一种轨道交通机车车辆轮对的镟修决策优化方法
【专利摘要】本发明涉及一种轨道交通机车车辆轮对的镟修决策优化方法，该方法针对一节车厢的八个车轮，首先进行轮对磨耗数据预处理；其次建立轮径磨耗模型、轮缘厚度磨耗模型和轮对镟修比例系数分布模型等轮对磨耗数据驱动模型；再次，进行轨道交通机车车辆轮对磨耗和镟修的蒙特卡洛仿真，从而得出不同轮缘厚度预防镟修值和镟修恢复值的组合下的轮对期望使用寿命，该仿真中利用遗传算法，以轮径损失尽可能小，并且镟修后轮缘厚度值尽可能接近轮缘厚度恢复值为优化目标，对具体某次镟修后期望的轮缘厚度值和轮径值进行优化；最后根据仿真得出的轮对期望使用寿命结果，分析得出较优的镟修决策，即优选的轮缘厚度预防镟修值和镟修恢复值组合。
【专利说明】一种轨道交通机车车辆轮对的镟修决策优化方法
【技术领域】
[0001]本发明专利涉及一种轨道交通机车车辆轮对的镟修决策优化方法，特别涉及一种基于轮对磨耗数据驱动模型和蒙特卡洛仿真的轨道交通机车车辆轮对镟修决策优化方法。
【背景技术】
[0002]进入21世纪，我国城市轨道交通(俗称地铁)和铁道系统步入快速发展阶段。随着铁道和城市轨道交通的快速发展，必然对列车和钢轨等相关设备的维修保养和寿命管理提出更高的要求。轮对被称为地铁车辆三大易耗件之一，其踏面和轮缘磨耗造成的踏面直径超限、轮缘厚度超限故障以及轮轨非正常接触产生的车轮擦伤、踏面裂纹、踏面剥离等故障，对地铁车辆的行车安全性、乘坐舒适性以及钢轨使用寿命都有重要影响。由于轮对在使用过程中不断的磨耗，轮缘厚度和轮径(即踏面直径)会不断的变小，而轮缘厚度和轮径都有相应的上下限规定。在轮对使用中:轮缘厚度超限时必须对其进行及时的镟修，从而恢复轮缘厚度，但是这个镟修过程必须以损失部分轮径为代价；如果轮径超限，则必须进行轮对更换。此外，同一节车厢的八个车轮还必须满足轮径差要求。因此，在轮对使用过程中的镟修决策问题，即在轮缘厚度减小到何时进行轮对镟修，并使得轮对厚度恢复什么样的程度，对延长轮对使用寿命，降低地铁车辆维修养护成本，具有重要影响。
[0003]经过检索，没有发现国内外关于轨道交通机车车辆轮对镟修决策优化方法的专利。学术界发表了少数相关的研究成果。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)针对西班牙Talgo 公司的机车车辆轮对磨损问题，通过对多年的轮对磨损实测数据进行粗略统计分析，认为当轮对轮缘厚度减少到27.5mm时再通过镟修使其恢复到30.5mm情况下，轮对使用寿命较长。国内的王凌等研究人员(王凌，员华，那文波，陈锡爱，李运堂，基于磨耗数据驱动模型的轮对镟修策略优化和剩余寿命预报，系统工程理论与实践，31 (6) ,1143-1152，2011.;许宏，员华，王凌，那文波，徐文彬，李运堂，基于高斯过程的地铁车辆轮对磨耗建模及其镟修策略优化，机械工程学报，46 (24)，88-95，2010)针对广州地铁车辆轮对磨耗和镟修问题，给出了相应的磨耗模型和镟修决策优化方法，但是这些成果只是从单个轮对角度考虑了镟修决策优化问题，不能直接应用于解决实际中同一节车厢八个车轮的镟修决策优化问题。
【发明内容】
