接触网系统维修计划的多目标优化研究

北京交通大学硕士学位论文电气化铁路接触网系统维修计划的多目标优化研究姓名刘晓民申请学位级别硕士专业电气工程指导教师吴俊勇20090601北京交通大学硕士学位论文中文摘要中文摘要摘要中国高速铁路的快速发展对电气化铁道的供电可靠性及接触网系统维修提出了更高的要求。本文首先将电气化铁路接触网系统及部件的维修方式分为三类，不同维修方式下系统的可靠性和维修费用不同，并在此基础上建立了不同维修方式组合下接触网系统的动态可靠性模型和维修费用模型。为实现提高接触网系统的可靠性并降低维修费用的目标，本文提出了一种混沌自适应进化算法CESA来求解这多目标优化问题，新算法的混沌初始种群算子提高了初代种群的多样性，分组选择策略保证了各代中一定数量的劣势个体能参与进化，自适应遗传算子增加了劣势个体的交叉和变异概率，从而避免算法早熟，增强了算法的全局搜索能力。计算结果表明，CESA在种群多样性保持和帕雷托PARETO最优解收敛方面均优于流行的NSGAII多目标算法。采用CSEA算法得到的优化维修计划，不但可以显著提高接触网系统的可靠性，同时也大大降低了维修费用。最后，将本文提出的多目标优化算法与传统的单目标优化算法进行了比较，也验证了多目标优化算法的优越性。关键词接触网系统；可靠性维修；多目标优化；混沌初始种群；分组选择算法；自适应遗传算法ABSTRACTABSTRACTHIGHEL“RELIABILITYOFPOWERSUPPLYANDOPTIMIZEDMAINTENANCESCHEDULEOFCATENARYSYSTEMALEREQUIREDURGENTLYWITHCHINASRAPIDDEVELOPMENTOFHIGH。SPEEDRAILWAYTHEDYNAMICRELIABILITYMODELANDMAINTENANCECOSTMODELOFTHECATENARYSYSTEMINHIGHSPEEDRAILWAYHAVEBEENESTABLISHEDATFIRSTINTHISPAPERWHEREALLTHEMAINTENANCEACTIONSHAVEBEENCATEGORIZEDINTOTHREETYPESANDDIFFERENTMAINTENANCEACTIONSLEADTODIFFERENTRELIABILITIESANDCOSTSTHEOPTIMIZATIONOFTHEMAINTENANCESCHEDULEISTOACHIEVEMAXIMUMRELIABILITYOFTHECATENARYSYSTEMANDMINIMUMMAINTENANCECOSTATTHESAMETIMETOSOLVETHISTYPICALMULTIOBJECTIVEOPTIMIZATIONPROBLEM，ANADVANCEDCHOASSELFADAPTIVEEVOLUTIONARYALGORITHM，CALLEDCSEA，HASBEENPROPOSEDINTHISPAPERTHECHAOTICINITIALPOPULATIONHELDSTOIMPROVETHEINITIALDIVERSITYTHEGROUPINGSELECTIONSTRATEGYHASBEENSUGGESTEDTOGIVETHEDOMINATEDSOLUTIONSMORECHANCETOENTERTHEMATEPOOL，ANDASELFADAPTIVEGENETICOPERATORISADOPTEDTOGIVETHEDOMINATEDSOLUTIONSHIGHERPOSSIBILITVTOCROSSANDVARIATIONALLOFTHEABOVEHELPTOAVOIDPREMATURITYANDENHANCETHEGLOBALSEARCHINGABILITYOFTHEALGORITHMSIMULATIONRESULTSSHOWTHAT，CSEAOUTPERFORMSNSGAIIINTERMSOFDIVERSITYPRESERVATIONANDINCONVERGINGCLOSERTOTHEPARETOOPTIMALSETATONERUNTIMEATTHEENDOFTHISPAPER,THECOMPARISONOFCESAWITHTHESINGLE。OBJECTIVEOPTIMIZINGALGORITHMHASBEENDONE，SHOWINGTHATCESACANOBTAINTHELIMITBOUNDARYOFTHESINGLEOBJECTIVEOPTIMIZINGALGORITHMANDPOSSESSESADVANTAGEOVERITINALGORITHMSTABILITYANDEFFECTIVENESSKEYWORDCATENARYSYSTEM；RELIABILITYCENTEREDMAINTENANCEMULTIOBJECTOPTIMIZATIONALGORITHM；CHAOTICINITIALPOPULATION；GROUPINGSELECTIONSTRATEGY；SELFADAPTIVEGENETICALGORITHML北京交通大学硕士学位论文独创性声明独创性声明本人声明所早交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究I作和取得的研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京交通大学或其他教育机构的学位或证F5而使用过的材料。