張哲瑞，徐小明,3，余俊,3

（1 中國(guó)鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司 機(jī)車車輛研究所，北京 100081；2 北京縱橫機(jī)電科技有限公司，北京 100094；3 動(dòng)車組和機(jī)車牽引與控制國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100081）

動(dòng)車組目前仍采用定期修和故障修相結(jié)合的計(jì)劃性維修體制，其中定期修施行的是“以走行公里周期為主、時(shí)間周期為輔”的檢修方式，需要耗費(fèi)巨大的人力、物力和財(cái)力［1］。故障預(yù)測(cè)與健康管理是修程修制優(yōu)化的關(guān)鍵使能技術(shù)，因此開(kāi)展動(dòng)車組關(guān)鍵設(shè)備的健康評(píng)估和壽命預(yù)測(cè)研究，能夠促進(jìn)動(dòng)車組狀態(tài)修的實(shí)現(xiàn)。牽引變流器中的大功率接觸器是牽引系統(tǒng)的關(guān)鍵組件之一，接觸器故障將會(huì)直接影響動(dòng)車組的出庫(kù)運(yùn)行，造成非計(jì)劃維修，嚴(yán)重影響動(dòng)車組的調(diào)度使用。開(kāi)展?fàn)恳兞髌鞔蠊β式佑|器的健康評(píng)估和壽命預(yù)測(cè)，是優(yōu)化其定期更換、故障維修的關(guān)鍵途徑之一，同時(shí)可以提高牽引系統(tǒng)的可靠度、減少故障發(fā)生率。

目前，國(guó)內(nèi)外針對(duì)接觸器開(kāi)展了大量的壽命預(yù)測(cè)研究。李奎等將累計(jì)燃弧能量和吸合時(shí)間作為特征參數(shù)，開(kāi)展了基于BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的交流接觸器剩余電壽命預(yù)測(cè)［2］；另外，通過(guò)建立基于Wiener過(guò)程的交流接觸器性能退化模型，確定交流接觸器剩余電壽命分布函數(shù)，提出剩余電壽命的預(yù)測(cè)方法和預(yù)測(cè)模型參數(shù)的估計(jì)方法［3］。馬潔等將壽命預(yù)測(cè)物理模型與數(shù)據(jù)處理算法融合，實(shí)現(xiàn)了動(dòng)車組電連接器可靠度與壽命的評(píng)估［4］。Qian 等利用半隱馬爾科夫模型進(jìn)行了電連接器剩余壽命預(yù)測(cè)研究［5］。魏志遠(yuǎn)根據(jù)典型交流接觸器的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和電壓電流特性，以失效理論作為基礎(chǔ)理論，對(duì)交流接觸器的失效機(jī)理、失效判據(jù)以及可靠性評(píng)價(jià)和壽命模擬的試驗(yàn)條件等內(nèi)容進(jìn)行了深入的研究［6］。焦通等將小波變換與灰色理論相結(jié)合，進(jìn)行交流接觸器電壽命預(yù)測(cè)［7］。朱凱強(qiáng)等提出了一種基于性能退化的剩余壽命預(yù)測(cè)方法，通過(guò)單調(diào)性指標(biāo)、相關(guān)性指標(biāo)、冗余性指標(biāo)進(jìn)行特征選擇，利用選擇的特征訓(xùn)練長(zhǎng)短期記憶網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行退化軌跡預(yù)測(cè)［8］。

總體來(lái)說(shuō)，目前針對(duì)接觸器主要是以數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的統(tǒng)計(jì)方法和人工智能方法進(jìn)行壽命預(yù)測(cè)，并對(duì)接觸器相關(guān)性能參數(shù)的數(shù)據(jù)處理進(jìn)行研究，存在的不足是壽命預(yù)測(cè)的結(jié)果未與接觸器的維修活動(dòng)關(guān)聯(lián)起來(lái)。健康評(píng)估能夠?qū)⑿阅芟嚓P(guān)的參數(shù)進(jìn)行融合，構(gòu)建健康指標(biāo)（Health Indicator，HI），指示健康狀態(tài)等級(jí)，并與維修計(jì)劃進(jìn)行關(guān)聯(lián)［9-10］?；诮】抵笜?biāo)進(jìn)行壽命預(yù)測(cè)，已在航空等裝備的鋰電池、旋轉(zhuǎn)機(jī)械相關(guān)對(duì)象進(jìn)行了應(yīng)用，是壽命預(yù)測(cè)的重點(diǎn)發(fā)展方向［11-13］。

