基于层次分析法的接触网区段质量评价影响因素权重确定研究

2019-07-04王婧

中国铁路 2019年4期

王婧

（中国铁道科学研究院集团有限公司基础设施检测研究所，北京 100081）

0 引言

高速铁路供电安全检测监测系统（6C系统）从2012年开始构建，经过6年多的应用发展，6C系统已在各铁路局集团公司广泛使用，信息化建设也逐步完善，设备履历、检测数据、故障维修等信息均可通过网络共享[1]。现代化的检测监测手段极大提高了生产效率、节约了养护维修成本。同时，如何利用已有数据，更好发挥海量检测监测数据的作用，成了新的研究热点。

目前，接触网检测监测数据主要通过对各检测参数的阈值判断，发现设备零部件的局部缺陷，但检测数据利用率较低，加之高速铁路施工质量逐步提高，众多高速铁路接触网只能检测出少量或几乎无局部缺陷。因此，利用已经积累的海量数据对服役接触网质量进行整体评价是当前的一个研究趋势。

2016年9月，以高速弓网综合检测装置（1C）的检测数据为评价依据获得的“接触网运行质量指数”在全路范围内推广使用，与优良率及动态检测一级缺陷反馈情况共同作为接触网设备质量的评价依据[2]，服务于供电系统设备管理，使用至今。接触网运行质量指数充分利用1C检测数据，实现对接触网区段质量的量化描述，并对指导未检测出缺陷区段的维修提供帮助。接触网运行质量指数的应用使采用1C检测数据评价弓网运行质量的区段质量评价方法获得广泛认可。但现行接触网运行质量指数也存在部分不足，急需完善，如部分弓网运行关系不良区段与正常区段区分不明显、评价指数受外部环境影响较大等。

以接触网运行质量指数为基础，对影响该指数的各因素进行赋权，使该评价指数区分度不高、各影响因素权重不合理的问题得到了极大改善。

1 层次分析法的选用

根据计算权重时原始数据的来源不同，通常所采用的赋权方法可分为：主观赋值法、客观赋值法、组合赋值法3类[3-5]。主观赋值法主要依据实际的决策问题和专家自身的知识经验确定各影响因素的权重，如二项系数法、层次分析法、专家调查法等；客观赋值法依据原始数据间的关系来确定权重，如熵权法、标准离差法、主成分分析法等；组合赋值法则同时考虑数据间的关系及专家经验，一般采用乘法或线性综合法将主、客观赋值法相结合。

3种赋值方法各有优缺。研究对象为接触网检测数据，检测数据中蕴含的信息量巨大。客观赋值法主要依靠数据本身提供的信息进行赋权。由于检测数据海量，不同悬挂类型、检测速度、线路条件的检测数据差异性巨大，不同检测项目的检测数据所包含的信息量数量类似，相同检测项目的检测数据标准差及其他数据特征在不同区段差异明显，因此从数据本身获取信息有较大的随机性和不确定性。若考虑客观赋值法，可能会出现权重与实际重要程度相悖的情况。同时，由于所获得的质量指数用于评价弓网关系，其主要目的是为基础设施管理者制定维修策略、分配维修资源提供数据支持，专家意见至关重要。因此，根据检测数据特征及评价指数的应用目的，选取主观赋值法中较为系统的层次分析法对各影响因素赋权。

层次分析法（Analytic Hierarchy Process，AHP）[6]是一种定性和定量相结合、系统化、层次化的分析方法。其特点是在对复杂决策问题的本质、影响因素及其内在关系等进行深入分析的基础上，利用较少的定量信息使决策的思维过程数学化，从而为多目标、多准则或无结构特性的复杂决策问题提供简便的决策方法。

层次分析法根据问题的性质和要达到的总目标，将问题分解为不同的组成因素，并按照因素间的相互关联影响及隶属关系将因素按不同层次聚集组合，形成一个多层次的分析结构模型，从而最终使问题归结为最低层（供决策的方案、措施等）相对于最高层（总目标）的相对重要权值的确定或相对优劣次序的排定（见图1）。图1中，O为目标层，Cm、Pn均为因素层。即所研究的评价指数为O层；Cm为检测参数层，如接触线高度、拉出值、弓网接触力等；Pn为影响因素层，如接触线高度的影响因素可分为施工质量不佳、局部缺陷、轨道捣固作业等。

图1 层次分析法层次结构模型

2 接触网区段质量影响因素

综上所述，要解决的问题可描述为各项接触网检测参数（Cm层）对弓网运行质量（O层）的相对重要权值确定。

接触网检测参数包括：接触线高度、拉出值、一跨内接触线高差、接触线间水平距离、接触线间垂直距离、硬点、弓网接触力、燃弧、接触网电压、动车组侧电流、定位器坡度、定位点、跨距、里程等。其中，部分项目间存在导出量和计算量的关系，如接触线间水平距离、垂直距离为接触线高度和拉出值的计算量，一跨内接触线高差为接触线高度与定位点信息的计算量；部分项目间存在关联关系，数据相关性较高，如定位器坡度由拉出值与接触线高度的平顺性决定，硬点与弓网接触力、燃弧间存在关联；部分项目与接触网自身特征无关，如接触网电压由牵引供电系统决定，动车组网侧电流与动车组车型及运行操作状态相关，定位点、跨距、速度、里程为辅助定位信息。在其余相对独立项目中，拉出值、接触线高度反映接触线空间几何位置，是设计、施工、运营维护均需关注的重要参数；弓网接触力、燃弧反映弓网动态作用关系，是衡量接触网与受电弓匹配的指标，是制约高速运行的关键参数。弓网运行质量影响参数决策图见图2。

