一種軌道交通機(jī)車車輛輪對(duì)的鏇修決策優(yōu)化方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種軌道交通機(jī)車車輛輪對(duì)的鏇修決策優(yōu)化方法，該方法針對(duì)一節(jié)車廂的八個(gè)車輪，首先進(jìn)行輪對(duì)磨耗數(shù)據(jù)預(yù)處理；其次建立輪徑磨耗模型、輪緣厚度磨耗模型和輪對(duì)鏇修比例系數(shù)分布模型等輪對(duì)磨耗數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)模型；再次，進(jìn)行軌道交通機(jī)車車輛輪對(duì)磨耗和鏇修的蒙特卡洛仿真，從而得出不同輪緣厚度預(yù)防鏇修值和鏇修恢復(fù)值的組合下的輪對(duì)期望使用壽命，該仿真中利用遺傳算法，以輪徑損失盡可能小，并且鏇修后輪緣厚度值盡可能接近輪緣厚度恢復(fù)值為優(yōu)化目標(biāo)，對(duì)具體某次鏇修后期望的輪緣厚度值和輪徑值進(jìn)行優(yōu)化；最后根據(jù)仿真得出的輪對(duì)期望使用壽命結(jié)果，分析得出較優(yōu)的鏇修決策，即優(yōu)選的輪緣厚度預(yù)防鏇修值和鏇修恢復(fù)值組合。
【專利說明】一種軌道交通機(jī)車車輛輪對(duì)的鏇修決策優(yōu)化方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明專利涉及一種軌道交通機(jī)車車輛輪對(duì)的鏇修決策優(yōu)化方法，特別涉及一種基于輪對(duì)磨耗數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)模型和蒙特卡洛仿真的軌道交通機(jī)車車輛輪對(duì)鏇修決策優(yōu)化方法。
【背景技術(shù)】
[0002]進(jìn)入21世紀(jì)，我國城市軌道交通(俗稱地鐵)和鐵道系統(tǒng)步入快速發(fā)展階段。隨著鐵道和城市軌道交通的快速發(fā)展，必然對(duì)列車和鋼軌等相關(guān)設(shè)備的維修保養(yǎng)和壽命管理提出更高的要求。輪對(duì)被稱為地鐵車輛三大易耗件之一，其踏面和輪緣磨耗造成的踏面直徑超限、輪緣厚度超限故障以及輪軌非正常接觸產(chǎn)生的車輪擦傷、踏面裂紋、踏面剝離等故障，對(duì)地鐵車輛的行車安全性、乘坐舒適性以及鋼軌使用壽命都有重要影響。由于輪對(duì)在使用過程中不斷的磨耗，輪緣厚度和輪徑(即踏面直徑)會(huì)不斷的變小，而輪緣厚度和輪徑都有相應(yīng)的上下限規(guī)定。在輪對(duì)使用中:輪緣厚度超限時(shí)必須對(duì)其進(jìn)行及時(shí)的鏇修，從而恢復(fù)輪緣厚度，但是這個(gè)鏇修過程必須以損失部分輪徑為代價(jià)；如果輪徑超限，則必須進(jìn)行輪對(duì)更換。此外，同一節(jié)車廂的八個(gè)車輪還必須滿足輪徑差要求。因此，在輪對(duì)使用過程中的鏇修決策問題，即在輪緣厚度減小到何時(shí)進(jìn)行輪對(duì)鏇修，并使得輪對(duì)厚度恢復(fù)什么樣的程度，對(duì)延長輪對(duì)使用壽命，降低地鐵車輛維修養(yǎng)護(hù)成本，具有重要影響。
[0003]經(jīng)過檢索，沒有發(fā)現(xiàn)國內(nèi)外關(guān)于軌道交通機(jī)車車輛輪對(duì)鏇修決策優(yōu)化方法的專利。學(xué)術(shù)界發(fā)表了少數(shù)相關(guān)的研究成果。