jīng)廣泛應(yīng)用于醫(yī)學(xué)、電力、工業(yè)設(shè)備等等諸多行業(yè)和設(shè)備的維修，在降低設(shè)備和系統(tǒng)故障率以及減少維修費(fèi)用等方面并取得良好的效果H8_側(cè)。制定預(yù)防性維修策略的首要前提是正確評(píng)價(jià)預(yù)防性維修的效果，明確預(yù)防性維修對(duì)設(shè)備故障函數(shù)的作用，在此基礎(chǔ)上合理確定設(shè)備的預(yù)防性維修周期。而在維修現(xiàn)場中很難精確評(píng)價(jià)預(yù)防性維修活動(dòng)的效果，這為預(yù)防性維修周期的確定增加了相當(dāng)?shù)睦碚撾y度，大批的研究工作者丌展對(duì)這一問題的研究，取得了許多成果。如運(yùn)用電氣化鐵路接觸網(wǎng)可靠性及維修策略分析役齡回退因子來描述年齡減少預(yù)防性維修的效果嘞1；引入系統(tǒng)性能平均恢復(fù)系數(shù)評(píng)估預(yù)防性維修的效果隨；或是引入衰減率反映預(yù)防性維修對(duì)系統(tǒng)可靠性等的影響23等。預(yù)防性維修的建模、仿真等策略分析方法作為PM理論的重要部分，也取得了很多成果畸卜鷦J，為預(yù)防性維修策略優(yōu)化、維修周期選擇等方面提供了較好的研究方法和理論指導(dǎo)。TSAI等一1在這方面做了細(xì)致的工作，將PM方法分為機(jī)械性維護(hù)、調(diào)整或局部更換和整體更換三種，基于WEIBULL分布給出了系統(tǒng)的可靠性和故障率模型，并提出了基于可用度的多部件周期性PM模型目前，這類問題的研究成果還比較少，在接觸網(wǎng)系統(tǒng)維修方面的應(yīng)用幾乎沒有。本文的研究基于陳少寬哺1、TSAI等瞄一1的研究成果，結(jié)合以可靠性為中心的維修和周期預(yù)防性維修的思想，對(duì)接觸網(wǎng)系統(tǒng)及其設(shè)備進(jìn)行可靠性建模，分析設(shè)備和系統(tǒng)在有效生命周期T內(nèi)可靠性的變化，同時(shí)結(jié)合周期預(yù)防性維修和修復(fù)性維修制定維修策略，建立維修費(fèi)用模型，綜合考慮系統(tǒng)可靠性和維修費(fèi)用，采用進(jìn)化策略、多目標(biāo)優(yōu)化方法，求取使接觸網(wǎng)系統(tǒng)可靠性盡量高且維修費(fèi)用盡量低的維修計(jì)劃。23周期預(yù)防性維修活動(dòng)下的接觸網(wǎng)系統(tǒng)可靠性模型231設(shè)備可靠性及故障率模型接觸網(wǎng)系統(tǒng)是一個(gè)復(fù)雜的多部件機(jī)械系統(tǒng)，很難對(duì)每一個(gè)元件設(shè)備都建立準(zhǔn)確的可靠性模型，在本文的研究中，選出了七個(gè)對(duì)接觸網(wǎng)系統(tǒng)可靠性影響最大的部件，用威布爾WEIBULL分布進(jìn)行可靠性建模，其余部件由于發(fā)生故障可能性較小或?qū)ο到y(tǒng)可靠性影響較小，全部用一個(gè)指數(shù)分布建模。這七個(gè)重要部件是接觸線、承力索、絕緣子、錨段關(guān)節(jié)、補(bǔ)償器、定位器、吊弦。此外，支柱、基礎(chǔ)等部件可靠性較高，一般不需維修，與其他對(duì)系統(tǒng)可靠性影響較小的部件一起，用指數(shù)分布建立一個(gè)統(tǒng)一的模型，要求其參數(shù)使此可靠度函數(shù)曲線極緩慢地下降，對(duì)系統(tǒng)可靠性影響較小，甚至可以忽略。預(yù)防性維修PREVENTIVEMAINTENANCE，PM是一種有計(jì)劃的主動(dòng)性維修活動(dòng)，在系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)進(jìn)行，目的是降低系統(tǒng)或設(shè)備的失效概率、延長其有效壽命。對(duì)于預(yù)防性維修來說，維修間隔TP是最重要的決策變量，它決定了維修活動(dòng)的不同策略。周期預(yù)防性維修是鐵路供電系統(tǒng)中最普遍采用的維修活動(dòng)策略，定期有規(guī)律地維修可以避免維修與列車運(yùn)行的沖突。本文基于TSAI等2004的研究成果制定一套針對(duì)各部件的周期預(yù)防性維修活動(dòng)，將接觸網(wǎng)系統(tǒng)的維修方式分為三種類型。機(jī)械性維護(hù)一1A此類維19北京交通大學(xué)碩士學(xué)位論文修的目的是使系統(tǒng)或部件維持正常的工作狀態(tài)，它只改善系統(tǒng)工作的外部條件，改善程度也是有限的，如潤滑、絕緣子清