[0004]本发明的目的在于克服现有技术中存在的不足，针对同一节车厢的八个车轮镟修决策问题，提供一种轨道交通机车车辆轮对的镟修决策优化方法，使相关维修保障人员能够基于轮对历史磨耗数据和该方法，对将来的轮对镟修决策进行优化，从而帮助延长轮对使用寿命。
[0005]为实现本发明所述目的，本发明提供一种轨道交通机车车辆轮对的镟修决策优化方法，包含以下步骤:
[0006]步骤1:针对一节车厢的八个车轮，进行轮对磨耗数据预处理，得出轮对轮缘和轮径磨耗速率以及镟修比例系数的样本数据；
[0007]步骤2:建立轮对磨耗数据驱动模型，包括轮径磨耗模型、轮缘厚度磨耗模型和轮对镟修比例系数分布模型等；
[0008]本发明采用的轮径磨耗模型是一个描述轮径磨耗速率概率分布特性的威布尔分布。本发明采用的轮缘厚度磨耗模型，刻画了某时刻轮缘厚度磨耗速率和对应轮缘厚度值的相关拟合关系，表不如下:
[0009]Vsd = a X Sd2+b X Sd+c+Evsd (I)
[0010]其中Vsd为轮缘厚度磨耗速率，Sd为轮缘厚度值，Evsd为轮缘厚度磨耗速率随机拟合差值，Evsd是一均值为零的正态分布随机数，a、b和c为常数。本发明采用的轮对镟修比例系数分布模型是一个描述镟修比例系数k概率分布特性的伽马分布。
[0011]步骤3:进行轨道交通机车车辆轮对磨耗和镟修的蒙特卡洛仿真，得出不同轮缘厚度预防镟修值和镟修恢复值组合下的轮对期望使用寿命；
[0012]该步骤中仿真计算某特定一组轮缘厚度预防镟修值和镟修恢复值组合下的轮对期望使用寿命的步骤如下:
[0013]步骤3.1:初始化各类参数； [0014]步骤3.2:仿真时间步进一个单位时间；
[0015]步骤3.3:根据蒙特卡洛仿真方法原理，基于前述轮对磨耗数据驱动模型，仿真产生对应单位时间内的轮径磨耗量和轮缘厚度磨耗量，并根据上一个时刻的轮径值和轮缘厚度值，计算当前时刻的轮径值和轮缘厚度值；
[0016]步骤3.4:判断轮径值是否小于轮径下限，如果“小于”，则进入步骤3.5，否则进行步骤3.8 ；
[0017]步骤3.5:轮对仿真周期数加I ;
[0018]步骤3.6:判断轮对仿真周期数是否小于设定的轮对仿真周期总数，如果“小于”则进入步骤3.7，否则仿真优化结束，输出仿真结果；
[0019]步骤3.7:当前各轮径值和各轮缘厚度值全部更新为全新轮对的轮径值和轮缘厚度值，开始下一个轮对仿真周期的仿真，返回步骤3.2 ；
[0020]步骤3.8:判断各轮缘厚度值是否小于或等于轮缘厚度预防镟修值，如果“小于或等于”则进入步骤3.9，否则返回步骤3.2 ;
[0021]步骤3.9:优化具体一次镟修后期望轮缘厚度值和轮径值，即利用遗传算法，在考虑八个车轮轮径差约束的前提下，以轮径损失尽可能小，并且镟修后轮缘厚度值尽可能接近轮缘厚度恢复值为优化目标，对该次镟修后期望的轮缘厚度值和轮径值进行优化；
[0022]本发明上述步骤中，相应优化目标“轮径损失尽可能小，并且镟修后轮缘厚度值尽可能接近轮缘厚度恢复值”可以表示为:
8 8 一
[0023]min ^ ~~SdR + YjWd- (D:k -D+Jk)(2)
_ i=\ k=\ —