与我一同一J作的同J占对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。学位论文作者签名玉1幢C；签字眺砂罗年占月争日61学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解北京交通人学有关保留、使用学位论文的规定。特授权J匕京交通人学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，并采刚影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供奄阅和借阅。同意学校向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。保密的学位论文在解密后适用本授权说明学位论文作者签名玉哓肉签字嗍加了年占月日导师签名期7年石月乡佣致谢本论文的工作是在我的导师吴俊勇教授的悉心指导下完成的，从论文的选题到研究的进展，再到论文的撰写，无处不倾注着吴老师的心血。吴老师严谨的治学态度和科学的工作方法给了我极大的影响；开阔的思维和思考问题的方式给了我极大的启发；谦逊的处世态度和平易近人的待人之道让我受益匪浅。吴老师既是我的良师，亦是我的益友，在我面临人生方向选择等难题的时候总是总能给我智慧的解答，并启发我思考和解决这些问题，在此衷心感谢多年来吴老师对我的关心和指导在实验室工作及撰写论文期间，杨嫒师姐、谢将剑等同学对我论文的研究工作和R常生活给予了热情帮助，在此向他们表达我的感激之情感谢在研期间陪伴我一起学习和生活的同学们，我们的友谊地久天长感谢我的家人，他们无私的奉献使我能够在学校专心完成我的学业。绪论11研究背景及意义第1章绪论111我国电气化铁路发展概况铁路作为国民经济大动脉，是国家的重要基础设施，其发展对促进经济社会发展，实现我国全面建设小康社会宏伟目标有重要意义。为适应全面建设小康社会的目标要求，铁路网要扩大规模，完善结构，提高质量，快速扩充运输能力，迅速提高装备水平。2004年1月，国务院审议通过了我国铁路史上第一个中长期铁路网规划，确定到2020年，我国铁路营业里程将达到10万KM，其中客运专线12万KM；复线率和电气化率均达50。铁道电气化是铁路现代化的重要标志，是实现铁路高速、重载的主要途径。电气化铁路具有运输能力大、行驶速度快、消耗能源少、运营成本低、工作条件好等优点，对运量大的干线铁路和具有陡坡、长大隧道的山区干线铁路实现电气化，在技术上、经济上均有明显的优越性。随着新技术、新材料的应用，电气化铁路在数量上和质量上都得到了很大的发展，电气化铁路己成为世界各国铁路现代化的重要标志。高速铁路是当前我国电气化铁路发展的趋势，是解决客运供需矛盾的重要手段之一。高速铁路是指具有高加速和高减速性能及对列车运行进行自动控制，时速在200KM以上的铁路。与其他运输方式相比，高速铁路具有全天候、安全好、运能大、速度快、耗能低、污染轻等优点乜1。从上世纪初至50年代，德、法、日等国都开展了大量的有关高速列车的理论研究和试验工作。铁路高速技术至60年代己进入实用阶段，80年代又取得了一系列新突破，90年代后进入建设与发展的新时期。例如，日本的新干线于1964年投入运用，法国的高速列车TGV由1981年开始运行，意大利的摆式列车从1988年联接了米兰和罗马，德国的高技术ICE列车1961年6月正式通车等等1。截至2003年底，世界上时速超过250KM的高速铁路运营罩程己达到5900KM，还有超过3000KM高速铁路在建疆1。我国近几年已初步形成适合中国国情路情的高速铁路自主技术体系。2006年的第六次大提速实现了京沪、京广、京哈和陇海线部分区段，胶济、浙赣、武九、广深线等时速200KM的运行目标。在铁路客运专线网和铁路提速规划线路中，符合新建铁路列车最高运行时速不小于250KM，改建铁路列车最高运行时速不小于200KM，铁路的集合，形成高速铁路网规划。路网结构方面，将铁路客运专线按经北京交通大学硕士学位论文济社会发展需要和市场需求，分别定位为时速300“350KM档次高速铁路和时速200,250KM以客为主兼顾货运甚至是双层集装箱通路档次高速铁路目前这类客货混跑的线路有甬福深、石太、宁合汉、昌莆等；环渤海、长江三角洲、珠江三角洲地区的城际轨道交通，以及长吉、昌九等城际轨道交通，时速不小于200KM；经过提速改造，东、中部地区既有线已形成的时速不大于200KM的线路。这些线路构成了一张完整的快速客运铁路网，时速200“250KM动车组可上时速300“,350KM的线路运行，时速不小于120KM客车可上时速200250KM的线路运行。目前，设计时速为200,一300KM的京津城际铁路己实现运行，已经在建的客运专线项目有武广、郑西、石太、合武、甬台温、温福、福厦、广深港、胶济、哈大等，建设规模达到5600公里，今年将相继开工建设京沪H1、京石、石武、津秦等10条时速200KM以上客运专线，建设规模为4100KM呻3。中国高速铁路的大发展迈入了黄金时期。112电气化铁路接触网维修情况简介目前H1，世界各国对本国气化铁道接触网设计标准、结构、悬挂方式及使用的材料等均有一套较为完善的维修标准，对接触网的运行质量控制采用先进的检测手段和维修方式。