一种基于二元决策图算法的接触网失效风险评估方法技术

本发明专利技术公开了一种基于二元决策图算法的接触网失效风险评估方法，包括步骤：(1)生成BDD结构，确定系统边界、基本事件和顶事件，建立故障树并规范化，生成BDD结构，对于基本事件，可通过ITE运算直接创建对应的BDD结点；对于中间事件，可对基本事件或其他中间事件进行ITE运算得到原中间事件的BDD结构；(2)计算接触网失效风险事故率，由故障树生成布尔逻辑表达式，产生对应该故障树顶事件的布尔逻辑函数，其取真值时，即可得到顶事件或任一中间事件的发生概率；(3)事件重要度的衡量。本发明专利技术将BDD方法应用于接触网的失效风险评估中，简化了计算过程，解决了割集方法在接触网失效故障树分析中遇到的组合爆炸、求解过程复杂等问题。

【技术实现步骤摘要】
一种基于二元决策图算法的接触网失效风险评估方法
本专利技术属于供电接触网评估
，尤其涉及一种基于二元决策图算法的接触网失效风险评估方法。
技术介绍
高速列车作为推动国民经济发展的新引擎，具有安全、舒适、节能的优点。高速列车的主要供电设备是接触网，因接触网长期暴露在外，会受到雷雨、冰雪等恶劣天气状况的影响，其工作状态随着气象条件的变化而变化。由于接触网无备用，供电区间长，且与受电弓长期滑动摩擦，使得其运行条件和工作环境较为复杂，出现失效故障的可能性大，因而对其进行失效风险评估显得尤为重要。目前，对于接触网风险评估方面的研究较少，现有的文献多为接触网可靠性方面的研究，如通过对高速受电弓进行动态仿真，提出接触线的动态疲劳检测方法，能准确地估计接触线的疲劳可靠性；将故障树分析法应用于接触网可靠性分析中，可计算接触网失效概率与基本事件的结构重要度和概率重要度。二元决策图(BinaryDecisionDiagram，BDD)是被用来表达布尔函数的一种数据结构，在BDD的应用方面，采用BDD方法可对非相干系统进行非精确的系统可靠性评估(参见ImakhlafAJ,HouY,SallakM.IFAC-PapersOnLine,2017,50(1):12243-12248)；可将BDD算法与逻辑微分学应用于重要度分析与直接部分布尔导数的计算(参见ZaitsevaE,LevashenkoV,KostolnyJ.ReliabilityEngineering&SystemSafety,2015,138:135-144)；将BDD算法应用于存在相关性的同一部件或不同部件的可靠性分析中，并考虑了共因失效(参见古莹奎,张全新,梁玲强等，机械设计与研究,2017(2):1-5)。故障树分析(FaultTreeAnalysis,FTA)方法是获得广泛使用的定量风险分析法，但其建模是被限制在布尔表达式，费时又费力，通过成倍地增加了资源要求以达到所需的结果。而基于割集的FTA方法，当故障树规模达到一定程度后便难以分析，即使计算机也难以胜任。BDD作为处理高维布尔逻辑函数的高效图形结构，针对采用割集方法分析接触网失效故障树所遇到的问题，结合基于.NET平台的ITE(If-Then-Else，如果否则)算法，可通过提出新的Birnbaum重要度(也称为概率重要度)的编程计算方法和关键重要度(也称为临界重要度)的编程计算方法，准确有效的对接触网的失效风险进行评估。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种基于二元决策图算法的接触网失效风险评估方法，旨在解决上述
技术介绍
中现有接触网失效风险评估方法较少，仅通过故障树方法评估时费时又费力，且要成倍地增加资源要求才可达到所需的结果，而基于割集的故障树分析方法，当故障树规模达到一定程度后便难以分析的问题。