Pascual和Marcos (Pascual F,Marcos J A.Wheelwear management on high-speed passenger rail:a common playground for designand maintenance engineering in the Talgo engineering cycle.Proceedings ofthe2004ASME/IEEE Joint Rail Conference，193-199，2004)針對(duì)西班牙Talgo 公司的機(jī)車車輛輪對(duì)磨損問題，通過對(duì)多年的輪對(duì)磨損實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行粗略統(tǒng)計(jì)分析，認(rèn)為當(dāng)輪對(duì)輪緣厚度減少到27.5mm時(shí)再通過鏇修使其恢復(fù)到30.5mm情況下，輪對(duì)使用壽命較長。國內(nèi)的王凌等研究人員(王凌，員華，那文波，陳錫愛，李運(yùn)堂，基于磨耗數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)模型的輪對(duì)鏇修策略優(yōu)化和剩余壽命預(yù)報(bào)，系統(tǒng)工程理論與實(shí)踐，31 (6) ,1143-1152，2011.;許宏，員華，王凌，那文波，徐文彬，李運(yùn)堂，基于高斯過程的地鐵車輛輪對(duì)磨耗建模及其鏇修策略優(yōu)化，機(jī)械工程學(xué)報(bào)，46 (24)，88-95，2010)針對(duì)廣州地鐵車輛輪對(duì)磨耗和鏇修問題，給出了相應(yīng)的磨耗模型和鏇修決策優(yōu)化方法，但是這些成果只是從單個(gè)輪對(duì)角度考慮了鏇修決策優(yōu)化問題，不能直接應(yīng)用于解決實(shí)際中同一節(jié)車廂八個(gè)車輪的鏇修決策優(yōu)化問題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)中存在的不足，針對(duì)同一節(jié)車廂的八個(gè)車輪鏇修決策問題，提供一種軌道交通機(jī)車車輛輪對(duì)的鏇修決策優(yōu)化方法，使相關(guān)維修保障人員能夠基于輪對(duì)歷史磨耗數(shù)據(jù)和該方法，對(duì)將來的輪對(duì)鏇修決策進(jìn)行優(yōu)化，從而幫助延長輪對(duì)使用壽命。
[0005]為實(shí)現(xiàn)本發(fā)明所述目的，本發(fā)明提供一種軌道交通機(jī)車車輛輪對(duì)的鏇修決策優(yōu)化方法，包含以下步驟:
[0006]步驟1:針對(duì)一節(jié)車廂的八個(gè)車輪，進(jìn)行輪對(duì)磨耗數(shù)據(jù)預(yù)處理，得出輪對(duì)輪緣和輪徑磨耗速率以及鏇修比例系數(shù)的樣本數(shù)據(jù)；
[0007]步驟2:建立輪對(duì)磨耗數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)模型，包括輪徑磨耗模型、輪緣厚度磨耗模型和輪對(duì)鏇修比例系數(shù)分布模型等；
[0008]本發(fā)明采用的輪徑磨耗模型是一個(gè)描述輪徑磨耗速率概率分布特性的威布爾分布。本發(fā)明采用的輪緣厚度磨耗模型，刻畫了某時(shí)刻輪緣厚度磨耗速率和對(duì)應(yīng)輪緣厚度值的相關(guān)擬合關(guān)系，表不如下:
[0009]Vsd = a X Sd2+b X Sd+c+Evsd (I)
[0010]其中Vsd為輪緣厚度磨耗速率，Sd為輪緣厚度值，Evsd為輪緣厚度磨耗速率隨機(jī)擬合差值，Evsd是一均值為零的正態(tài)分布隨機(jī)數(shù)，a、b和c為常數(shù)。本發(fā)明采用的輪對(duì)鏇修比例系數(shù)分布模型是一個(gè)描述鏇修比例系數(shù)k概率分布特性的伽馬分布。
[0011]步驟3:進(jìn)行軌道交通機(jī)車車輛輪對(duì)磨耗和鏇修的蒙特卡洛仿真，得出不同輪緣厚度預(yù)防鏇修值和鏇修恢復(fù)值組合下的輪對(duì)期望使用壽命；