检测手段主要是应用高速接触网参数综合检测车、便携式测量设备，对接触网的动态和静态参数进行检测，并根据检测情况对接触网进行维修；维修设备为专用接触网作业车和维修工具。限于技术条件，当前我国电气化铁路接触网维修仍以人工维修为主，停电维修作业占有相当大的比例。停电维修会影响到整个运输组织，供电分区内将无法向列车提供电力。铁路部门采用在列车运行图中为每个供电分区预留“天窗“的方法来安排维修时间。维修天窗预留的原则是既要保证供电系统的检修作业，又不能因为维修天窗时间过长而造成铁路通过能力较大损失和列车运行速度降低过多，并且维修天窗应安排在白天，便于各工种配合作业，也便于工务部门利用天窗时间维护线路哺，。到目前为止，设备的维修方式经历了事后维修、定期预防维修和状态预知维修三个阶段。电气化铁路接触网设备沿铁路露天布置，工作环境恶劣，使用条件苛刻，在无备用的情况下，某一部件损坏，就会影响整体运行。我国接触网设备自20世纪50年代以来，主要是进行定期维修，现在处于向状态维修过渡的阶段呻1。1定期维修接触网设备周期修体制是按时间周期和项目内容，定期对接触网设备进行巡回检修。它分为小修和大修两种。小修维持性维修主要是对接触网设备进行检2绪论测、清扫、涂油对磨损锈蚀到限的接触线、承力索及供电线、回流线进行整修、补强或局部更换；对损坏的零部件进行更换，以保持接触网设备的良好技术状态。大修恢复性彻底维修主要是成批更换磨耗损坏到限的接触线、承力索及供电线、回流线，更新零部件、定位支持装置和支柱；对接触线、承力索及供电线进行必要改造，以改善接触网设备技术状态，提高供电能力旧1。2状态维修接触网设备状态修体制是以设备的实际运行状态作为控制目标来进行检测与维护的预防性维修方式。它是一种有目标、有针对性的维护修理，根据设备的运行状态，在设备工作期内，按照规定的技术标准和测量周期，以科学的检测手段和方法对设备技术数据、运行状态进行检测和综合分析，获取设备运行状态，诊断出设备的劣化程度，找出相应原因，进行针对性的检修。经过统计分析来判断确定设备是否应进行维修，应在多长时间内进行维修，从而针对存在的问题，在设备状态不良前进行相应合理地检修和维护，确保设备安全运行，最后根据使用年限，在达到使用寿命终极前进行一次性更换，实行寿命管理。由于设备状态在安全值范围内，就不进行维修作业，只是加强巡视和检查，因此减少不必要的维修，可节省大量人力、物力和时间，可集中力量用于其他设备的精检细修，所以能够有效地解决接触网天窗与铁路运输的矛盾，。随着监测手段和维修技术的进步，状态维修方式正在迅速发展，由于其技术要求高、维修系统复杂、前期投入大、准备工作量大等特点，在我国仍处于探索阶段随1。我国电气化铁路J下在大力推广综合维修天窗模式，即供电、工务与电务维修作业统一于同一维修天窗时间内进行，为了更好地配合综合维修天窗的开设，制定合理、优化的维接触网系统维修计划具有重要意义。113本文研究的内容及意义电气化铁道是一个系统工程，其中功能完备、配置合理、运作高效的电气化铁道牵引供电系统的维护维修体系将直接影响运行效率和经济效益。根据统计，2004年我国牵引供电系统因变电所故障导致停电次数为32次，停电总时间为902分钟，平均停电时间6725分钟；因接触网故障导致停电次数为274次，累积停电时间为25160分钟，平均停电时间为9182分钟哺1。根据多年的电气化运营经验，变电所及车站内电气设备故障率较低，而接触网发生故障的概率较高，且无法实现备用，牵引供电系统的可靠性主要取决于接触网系统的可靠性。因此应充分、合理地进行接触网维护，切实保证接触网平时的维护和事故状态下的及时抢修N训。维护和维修是电气化铁路保证安全可靠的最基本要素之一N，而接触网系统的可靠3北京交通大学硕士学位论文性、维修计划的合理性及维修成本的高低直接关系到电气化铁道的运营效率和运营成本。本文研究的主要内容，是从电气化铁路接触网系统在周期预防性维修计划下的可靠性和维修成本出发，采用多目标进化算法，对维修计划进行探索、优化，求取在一定的经济条件下使系统可靠性最高、在一定的系统可靠性下使经济性最好以及使得系统可靠性和经济性同时最优的维修计划系列，为电气化铁路接触网系统维修提供建议和理论支持。12研究方法及现状121系统可靠性分析概述可靠性工程从工程实践中发展起来，是一门综合了故障分类学、统计学、失效物理学、环境科学和系统工程学等学科的新兴学科。从学科性质上来看，可靠性工程是系统工程的分支，是研究设备和系统在设计、研制、生产和使用各阶段进行可靠性定性和定量的分析、控制、评估、增长的理论方法，是实现设备和系统可靠性指标与经济平衡的技术N21。可靠性工程的主要任务是保证产品的可靠性和可用性，延长使用寿命，降低维修费用，提高产品使用效益3。可靠性分析方法是指以概率论及数理统计等数学手段为基础，对产品可靠性规律进行定性和定量分析的方法。系统可靠性分析方法很多，较常用的有故障模式、影响及致命性分析法FAILUREMODEEFFECTANDCRITICALITYANALYSIS，FMECA、故障树分析法FAULTTREEANALYSIS，FTA、事件树分析法EVENTTREEANALYSIS，ETA、可靠性框图模型RELIABILITYBLOCKDIAGRAM、贝叶斯信念网络模型BAYESIANBELIEFNETWORKS，BBN、马尔可夫随机过程模型等。