基于Fuzzy-AHP的大型养路机械状态评价研究.pdf

铁道运输与经济RAILW AY TRANSPORT AND ECONOMY第 45 卷 第 11 期基于Fuzzy-AHP的大型养路机械状态评价研究Research on State Evaluation of Large Railroad Maintenance Machinery Based on Fuzzy-AHP徐济松1，张钰荧1，陈建华2，高春雷1，何1，何国华1，刘世亮3XU Jisong1，ZHANG Yuying1，CHEN Jianhua2，GAO Chunlei1，HE Zhe1，HE Guohua1，LIU Shiliang3（1.中国铁道科学研究院集团有限公司 铁道建筑研究所，北京 100081；2.中国铁路西安局集团有限公司 工务部，陕西 西安 710054；3.北京石油化工学院 信息工程学院，北京 102627）(1.Railway Engineering Research Institute,China Academy of Railway Sciences Corporation Limited,Beijing 100081,China;2.Track Department,China Railway Xian Group Co.,Ltd.,Xian 710054,Shaanxi,China;3.School of Information Engineering,Beijing Institute of Petrochemical Technology,Beijing 102627,China)摘要：目前国外较为先进的铁路车辆维修制度是以状态修为主，计划性预防修为辅，而国内大型养路机械采用周期修的方式，因此有必要开展大型养路机械状态评价的关键技术研究。采用多源检测监测技术手段采集车辆各部件状态，从监测点中提取最具代表性的6个子系统，构建大型养路机械运行状态可靠性评价指标体系，并运用Fuzzy-AHP法对大型养路机械状态进行评价。该评价方法考虑了大型养路机械的基本信息、运行监测指标等多个因素，可以在保证设备安全的条件下提高设备运用效率，实现节支降耗，为大型养路机械的高质量运维提供技术保障。关键词：重载铁路；大型养路机械；状态评价；Fuzzy-AHP；权重Abstract:At present,the relatively advanced maintenance system for railway vehicles in other countries takes state-based maintenance as the main task and planned preventive maintenance as the auxiliary task.However,large railroad maintenance machinery in China adopts a periodic maintenance method.Therefore,it is necessary to carry out research on the key technology for state evaluation of large railroad maintenance machinery.This paper collected the state of each component of the vehicle by means of multi-source detection and monitoring technology,extracted the most representative six subsystems from monitoring points,constructed a reliability evaluation indicator system for the operating state of large railroad maintenance machinery,and used the Fuzzy-AHP method to evaluate the state of large railroad maintenance machinery.This evaluation method considers multiple factors such as the basic information and operational monitoring indicators of large railroad maintenance machinery,and it can improve