文中以復(fù)興號(hào)動(dòng)車組牽引系統(tǒng)中一種典型接觸器為研究對(duì)象，開(kāi)展接觸器工作原理和性能參數(shù)分析，進(jìn)行接觸器電壽命試驗(yàn)設(shè)計(jì)與實(shí)施，通過(guò)分析試驗(yàn)數(shù)據(jù)，選擇特征參數(shù)構(gòu)建可用于表征接觸器健康狀態(tài)的指標(biāo)，基于健康指標(biāo)對(duì)接觸器電壽命進(jìn)行預(yù)測(cè)，并利用壽命試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行驗(yàn)證。

1 動(dòng)車組牽引系統(tǒng)接觸器分析

1.1 工作原理分析

選擇牽引輔助變流器中的預(yù)充電接觸器為研究對(duì)象。該接觸器為單極接觸器，額定工作電壓為3 000 V，電流130 A，由主觸頭、輔助觸頭、控制端口電磁裝置及滅弧裝置組成，滅弧方式采用非接觸式陶瓷罩滅弧。接觸器主觸點(diǎn)為常開(kāi)觸點(diǎn)，通過(guò)控制端口給電磁裝置通電后，電磁力拉動(dòng)主觸頭連桿使主觸點(diǎn)動(dòng)觸頭和靜觸頭搭接，形成閉合回路，同時(shí)連桿末端推動(dòng)輔助觸點(diǎn)開(kāi)關(guān)，使輔助觸點(diǎn)給出閉合反饋信號(hào)。

預(yù)充電接觸器位于牽引變流器的中間直流環(huán)節(jié)和輔助變流器的逆變模塊之間，預(yù)充電電阻并聯(lián)在接觸器上，如圖1 所示。當(dāng)輔助變流器開(kāi)始工作時(shí)，輸入接觸器閉合，預(yù)充電單元為中間支撐電容預(yù)充電，以抑制輔助變流器的浪涌電流。電容電壓達(dá)到設(shè)定值后，預(yù)充電接觸器閉合，輔助變流器投入工作。當(dāng)切除輔助變流器或發(fā)生其他異常情況時(shí)，輸入接觸器和預(yù)充電接觸器需要帶電主動(dòng)斷開(kāi)，其分閘和合閘過(guò)程中均有大電流通過(guò)，接觸器觸頭電磨損是該接觸器的主要壽命影響因素。

圖1 牽引輔助變流器工作原理簡(jiǎn)圖

1.2 性能參數(shù)分析

根據(jù)接觸器的工作原理，結(jié)合接觸器在動(dòng)車組中實(shí)際使用情況可知，接觸器壽命的決定性因素是主觸頭電磨損。接觸器觸頭的電磨損不僅與分?jǐn)嚯娏鞯拇笮∠嚓P(guān)，而且與燃弧時(shí)間的長(zhǎng)短有關(guān)。因此，為更準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)接觸器的電壽命，可以通過(guò)記錄每次分?jǐn)鄷r(shí)接觸器觸頭的燃弧時(shí)間、分?jǐn)嚯娏?，分別累積計(jì)算每次分?jǐn)嚯娏鞯碾娔p量。根據(jù)電接觸理論，單次分?jǐn)鄷r(shí)觸頭的電磨損量q與分?jǐn)嚯娏鞯年P(guān)系為式（1）：

式中：K為常數(shù)，與滅弧介質(zhì)、觸頭材料、觸頭運(yùn)動(dòng)速度和冷卻條件相關(guān)；ta為燃弧時(shí)間；ib（t）為分?jǐn)嚯娏骶?；β是介?～2 之間的常數(shù)，與觸頭材料有關(guān)。

