动车组车下铆接结构分析及状态评估.doc
候红学 宋彦君 李英
摘 要： 动车组车顶避雷器是抑制动车组车顶过电压的重要设备。为了掌握动车组顶避雷器的运行状态，设计了一套基于动车组运行数据和理想解算法的状态评估系统。利用Delphi开发界面和数据库，调用Matlab理想解评估算法程序进行计算，最后将评估结果记录于数据库，并给出时间状态曲线趋势。该系统呈现了动车组顶避雷器的综合状态发展趋势，为状态维修的实施提供了依据。
关键词： 避雷器； 状态评估； 软件设计； 理想解
中图分类号：TP274 文献标志码：A 文章编号：1006-8228（2018）06-57-04
Design and realization of condition assessment system for EMU's lightning arrester
Hou Hongxue， Song Yanjun， Li Ying
（Technology Research Center， CRRC TANGSHAN Co.， LTD， Tangshan， Hebei 063035， China）
Abstract： The EMU lightning arrester is an important device for suppressing the roof overvoltage. In order to ensure the operation safety of the EMU and grasp the running state of the lightning arrester in time， a condition assessment software based on the operation data and ideal solution algorithm of the EMU'S is designed. The software uses Delphi to develop the interface and database， calls the Matlab program to calculate the ideal solution assessment data. The evaluation result is recorded in the database， and the trend of time state curve is given. The software depicts the operating state of the lightning arrester of the EMU'S， and provides a reference for the maintenance plan.
Key words： lightning arrester； condition assessment； software design； ideal solution
0 引言
我国高速铁路近年来发展迅速，动车组可靠性的要求也越来越高。动车组在通过电分相等情况下会产生有害的过电压。动车组车顶避雷器对抑制动车组车顶过电压起到了重要作用，其工作状态的可靠性尤为重要。
铁路维修机制依次经历了事后维修，和预防修体制，目前正逐步推进到状态维修体制[1-3]。本文以动车组车顶避雷器为试验评估对象，研究以预防性试验数据为主的状态评估指标体系，以及基于理想解（TOPSIS）的综合评估方法，在此基础之上设计并实现一个动车组车顶避雷器状态评估软件。
1 评估系统总体设计
动车组车顶避雷器状态评估软件运行于检修车间，根据不同设备试验数据信息进行定时更新，结合历史和出厂数据以及相关规程进行状态评估。系统功能由系统参数配置，试验测量控制，状态数据分析，故障趋势预测等模块组成，如图1所示。
[动车组车顶避雷器评估系统][系统参数配置][试验测量控制][数据综合分析][辅助功能模块][试验规程][设备信息][仪器测量][数据判断][状态评估][趋势预测][接线指示][报告管理]
2 动车组车顶避雷器状态评估方法
2.1 理想解评估原理
首先定义评价数据集为，评价对象指标集合是，评价指标组成的加权向量集合是，它们满足。
根据评价对象集合D和指标集合U来重新确定一个矩阵，记为[5]。
最后采用理想解法来解决多属性目标的评价结论，通过计算各数据与理想點之间的欧式距离，依据获得的贴进度进行评价[4]。
2.2 评估指标体系
本文采用了中车唐山公司《动车组避雷器采购技术规范》中对例行试验的要求项目，包括：工频参考电压、直流泄漏参考电压U1mA、0.75U1mA泄漏电流、持续运行电压下的全电流，持续运行电压下的阻性电流。另外结合动车组运行的里程和时间状态共同组成了评价指标。
2.3 动车组车顶避雷器状态等级确定
本文根据相关状态检修标准将动车组车顶避雷器状态等级评定结果分为：初值、注意、异常（或故障）三个等级划分。各单项试验参数的评价取值按照车顶避雷器的初值，注意值，异常值来进行等级划分。实际操作中，取车顶避雷器厂家出厂试验数据作为初值，采购技术规范要求的标准值作为异常值，两者之差的30%作为注意值。公里和时间等级以惯用的2万公里、10万公里、120万公里和7天、90天、3年为三个等级作为划分标准。
以某动车组车顶避雷器的具体评估过程为例来说明。该避雷器型号为：YH10WT-37/105。根据其出厂报告数据和中车唐山厂动车组避雷器采购技术规范得到标准等级划分表1。
2.4 TOPSIS评价步骤
