鐵路客運站設備故障診斷評價體系及多屬性分析模型研究

沈海燕，楊玲玲，程清波

（中國鐵道科學研究院集團有限公司電子計算技術研究所，北京 100081）

隨著中國高速鐵路及客運專線的成網運營，高速鐵路客運車站（簡稱“客運站”）大規模投入使用，客運站自動化程度在不斷提高，車站對設備的依賴性越來越高，客運站的設備數量和種類在不斷的增長，旅客對客運站設備的安全性、可靠性、便捷性、舒適性、智能性等要求越來越高。為推進高速鐵路智能化建設，滿足智能車站建設需求，實現高速鐵路車站基礎設施方面的智能化管理，對客運站設備的運營維護和實時監控提出了更高的要求。

目前，鐵路客運站設備主要包括自動檢票機、實名制驗證閘機、自動取票機、自動售票機、ATM-鐵路自動售票機、移動補票機等客票自助設備，導向屏、廣播、視頻監控、查詢機等旅客服務設備，照明、電梯和自動扶梯、空調、安全門、廁所設備、上水設備等機電類設備設施，以上客運設備具有種類多、分布廣、數量大、價值高等特點，因此，通過構建基于故障預測診斷的多維度設備狀態評價體系，將運行和維護建議反饋到控制系統，為設備最優使用和及時維護提供自主認知、學習、重構的能力，實現設備智能維修和健康管理，是確保客運生產組織運營安全、提高客運服務質量、營造車站環境舒適度以及影響旅客出行體驗中的關鍵環節和重要手段。

科學、合理、有效的設備評價體系的構建和實施，對提高設備綜合效率和最大限度發揮設備效能有重要意義。設備狀態評價是進行設備故障診斷和實施設備狀態檢修的核心，利用評價體系對鐵路客運站設備的健康管理、資源配置等方面進行評價，已經成為現代鐵路客運站設備管理的重要技術方法和手段。評價體系的好壞直接影響設備狀態管理最終評價的準確性。在設備評價指標體系研究方面，張登峰通過對風力發電機組各功能結構關系進行分析及功能劃分，選取6個方面作為狀態評價指標構建了風力發電設備狀態評價體系，并將AHP-模糊綜合評價方法運用在設備狀態評價中。劉錫正通過對電動汽車充電設備進行分類，對不同的充電模式進行分析，確定了充電設備綜合評價指標，建立了相應的綜合評價模型。李金等通過將設備的歷史數據分類為不同狀態的數據集，并提取每個數據集的主要特征向量作為設備狀態的評價分類依據，將數據挖掘方法引入電力設備狀態評價中。然而，目前關于鐵路客運站設備的評價研究卻很少，特別是在基于設備故障診斷的評價體系研究方面，更是空白。

1 鐵路客運設備評價指標體系構建

鐵路設備故障評價指標對設備故障處理優先級具有重要的實際指導意義。客運站設備故障診斷評價指標體系的構建，應從不同的維度綜合考慮設備狀態的評價。通過搜集和閱讀大量文獻資料，參考了其他類型的設備相關評價的研究，結合客運站設備種類多的特點，只構建單一設備的評價指標體系很難反映其他設備的評價情況，所以，根據指標體系的設計原則，通過歸納整理構建了客運站所有設備通用的綜合評價指標體系，對客運站設備的評價具有指導意義。

對客運站設備故障診斷評價指標體系主要從設備運行指標、設備監控指標、設備健康指標3 個維度進行評價。設備的運行狀態能夠直接反映出設備的健康狀況，設備運行指標從設備的可靠性、維修性、經濟性3 個方面12 個指標綜合考慮設備的運行狀態；設備監控指標通過監控手段從安全保障和節能環保2 個方面8 個指標進行評價，其中，安全保障以事故發生率為例，包括電梯和自動扶梯等關鍵設備發生故障，有可能對人的生命構成威脅，以及自動售票機可能存在的信息安全等，節能環保主要是通過對客運站空調能耗、照明能耗、電梯能耗進行分析，考慮節能對策，如通過對空氣的溫度、濕度、二氧化碳濃度進行監控，實現對空調和新風機設備的調節控制，通過對光線強度等進行監測實現對照明的智能控制，實現綠色節能，提高設備的利用率，延長設備使用壽命；設備健康指標代表著設備的工作狀態能力，從設備出廠數據、設備運用數據、設備維修數據3 個方面8 個指標進行評價，通過對設備出廠基本參考和制造廠商的評價數據，結合設備運行過程中動態監測和檢測記錄以及設備維修數，進行大數據分析，實現設備的故障診斷、性能預測從而對設備進行健康管理。通過上述分析，本文建立了多層次、多維度的客運站設備故障診斷評價體系，見表1。

表1 鐵路客運站設備故障診斷評價指標體系

2 鐵路客運設備評價方法及模型的構建

2.1 評價方法的選擇

目前，國內外關于綜合評價的方法有幾十種，包括層次分析法、因子分析法、數據包絡分析法、人工神經網絡分析法、模糊綜合評價法等。其中，層次分析法（Analytical Hierarchy Process，AHP）將定性問題與定量問題分析相結合的一種多準則的決策方法。該方法把復雜的問題按目標層、準則層和指標層進行分解。同一層次的元素作為準則即受上一層元素支配，又對下一層元素進行支配。層次法特別適用于難以完全定量分析的問題。基于模糊數學的模糊綜合評價法通過隸屬度理論實現把定性的問題定量化，對受到多種因素影響的事物（對象）進行總體評價，該方法可以有效地消除主觀差異性的影響，又具有可操作性。客運站設備故障診斷評價的各種指標中既有定量指標又有定性指標，僅使用一種評價方法很難做到評價結果的正確性和可靠性，因此，本文選用層次法和模糊綜合評價法相結合對客運站設備狀態進行評價，按照先分層、再融合的方式構建數據驅動的設備狀態評價體系模型。

