基于GO-FLOW法的高速鐵路接觸網系統可靠性分析

趙 峰 梁 麗 王思華

（蘭州交通大學自動化與電氣工程學院 蘭州 730070）

1 引言

高速鐵路牽引供電系統中，無備用的接觸網系統是整個供電系統的薄弱環節，因此對接觸網系統的可靠性進行準確的計算評估對于提高整個牽引供電系統的可靠性和經濟性有著十分重要的意義。如何評估和提高接觸網系統的可靠性，已經成為提高整個高速鐵路可靠性的關鍵。

我國科研人員對接觸網可靠性的研究起步于 20世紀 90年代[1]，有學者分別運用故障樹分析（Fault Tree Analysis,FTA）模型[2]、遺傳算法[3]以及GO法[4]等對牽引供電系統進行了可靠性的建模及分析。張衛東等建立了接觸網重要部件的可靠性計算模型，并推導了不同供電方式下供電可靠性的指標[5]；冷宏俊總結了接觸網系統可靠性工程的研究范疇，并介紹了接觸網典型零部件的可靠性設計方法[6]；萬毅等將神經網絡理論和有限元分析等理論結合在一起建立了接觸網系統的可靠性分析模型，得到各部件可靠度計算結果[7-8]，胡海濤等基于FTA和FMEA（failure mode and effects analysis）法對地鐵牽引供電系統進行了可靠性評估[9]，但已有文獻對接觸網部件隨時間的失效現象沒有考慮或考慮不全面。

本文擬通過對高速鐵路接觸網系統的結構進行分析，結合邏輯框圖及GO法與GO-FLOW法，分別建立不考慮部件失效率與考慮部件失效率的接觸網系統可靠性研究模型，根據模型計算出兩種情況下接觸網系統的可靠度，并對不同情況下的接觸網可靠度進行對比，驗證GO-FLOW法的有效性，同時提出提高接觸網運行可靠性的措施，為接觸網的設計、維修提供科學的理論依據。

2 GO-FLOW法分析的基本算法簡介

GO-FLOW法[10-14]是20世紀80年代以后在GO法的基礎上逐漸發展起來的，其基本思想是將系統圖或工程圖直接翻譯成GO-FLOW圖，是一種新的概率風險評價方法，采用圖形演繹的方式，以成功作為系統的導向，主要用于運行具有復雜時序或狀態隨時間變化的系統。

2.1 GO-FLOW法分析的特點

（1）GO-FLOW法的建模是以成功為導向。

（2）GO-FLOW法根據部件/分系統的功能，選擇相應的GO-FLOW運算符直接將系統的原理圖轉換為模型圖，并提供程序計算系統各種狀態發生的概率，完成對系統的定性與定量分析，從而對系統的可靠性進行評價。

（3）GO-FLOW 圖中的操作符與所研究系統中的部件幾乎一一對應，反映系統原來的結構組成，明顯地描述出大多數相關部件之間的關系和相互作用情況，模型結構清晰，易于與原系統進行核對。

2.2 GO-FLOW法分析的步驟

GO-FLOW法的主要步驟是建立GO-FLOW圖和進行GO-FLOW運算，包括三大要素：信號、時間點和運算符。基于GO-FLOW法可靠性評價基本流程與步驟如圖1所示。

圖1 GO-FLOW法分析流程及步驟Fig.1 Process and steps of GO-FLOW analysis

3 接觸網系統的GO-FLOW分析及建模

3.1 高速鐵路接觸網系統結構

隨著電氣化鐵路的快速發展，作為牽引供電系統主構架的接觸網承擔著向鐵路負荷即動車組提供充足電力的重任。接觸網主要由接觸懸掛、支持裝置、附屬懸掛、定位裝置、支柱與基礎及補償裝置等幾部分串聯組成[15]，其邏輯框圖如圖2所示。