下面简单介绍两种最常用的方法。1故障模式、影响及危害性分析法FMECAFMECA是一种可靠性定性分析技术。目的是在设计初期对产品设计进行评价，对系统单元可能的故障模式、影响及危害性进行分析，以便作出设计评审与修改，预防产品在试验及使用时失败。随着多年的发展，FMECA方法广泛应用于机械维修N引、电子工业N副、计算机应用N铂以及军事航天N8叫们等领域。2故障树分析方法F，IA故障树分析法是一种评价复杂系统可靠性与安全性的方法。早在60年代初就由美国贝尔实验室首先提出并应用于民兵导弹的发射控制系统安全性分析中，用它来预测导弹发射的随机故障概率。FTA是一种图形演绎法，用一定的符号表示出顶事件一二次事件一叫底事件的逻辑关系，其程序是选择顶事件、4绪论建立故障树、定性及定量评定故障树并求底事件的重要度等。它首先确定的是顶事件，通常是失效系统事件，然后对造成顶事件的各种根本原因底事件进行分析，建立故障树框图模型，再根据各个底事件的失效概率和彼此问的逻辑关系计算系统可靠性概率。F1A法现已广泛应用于核工业汹1、采矿业妲交通运输业艘引、电力系统2舶等众多领域。122系统维修策略概述系统通常指由一定数量设备或子系统组成的具有一定结构、功能的实体。在系统维修中，通常需要对各个设备进行单独维修，也需要考虑对系统的整体维修。常见的设备维修策略模型主要以下分为5类阳11寿命相关预防性维修策略AGEDEPENDENTPMPOLICY。在此策略下，设备的维修时间与其寿命相关联，在预先给定的有效寿命T或故障时进行，直到设备完全维修为止。根据不同种类的预防性维修最小维修、不完全维修、完全维修、修复性维修最小维修、不完全维修、完全维修和费用结构，寿命相关预防性维修策略有不同的模型。2周期预防性维修策略PERIODICPMPOLICY。周期预防性维修策略中，不受设备失效历史的约束，采用固定时间间隔KTKL，2，进行预防维修，并且在其间的设备故障时进行修复。3有限故障策略FAILURELIMITPOLICY。有限故障策略中，预防维修只有在设备的故障率或其他可靠性指标达到事先制定的水平时才进行，期问发生的故障通过修复来消除。4序列预防性维修策略SEQUENTIALPMPOLICY。与周期预防性维修策略不同，序列预防性维修策略中设备的预防维修间隔彼此不相等，通常维修间隔是逐渐缩短的，因为随着寿命的增加，设备需要更频繁的维修来保持一定的可靠性。5有限维修策略REPAIRLIMITPOLICY。有限维修策略分为2类维修费用有限策略和维修时间有限策略。维修费用有限策略指当设备发生故障时，对维修费用进行估计，如果维修费用少于预先设定值，则进行修复；否则，此设备将被替换。维修费用有限策略的缺点是设备的替换和修复仅仅由维修费用决定，如果进行较为频繁的维修，虽然维修费用的预设值已经达到，但实际上设备仍有较高的可靠性，显然这种策略并不节约费用。维修时间有限策略认为如果一个设备没有在指定的时间T内完成修复，那么它将被新设备替换；否则，经过修复的设备会被再次投入运行，其中T称为维修时间限制值。北京交通大学硕士学位论文上述5种设备维修策略模型啤中，寿命相关预防性维修策略和周期预防性维修策略得到了最为广泛的研究和关注，相比之下，有限故障策略、有限维修策略和序列预防性维修策略更为实用，但相关研究却较少。有限故障策略与序列预防性维修策略的一个缺点是它们的维修问隔不相等，因此维修工作实施较为困难。周期预防性维修策略与寿命相关预防性维修策略相比应用更为广泛，因为无需保留设备的使用记录。总之，每种维修策略都有自己的优势和不足，在实际工程中需要根据具体的系统可靠性特点来选择合适的维修策略阳1。系统维修策略基于设备维修策略，但由于牵涉较多的设备和复杂的结构，相比之下非常复杂。研究最为广泛的系统维修策略有2种群维修策略GROUPMAINTENANCEPOLICY和机会维修策略OPPORTUNISTICMAINTENANCEPOLICY。1群维修策略从系统可靠性和运行费用的角度考虑，群维修策略是一种非常有效的维修策略。目前有关群维修策略的研究主要分为三类第1类的主要思路是按设备的结构特点或可靠性规律进行分组，当故障发生时对同组的设备进行维修；第2类是在系统设计时引入备用设备的群替换策略，从而降低维修和运营费用；第3类研究主要集中于由彼此独立的设备构成的系统的群维修策略，所有的设备假设服从相同分布的随机故障规律。2机会维修策略经济相关性普遍存在于绝大多数连续运行的系统中，这样的系统包括航空运输、船舶运输、电力系统、通信系统等瞳引。对于这类系统，系统停止运行造成的费用损失远大于维修成本，因此，采用机会维修策略可以获得可观的费用节省。机会维修策略的思路简单来说就是当某个子系统发生故障进行修复时，其他的非故障系统利用这个机会进行预防性维修，从而提高系统的可靠性。123最优化问题简介最优化问题就是对众多方案进行全面细致的分析、比较，找出使目标最优的方案。例如，常见的最优化问题有从A点到B点走哪条路最近，怎样最省时间，怎样最省财力等等。很多实际工程都需要先进行最优规划，建立最优化模型并求取使目标函数最优的决策解，再根据求解结果展开工程。一般来说，最优化问题有三个要素，分别是决策变量和参数、目标函数、约束或限制条件，决策变量需要使目标函数最优并满足约束条件，缺一不可。