本专利技术是这样实现的，一种基于二元决策图算法的接触网失效风险评估方法，包括如下步骤：(1)生成BDD结构1)确定系统边界、基本事件和顶事件；2)建立故障树：根据系统中事件之间的串并联关系，用逻辑门将顶事件与直接导致顶事件发生的中间事件连接起来，再将中间事件与直接导致中间事件发生的中间事件或基本事件连接起来，直到顶事件与基本事件之间完成逻辑连接；3)故障树的规范化：规范化的故障树只含“与”、“或”、“非”三种逻辑门，生成BDD前，将建立的故障树转化为规范化的故障树，若中间事件中存在“非”门，可用摩根定理对其进行转化，使“非”门仅在基本事件中出现，BDD依据香浓(Shannon)分解定理衍生的ITE规则进行创建；4)由故障树生成BDD结构，步骤如下：a、对于基本事件，可通过ITE运算直接创建对应的BDD结点；b、对于中间事件，可对基本事件或其他中间事件进行ITE运算得到原中间事件的BDD结构；(2)计算接触网失效风险事故率由故障树生成布尔逻辑表达式，产生对应该故障树顶事件的布尔逻辑函数，该布尔逻辑函数取真值时，即可得到顶事件或任一中间事件的发生概率，即失效风险事故率：P(T)＝Pr{fb(T)＝1}(1)式中，T为故障树，P(T)为计算失效风险事故率的函数，布尔逻辑函数fb(T)对应顶事件的逻辑表达式，fb(T)＝1表示该故障树顶事件发生，由P(T)可计算系统的可靠性参数——平均无故障运行时间，计算公式如下：由T生成BDD结构后，可从根结点开始逐级遍历BDD各结点并通过式(3)递归计算事故率：式中，frisk(T)是计算事故率的递归公式，Pr(xk＝1)和Pr(xk＝0)分别是事件k发生与未发生的概率，是xk＝1的BDD，是xk＝0的BDD；通过编程对frisk(T)函数实现递归计算，即可得到顶事件或任一中间事件发生的概率；(3)事件重要度的衡量事件重要度的衡量通过Birnbaum重要度和关键重要度进行；①Birnbaum重要度Birnbaum重要度用以衡量当事件i为关键事件状态时，整个系统处于该状态的概率，若某风险事故的发生跟n个基本事件相关，则第i个基本事件的Birnbaum重要度可通过式(4)或(5)确定：式中，F(t)是风险事故率的分布函数，Fi(t)是第i个基本事件的概率分布函数，T为待分析的故障树，xi为基本事件，fb(T)为T的逻辑函数，Pr()表示求取事件概率的函数；对于基本事件i，可遍历T的BDD结构来递归计算其Birnbaum重要度，计算公式如下：其中，fim()是计算Birnbaum重要度的递归函数，对fim()函数进行编程，即可实现Birnbaum重要度的计算；②关键重要度事件的关键重要度越大，对风险事故发生的影响就越大，关键重要度考虑了事件自身发生的概率，因此在C#程序中加入其计算，计算公式如式(7)：式中，Pi是事件i发生的概率，P(T)是T发生的概率。优选地，所述步骤(1)4)中，所述ITE运算采用ITE(X，Y，Z)结构，ITE(X，Y，Z)指若X成立，那么Y成立，否则Z成立，其数学表达式为：显然有：假设故障树底事件的布尔变量为x1,x2,…,xn，任意给定xi,xj∈{x1,x2,…,xn}，并记：J＝ite(xi,G1,G2)(10)H＝ite(xj,F1,F2)(11)运用ITE运算由故障树生成相应的BDD结构时遵循以下两个规则：1)当i<j时：J＜op＞H＝ite(xi,F1＜op＞H,F2＜op＞H)(12)2)当i＝j时：J＜op＞H＝ite(xi,F1＜op＞G1,F2＜op＞G2)(13)式中，运算符<op>表示逻辑门；根据式(12)和式(13)编制ITE递归创建函数iteand()和iteor()，其输入参数为两个故障树基本事件或中间事件的BDD结构，即BDD结构首结点，返回参数为新创建的BDD结构，通过多次调用ITE递归创建函数即可完成逻辑门的BDD结构创建。优选地，所述步骤(1)4)b中，所述ITE运算方法为：当事件A和B之间的逻辑门是“或”门时，先获取A和B的BDD对象，即Obdd(A)和Obdd(B)，再执行BDD的ITE“或”运算，即Obdd(A)iteorObdd(B)，iteor代表ITE“或”运算，运算的结果是事件A和B作ITE“或”运算之后的BDD结构；同理，当事件A和B之间的逻辑门是本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于二元决策图算法的接触网失效风险评估方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