圖2 高速鐵路接觸網結構邏輯框圖Fig.2 The structure logic diagram of high-speed railway catenary

3.2 高速鐵路接觸網系統可靠性分析模型的建立

結合圖2所示的高速鐵路接觸網系統的總體結構邏輯框圖，本文以接觸網系統能夠正常工作為導向，分別建立不考慮部件失效率的接觸網系統 GO圖與考慮部件失效率的接觸網系統的 GO-FLOW圖。其中，A、B、C、D、E、F分別代表高速鐵路接觸網的六個部分，由于只有當六個部分全部正常運行才能使接觸網系統正常工作，所以它們在邏輯上是串聯的關系，為了方便分析，假定接觸網各部分是一個等效的單元。

3.2.1 不考慮接觸網系統部件失效率的接觸網系統GO圖的建立

不考慮部件失效率的接觸網系統 GO圖如圖3所示。其中接觸懸掛采用操作符 5（信號發生器）來代替，其余五個都是兩狀態單元替代。其中1、2、3、4、5、6代表信號流。

圖3 不考慮接觸網系統部件失效率的接觸網系統GO圖Fig.3 GO figure with regardless of the catenary system component failure rate of the catenary system

3.2.2 考慮接觸網系統部件失效率的接觸網系統GO-FLOW圖的建立

（1）信號流定義。高速鐵路接觸網系統在運行過程中，各組成單元可能會發生故障，為了保障動車組安全、穩定的運行，就應該減少接觸網系統元件故障的發生，提高其供電的可靠度。因此，接觸網系統供電的可靠度用信號流的強度來表示。信號流強度越高，說明供電的可靠性越好[16]，反之亦然。

（2）操作符定義。高速鐵路接觸網系統的主要組成部分—接觸懸掛包括接觸線、吊弦、承力索以及部分連接零件，其作用是將從牽引變電所獲得的電能輸送給電力機車，所以接觸懸掛采用操作符25（信號發生器）來代替，其余五個部件由兩狀態操作符21來替代，分別表示操作符工作狀態的成功和故障，同時考慮到接觸網六個組成部分隨使用時間的變化，其使用壽命也會發生變化，其可靠度也會降低，即考慮元件的失效率，用操作符35來表示隨時間失效的工作元件，考慮部件失效率的接觸網系統的GO-FLOW圖如圖4所示。

圖4 考慮接觸網系統部件失效率的接觸網系統GO-FLOW圖Fig.4 The GO-FLOW diagram with considering the catenary system component failure rate of the catenary system

（3）運算規則。本系統有三種類型操作符，如果用 KC、KR分別表示操作符本身的故障率和輸出故障率，AC、AR分別表示操作符本身的可靠度和輸出可靠度，KS、AS分別表示輸入信號的故障率和可靠性，則各操作符的運算規則如下。

1）信號發生器類型 25。信號發生器輸出信號的強度(可靠度)和故障率就是操作符的可靠度和故障率，即

2）兩狀態單元類型 21。兩狀態單元操作符的輸出信號強度（可靠度）和故障率分別為

3）隨時間失效的工作單元類型 35。據系統可靠性工程理論，如果時變單元的故障率為常數 K，則其輸出信號強度（可靠度）和故障率分別為

4 接觸網系統可靠度計算

4.1 不考慮部件失效率的接觸網系統可靠度計算

不考慮接觸網單元失效率的接觸網系統GO圖共有6個操作符（見圖3），參閱相關文獻并結合實際統計數據[17-18]，假設各組成單元的操作符可靠性參數如表1所示。

表1 不考慮部件失效率的接觸網系統各單元操作符可靠性參數Tab.1 Reliability parameters with regardless of the component failure rate of the catenary system

表1列出了不考慮單元失效的接觸網系統所有操作符的數據，因為采用GO法處理該類系統時，是通過求解部件的狀態轉移方程來獲取部件的狀態概率，從而得到各環節的故障率和可靠度，計算得到所有信號流狀態的概率如表2所示。

表2 不考慮部件失效率的接觸網系統GO-FLOW圖中信號流強度Tab.2 Signal intensity of GO-FLOW diagram with regardless of the component failure rate of the catenary system