研究如下问题6绪论在约束条件X0，F1,2，聊和吩X0，净ML，P下，求向量石，使函数FX取得极大值或极小值，这就是典型的最优化问题。最优化问题乜明分为线性规划LINEARPROGRAMMING，LP，二次规划QUADRATICPROGRAMMING，QP，非线性规划NONLINEARPROGRAMMING，NP，整数规划INTEGERPROGRAMMING，IP，几何规划GEOMETRICPROGRAMMING，GP，多目标规划MULTIOBJECTIVEPROGRAMMING，MOP，动态规划、不可微规划、参数规划和随机规划等。1线性规划LINEARPROGRAMMING，LP若厂X、G，X、Z都是X的线性函数，则上述问题卜1就称为线性规划问题LP。线性规划就是由目标函数为决策变量的线性函数和约束条件为线性等式或线性不等式所组成的数学规划。2二次规划QUADRATICPROGRAMMING，QP在式II中，若函数GZX、忍X都是X的线性函数，而FX是X的二次函数，则上述问题卜1称之为二次规划问题。3非线性规划NONLINEARPROGRAMMING，NP在式卜1中，若函数FX、GIX、忽X中至少有一个是X的非线性函数，则上述问题11称之为非线性规划问题。4整数规划INTEGERPROGRAMMING，IP在卜1中，如果还要求某些决策变量或全部决策变量取非负的整数值，则上述问题11称之为整数规划问题。5多目标规划MULTIOBJECTIVEPROGRAMMING，MOP在卜1中，如果目标函数石彳石，六X，ZZR，P2，即FX是石的一个向量函数，则上述问题11称之为多目标规划问题。多目标规划问题通常包括多个目标，在大多数情况下这些目标不可比，它们的数值不能直接进行优劣关系的比较。另外，目标之间经常是相互冲突的，在不降低一种目标值的情况下不能任意提高其他目标的性能，因而只能在各个目标之间取均衡后的结果。现实世界的很多问题通常就是由相互冲突的多个目标组成，单目标优化的最优解一般可以清楚地定义，却不能简单地定义多目标优化问题的最优解。对于多目标优化问题，存在一组帕雷托PARETO最优解脚1，称为PARETO最优解集。这里的难点在于利用有限的信息，求出尽可能多的最优解。多目标进化算法是用来解决这类问题的非常有效的方法，目前国内外已经提出了一些较为成熟的多目标优化算7，_IP斛、JQ汪厂人L啦地弘肛卜眦毋力U六埘厶1北京交通大学硕士学位论文法瞳吼6并在多目标TSP、运输方式选择等很多行业和工程中得到了具体的应用心7。2引；CMFONSECA6副；，JHORN1，JKNOWLES64|，EZITZLER851和KDEB删提出的进化算法，可以通过一次计算就求解出PARETO最优解。这些方法有两个特点1基于当代种群的非劣排序指定个体的适应度；2在帕雷托前端上能保持物种的多样性。此外，一些多目标算法还引入了精英保留策略来增强算法收敛能力，女HPAES训和SPEA阳51。KDEB等在NSGA叫的基础上进行改进，提出了NSGAIIM。124系统维修策略优化研究现状维修计划优化模型通常都是有约束的非线性数学规划或者整数规划问题啤1，常用的数学规划问题的传统解法包括可行方向法、罚函数法、序列二次规划法、分支定界法等。N3，这些方法通常能获得规划问题的局部最优解。实际中，由于维修计划模型的工程背景相对很复杂，模型规模较大、变量较多，传统方法难以胜任，有关维修计划优化问题求解方法的研究更多地集中在智能优化方法遗传算法、模拟退火算法、禁忌搜索算法等和其它启发式算法方面。近年来，国外有关维修计划优化问题的研究较为广泛，主要的研究文献包括LAPA等2000建立了以核工业系统可用度最大为目标的维修计划优化模型，并采用遗传算法求解提出的模型；TSAI等2001应用遗传算法求解机械设备的维修计划问题；SIRAM等2003应用启发式方法求解航空运输中飞机维修计划优化问题；BUDAI等2004应用优化软件CPLEX求解铁路线路维修计划的混合整数规划问题；LAPA等2006提出了基于费用一可靠性的维修计划模型，并通过遗传算法搜索模型的最优解。相比之下，国内的相关研究较少，主要研究文献有于毅等2001提出应用层次分析法来研究船舶维修计划的优化问题；易迈群2003应用优化软件LINDO进行维修计划的优化设计；厉红等2005应用遗传算法解决集束型半导体制造设备的维修计划优化问题；周宇等2005建立了轨道状态最优综合维修计划模型，并通过遗传算法进行求解等。目I；I国内可见的用多目标进化算法解决系统维修问题的研究文献较少。徐林生等2008提出维修备件的模型和方法，该方法首先按照多属性群决策方法对各种维修备件进行综合排序，然后再用多目标规划理论确定维修备件的选择方案边晶梅等2008采用小生境PARETO遗传算法NPGA研究了在各种约束条件下混凝土桥面板最佳维修策略问题等。13论文的结构绪论本文借鉴国内外关于可靠性及系统维修的研究成果，结合中国电气化铁路发展情况及接触网维修现状，使用多目标进化算法对接触网系统维修计划进行优化，求取使得接触网系统可靠性尽量高且维修费用尽量低的最优维修计划解集，为国内电气化铁路接触网系统维修提供建议。文章分五章对上述内容进行详细论述。第1章为绪论。主要阐述了论文研究的背景及意义，简单介绍我国铁路发展及维修情况现状，说明制定合理的维修计划的重要意义；总结了系统可靠性分析方法和维修策略，简单介绍多目标优化问题及系统维修策略优化研究现状；介绍了论文的组织结构。