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铁路牵引供电系统维修计划优化模型与算法

陈绍宽  
【摘要】: 电气化铁路具有运输能力大、能源利用率高、运输速度快、无污染等优点,已经成为我国铁路的发展方向。随着我国电气化铁路承担铁路运输量的不断提高,牵引供电系统作为电气化铁路的核心组成部分,必须满足高可靠性、高可用度和低维修费用的要求。因此,牵引供电系统的可靠性分析和维修计划优化的研究受到了广泛关注,但目前仍缺乏深入、系统地研究,有许多问题亟待解决。 本文在借鉴国内外已有研究成果的基础上,研究了基于可靠性分析的牵引供电系统维修计划优化方法,以提出牵引供电系统的可靠性分析方法、建立牵引供电系统维修计划优化模型、设计相应求解算法为目标展开研究。 本文的主要内容包括以下几个方面: 1.本文针对缺乏失效样本数据的情况,在文献研究和失效数据故障率分析基础上,建立了在已知设备生产商提供的产品寿命均值和标准差的前提下,用于设备可靠性模型的基于矩估计的分段多项式估计法和第I类极值分布逼近估计法。本文认为在供电设备寿命均值和标准差的比值大于0.446的条件下,威布尔分布的参数可以通过一组分段多项式进行估计,计算试验表明估计误差最高约为5%;此外,本文还针对建立的第I类极值分布逼近估计法进行了算例研究,在12种设备可靠性估计模型的拟和优度χ~2检验和K - S检验结果中,有6种完全通过2种检验,4种通过了其中1种检验,只有2种设备在检验中都没有通过,说明本文建立的第I类极值分布逼近估计法是一种简单可行的牵引供电设备可靠性估计方法。 2.针对牵引供电系统的结构与功能特点,本文分别建立牵引变电所模型、牵引接触网模型和供电分区事故树模型,以此为基础,本文还建立了考虑维修活动的系统可靠性模型和相应的维修费用模型。在评价本文建立的事故树模型时,采用BDD算法作为核心算法,分析事故树模型的最小割集(用于确定关键设备)和建立可靠性函数;此外,本文还引入可靠性重要度概念和灵敏度计算方法分析可能导致牵引供电系统故障的关键设备。在算例分析中,本文认为牵引供电系统的故障主要来源于接触网系统。接触网系统的设备重要度计算结果表明,接触导线和绝缘子的失效对系统可靠性影响最显著。 3.在维修策略研究的基础上,本文分别建立了维修费用最小、可靠性最大以及可靠性-维修费用最优为目标函数的设备维修计划、牵引变电所维修计划和牵引接触网维修计划优化模型。设备维修计划费用最小模型的约束条件主要为设备最小可靠性、最小可用度以及运行总时间;设备维修计划可靠性最大模型的约束条件主要为最大维修费用、最小可用度以及运行总时间;设备维修计划双目标模型的约束条件主要为最小可用度与运行总时间。牵引变电所维修计划优化模型是一般的非线性优化问题,牵引接触网维修计划优化模型则是在选择关键设备最优维修间隔基础上的0-1整数规划问题。牵引供电系统维修计划单目标优化模型的约束条件主要考虑最小可靠性、最大维修费用、最


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