equipment utilization efficiency while ensuring equipment safety,achieve cost saving and consumption reduction,and provide technical support for high-quality operation and maintenance of large railroad maintenance machinery.Keywords:Heavy-Haul Railway;Large Railroad Maintenance Machinery;State Evaluation;Fuzzy-AHP;Weight文章编号：1003-1421（2023）11-0168-07 中图分类号：U279 文献标识码：ADOI：10.16668/ki.issn.1003-1421.2023.11.21引用格式：徐济松，张钰荧，陈建华，等.基于Fuzzy-AHP的大型养路机械状态评价研究J.铁道运输与经济，2023，45(11)：168-174.XU Jisong，ZHANG Yuying，CHEN Jianhua，et al.Research on State Evaluation of Large Railroad Maintenance Machinery Based on Fuzzy-AHPJ.Railway Transport and Economy，2023，45(11)：168-174.-168徐济松 等 基于Fuzzy-AHP的大型养路机械状态评价研究0引言大型养路机械是现代铁路维修不可或缺的装备之一，然而随着使用时间的增长、负荷条件的变化以及外界环境的影响，大型养路机械所承受的应力和变形会逐渐积累，导致其零部件出现降级、故障等问题，在不及时修理的情况下会影响装备的工作效率、安全性和寿命。目前，国外较为先进的铁路车辆维修制度“以状态修为主，计划性预防修为辅”1，通过信息化技术对车辆状态进行监控，及时调整检修计划。日本利用大数据云平台实现基于状态的维修、铁路资产管理，并采用人工智能支持工作，构建集成数据库；美国构建智能数据平台，实现对基础设施运维管理；德国、瑞士、瑞典、英国通过建立统一数据中心，实现铁路设备经营状况、决策支持分析、故障检测等运维管理，优化铁路智能运维；法国、意大利将大数据与物联网技术结合，实现对铁路设备状态的监控预测。我国大型养路机械主要采用周期修方式2-3，但根据一些车型现场运用情况发现，有些根据周期修开展的检修规定偏于保守，增加了检修成本。因此有必要开展大型养路机械状态评价的关键技术研究，在多源检测监测的基础上构建综合评价模型，在保证设备安全的条件下提高设备使用效率，实现节支降耗，为大型养路机械的高质量运维提供技术保障。1大型养路机械检修现状大型养路机械是铁路运输领域中重要的设备之一，其运行特点主要表现在以下方面：大功率、大载荷。大型养路机械多为柴油机驱动，功率大，同时需要承担大量的工作负载。因此，其操作过程中必须保持稳定、平衡，以确保机械性能不失效4。高速、高密度的运行状态。大型养路机械需要在高密度的铁路网中运行5，在保证运营效率的同时，也对设备的性能和安全性提出了更高的要求。目前，我国大型养路机械的运用和检修状态主要是以人工检查保养为基础，计划性修理为主。状态监测修理现阶段受到监测设备及技术的限制开展相对较少6。大型养路机械整体修程修制分为日常检查保养、整车定期检查保养、整车年修、总成部件的全面检修、整车和总成部件大修，并规定所有检修的高一级修程内容应包含低一级修程内容。大型养路机械各级修程执行情况如表1所示。2大型养路机械典型关键部件故障分析近年来通过对多个铁路局集团公司大型养路机械检修基地进行的维修现状调研，以及对大型养路机械故障数据资料的搜集，对典型大型养路机械主要关键部件如柴油机、变速箱、动力传动系统、走行系统、制动系统、液压系统等进行了故障统计和分析。以大型养路机械中使用的主要车型作为研究对象，分别统计了各关键部件发生故障占该车型全部发生故障的比例，同时由于不同车型发生故障的总数不同，对不同车型发生故障的占比通过归一化手段进行处理。捣固车关键部件的故障归一化分布如图1所示。为了进一步确定故障的具体部位点，针对车辆关键部件进行更精细的数据统计分析。以动力传动系统为例，传动发生故障部位占总故障百分比如图2所示。由图2可知，发生故障最多的部件是传动轴，占故障总数的 29%，其次是液力变速箱。