[0012]該步驟中仿真計(jì)算某特定一組輪緣厚度預(yù)防鏇修值和鏇修恢復(fù)值組合下的輪對(duì)期望使用壽命的步驟如下:
[0013]步驟3.1:初始化各類參數(shù)； [0014]步驟3.2:仿真時(shí)間步進(jìn)一個(gè)單位時(shí)間；
[0015]步驟3.3:根據(jù)蒙特卡洛仿真方法原理，基于前述輪對(duì)磨耗數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)模型，仿真產(chǎn)生對(duì)應(yīng)單位時(shí)間內(nèi)的輪徑磨耗量和輪緣厚度磨耗量，并根據(jù)上一個(gè)時(shí)刻的輪徑值和輪緣厚度值，計(jì)算當(dāng)前時(shí)刻的輪徑值和輪緣厚度值；
[0016]步驟3.4:判斷輪徑值是否小于輪徑下限，如果“小于”，則進(jìn)入步驟3.5，否則進(jìn)行步驟3.8 ；
[0017]步驟3.5:輪對(duì)仿真周期數(shù)加I ;
[0018]步驟3.6:判斷輪對(duì)仿真周期數(shù)是否小于設(shè)定的輪對(duì)仿真周期總數(shù)，如果“小于”則進(jìn)入步驟3.7，否則仿真優(yōu)化結(jié)束，輸出仿真結(jié)果；
[0019]步驟3.7:當(dāng)前各輪徑值和各輪緣厚度值全部更新為全新輪對(duì)的輪徑值和輪緣厚度值，開始下一個(gè)輪對(duì)仿真周期的仿真，返回步驟3.2 ；
[0020]步驟3.8:判斷各輪緣厚度值是否小于或等于輪緣厚度預(yù)防鏇修值，如果“小于或等于”則進(jìn)入步驟3.9，否則返回步驟3.2 ;
[0021]步驟3.9:優(yōu)化具體一次鏇修后期望輪緣厚度值和輪徑值，即利用遺傳算法，在考慮八個(gè)車輪輪徑差約束的前提下，以輪徑損失盡可能小，并且鏇修后輪緣厚度值盡可能接近輪緣厚度恢復(fù)值為優(yōu)化目標(biāo)，對(duì)該次鏇修后期望的輪緣厚度值和輪徑值進(jìn)行優(yōu)化；
[0022]本發(fā)明上述步驟中，相應(yīng)優(yōu)化目標(biāo)“輪徑損失盡可能小，并且鏇修后輪緣厚度值盡可能接近輪緣厚度恢復(fù)值”可以表示為:
8 8 一
[0023]min ^ ~~SdR + YjWd- (D:k -D+Jk)(2)
_ i=\ k=\ —
[0024]其中&+,.,為&時(shí)刻第i個(gè)車輪鏇修后的輪緣厚度值，Stffi為鏇修后輪緣厚度恢復(fù)值，Da% h時(shí)刻第k個(gè)車輪鏇修前輪徑值，D;為h時(shí)刻第k個(gè)車輪鏇修后輪徑值，Wsd和wD為是權(quán)重系數(shù)，滿足wsd+wD = I ;優(yōu)化約束包括同一節(jié)車廂八個(gè)車輪的輪徑差約束、鏇修后輪緣厚度值和輪徑值不超限約束，以及鏇修后的輪緣厚度值大于鏇修前的的輪緣厚度值和鏇修后的輪徑值小于鏇修前的輪徑值等鏇修前后輪對(duì)尺寸邏輯約束。
[0025]步驟3.10:基于輪對(duì)鏇修比例系數(shù)分布模型，抽樣生成鏇修比例系數(shù)，并根據(jù)步驟3.9得出的鏇修后期望的輪緣厚度值計(jì)算得出鏇修后輪緣厚度值和輪徑值；
[0026]步驟3.11:累積鏇修次數(shù)；
[0027]步驟3.12:判斷各輪徑值是否小于輪徑下限，如果“小于”，則返回步驟3.5，否則返回步驟3.2。
[0028]步驟4:得出較優(yōu)的鏇修決策，即比較分析不同輪緣厚度預(yù)防鏇修值和鏇修恢復(fù)值組合下的輪對(duì)期望使用壽命，得到較優(yōu)的輪緣厚度預(yù)防鏇修值和鏇修恢復(fù)值組合。