第2章为接触网系统及其设备可靠性建模及维修费用建模研究。主要介绍了电气化铁路接触网系统及其重要设备，从系统可靠性分析出发说明接触网系统可靠性建模的理论依据；简要阐述了以可靠性为中心的维修和预防性维修，介绍了常用的可靠度函数威布尔分布，基于这两种维修思想建立了在周期预防性维修活动下的接触网系统及其部件可靠性及故障率模型，最后建立了维修费用模型。第3章为接触网系统维修计划的多目标优化研究。阐述了多目标进化算法及其关键问题，基于目前流行的NSGAII算法，提出使用混沌自适应进化算法CSEA来解决本文的优化问题；详细论述了CSEA在初始种群、选择进化个体、遗传算子几个部分的改进及具体实现方法，最后给出了CSEA的流程图。7第4章为算例及算法分析。主要通过算例求取接触网维修计划的最优解集，通过比较分析，说明了CSEA在解决本文优化问题时较NSGAII的优越性，证明了CSEA的各部分改进的正确性及有效性；对最优计划进行选择，给出系统各部件相应维修方法及动态可靠性图。第5章为总结。主要概括了论文研究的主要内容及取得的成果。9电气化铁路接触网可靠性及维修策略分析第2章电气化铁路接触网可靠性及维修策略分析21接触网系统可靠性模型211电气化铁路接触网系统及其主要设备概述作为电气化铁路的标志之一，接触网系统是铁路电气化工程的主构架，承担着向电力机车提供电力的重任。接触网主要包括接触悬挂、支持装置、定位装置、支柱与基础几部分。图21所示为电气化铁道接触网系统及其主要部件图。嗍Z一1IU气化铁道接触网系统及其土要部件倒FIG2ITHECATENARYSYSTEMANDITSCOMPONENTS接触懋挂包括接触线、吊弦、承力索以及连接零件，通过支持装置架设在支柱J，将从牵引变电所获得的电能输送给电力机车。其中，接触线直接和受电弓淅板摩擦接触，电力机车可以直接从接触线上去的电能，因此要求接触线要有足够的机械强度和良好的电气性能；承力索的作用是通过吊弦讲接触线悬挂起来，要求其能够承受较大的张力和具有抗腐蚀能力，日在温度变化时弛度变化较小。支持装置包括腕臂、水平托杆、悬式绝缘子串，棒式绝缘子及其它建筑物的特痧北京交通大学硕士学位论文殊支持设备等，用以支持接触悬挂，并将其负荷传给支柱或其它建筑物，根据接触网所在区间、站场和大型建筑物而有所不同。绝缘子用以悬吊和支持接触悬挂并使带电体与接地之间保持电气绝缘。定位装置包括定位管和定位器，其功用是固定接触线的位置，使接触线在受电弓滑板运行轨迹范围内，保证接触线与受电弓不脱离，并将接触线的水平负荷传给支柱。支柱与基础用以承受接触悬挂、支持和定位装置的全部负荷，并将接触悬挂固定在规定的位置和高度上。为满足供电和机械受力方面的需要，将接触网分成若干一定长度且互相独立的分段，这种独立的分段称为锚段。设立锚段便于限制事故范围和供电分段，也便于在接触线和承力索两端设置补装置，以调整线索的张力与弛度。两个相邻锚段的衔接部分称为锚段关节，其结构复杂，工作状态的好坏直接影响接触网供电质量和电力机车取流。补偿装置是自动调节接触线和承力索张力的补偿器及其制动装置的总称，当温度变化时，线索受温度变化的影响热胀冷缩出现伸长或缩短，由于在锚段两端线索下锚处安装了补偿器，在其坠砣串重力的作用下，能够自动调整线索的张力并保持线索尺度满足技术要求，从而使解除悬挂的稳定性与弹性得到改善。接触网的分类大多以接触悬挂的类型来区分。接触悬挂的种类较多，一般根据其结构的不同分成简单接触悬挂和链形接触悬挂两大类。简单接触悬挂以下简称简单悬挂系由一根接触线直接固定在支柱支持装置上的悬挂形式。我国现采用的带补偿装置的弹性简单悬挂系在接触线下锚处装设了张力补偿装置，以调节张力和弛度的变化；在悬挂点上加装8，20M长的弹性吊索，通过弹性吊索悬挂接触线，减少了悬挂点处产生的硬点，改善了取流条件。另外跨距适当缩小，增大接触线的张力去改善弛度对取流的影响。链形悬挂减小了接触线在跨距中间的弛度，改善了弹性，增加了悬挂重量，提高了稳定性，可以满足电力机车高速运行取流的要求。链形悬挂比简单悬挂有较好的性能，但也带来了结构复杂、造价高、施工和维修任务量大等许多问题。链形悬挂分类方法较多，按悬挂链数的多少可分为单链形，双链形和多链形。链形悬挂根据线索的锚定方式即线索两端下锚的方式，可分为未补偿链形悬挂、半补偿链形悬挂、全补偿链形悬挂等几种方式。接触网的供电方式有单边、双边供电和越区供电，其中单边和双边供电为正常的供电方式。单边供电是指供电臂只从一端的变电所取得电流的供电方式；双边供是指供电臂从两端相邻的变电所取得电流的供电方式；越区供电是一种非正常供电方式也称事故供电方式，是当某一牵引变电所因故障不能正常供电时，12电气化铁路接触网可靠性及维修策略分析故障变电所担负的供电臂，经开关设备成分区亭同相邻的供电臂接通，由相邻牵引变电所进行临时供电。对于接触网系统这样一个多设备系统，任何设备的故障都有可能影响供电可靠性。常见的设备故障有吊弦烧断、磨断、腐蚀、拉断、脱落；定位器扭断、腐蚀、紧固螺丝松动、折断、脱落；承力索烧断股、拉断股、腐蚀断股、高度改变、断线；接触线拉断、烧断；绝缘子击穿、闪络、折断；中心锚段关节被盗、因发生剐弓事故损坏、辅助绳松弛、脱落甚至断丌；补偿滑轮偏斜补偿卡滞、补偿绳断线等等。