⑴ 形成无量纲决策矩阵
如果各指标量纲不统一，则评价过程难以进行，所以首先对待评价矩阵进行无量纲化处理[6]。对新组成的增广矩阵数据以特定的三个状态等级界限值作为理想等级进行处理。定义评价问题的多指标矩阵是，进而设定无量纲处理后的评价矩阵是，采用下式处理越大越优的评价指标：
⑴
其中，代表指标对应的界限值。
⑵ 构建加权评价矩阵
无量纲待评矩阵和权重系数数据相乘得到加权矩阵：
⑵
⑶ 计算正负理想解。
⑷ 计算带评价的各组数据与正负理想解的贴近距离。待评数据到正理想解的距离为：
⑶
⑸ 计算各待评价试验数据与理想解间的贴近度
⑷
⑹ 利用式⑷计算出当前避雷器状态与相应等级状态的贴近度，可以得到待评价试验数据的量化综合状态。
3 评估实例
取某动车组车顶避雷器最近一次的例行试验数据为例进行评估计算，7项试验指标：运行公里、运行时间、工频参考电压、直流泄漏参考电压U1mA、0.75U1mA泄漏电流、持续运行电压下的全电流，持续运行电压下的阻性电流的数据为{21100，202，40.1，61.2，9.2，880.5，129.3}。
从单项数据上看所有指标都满足规程要求，对其评估的目的是获得可以量化的综合状态。采用本次试验数据与标准数据组合成增广矩阵，然后无量纲化处理，以异常等级的界限值为参考值，最后1行为本次测量数据，得到规范化评价属性矩阵G。7列数据分别为7项试验指标：运行公里、运行时间、工频参考电压、直流泄漏参考电压U1mA、0.75U1mA泄漏电流、持续运行电压下的全电流，持续运行电压下的阻性电流。
G=[0.0167 0.0064 0 0 0.1400 0.8300 0.4000 0.0833 0.0822 0.7 0.7 0.7420 0.9490 0.8200 1 1 1 1 1 1 1 0.1758 0.1845 0.4655 0.1130 0.7600 0.9800 0.8867 ]
利用熵权计算法根据理想解增广矩阵计算得出权重ω=（0.0972，0.0974，0.1340，0.1306，0.1592， 0.2026，0.1789）。将矩阵G与权重系数相乘，得到最后的的评价矩阵。最后利用理想解算法对矩阵G结合权重进行正负理想解计算，得到各组数据的状态贴近距离为：
最后得到各组数据的状态贴进距离：1级（正常）：0.0000；2级（注意）：0.6032；3级（故障）：1.0000。本次试验的状态贴进距离为：0.5863。即当前车顶避雷器状态评估值为0.5863，属于可以正常运行状态，可以只安排常规试验维修项目。
4 评估系统实现
4.1 评估流程设计
进行动车组车顶避雷器状态评估可以帮助检修决策者根据车顶避雷器状态制定相应的状态检修方案。动车组车顶避雷器状态评估流程见图2。
[开 始] [参数设置][试验数据采集][状态评估模型][状态趋势曲线][报告打印][结 束][故障报警][Matlab子程序] [产品数据库] [规程数据库] 4.2 软件界面设计
Delphi IDE开发工具系统内置的Visual Component Library（可视组件库VCL）非常适合进行windows风格界面编程。
本评估系统的具体开发上，利用了开发工具自身带的VCLSkin组件进行界面设计，VCLSkin是系统已经封装好的组件包。本系统界面设计时，引入了第三方开发软件皮肤风格组件SkinData，在设计FORM窗体时，需要拖拉SkinData进入窗体中，然后对设置好相关属性。选择设定界面风格以后，在具体运行时，所有的窗体和子窗体将呈现预设定的风格界面。不同风格的皮肤参数都存在相应的参数文件里，SkinData可以随时调用，运行时调用界面风格文件参数的代码如下：
procedure TFormmain.FormCreate（Sender： TObject）；
var dbpath，a：string； bd：integer；
begin
skindata1.SkinFile：=ExtractFilePath（Application
.ExeName）+'＼rec＼skin05.skn'；
skindata1.Active：=true；
end；
试验数据记录保存在ACCESS数据库中，采用图表控件进行图形绘制，采用OLE控件产生word试验报告。
4.3 评估算法实现
理想解评估算法具体的实现思路是，首先计算待评价数据组与评估目标等级正负理想解间的加权欧式距离，然后计算待评价数据集与正理想解的贴近程度数据，最后以贴进度数值作为评价结果。本文采用MATLAB来编程实现理想解的评估算法。计算方法参考2.4内容。
MATLAB 中计算贴近度部分代码如下：
SdP=zeros（1，m）；
for i=1：m
s=0；
for j =1：n
s=s+（SP（j）-R（i， j））^2 ；
end
SdP（i）=sqrt（s）；
end
mytj=zeros（1，m）；
for i=1：m
mytj（i）=SdM（i）/（SdP（i）+SdM（i））；
end
5 结束语
针对动车组车顶避雷器检修中试验数据满足标准情况下，对其状态评估难的问题，开發了一套基于理想解评估方法的动车组车顶避雷器评估系统。该系统直观描绘了动车组车顶避雷器的运行状态趋势，为维修计划提供了参考。下一步将考虑融入更多的运行信息，使其评估结果更加准确，进一步促进动车组状态检修技术的发展。
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