：(1)生成BDD结构1)确定系统边界、基本事件和顶事件；2)建立故障树：根据系统中事件之间的串并联关系，用逻辑门将顶事件与直接导致顶事件发生的中间事件连接起来，再将中间事件与直接导致中间事件发生的中间事件或基本事件连接起来，直到顶事件与基本事件之间完成逻辑连接；3)故障树的规范化：规范化的故障树只含“与”、“或”、“非”三种逻辑门，生成BDD前，将建立的故障树转化为规范化的故障树，若中间事件中存在“非”门，可用摩根定理对其进行转化，使“非”门仅在基本事件中出现，BDD依据香农(Shannon)分解定理衍生的ITE规则进行创建；4)由故障树生成BDD结构，步骤如下：a.对于基本事件，可通过ITE运算直接创建对应的BDD结点；b.对于中间事件，可对基本事件或其他中间事件进行ITE运算得到原中间事件的BDD结构；(2)计算接触网失效风险事故率由故障树生成布尔逻辑表达式，产生对应该故障树顶事件的布尔逻辑函数，该布尔逻辑函数取真值时，即可得到顶事件或任一中间事件的发生概率，即失效风险事故率：P(T)＝Pr{fb(T)＝1}    (1)式中，T为故障树，P(T)为计算失效风险事故率的函数，布尔逻辑函数fb(T)对应顶事件的逻辑表达式，fb(T)＝1表示该故障树顶事件发生，由P(T)可计算系统的可靠性参数——平均无故障运行时间，计算公式如下：...

【技术特征摘要】
1.一种基于二元决策图算法的接触网失效风险评估方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：(1)生成BDD结构1)确定系统边界、基本事件和顶事件；2)建立故障树：根据系统中事件之间的串并联关系，用逻辑门将顶事件与直接导致顶事件发生的中间事件连接起来，再将中间事件与直接导致中间事件发生的中间事件或基本事件连接起来，直到顶事件与基本事件之间完成逻辑连接；3)故障树的规范化：规范化的故障树只含“与”、“或”、“非”三种逻辑门，生成BDD前，将建立的故障树转化为规范化的故障树，若中间事件中存在“非”门，可用摩根定理对其进行转化，使“非”门仅在基本事件中出现，BDD依据香农(Shannon)分解定理衍生的ITE规则进行创建；4)由故障树生成BDD结构，步骤如下：a.对于基本事件，可通过ITE运算直接创建对应的BDD结点；b.对于中间事件，可对基本事件或其他中间事件进行ITE运算得到原中间事件的BDD结构；(2)计算接触网失效风险事故率由故障树生成布尔逻辑表达式，产生对应该故障树顶事件的布尔逻辑函数，该布尔逻辑函数取真值时，即可得到顶事件或任一中间事件的发生概率，即失效风险事故率：P(T)＝Pr{fb(T)＝1}(1)式中，T为故障树，P(T)为计算失效风险事故率的函数，布尔逻辑函数fb(T)对应顶事件的逻辑表达式，fb(T)＝1表示该故障树顶事件发生，由P(T)可计算系统的可靠性参数——平均无故障运行时间，计算公式如下：由T生成BDD结构后，可从根结点开始逐级遍历BDD各结点并通过式(3)递归计算事故率：式中，frisk(T)是计算事故率的递归公式，Pr(xk＝1)和Pr(xk＝0)分别是事件k发生与未发生的概率，是xk＝1的BDD，是xk＝0的BDD；通过编程对frisk(T)函数实现递归计算，即可得到顶事件或任一中间事件发生的概率；(3)事件重要度的衡量事件重要度的衡量通过Birnbaum重要度和关键重要度进行；①Birnbaum重要度Birnbaum重要度用以衡量当事件i为关键事件状态时，整个系统处于该状态的概率，若某风险事故的发生跟n个基本事件相关，则第i个基本事件的Birnbaum重要度可通过式(4)或(5)确定：式中，F(t)是风险事故率的分布函数，Fi(t)是第i个基本事件的概率分布函数，T为待分析的故障树，xi为基本事件，fb(T)为T的逻辑函数，Pr()表示求取事件概率的函数；对于基本事件i，可遍历T的BDD结构来递归计算其Birnbaum重要度，...

【专利技术属性】
技术研发人员：赵峰，王英，陈小强，陈鲜，
申请(专利权)人：中国铁路总公司，兰州交通大学，
类型：发明
国别省市：北京,11