貝葉斯網(wǎng)絡在接觸網(wǎng)可靠性評估的應用

王文濤

（鄂爾多斯南部鐵路有限責任公司，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010000）

電氣化鐵路在國民出行交通中有著舉足輕重的地位，能滿足人們對現(xiàn)代交通運輸?shù)目焖佟⑹孢m和高效的需求。因此，牽引供電系統(tǒng)不僅對供電質(zhì)量有較高的要求，還對運行的可靠性有很高的要求。作為牽引供電系統(tǒng)中重要的組成部分，接觸網(wǎng)對整個牽引供電系統(tǒng)運行的可靠性、靈活性和經(jīng)濟性都起著決定性作用。因此，對接觸網(wǎng)的可靠性進行分析評估具有十分重要的價值。

對接觸網(wǎng)系統(tǒng)進行可靠性分析的方法有很多，比如，故障樹分析法、概率模擬法、GO 分析法、故障樹分析法等，然而，通常會采用傳統(tǒng)又經(jīng)典的系統(tǒng)可靠性分析方法——故障樹分析法（Fault Tree Analysis，F(xiàn)TA）。由于接觸網(wǎng)系統(tǒng)的故障樹體系相對偏大，導致其在定量分析中顯得十分煩瑣。為了降低計算系統(tǒng)的復雜程度，可以考慮使用目前行之有效的可靠性分析方法——貝葉斯網(wǎng)絡法（Bayesian Network，BN）。貝葉斯網(wǎng)絡是以數(shù)理統(tǒng)計、圖論研究和貝葉斯概率理論為基礎(chǔ)，可以通過在線學習從而實現(xiàn)自身結(jié)構(gòu)中概率信息的更新，從而提高所分析系統(tǒng)的可靠性。當信息或者數(shù)據(jù)處于不完全的狀態(tài)時，基于精確的貝葉斯網(wǎng)絡模型可以實現(xiàn)不確定性的分析計算最終實現(xiàn)系統(tǒng)的診斷工作。貝葉斯網(wǎng)絡法與故障樹有相似之處，區(qū)別則在于貝葉斯網(wǎng)絡法可以跳過求解最小割集直接得出頂事件的發(fā)生概率。貝葉斯網(wǎng)絡法可以利用求解基本事件后驗概率，找出系統(tǒng)的薄弱環(huán)節(jié)，從而比故障樹法更適合用于接觸網(wǎng)系統(tǒng)的可靠性評估。

本文參照故障樹分析法對貝葉斯網(wǎng)絡進行建模，并基于貝葉斯網(wǎng)絡法，對接觸網(wǎng)系統(tǒng)進行可靠性分析，最后給出提高接觸網(wǎng)可靠性的方法，為接觸網(wǎng)的優(yōu)化研究以及平常運維檢修工作提供一定的理論參考。

1 基于故障樹法的貝葉斯網(wǎng)絡建模

故障樹分析法和貝葉斯網(wǎng)絡，在推理機制方面和系統(tǒng)狀態(tài)描述等方面，有著很大的相似性，因此，我們可以在故障樹法的基礎(chǔ)上，對貝葉斯網(wǎng)絡進行建模，從而在很大程度上，減小建立貝葉斯網(wǎng)絡模型構(gòu)建的復雜度。故障樹向貝葉斯網(wǎng)絡轉(zhuǎn)化的詳細步驟如下：

（1）FTA 中的事件與BN 中的節(jié)點實現(xiàn)相互對應。FTA中的基本事件對應于BN 中的根節(jié)點，F(xiàn)TA 中的中間事件對應于BN 中的子節(jié)點，F(xiàn)TA 中的頂事件對應于BN 中的葉節(jié)點。如果故障樹中基本事件是相同的，那么，在BN 中僅會表示為一個根節(jié)點。