4.2 考慮部件失效率的接觸網系統可靠度計算

圖4所示的考慮元件失效率的接觸網系統GOFLOW圖共有18個操作符，為了便于與基于GO法的計算結果進行對比分析，選取相同的初始條件和系統邊界，參閱相關文獻并結合實際統計數據[17-18]，接觸網系統各組成單元的操作符可靠性參數如表3所示。這些參數的概率統計值是否準確可信，是否符合接觸網系統的實際運行情況，還有待時間進一步驗證，但這不會影響對接觸網系統可靠性分析評估方法的探討。

表3 考慮部件失效率的接觸網系統各單元操作符可靠性參數Tab.3 Reliability parameters with considering the component failure rate of the catenary system unit operator

表3中考慮單元失效率的接觸網系統所有操作符的數據（可以在實際運作過程中統計一段時期內各單元部件隨運行時間的變化而產生的損耗，即元件失效率，從而得到各環節的故障率和可靠度）。將接觸網系統部件可靠性參數代入式（1）～式（6），可得到所有信號流的輸出概率如表4所示。

表4 考慮部件失效率的接觸網系統GO-FLOW圖中信號流強度Tab.4 Signal intensity of GO-FLOW diagram with considering the component failure rate of the catenary system

4.3 兩種情況的對比分析

為了驗證將GO-FLOW法用于高速鐵路接觸網系統可靠性分析的可行性，本文將基于GO法的不考慮單元失效率的信號流計算結果與基于GO-FLOW法的考慮單元失效率的信號流計算結果進行對比分析，信號流可靠度分析結果如圖5所示（因原始統計數據存在一定的誤差，故仿真結果也存在一定的誤差）。

圖5 信號流可靠度分析結果Fig.5 Reliability analysis results of signal flow

由圖5可知，不考慮接觸網部件單元失效率的接觸網系統的可靠度 R=0.850，考慮接觸網部件單元失效率的接觸網系統的可靠度R=0.611，兩種情況下接觸網系統可靠度相差23.9%，說明在對該類運行環境下的系統進行可靠性分析時，必須要考慮系統元件壽命會隨時間變化而發生變化，即元件的失效率。GO-FLOW 方法獲得的系統可靠度低于采用GO法的系統可靠度，更接近系統實際的運行情況。同時，可以看出，接觸懸掛與定位裝置故障失效對于接觸網系統可靠性影響較大。

5 結論

根據高速鐵路接觸網的特點，結合 GO-FLOW法，建立了接觸網的GO-FLOW圖。通過對接觸網系統實例計算以及結果分析，得出以下結論：

（1）在不考慮接觸網系統相關部件隨工作時間的失效率情況下，該系統可靠度曲線在一定使用周期內下降幅度較小，曲線比較平滑，而在考慮接觸網系統部件隨工作時間的失效率情況下，其可可靠度隨時間變化而減小的幅度較大，可見第二種情況更接近實際運行情況。

（2）從文中可靠度計算式（5）可知，影響接觸網可靠度的因素為接觸網各部件的失效率和運行周期，因而要提高接觸網可靠度，降低接觸網部件失效率，提高其維修率是有效途徑。

（3）從文中接觸網系統可靠度信號流曲線對比得知，接觸懸掛與定位裝置故障失效對于接觸網系統可靠性影響較大，因而要加強對接觸懸掛和定位裝置的故障檢修。

（4）為提高接觸網系統可靠度，在此提出以下建議：①在接觸網建造時，采用質量高、便于維修的接觸網零部件；②條件允許范圍內對接觸網系統進行預防性維修，降低接觸網部件失效率；建議對接觸網的檢修周期小于120天；③加強接觸網的故障檢測與定位，以便及時發現故障并搶修，提高接觸網部件的使用壽命。

因此，利用GO-FLOW法進行接觸網的可靠性分析是切實可行的。運用GO-FLOW法評價接觸網系統的安全可靠度直觀方便，不僅能夠計算整個系統的安全性，而且在計算過程中可以得到各個環節的安全性，有利于找出制約接觸網系統安全可靠運行的瓶頸，為提高系統整體的安全性提供依據。GO-FLOW 法為運行環境下系統安全可靠性評估提供了一種有效的定量評價方法。以上結論可對以后接觸網設計與維修提供一定的參考，但在接觸網設計與維修中如何保證接觸網高可靠度的同時又滿足經濟性的要求，還有待解決。

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