根据各检测项目对弓网关系的影响及检测项目间的关联关系，选取拉出值、接触线高度、弓网接触力和燃弧4项参数作为评价弓网运行质量的依据，与现行接触网运行质量指数保持一致。

图2 弓网运行质量影响参数决策图

3 接触网区段质量影响因素权重确定

按照层次分析法构造系统模型，为4项影响因素赋权。首先构造判断矩阵A：

拉出值、接触线高度、接触力、燃弧分量依次用C1、C2、C3、C4表示，则判断矩阵A中aij表征Ci相对于Cj的重要程度，采用9尺度法确定。

综合专家意见，接触线平顺性不良将直接导致弓网受流性能不佳，弓网接触力是反映弓网关系最直观的参数之一，两者同样重要。拉出值影响行车安全，仅在大于限界值时对弓网运行质量产生较大影响，但可通过局部大值评价查找安全隐患[7-8]，其重要程度小于接触线高度及弓网接触力。燃弧为结果量，虽能反映弓网受流质量，但同时也受到受电弓状态、外部环境等多种因素的影响[9-10]。为了客观评价弓网运行质量，燃弧的重要程度应被设置为最低。因此，判断矩阵取为：

使用一致性比率CR检验所构造的判断矩阵A的不一致程度。

式中：CI=（λ-n）/（n-1），λ为矩阵A的最大特征根，n为A的对角线元素之和；RI为随机一致性指标，当n=4 时，RI=0.90[6]。

计算可得CR=0，小于0.1，表明A的不一致程度在容许范围内，矩阵通过一致性检验。则矩阵A的归一化特征向量可作为权向量。

计算A的归一化特性向量ω，可得ω=[0.18 0.36 0.36 0.10] 。即拉出值（s）、接触线高度（h）、接触力（f）、燃弧（a）的权重分别为0.18、0.36、0.36、0.10。

现行接触网运行质量指数CQI[2]：

优化为：

式中：S为拉出值动态测量值；Hstd为一跨内接触线高度标准偏差；Fmax为一跨内弓网接触力最大值；Fmean为一跨内弓网接触力平均值；Fstd为一跨内弓网接触力标准偏差；Fv为弓网接触力随速度变化的理论值；NQ为燃弧率。

采用综合检测列车检测数据对优化前后的评价结果进行对比。2处弓网运行质量较差区段监测数据波形见图3、图4。图3中接触线高度平顺性差，弓网接触力波动明显；图4中锚段关节转换处出现弓网接触力的剧烈波动，同时检出弓网接触力一级缺陷[7]。该2个单元均应引起关注，在各影响因素权重调整后，CQI均有较大降幅。

弓网运行质量较优区段检测数据波形见图5，接触线高度及弓网接触力均无剧烈波动，调整权重后的CQI几乎无变化（见表1）。同时，在调整权重后，图3区段线路平均CQI由90.9变为86.9，图4区段线路平均CQI由94.4变为91.9，可见调整各影响因素权重后的CQI灵敏度更高，评价效果更好；图5区段线路平均CQI由99.1变为98.9，几乎无变化。可见，调整各影响因素权重对有效区分弓网运行质量不良区段意义重大。

图3 某200 km/h线路下行K216.000—K217.000检测数据波形图

图4 某250 km/h线路下行K164.000—K165.000检测数据波形图

图5 某300 km/h线路上行K418.000—K417.000检测数据波形图

表1 部分区段现行CQI与优化权重后CQI数据对比

研究的接触网区段质量评价主要关注接触网“线”的区段整体状态，通过对接触网区段质量的量化描述，指导接触网设备的维修管理，其目的不是消除缺陷，而是为了提高接触网性能、优化弓网关系、延长接触网运行寿命、指导维修决策。而接触网局部评价方法主要关注接触网“点”的缺陷，注重发现和消除接触网的安全隐患。在确定接触网区段质量评价方法时，已假定其应与局部评价相结合使用（通过局部大值评价可查找拉出值安全隐患，所以拉出值权重较低）。例如，图4中检出的弓网接触力一级缺陷，应纳入一级修（临时修）计划；而图3中未检出一级缺陷，虽CQI低于图4所示区段，该区段也无需纳入一级修计划，可在二级修（综合修）时对该区段进行综合维修调整。可见，接触网的局部评价和区段评价各有侧重，又有所关联，两者相结合，可以对接触网设备质量进行更为全面、多角度的反映，应在接触网质量评价中综合考虑。