目前检测故障的主要方法为地面人工探伤，其中约39%的表1大型养路机械各级修程执行情况Tab.1Implementation of maintenance procedures for large railroad maintenance machinery at all levels各级修程日常保养定期保养年修全面检修整车大修具备资质单位检修车间运用车间图1捣固车关键部件的故障归一化分布Fig.1Normalized distribution of faults in key components of tamping machine-169徐济松 等 基于Fuzzy-AHP的大型养路机械状态评价研究故障能够通过人工检修发现，其余的故障可以通过磁粉探伤、内窥镜、温度传感器等手段监测。大型养路机械关键部件监测项点与传感器类型如表2所示。根据故障的严重程度，结合铁路交通事故应急救援和调查处理条例与系统可靠性分析技术 失效模式和影响分析(FMEA)程序(GB/T 78262012)，将大型养路机械故障分为以下4个等级。故障等级分类如表3所示。结合典型大型养路机械历史故障进行统计分析得出：在大型养路机械的走行系统、制动系统、动力传动系统中存在大量威胁行车安全的潜在问题，部分可以通过在线监测及时发现、追踪、解决，建立地面-车载数据检监测系统，指导大型养路机械运用与检修，尽量避免故障发生。当前存在需人工检修才能确定的故障类型，如车轴裂纹、螺栓缺失等，但现有数据大多孤立存储，难以展开多数据融合分析，不利于设备状态评估。3大型养路机械状态评价系统3.1评价系统技术框架大型养路机械状态评价系统技术框架如图3所示。根据图3，大型养路机械状态评价系统的功能划分如下。（1）数据采集与传输。利用传感器采集系统的参数信息作为数据源，相关数据作为其余步骤处理的基础。（2）数据处理。接收传感器的数据，并对数据进行预处理。（3）状态监测。接收来自被处理后的数据，将数据同预先设定好的系统内的判断依据进行对比来检测系统当前的状态，可以根据预先设定好的各种参数指标进行故障预警。（4）健康评估。根据收集的数据进行故障诊断与记录并计算故障发生的可能性，评估装备所处状态。研究采用多源检测监测的技术手段，收集车辆各部件状态信息。在数据采集过程中，需要对各部件进行分类和编号，确保数据的准确性和完整性。其次，需要编写相应的软件程序，以便快速、准确地采集和记录数据。最后，根据数据的特点进行合图2传动发生故障部位占总故障百分比Fig.2Percentage of transmission fault parts in total faults表2大型养路机械关键部件监测项点与传感器类型Tab.2Key component monitoring points and sensor types of large railroad maintenance machinery序号1234关键部件柴油机液力机械变速箱钩缓装置工作装置监测项点油压温度油压温度工作状态油压锁定与限位传感器油压传感器温度传感器油压传感器温度传感器CCD工业相机油压传感器接近开关表3故障等级分类Tab.3Fault level classification序号1234严酷度水平灾难性的严重的临界的轻微的严酷度等级4321严酷度释义导致系统功能无法实现，系统严重损坏以及发生人员伤亡导致系统基本功能无法实现，系统和环境有相当大的损坏，但不严重威胁生命安全或人身伤害导致系统的性能、功能退化，但对系统没有明显的损伤、对人身没有明显的威胁或伤害导致系统功能稍有退化，但对系统不会有损伤，不构成人身威胁或伤害举例脱轨、掉道、倾覆动力、制动、走行系统故障，导致停机必须呼叫救援，耽误线路正常运行工作装置故障，导致不能正常完成作业，但能够离开天窗点一些能够在现场解决或不影响走行的问题分数60708090-170徐济松 等 基于Fuzzy-AHP的大型养路机械状态评价研究理的处理和分析，以确保数据能够准确反映车辆状态以及各部件之间的相互影响。研究采用的故障编码如图4所示。同时，系统内有预先设置的专家库系统，在遇到故障信息的情况下，可以通过专家库系统寻求解决措施。大型养路机械状态专家库处理流程如图5所示。3.2评价方法3.2.1评价步骤研究提出一种基于模糊 层 次 分 析 法(Fuzzy-AHP)7-9的大型养路机械状态评价方法。Fuzzy-AHP 是一种多准则决策方法，它结合了模糊数学理论和层次分析法，用于解决具有不确定性和模糊性的决策问题。具体评价步骤如下。步骤1：根据预先安装在车上的传感器获得车辆的状态信息。步骤2：根据预先计算的各系统的权重以及各风险点的权重，计算各个评价指标的得分。步骤3：对比预先计算的设备状态的特征参数来确定各个评价指标目前所处的状态，判断其严重程度，并将信息及时通过通信模块向中控系统上报。步骤4：系统内有预先设置的专家库系统，在遇到故障信息的情况下，可以通过专家库系统寻求解决措施。