[0029]本發(fā)明是一種軌道交通機(jī)車車輛輪對(duì)的鏇修決策優(yōu)化方法，這種方法根據(jù)軌道交通機(jī)車車輛輪對(duì)磨耗的歷史數(shù)據(jù)，在數(shù)據(jù)預(yù)處理并建立輪對(duì)磨耗數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)模型之后，進(jìn)行軌道交通機(jī)車車輛輪對(duì)磨耗和鏇修的蒙特卡洛仿真，從而得出不同輪緣厚度預(yù)防鏇修值和鏇修恢復(fù)值的組合下的輪對(duì)期望使用壽命，最后根據(jù)仿真得出的輪對(duì)期望使用壽命結(jié)果，分析得出較優(yōu)的鏇修決策，即優(yōu)選的輪緣厚度預(yù)防鏇修值和鏇修恢復(fù)值組合，從而幫助相關(guān)維修人員優(yōu)化輪對(duì)鏇修決策，延長輪對(duì)使用壽命。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0030]圖1是本發(fā)明的步驟示意圖；
[0031]圖2是本發(fā)明的仿真計(jì)算某特定一組輪緣厚度預(yù)防鏇修值和鏇修恢復(fù)值組合下的輪對(duì)期望使用壽命的流程圖；
[0032]圖3是本發(fā)明【具體實(shí)施方式】中的不同輪緣厚度預(yù)防鏇修值和鏇修恢復(fù)值組合下的輪對(duì)期望使用壽命仿真計(jì)算結(jié)果。
【具體實(shí)施方式】
[0033]如圖1所示，本發(fā)明包括四大步驟:步驟1:針對(duì)一節(jié)車廂的八個(gè)車輪，進(jìn)行輪對(duì)磨耗數(shù)據(jù)預(yù)處理，得出輪對(duì)輪緣和輪徑磨耗速率以及鏇修比例系數(shù)的樣本數(shù)據(jù)；步驟2:建立輪對(duì)磨耗數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)模型，包括輪徑磨耗模型、輪緣厚度磨耗模型和輪對(duì)鏇修比例系數(shù)分布模型等；步驟3:進(jìn)行軌道交通機(jī)車車輛輪對(duì)磨耗和鏇修的蒙特卡洛仿真，得出不同輪緣厚度預(yù)防鏇修值和鏇修恢復(fù)值組合下的輪對(duì)期望使用壽命；步驟4:得出較優(yōu)的鏇修決策，即比較分析不同輪緣厚度預(yù)防鏇修值和鏇修恢復(fù)值組合下的輪對(duì)期望使用壽命，得到較優(yōu)的輪緣厚度預(yù)防鏇修值和鏇修恢復(fù)值組合。
[0034]本發(fā)明步驟I中，針對(duì)一節(jié)車廂的八個(gè)車輪，進(jìn)行輪對(duì)磨耗數(shù)據(jù)預(yù)處理，要求首先去除記錄不完整和明顯錯(cuò)誤的輪對(duì)磨耗數(shù)據(jù)。本實(shí)例中輪對(duì)磨耗數(shù)據(jù)分別記錄了八個(gè)車輪不同日期的輪徑值和輪緣厚度值以及輪對(duì)鏇修、更換工作情況。本具體實(shí)施例中以30天為一個(gè)單位時(shí)間，基于下式進(jìn)行計(jì)算某車輪的輪緣厚度和輪徑磨耗速率樣本數(shù)據(jù):
【權(quán)利要求】
1.本發(fā)明涉及一種軌道交通機(jī)車車輛輪對(duì)的鏇修決策優(yōu)化方法，包含以下步驟: 步驟1:針對(duì)一節(jié)車廂的八個(gè)車輪，進(jìn)行輪對(duì)磨耗數(shù)據(jù)預(yù)處理，得出輪對(duì)輪緣和輪徑磨耗速率以及鏇修比例系數(shù)的樣本數(shù)據(jù)； 步驟2:建立輪對(duì)磨耗數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)模型，包括輪徑磨耗模型、輪緣厚度磨耗模型和輪對(duì)鏇修比例系數(shù)分布模型等 步驟3:進(jìn)行軌道交通機(jī)車車輛輪對(duì)磨耗和鏇修的蒙特卡洛仿真，得出不同輪緣厚度預(yù)防鏇修值和鏇修恢復(fù)值組合下的輪對(duì)期望使用壽命； 該步驟中仿真計(jì)算某特定一組輪緣厚度預(yù)防鏇修值和鏇修恢復(fù)值組合下的輪對(duì)期望使用壽命的步驟如下: 步驟3.1:初始化各類參數(shù)； 步驟3.2:仿真時(shí)間步進(jìn)一個(gè)單位時(shí)間； 