2.2 多屬性分析模型的構建

2.2.1 層次分析法確定指標權重

（1）確立指標層次結構。在基于故障診斷模式及分析其對設備的影響基礎上，從不同角度進行分析設備狀態的有關因素，確定客運站設備評價指標體系的層次結構由目標層、準則層、指標層4 個層次組成，具體層次結構劃分見表1。

（2）構建判斷矩陣。通過構建判斷矩陣，將定性的問題定量化。將層次結構中的各層元素與相對應的上一層元素有關的各個元素進行兩兩相對重要性比較，并按重要程度賦予權重。這里采用1-9 標度方法來闡明指標的權重。不同標度及含義見表2。

根據專家的經驗及理論分析，采用1-9 標度法對評價的因素進行兩兩比較，構造判斷矩陣。設某一層有n 個元素，判斷矩陣 A = ( aij)n×n，其中， aij的值代表因素 iB 和 Bj相比對A 的影響程度。采用和積法對構造出的判斷矩陣進行求解，得出目標層A 下準則層元素的權重。通過將構造的判斷矩陣分別按行相加計算，求得列向量，然后，將列向量做歸一化處理，求得各因素相互比較的相對權重。

（3）進行一致性檢驗。由于判斷的復雜性以及主觀認識的片面性和不穩定性，會造成判斷結果不一致的情況，如評價結果偏離很大或判斷結果存在邏輯上的錯誤，所以，需要進一步對判斷矩陣進行一致性檢驗。一致性檢驗指標CI 計算公式如下：

其中， λmax是判斷矩陣的最大特征值。

為了消除矩陣階數對判斷矩陣一致性的影響，需要引入平均隨機一致性指標RI，其取值見表3。

表2 1-9 比例標度及含義

表3 判斷矩陣的平均隨機一致性指標RI 取值

判斷矩陣一致性指標CR 計算公式如下：

對于1、2 階判斷矩陣具有完全一致性，當 n ＞2 時，CR ≤ 0.1時，認為判斷矩陣符合一致性條件，否則，需要調整重新賦值，直到滿意為止。

2.2.2 模糊綜合評價法進行評價

采用模糊綜合分析方法可以有效地消除主觀差異性的影響，又具有可操作性。具做的計算步驟如下：

（2）確定評價指標權重系數。通過層次分析法構造判斷矩陣，先經過歸一化處理，再進行一致性檢驗確定每一層指標的權重。設第二層指標權重向量為WA，其 中第三層指標權重向 量 為i=1 ,2 ,3, … ,8；k=1 ,2 ,3, …, 28， 其 中

（3）一級模糊綜合評價。根據單層次評價方法中的隸屬度的確定方法得到評價指標隸屬度矩陣為：

其中， i = 1 ,2 k ,3, …, k；m 為評價等級個數。

同理求出 RB2-C， RB3-C。

（4）二級模糊綜合評價。

二級模糊綜合評判的模糊關系矩陣 RA-B 為：

按照多級模糊綜合評價方法，向上復合，最終的評價結果為：

3 實例分析

以某客運站的機電設備自動扶梯為例進行實例分析，設備故障診斷評價有五級，以“安全告警”指標為例，等級評價準則見表4，安全告警的等級隸屬度函數圖如圖1 所示。

表4 安全告警等級評價準則

圖1 安全告警的等級隸屬度函數圖

對安全告警評價得分進行模糊化計算，例如，如果扶梯的安全告警評分為96 分，則模糊向量為(1,0,0,0,0)，如果評分為86.5 分，按照錄屬函數進行模糊計算，則屬于 1v 的隸屬度，屬于 v2的隸屬度模糊向量為(0.42,0.58,0,0,0)，其他指標評價模糊化處理過程相同。以設備監控指標的安全保障和節能環保為例，進行模糊綜合評價，見表5。設備運行指標的可靠性、維修性、經濟性和設備健康指標的出廠數據、運行數據、維護數據的模糊綜合評價計算相同，不一一列出，某客運站扶梯設備狀態模糊綜合評價見表6。

表5 安全保障和節能環保模糊綜合評價

表6 某客運站扶梯設備故障診斷模糊綜合評價

最后得到目標層模糊評價結果 A=(0.66549,0.30968,0.02483,0,0)根據最大隸屬度原則，對扶梯的狀態綜合評價為正常，具有很好的運行狀態，滿足設備監控性能設備健康良好。

4 結語

針對鐵路客運站設備的多樣性特點，從設備運行、設備監控以及設備健康三個維度，按照層次劃分法得到基于設備故障診斷的鐵路客運站設備的評價指標體系。采用層次分析法確定各層權重，再結合模糊綜合評價法相結合的方式建立評價模型，從下而上逐級進行評價，得到子目標層的評價值，進而完成目標層的綜合評價。鐵路客運站設備故障診斷評價指標體系的建立及在客運站的應用，為設備管理人員掌握設備運行狀態及設備性能改進提供了科學依據，對設備的故障診斷、性能判斷以及健康管理有著重要的指導意義，有效提高了設備運行狀態的管理水平。