[0024]其中&+,.,为&时刻第i个车轮镟修后的轮缘厚度值，Stffi为镟修后轮缘厚度恢复值，Da% h时刻第k个车轮镟修前轮径值，D;为h时刻第k个车轮镟修后轮径值，Wsd和wD为是权重系数，满足wsd+wD = I ;优化约束包括同一节车厢八个车轮的轮径差约束、镟修后轮缘厚度值和轮径值不超限约束，以及镟修后的轮缘厚度值大于镟修前的的轮缘厚度值和镟修后的轮径值小于镟修前的轮径值等镟修前后轮对尺寸逻辑约束。
[0025]步骤3.10:基于轮对镟修比例系数分布模型，抽样生成镟修比例系数，并根据步骤3.9得出的镟修后期望的轮缘厚度值计算得出镟修后轮缘厚度值和轮径值；
[0026]步骤3.11:累积镟修次数；
[0027]步骤3.12:判断各轮径值是否小于轮径下限，如果“小于”，则返回步骤3.5，否则返回步骤3.2。
[0028]步骤4:得出较优的镟修决策，即比较分析不同轮缘厚度预防镟修值和镟修恢复值组合下的轮对期望使用寿命，得到较优的轮缘厚度预防镟修值和镟修恢复值组合。
[0029]本发明是一种轨道交通机车车辆轮对的镟修决策优化方法，这种方法根据轨道交通机车车辆轮对磨耗的历史数据，在数据预处理并建立轮对磨耗数据驱动模型之后，进行轨道交通机车车辆轮对磨耗和镟修的蒙特卡洛仿真，从而得出不同轮缘厚度预防镟修值和镟修恢复值的组合下的轮对期望使用寿命，最后根据仿真得出的轮对期望使用寿命结果，分析得出较优的镟修决策，即优选的轮缘厚度预防镟修值和镟修恢复值组合，从而帮助相关维修人员优化轮对镟修决策，延长轮对使用寿命。
【专利附图】
【附图说明】
[0030]图1是本发明的步骤示意图；
[0031]图2是本发明的仿真计算某特定一组轮缘厚度预防镟修值和镟修恢复值组合下的轮对期望使用寿命的流程图；
[0032]图3是本发明【具体实施方式】中的不同轮缘厚度预防镟修值和镟修恢复值组合下的轮对期望使用寿命仿真计算结果。
【具体实施方式】
[0033]如图1所示，本发明包括四大步骤:步骤1:针对一节车厢的八个车轮，进行轮对磨耗数据预处理，得出轮对轮缘和轮径磨耗速率以及镟修比例系数的样本数据；步骤2:建立轮对磨耗数据驱动模型，包括轮径磨耗模型、轮缘厚度磨耗模型和轮对镟修比例系数分布模型等；步骤3:进行轨道交通机车车辆轮对磨耗和镟修的蒙特卡洛仿真，得出不同轮缘厚度预防镟修值和镟修恢复值组合下的轮对期望使用寿命；步骤4:得出较优的镟修决策，即比较分析不同轮缘厚度预防镟修值和镟修恢复值组合下的轮对期望使用寿命，得到较优的轮缘厚度预防镟修值和镟修恢复值组合。
[0034]本发明步骤I中，针对一节车厢的八个车轮，进行轮对磨耗数据预处理，要求首先去除记录不完整和明显错误的轮对磨耗数据。本实例中轮对磨耗数据分别记录了八个车轮不同日期的轮径值和轮缘厚度值以及轮对镟修、更换工作情况。本具体实施例中以30天为一个单位时间，基于下式进行计算某车轮的轮缘厚度和轮径磨耗速率样本数据:
【权利要求】