3.2.2权重确定各风险点的权重计算方法是通过Fuzzy-AHP结合德尔菲法进行的，该方法可以对各个因素或决策方案进行权重计算，并进行综合评估。德尔菲法是一种专家调查方法，通过多轮问卷调查和意见收集，从专家群体中获得一致的共识。在本研究中，通过Fuzzy-AHP结合德尔菲法，可以结合专家对各部件点的权重和状态进行评估、讨论以及客观数据分析得到权重结果，进一步提高评价的准确性和可靠性。在大型养路机械上安装有温度、压力等各类可以采集车辆状态信息的传感器。在对大型养路机械进行状态评价时，将大型养路机械分为柴油机、动力传动系统、走行系统、制动系统、车钩缓冲装置等系统。在确定评价指标体系后，赋予各个评价指标不同的权重系数，利用Fuzzy-AHP确定各个系统与评价指标的权重。图5大型养路机械状态专家库处理流程Fig.5Process flow of expert database for large railroad maintenance machinery state 图4故障编码Fig.4Fault code图3大型养路机械状态评价系统技术框架Fig.3Technical framework for state evaluation of large railroad maintenance machinery-171徐济松 等 基于Fuzzy-AHP的大型养路机械状态评价研究构建影响系统和评价标准的模糊集合，具体步骤如下：构建参评因素的集合，U=柴油机U1，动力传动系统 U2，走行系统 U3，制动系统U4，车钩缓冲装置U5，其他系统U6。构建参评因素下一级别的指标集，V=制动梁V1，闸瓦V2，制动缸 V3，其他 Vn。构建模糊综合评判集，X=正常区 X1，劣化区 X2，警告区 X3，危险区X4。在实际工程中，评价指标的参数通常会有一定的范围限制，并且当特征参数值超过设定的阈值时，设备可能会从一种状态演变为另一种运行状态10-12。设备状态演变过程如图6所示。一旦特征参数超过设定的劣化阈值，应立即记录该事件，并开始密切监测设备的运行状态。如果特征参数超过设定的警告阈值，表明设备可能出现功能性故障。此时，应采取相应的行动，如触发警报、调整设备的操作参数或采取预防措施，以防止故障进一步发展。当特征参数超过设定的危险阈值时，这意味着设备处于危险状态，可能导致严重的事故或损害。在这种情况下，应立即停止设备的运行，并采取紧急维修和安全措施，以确保人员和设备的安全。对于各指标权重的计算方式为，首先计算各指标的主观权重，利用德尔菲法收集专家对各指标的权重。主观权重即根据专家的判断确定各指标的权重参数，通过1-9标度法得到。1-9标度法如表4所示。建立判断矩阵模型如下。Cnn=C11C1nCn1Cnn式中：Cij表示第i个指标比第j个指标的重要程度，i，jn。通过n个专家对不同指标的权重判断构建n个反对称矩阵，Ctij即为第t个专家的判断矩阵，各个专家对不同指标权重之间评判的差异通过总体样本的标准差计算得出。ij=1n-1t=1n()C(t)ij-1nt=1nC(t)ij2式中：ij为标准差；t表示第t个专家；n为专家的总人数。对n个专家对不同指标的权重判断所构建反对称矩阵Ctij求算数平均值，得到矩阵A，按照AHP方法的步骤，采用方根法对A的最大特征值特征向量进行归一化处理，得到该层指标的权重向量最后构建判断矩阵，当判断矩阵满足一致性条件时，利用特征根法求得最大特征值及对应的特征向量13，归一化得到主观权重W。计算各指标的客观权重过程如下。针对n个指标的k组数据，得到评价矩阵Q。Q=q11q1nqk1qkn式中：qkn为第n组对象在第k组的值。根据信息熵定义，计算各个指标的熵值14-15。en=-1lnkn=1kp(xkn)lnp(xkn)图6设备状态演变过程Fig.6Equipment state evolution process表41-9标度法Tab.41-9 scale method标度135792，4，6，8倒数含义表示2个指标相比，具有同样重要性表示2个指标相比，一个指标比另一个指标稍微重要表示2个指标相比，一个指标比另一个指标明显重要表示2个指标相比，一个指标比另一个指标强烈重要表示2个指标相比，一个指标比另一个指标极端重要上述两相邻判断的中值指标i和j比较的标度值为j与i比较的标度值的倒数-172徐济松 等 基于Fuzzy-AHP的大型养路机械状态评价研究p(xkn)=xknn=1kxkn式中：en为第n个指标的信息熵；xkn为各指标实际值；p(xkn)为在所属指标的整组数据里的概率。根据各个指标的信息熵ej，计算客观权重W。W=1-ejn-j=1nej采用 Fuzzy-AHP 法确定评价集各因素对系统的权重，得到WX。计算各指标的综合权重Wj如下。