（2）依照FTA 的邏輯關(guān)系，利用和FTA 邏輯門的輸入、輸出相同的連接方向的有向弧將BN 中各個節(jié)點進行聯(lián)接。

（3）BN 中的條件概率表在FTA 中則表現(xiàn)為邏輯門的關(guān)系，F(xiàn)TA 中的邏輯門輸出值也應和BN 狀態(tài)取值相同。

2 基于貝葉斯網(wǎng)絡的接觸網(wǎng)可靠性評估

圖1 非正常工作接觸網(wǎng)系統(tǒng)的貝葉斯網(wǎng)路故障樹

對相關(guān)接觸網(wǎng)項目進行調(diào)研，并對近幾年的全路范圍內(nèi)接觸網(wǎng)發(fā)生故障的相關(guān)報告進行查閱，針對報告開展研究，統(tǒng)計了近30 種接觸網(wǎng)構(gòu)造部件的故障情況和多起接觸網(wǎng)跳閘、失壓、停電案例，包括了接觸線、支柱、承力索、腕臂、支持絕緣子等在內(nèi)。這里的跳閘主要指的是由外部原因?qū)е拢瑢儆诜墙佑|網(wǎng)結(jié)構(gòu)部件故障的非瞬時性的跳閘，譬如過負荷、外物搭接等引起的，而所謂的失壓說的是處于進線部位的電源性故障。依據(jù)前期調(diào)研的結(jié)果，把接觸網(wǎng)系統(tǒng)不能正常運行作為頂事件，從而得到如圖1 所示的接觸網(wǎng)系統(tǒng)貝葉斯網(wǎng)路故障樹。

天窗方案一律采用“四小時綜合天窗方案”，再利用文獻中的方法對調(diào)研結(jié)果進行分析處理，可以計算出每個基本事件的先驗概率，具體的結(jié)果如表2 所示。在貝葉斯網(wǎng)絡BNT 工具箱的基礎(chǔ)上，利用Matlab 軟件進行程序編寫及計算，可以計算得到相應的概率值：接觸網(wǎng)系統(tǒng)無效概率P=0.105462281104758 ≈10.546228%；在役接觸網(wǎng)系統(tǒng)的可利用率R ≈0.894538。

利用BN 對接觸網(wǎng)系統(tǒng)進行診斷，假設此時接觸網(wǎng)處于異常狀態(tài)，那么，接觸網(wǎng)主要元件和各子系統(tǒng)發(fā)生故障的概率分別如表3、4 所示。

從表1 ～3 的計算結(jié)果易知，當接觸網(wǎng)異常時，從子系統(tǒng)故障對接觸網(wǎng)故障的影響來看，故障概率最大的子系統(tǒng)就是接觸懸掛，其影響值高達35.6%，其次，是子系統(tǒng)支持裝置和定位裝置。從元件故障對接觸網(wǎng)故障的影響程度來看，承力索故障概率最大，數(shù)值為13.43%。因此，可以認為承力索故障是接觸網(wǎng)系統(tǒng)中最薄弱的一環(huán)，然后，按概率由大到小，薄弱程度依次減小的順序是：附加導線、支持絕緣子及吊弦，最后是接觸線。通過這些概率分析，我們知道接觸網(wǎng)的組成元器件的可靠性決定了整個接觸網(wǎng)系統(tǒng)的可靠性，因此，要想提升整個接觸網(wǎng)系統(tǒng)的可靠性，必須先提高組成結(jié)構(gòu)元器件的可靠性。另外，從表2 中還可以看到，跳閘/ 失電的事故引起接觸網(wǎng)系統(tǒng)故障的概率也不低，也就是說，接觸網(wǎng)系統(tǒng)的可靠性影響因素中，外部因素占有的比重不容忽視。

表1 基本事件名稱和其概率分布

表2 接觸網(wǎng)故障時各子系統(tǒng)的故障概率

表3 接觸網(wǎng)異常時各元件故障的概率

3 提高接觸網(wǎng)可靠性的幾點建議

為了提高接觸網(wǎng)系統(tǒng)的運行可靠性，可圍繞以下幾方面展開：

（1）接觸網(wǎng)的本身。首先，對接觸網(wǎng)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、功能以及零元部件的疲勞壽命進行研究分析，從而對其維護方案實現(xiàn)優(yōu)化。

（2）預防外部干擾因素。從前文分析結(jié)果可知，外部因素是影響系統(tǒng)運行可靠性的主要、直接原因。因此，應從加強對環(huán)境風險源的研究和主動采取相應防控措施，對接觸線附近居民加大安全宣傳教育，與其他單位或者相關(guān)部門互相合作維護等方面著手，盡可能地降低異物搭接、電源故障、雷擊、受電弓故障等外部干擾因素對接觸網(wǎng)運行可靠性的影響。

（3）接觸網(wǎng)維護檢修隊伍水平的提高。提高日常巡查的標準化，更加針對性地進行維護，提高接觸網(wǎng)故障/隱患的排查能力，實現(xiàn)接觸網(wǎng)設備運維管理和檢修的高標準、高要求，保證每次檢修的高質(zhì)量。

4 結(jié)語

本文基于貝葉斯網(wǎng)絡法，參照故障樹分析法對貝葉斯網(wǎng)絡進行建模，對接觸網(wǎng)系統(tǒng)進行可靠性分析，得到基本事件的后驗概率，最后，找出接觸網(wǎng)系統(tǒng)的薄弱環(huán)節(jié)并給出提高接觸網(wǎng)可靠性的相關(guān)建議。