另外根據(jù)電壽命預(yù)測(cè)與觸頭磨損監(jiān)測(cè)相關(guān)資料［2，6，14］，除燃弧 時(shí)間和電流均值外，最大燃弧 電壓、接觸電阻、焦耳積分、恢復(fù)電壓這4 項(xiàng)參數(shù)和接觸器性能都有著直接或間接的關(guān)系。因此，在接觸器的電壽命試驗(yàn)中，采集上述6 項(xiàng)參數(shù)，并同步記錄2 項(xiàng)試驗(yàn)配置和試驗(yàn)狀態(tài)參數(shù)，開(kāi)關(guān)通斷時(shí)間和開(kāi)閉次數(shù)。分析得出的性能參數(shù)可能包含較多冗余特征，不適合直接作為預(yù)測(cè)模型的輸入，還需要經(jīng)過(guò)試驗(yàn)選擇有效的特征值，構(gòu)建健康指標(biāo)，從而更高效地訓(xùn)練模型，構(gòu)建壽命預(yù)測(cè)模型。

2 電壽命試驗(yàn)與數(shù)據(jù)分析

2.1 電壽命試驗(yàn)

接觸器電壽命試驗(yàn)的難點(diǎn)在于，接觸器規(guī)律地進(jìn)行通斷的過(guò)程中，需要檢測(cè)其性能參數(shù)，就需要把接觸器反復(fù)接入到負(fù)載電路進(jìn)行數(shù)據(jù)的采集試驗(yàn)。為了解決這難題，文中設(shè)計(jì)并搭建了接觸器電壽命試驗(yàn)臺(tái)。試驗(yàn)臺(tái)主要由高壓電源柜、可編程電源、采集與控制柜、負(fù)載和受試接觸器組成，如圖2 所示。

圖2 接觸器電壽命試驗(yàn)環(huán)境

同步開(kāi)展了3 個(gè)全新試驗(yàn)件（簡(jiǎn)稱Q22-1、Q22-2、Q22-3）的加速電壽命試驗(yàn)，施加的電應(yīng)力為1 800 V/53 A，觸點(diǎn)閉合持續(xù)時(shí)間設(shè)定為15 ms。接觸器在帶載情況下以1 min 4 次的閉合斷開(kāi)頻率進(jìn)行加速試驗(yàn)，同時(shí)采集和記錄最大燃弧電壓、恢復(fù)電壓、電流平均值、接觸電阻等參數(shù)。試驗(yàn)的終止條件綜合試驗(yàn)的成本、時(shí)間和接觸器在動(dòng)車組上的實(shí)際使用情況等多方面的因素，設(shè)置為10 萬(wàn)次或接觸器出現(xiàn)無(wú)法斷開(kāi)和閉合的情況。

2.2 試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

加速電壽命試驗(yàn)完成后，其中試驗(yàn)件Q22-1 和Q22-2 仍可斷開(kāi)閉合，但觸頭磨損嚴(yán)重，電氣性能明顯下降；Q22-3 試驗(yàn)件在試驗(yàn)進(jìn)行到75 847 次時(shí)，觸頭與觸點(diǎn)粘接，無(wú)法分?jǐn)?，如圖3 所示。

圖3 試驗(yàn)件Q22-3 主觸頭與觸點(diǎn)粘接

試驗(yàn)過(guò)程共收集到285 條有效樣本數(shù)據(jù)，其中試驗(yàn)件Q22-1 有104 個(gè)有效樣本，Q22-2 有94 個(gè) 有效樣本，Q22-3 有87 個(gè)有效樣本。試驗(yàn)件Q22-3 特征參數(shù)的趨勢(shì)如圖4 所示，縱坐標(biāo)表示各參數(shù)的幅值，橫坐標(biāo)表示樣本序列，各樣本點(diǎn)對(duì)應(yīng)的接觸器開(kāi)閉次數(shù)如圖4（a）所示；最大燃弧電壓的趨勢(shì)如圖4（b）所示，能夠直觀地觀察到隨著接觸器開(kāi)閉次數(shù)的增加，最大燃弧電壓呈下降趨勢(shì)；恢復(fù)電壓趨勢(shì)如圖4（c）所示；電流平均值趨勢(shì)如圖4（d）所示；焦耳積分趨勢(shì)如圖4（e）所示；燃弧時(shí)間趨勢(shì)如圖4（f）所示；通斷時(shí)間趨勢(shì)如圖4（g）所示，各參數(shù)隨著接觸器開(kāi)閉次數(shù)的增加，參數(shù)趨勢(shì)無(wú)顯著變化；接觸電阻的趨勢(shì)如圖4（h）所示，隨著接觸器開(kāi)閉次數(shù)增加，接觸電阻呈現(xiàn)上升趨勢(shì)，但是第55 個(gè)樣本存在較大的誤差，該誤差可能是離線測(cè)試過(guò)程中，測(cè)試儀器以及接觸器閉合狀態(tài)差異導(dǎo)致的。