212系统可靠性模型可靠性是指一个部件或整个系统在特定的设计环境中运行时执行特征函数的概率，在接触网系统体现为系统能保持正常供电运行的概率。在传统的静态可靠性规则中，每个部件都有双重状态运行或失效，而且，当系统由N个单部件组成时需根据部件的配置以及单个部件的运行或失效来决定系统的运行或失效。根据系统结构的不同，常见的系统分为串联系统、并联系统、串并联系统以及构造更为复杂的系统如KOUTOFN系统、桥式系统等等，不同结构系统的可靠性模型不相同。当且仅当所有元件运行时系统正常运行，这样的系统称为串联系统。众所周知，当存在相互独立的概率事件时，这些事件同时发生的概率是各个事件概率之积，在可靠性工程中这也是基本点。在串联系统中，若一个部件失效，就会导致整个系统失效，串联系统每个单元的可靠度之积就是整个系统的可靠度。图22所示为由四个部件构成的串联系统的可靠性框图。图22串联系统可靠性框图FIG22THERELIABILITYBLOCKDIAGRAMOFSERIESSYSTEM假设系统由N个串联部件构成，各单元的可靠度为RF，I1，2，3N，则系统的可靠度为NRFNRF2一1I1第二种常见的系统为并联系统。在并联系统中，当且仅当至少一个部件正常运北京交通大学硕士学位论文行时系统正常运行，当且仅当所有部件失效时，系统失效。图23所示为由四个部件构成的并联系统的可靠性框图。I_1L氢LLLLLI3JLLI4L图23并联系统可靠性框图FIG23THERELIABILITYBLOCKDIAGRAMOFPARALLELSYSTEM假设系统由N个串联部件构成，各单元的可靠度为RIT，I1，2，3N，则系统的可靠度为RF1兀1RJT22I1如图24所示，为由多个部件构成的串并联系统的可靠性框图。图24串并联系统可靠性框图FIG24THERELIABILITYBLOCKDIAGRAMOFSERIESPARALLELSYSTEM对这样的的系统，分析其可靠度时，先求出各并联部分的可靠度，再将系统等效为串联系统，进而由式21求得整个系统的可靠度。此外，复杂系统例如桥状系统，图25所示的可靠度常采用最小路集、最小割集等方法求得。14电气化铁路接触网可靠性及维修策略分析图25桥状系统可靠性框图FIG25THERELIABILITYBLOCKDIAGRAMOFBFIDGESYSTEM接触网系统整体可靠性分析是制定维修计划的基础。基本思路是首先对系统内各个设备进行可靠性分析，然后综合到整体系统中得到系统可靠性。对于接触网这样一个复杂的大系统，与陈少宽陋1的思路一致，本文在进行系统可靠性分析之前，根据铁路接触网系统的特点提出有2个假设的前提条件1认为接触网系统内各个设备的可靠性在统计学上彼此独立。与很多系统不同，铁路接触网系统不能容忍在某些设备失效的情况继续运行，这样会较大程度地增加其他设备失效甚至整个系统加速失效的可能性。通常的做法是在发现某个设备进入损耗期或者刚刚失效就投入新设备的使用，因此，从整体上看，单个设备的失效对其他设备无显著影响，这一点符合统计学上彼此独立的条件。2将接触网系统看作不可修复系统。接触网系统的特殊之处在于铁路运输的不间断性要求供电系统仅存在两种状态，正常运行或完全失效仅在意外事故发生时出现，而不存在像修复状态这样的中间状态。对牵引供电系统的可靠性分析的一个重要目的就是为预防性维修计划的优化提供依据，尽量确保整个系统始终处于正常运行状态，因此，从这个角度分析，接触网系统不可修复。对于接触网系统这样一个复杂的多部件系统，较难建立完整准确的模型，在本文的研究中，为了能够求得使接触网系统可靠度，选出了七个对接触网系统可靠性影响最大的主要部件进行设备建模，视这七个重要部件在可靠性分析中相互独立，进而并视系统可靠性为由这七个主要部件组成的串联系统的可靠性，从而为系统可靠性建模打下基础。设备的失效分布是指其失效概率密度函数或累积失效概率函数，与可靠性特征量有着很密切的关系。如已知设备的失效分布函数，则可求出可靠度函数、失效函数和寿命特征量。在可靠性理论中，研究设备的失效分布类型是一个十分重要的问题口2|。常见的设备失效分布有指数分布、正态分布、对数分布、威布尔WEIBULL分布等。威布尔WEIBULL分布是一种在可靠性理论中适用较广的分布口刭，能全面地北京交通大学硕士学位论文描述浴盆失效率曲线的各个阶段，当威布尔分布中的参数不同时，可以变化为指数分布、锐利分布和正态分布。大量实践说明，凡是因为某一局部失效或故障所引起的全局机能停止运行的元件、器件、设备、系统等的寿命都服从威布尔分布2L。目前，威布尔分布已经在寿命估计口31、供电系统可靠性评估B引、软件可靠性分析。剐等领域得到极广泛的应用。威布尔WEIBULL分布的失效概率密度函数FF为鱼型E一譬尸，万T；口，胗O21其中，是形状参数，口是尺度参数，万是位置参数。进而，得到累积失效概率密度函数FF为T8、LPFO1一E、“7，万T；A，022可靠度函数RT为TT8、IP尺FE、口7，万T；CT，023失效率函数为力OFLT,罗FL1，万T；口，024威布尔分布通常采用双参数形式，可以通过调整尺度参数口和形状参数产生多种曲线形状适应收集到的失效数据。图26为口、艿不变，失效率函数随形状参数变化而变化图。失效率父1时，故障率呈上升趋势；P3时故障率分布接近于正态分布。图27所示为口、万不变，可靠度函数尺F随形状参数变化而变化图。