步驟3.3:根據(jù)蒙特卡洛仿真方法原理，基于前述輪對(duì)磨耗數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)模型，仿真產(chǎn)生對(duì)應(yīng)單位時(shí)間內(nèi)的輪徑磨耗量和輪緣厚度磨耗量，并根據(jù)上一個(gè)時(shí)刻的輪徑值和輪緣厚度值，計(jì)算當(dāng)前時(shí)刻的輪徑值和輪緣厚度值； 步驟3.4:判斷輪徑值是否小于輪徑下限，如果“小于”，則進(jìn)入步驟3.5，否則進(jìn)行步驟3.8 ； 步驟3.5:輪對(duì)仿真周期數(shù)加I ; 步驟3.6:判斷輪對(duì)仿真周期數(shù)是否小于設(shè)定的輪對(duì)仿真周期總數(shù)，如果“小于”則進(jìn)入步驟3.7，否則仿真優(yōu)化結(jié)束，輸出仿真結(jié)果； 步驟3.7:當(dāng)前各輪徑值和各輪緣厚度值全部更新為全新輪對(duì)的輪徑值和輪緣厚度值，開始下一個(gè)輪對(duì)仿真周期的仿真，返回步驟3.2 ； 步驟3.8:判斷各輪緣厚度值是否小于或等于輪緣厚度預(yù)防鏇修值，如果“小于或等于”則進(jìn)入步驟3.9，否則返回步驟3.2 ； 步驟3.9:優(yōu)化具體一次鏇修后期望輪緣厚度值和輪徑值，即利用遺傳算法，在考慮八個(gè)車輪輪徑差約束的前提下，以輪徑損失盡可能小，并且鏇修后輪緣厚度值盡可能接近輪緣厚度恢復(fù)值為優(yōu)化目標(biāo)，對(duì)該次鏇修后期望的輪緣厚度值和輪徑值進(jìn)行優(yōu)化； 步驟3.10:基于輪對(duì)鏇修比例系數(shù)分布模型，抽樣生成鏇修比例系數(shù)，并根據(jù)步驟3.9得出的鏇修后期望的輪緣厚度值計(jì)算得出鏇修后輪緣厚度值和輪徑值； 步驟3.11:累積鏇修次數(shù)； 步驟3.12:判斷各輪徑值是否小于輪徑下限，如果“小于”，則返回步驟3.5，否則返回步驟3.2。 步驟4:得出較優(yōu)的鏇修決策，即比較分析不同輪緣厚度預(yù)防鏇修值和鏇修恢復(fù)值組合下的輪對(duì)期望使用壽命，得到較優(yōu)的輪緣厚度預(yù)防鏇修值和鏇修恢復(fù)值組合。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種軌道交通機(jī)車車輛輪對(duì)的鏇修決策優(yōu)化方法，其特征在于，所述的輪徑磨耗模型是一個(gè)描述輪徑磨耗速率概率分布特性的威布爾分布；所述的輪緣厚度磨耗模型，刻畫了某時(shí)刻輪緣厚度磨耗速率和對(duì)應(yīng)輪緣厚度值的相關(guān)擬合關(guān)系，表示如下:
Vsd = a X Sd2+b X Sd+c+Evsd (I) 其中Vsd為輪緣厚度磨耗速率，Sd為輪緣厚度值，Evsd為輪緣厚度磨耗速率隨機(jī)擬合差值，Evsd是一均值為零的正態(tài)分布隨機(jī)數(shù)，a、b和c為常數(shù)；所述的輪對(duì)鏇修比例系數(shù)分布模型是一個(gè)描述鏇修比例系數(shù)k概率分布特性的伽馬分布。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種軌道交通機(jī)車車輛輪對(duì)的鏇修決策優(yōu)化方法，其特征在于，所述的優(yōu)化具體一次鏇修后期望輪緣厚度值和輪徑值，相應(yīng)優(yōu)化目標(biāo)為輪徑損失盡可能小并且鏇修后輪緣厚度值盡可能接近輪緣厚度恢復(fù)值，可以表示為:
【文檔編號(hào)】G06F17/50GK103838929SQ201410085521
【公開日】2014年6月4日 申請(qǐng)日期:2014年2月25日 優(yōu)先權(quán)日:2014年2月25日
【發(fā)明者】王凌, 趙文杰, 陳長駿, 陳錫愛 申請(qǐng)人:中國計(jì)量學(xué)院