圖4 試驗(yàn)件Q22-3 特征參數(shù)趨勢(shì)圖

2.3 特征選擇

為了量化特征參數(shù)對(duì)于接觸器性能退化的表征情況，采用Fisher 準(zhǔn)則對(duì)特征參數(shù)進(jìn)行選擇，并且作為健康指標(biāo)構(gòu)建權(quán)重系數(shù)的依據(jù)。Fisher 準(zhǔn)則是一種常用的降維技術(shù)，使用均值和方差來(lái)量化2 個(gè)數(shù)據(jù)集之間的差異，計(jì)算給定特征的Fisher值Jfi(P，Q)，為式（2）：

式中：P和Q分別為正常和有缺陷的類；fi為第i個(gè)特征參數(shù)；μ和σ分別為特征樣本的均值和方差。Fisher 準(zhǔn)則計(jì)算健康變?yōu)楣收弦鸬奶卣髦底兓^高的Fisher 值意味著試驗(yàn)件性能退化時(shí)，給定特征更可能表現(xiàn)出顯著的變化。文中將試驗(yàn)過(guò)程中發(fā)生失效時(shí)的試驗(yàn)件數(shù)據(jù)作為有缺陷類，其余為正常類，利用Fisher 準(zhǔn)則從圖4 所示的參數(shù)中選擇最合適的特征量。另外考慮到實(shí)際退化與開(kāi)閉次數(shù)也相關(guān)，因此將開(kāi)閉次數(shù)也作為參數(shù)代入公式（2）進(jìn)行計(jì)算。

根據(jù)Fisher 計(jì)算得出的結(jié)果，最大燃弧電壓、接觸電阻、開(kāi)關(guān)次數(shù)特征與接觸器的退化狀態(tài)相關(guān)性較好，如圖5 所示，即接觸器性能退化時(shí)，上述參數(shù)變化較明顯。開(kāi)關(guān)次數(shù)是接觸器壽命預(yù)測(cè)的時(shí)間尺度，不納入健康指標(biāo)的構(gòu)建，因此將最大燃弧電壓和接觸電阻作為特征參數(shù)選擇的結(jié)果。

圖5 接觸器特征參數(shù)Fisher 計(jì)算結(jié)果

3 健康評(píng)估分析

3.1 健康指標(biāo)構(gòu)建

對(duì)最大燃弧電壓和接觸電阻數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，構(gòu)建接觸器的健康指標(biāo)。首先，對(duì)2 項(xiàng)參數(shù)進(jìn)行擬合處理，優(yōu)化方法采用最小二乘法，容差設(shè)置為0.01，通過(guò)擬合能夠更好地表現(xiàn)參數(shù)的趨勢(shì)變化，減少隨機(jī)干擾。擬合后的最大燃弧電壓和接觸電阻趨勢(shì)如圖6 所示，最大燃弧電壓指數(shù)擬合后的趨勢(shì)如圖6（a）所示，接觸電阻指數(shù)擬合后的趨勢(shì)如圖6（b）所示，與圖4 對(duì)比可知，擬合后的特征參數(shù)更加平滑，更加能夠體現(xiàn)參數(shù)的趨勢(shì)變化。

圖6 試驗(yàn)件Q22-3 最大燃弧電壓和接觸電阻擬合趨勢(shì)

為了減少最大燃弧電壓和接觸電阻數(shù)量級(jí)差異對(duì)于健康指標(biāo)構(gòu)建和壽命預(yù)測(cè)建模的影響，采用Z-score 歸一化方法，對(duì)擬合后的2 項(xiàng)特征參數(shù)數(shù)據(jù)進(jìn)行歸一化處理，為式（3）：

式中：Y為特征參數(shù)歸一化數(shù)據(jù)；X為長(zhǎng)度為n的特征參數(shù)樣本數(shù)據(jù)；xi為x的第i個(gè)元素。

健康指標(biāo)呈單調(diào)趨勢(shì)變化，是基于健康指標(biāo)進(jìn)行壽命預(yù)測(cè)的前提條件，因此將最大燃弧電壓歸一化后，并進(jìn)行趨勢(shì)取反，如圖7（a）所示；歸一化后的接觸電阻趨勢(shì)如圖7（b）所示。