1.本发明涉及一种轨道交通机车车辆轮对的镟修决策优化方法，包含以下步骤: 步骤1:针对一节车厢的八个车轮，进行轮对磨耗数据预处理，得出轮对轮缘和轮径磨耗速率以及镟修比例系数的样本数据； 步骤2:建立轮对磨耗数据驱动模型，包括轮径磨耗模型、轮缘厚度磨耗模型和轮对镟修比例系数分布模型等 步骤3:进行轨道交通机车车辆轮对磨耗和镟修的蒙特卡洛仿真，得出不同轮缘厚度预防镟修值和镟修恢复值组合下的轮对期望使用寿命； 该步骤中仿真计算某特定一组轮缘厚度预防镟修值和镟修恢复值组合下的轮对期望使用寿命的步骤如下: 步骤3.1:初始化各类参数； 步骤3.2:仿真时间步进一个单位时间； 步骤3.3:根据蒙特卡洛仿真方法原理，基于前述轮对磨耗数据驱动模型，仿真产生对应单位时间内的轮径磨耗量和轮缘厚度磨耗量，并根据上一个时刻的轮径值和轮缘厚度值，计算当前时刻的轮径值和轮缘厚度值； 步骤3.4:判断轮径值是否小于轮径下限，如果“小于”，则进入步骤3.5，否则进行步骤3.8 ； 步骤3.5:轮对仿真周期数加I ; 步骤3.6:判断轮对仿真周期数是否小于设定的轮对仿真周期总数，如果“小于”则进入步骤3.7，否则仿真优化结束，输出仿真结果； 步骤3.7:当前各轮径值和各轮缘厚度值全部更新为全新轮对的轮径值和轮缘厚度值，开始下一个轮对仿真周期的仿真，返回步骤3.2 ； 步骤3.8:判断各轮缘厚度值是否小于或等于轮缘厚度预防镟修值，如果“小于或等于”则进入步骤3.9，否则返回步骤3.2 ； 步骤3.9:优化具体一次镟修后期望轮缘厚度值和轮径值，即利用遗传算法，在考虑八个车轮轮径差约束的前提下，以轮径损失尽可能小，并且镟修后轮缘厚度值尽可能接近轮缘厚度恢复值为优化目标，对该次镟修后期望的轮缘厚度值和轮径值进行优化； 步骤3.10:基于轮对镟修比例系数分布模型，抽样生成镟修比例系数，并根据步骤3.9得出的镟修后期望的轮缘厚度值计算得出镟修后轮缘厚度值和轮径值； 步骤3.11:累积镟修次数； 步骤3.12:判断各轮径值是否小于轮径下限，如果“小于”，则返回步骤3.5，否则返回步骤3.2。 步骤4:得出较优的镟修决策，即比较分析不同轮缘厚度预防镟修值和镟修恢复值组合下的轮对期望使用寿命，得到较优的轮缘厚度预防镟修值和镟修恢复值组合。
2.根据权利要求1所述的一种轨道交通机车车辆轮对的镟修决策优化方法，其特征在于，所述的轮径磨耗模型是一个描述轮径磨耗速率概率分布特性的威布尔分布；所述的轮缘厚度磨耗模型，刻画了某时刻轮缘厚度磨耗速率和对应轮缘厚度值的相关拟合关系，表示如下:
Vsd = a X Sd2+b X Sd+c+Evsd (I) 其中Vsd为轮缘厚度磨耗速率，Sd为轮缘厚度值，Evsd为轮缘厚度磨耗速率随机拟合差值，Evsd是一均值为零的正态分布随机数，a、b和c为常数；所述的轮对镟修比例系数分布模型是一个描述镟修比例系数k概率分布特性的伽马分布。
3.根据权利要求1所述的一种轨道交通机车车辆轮对的镟修决策优化方法，其特征在于，所述的优化具体一次镟修后期望轮缘厚度值和轮径值，相应优化目标为轮径损失尽可能小并且镟修后轮缘厚度值尽可能接近轮缘厚度恢复值，可以表示为:
【文档编号】G06F17/50GK103838929SQ201410085521
【公开日】2014年6月4日 申请日期:2014年2月25日 优先权日:2014年2月25日
【发明者】王凌, 赵文杰, 陈长骏, 陈锡爱 申请人:中国计量学院