Wj=WXW+WXW24工程应用以DC-32捣固车为例，进行状态评价。影响大型养路机械安全的关键部件系统为柴油机、动力传动系统、走行系统、制动系统、车钩缓冲装置、其他。根据前期收集到的故障信息，并对故障信息进行归一化处理后，故障占比由高到低依次为柴油机、走行系统、制动系统、动力传动系统、其他、车钩缓冲装置。根据故障占比的高低各子系统的权重也有所不同。邀请专业领域内的多名专家，利用德尔菲法对各级指标或准则进行问卷调查，并使用SPSS软件对数据进行处理和分析。主观权重、客观权重及综合权重如表5所示。根据表5可知，柴油机和制动系统是评价结果中得分较高的部分，因此可以通过针对这2个部件的维护保养来提高整车的健康水平。与收集到的信息进行对比，实际作业中，同样是柴油机和制动系统对整车的影响最为显著。在确定了各个系统的权重后，以制动系统为例，对制动系统的各部件按照上述过程进行计算，制动系统部件权重如表6所示。同理，其余子系统部件权重均按上述方法进行计算。在确定好各子系统的权重后，由于引起各子系统故障的部件原因并不相同，对部件逐个分析其故障占比，并给出相应权重。根据传感器以及权重评级得到其目前所处状态(即正常区、劣化区、警告区、危险区，对应分数依次为100，75，50，25)，利用权重乘以目前所处状态获得其分数，从而计算大型养路机械的整体健康水平。5结束语研究提供了一种基于整车健康水平评估的设备管理方案，可以实时监测大型养路机械各部件状态，并根据权重对整车状态进行评估。相对于周期性维修，该评价方法可以根据实际情况制定维修计划，并提醒维修人员修复。但是，当车辆部分子系统出现较差状态时，因其权重较小，可能无法准确反映整车的真实健康状况。进一步将优化权重分配算法，确保各部件的权重能够准确反映其对整车健康的重要程度，同时改进状态评估算法，使其能够更加准确地判断部件的实际状态。同时，建立完善的数据采集与分析系统，及时获取并分析各部件的状态信息，以便及时采取修复措施。参考文献：1 张书和.铁道车辆维护技术管理J.中国铁路，2013(5)：9-13.2 吕春英，胡传亮.大型养路机械运用维修管理标准研究J.铁路计算机应用，2013，22(8)：28-31.LYU Chunying，HU Chuanliang.Research on Standard of 表5主观权重、客观权重及综合权重Tab.5Subjective weight,objective weight,and comprehensive weight名称柴油机动力传动系统走行系统制动系统车钩缓冲装置其他主观权重0.090.150.270.420.020.05客观权重0.420.150.190.160.010.07综合权重0.2550.150.230.290.0150.06表6制动系统部件权重Tab.6Weight of braking system components名称制动梁闸瓦制动缸制动软管阀件折角塞门其他权重0.050.050.100.020.030.020.02-173徐济松 等 基于Fuzzy-AHP的大型养路机械状态评价研究Application and Maintenance Management for Large-type Track Maintenance MachineJ.Railway Computer Application.2013，22(8)：28-31.3 王灵芝，徐宇工，张家栋.铁路设备关键零部件的可靠性分析模型及其应用研究J.铁道学报，2008，30(4)：93-97.WANG Lingzhi，XU Yugong，ZHANG Jiadong.Research on Reliability Analysis Model for Key Components and Parts of Railway Equipment and Its ApplicationJ.Journal of the China Railway Society，2008，30(4)：93-97.4 吴杰余，张哲，尹项根，等.电气二次设备状态检修研究J.继电器，2002，30(2)：22-24.WU Jieyu，ZHANG Zhe，YIN Xianggen，et al.Study on Condition-based Maintenance of Electrical Secondary EquipmentJ.Relay，2002，30(2)：22-24.5 肖繁，王紫薇，张哲，等.基于状态监测的继电保护系统检修策略研究J.电力系统保护与控制，2018，46(6)：74-83.XIAO Fan，WANG 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