AEJF司图27不同的形状参数下可靠度函数曲线FIG27THERELIABILITYFUNCTIONCURVESUNDERDIFFERENTSHAPEPARAMETERS当和万不变，调整尺度参数口，可以改变可靠度函数的形状，比如，口值增大时，RT的高度变小而宽度变大，如图28所示。可靠L蔓图28不同的尺度参数下的可靠度函数图FIG28THERELIABILITYFUNCTIONCURVESUNDERDIFFERENTSCALEPARAMETERS17北京交通大学硕士学位论文此外，位置参数艿决定了分布的出发点，但不改变分布的形状和尺度，类似于“曲线平移“的功能。总结起来，威布尔分布的物理背景较为明确且使用广泛、可以灵活设置参数使之适用于不同时间阶段的失效模型、解析表达式清晰简单，便于进行数学处理，在描述经典的故障率曲线方面有一定优势，是一种因参数设置灵活而适用领域较广的可靠性模型。因此，本文采用威布尔WEIBULL分布建立接触网设备和系统可靠性模型。22接触网维修策略221以可靠性为中心的维修以可靠性为中心的维修RCM舻371思想产生于上世纪60年代，与传统的维修观念认为装备越老，故障就越多，故障主要是耗损造成的，从而必须进行定时维修不同，RCM理论认为，定时维修对某些简单装备的故障预防是有用的，但对大多数复杂装备而言，定时维修不仅对故障预防的作用甚微，相反还会带来早期故障和人为差错，导致增大了总的故障率MQ9|。RCM最初应用于飞机及其航空设备，后应用于军用系统与设备，现已广泛于其它各个行业，如核电企业、电力公司、汽车制造厂等，逐渐扩展到企业的生产设备与民用设施H嗍1。尽管RCM分析方法的基本体系结构己基本形成，但还有许多问题有待于进一步的完善，尤其是实用性、针对性和精确性等方面。改进分析过程突出实用性，引入定量分析提高精确性，结合具体问题分析强调针对性等方面是RCM进一步发展的方向。222周期预防性维修预防性维修PREVENTIVEMAINTENANC旷PM是指为保持运行系统的功能度而在预先计划的特定时间实施维修作业，为降低装备故障的概率或防止功能退化，按预定的时间间隔或规定的准则实施的维修。自60年代以来，预防性维修理论和技术已在美国国防部和海军中得到了广泛应用并且有了进一步发展H州71。目前预防性维修已经广泛应用于医学、电力、工业设备等等诸多行业和设备的维修，在降低设备和系统故障率以及减少维修费用等方面并取得良好的效果H8_侧。制定预防性维修策略的首要前提是正确评价预防性维修的效果，明确预防性维修对设备故障函数的作用，在此基础上合理确定设备的预防性维修周期。而在维修现场中很难精确评价预防性维修活动的效果，这为预防性维修周期的确定增加了相当的理论难度，大批的研究工作者丌展对这一问题的研究，取得了许多成果。如运用电气化铁路接触网可靠性及维修策略分析役龄回退因子来描述年龄减少预防性维修的效果嘞1；引入系统性能平均恢复系数评估预防性维修的效果随；或是引入衰减率反映预防性维修对系统可靠性等的影响23等。预防性维修的建模、仿真等策略分析方法作为PM理论的重要部分，也取得了很多成果畸卜鹪J，为预防性维修策略优化、维修周期选择等方面提供了较好的研究方法和理论指导。TSAI等一1在这方面做了细致的工作，将PM方法分为机械性维护、调整或局部更换和整体更换三种，基于WEIBULL分布给出了系统的可靠性和故障率模型，并提出了基于可用度的多部件周期性PM模型目前，这类问题的研究成果还比较少，在接触网系统维修方面的应用几乎没有。本文的研究基于陈少宽哺1、TSAI等瞄一1的研究成果，结合以可靠性为中心的维修和周期预防性维修的思想，对接触网系统及其设备进行可靠性建模，分析设备和系统在有效生命周期T内可靠性的变化，同时结合周期预防性维修和修复性维修制定维修策略，建立维修费用模型，综合考虑系统可靠性和维修费用，采用进化策略、多目标优化方法，求取使接触网系统可靠性尽量高且维修费用尽量低的维修计划。23周期预防性维修活动下的接触网系统可靠性模型231设备可靠性及故障率模型接触网系统是一个复杂的多部件机械系统，很难对每一个元件设备都建立准确的可靠性模型，在本文的研究中，选出了七个对接触网系统可靠性影响最大的部件，用威布尔WEIBULL分布进行可靠性建模，其余部件由于发生故障可能性较小或对系统可靠性影响较小，全部用一个指数分布建模。这七个重要部件是接触线、承力索、绝缘子、锚段关节、补偿器、定位器、吊弦。此外，支柱、基础等部件可靠性较高，一般不需维修，与其他对系统可靠性影响较小的部件一起，用指数分布建立一个统一的模型，要求其参数使此可靠度函数曲线极缓慢地下降，对系统可靠性影响较小，甚至可以忽略。预防性维修PREVENTIVEMAINTENANCE，PM是一种有计划的主动性维修活动，在系统运行时进行，目的是降低系统或设备的失效概率、延长其有效寿命。对于预防性维修来说，维修间隔TP是最重要的决策变量，它决定了维修活动的不同策略。周期预防性维修是铁路供电系统中最普遍采用的维修活动策略，定期有规律地维修可以避免维修与列车运行的冲突。本文基于TSAI等2004的研究成果制定一套针对各部件的周期预防性维修活动，将接触网系统的维修方式分为三种类型。机械性维护一1A此类维19北京交通大学硕士学位论文修的目的是使系统或部件维持正常的工作状态，它只改善系统工作的外部条件，改善程度也是有限的，如润滑、绝缘子清