圖7 試驗(yàn)件Q22-3 最大燃弧電壓和接觸電阻歸一化趨勢(shì)圖

按照?qǐng)D5 所示Fisher 值分配這2 個(gè)參數(shù)的融合權(quán)重，最大燃弧電壓權(quán)重為62%、接觸電阻權(quán)重為38%，并依據(jù)此權(quán)重將2 項(xiàng)特征參數(shù)融合為接觸器的健康指標(biāo)（HI）。對(duì)試驗(yàn)件Q22-1 和Q22-2 作相同的數(shù)據(jù)處理，并將3 個(gè)試驗(yàn)件的樣本數(shù)據(jù)進(jìn)行組合，得到285 個(gè)健康指標(biāo)樣本，如圖8 所示。

圖8 試驗(yàn)件健康指標(biāo)趨勢(shì)圖

3.2 健康狀態(tài)等級(jí)

結(jié)合接觸器故障及其影響的嚴(yán)重程度情況，參考相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，設(shè)定4 個(gè)等級(jí)的健康狀態(tài)，分別是：正常、預(yù)警、報(bào)警和失效。各健康狀態(tài)等級(jí)及其狀態(tài)修含義為：正常是指接觸器運(yùn)行中未發(fā)現(xiàn)異常情況；預(yù)警是指接觸器運(yùn)行中出現(xiàn)電性能較明顯下降，但仍可以運(yùn)行，運(yùn)行維護(hù)時(shí)需要加強(qiáng)檢查，對(duì)接觸器運(yùn)行的異常情況進(jìn)行持續(xù)關(guān)注，及時(shí)準(zhǔn)備備品備件；報(bào)警是指接觸器運(yùn)行中出現(xiàn)較嚴(yán)重的電性能退化情況，繼續(xù)運(yùn)行可能會(huì)導(dǎo)致非計(jì)劃維修，應(yīng)根據(jù)動(dòng)車組調(diào)度使用情況，視情進(jìn)行檢修更換；失效是指接觸器功能失效或即將失效，應(yīng)盡快安排檢修更換。

根據(jù)試驗(yàn)完成后試驗(yàn)件的技術(shù)狀態(tài)，以及指標(biāo)的統(tǒng)計(jì)分析情況，健康狀態(tài)等級(jí)對(duì)應(yīng)的健康指標(biāo)閾值設(shè)置見(jiàn)表1。閾值的設(shè)置可根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整，減少虛警和漏報(bào)情況的發(fā)生。

表1 健康指標(biāo)閾值設(shè)置

4 壽命預(yù)測(cè)分析

4.1 壽命預(yù)測(cè)思路

動(dòng)車組接觸器在使用過(guò)程中，如果不進(jìn)行修復(fù)性維護(hù)，接觸器的剩余使用壽命（Remaining Useful Life，RUL）應(yīng)該有逐漸減少的趨勢(shì)。然而，在實(shí)踐中，由于測(cè)量噪聲和運(yùn)行條件的變化，估計(jì)的RUL 會(huì)隨時(shí)間波動(dòng)［15］。也就是說(shuō)，在t時(shí)刻估計(jì)的RUL，即RUL（t）可以表示為式（4）：

式中：HI(t)、OC(t)和e(t)分別為t時(shí)刻的健康指標(biāo)、接觸器的運(yùn)行狀態(tài)和噪聲。f()為健康指標(biāo)和運(yùn)行狀態(tài)是RUL的函數(shù)，在RUL 試驗(yàn)或估計(jì)的過(guò)程中，接觸器運(yùn)行狀態(tài)獲取一般比較困難，所以，主要利用健康指標(biāo)去估計(jì)RUL。

文中的動(dòng)車組接觸器RUL 預(yù)測(cè)思路如圖9 所示，首先采集原始數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，接著根據(jù)數(shù)據(jù)分析情況進(jìn)行特征提取或者特征選擇，然后建立特征參數(shù)與健康指標(biāo)的數(shù)值模型，對(duì)接觸器的健康狀態(tài)進(jìn)行評(píng)估，最后建立健康指標(biāo)和剩余使用壽命的數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)模型。這是一種間接的RUL 預(yù)測(cè)建模方法，需要先構(gòu)建健康指標(biāo)，通過(guò)健康狀態(tài)等級(jí)來(lái)定義接觸器的壽命終止條件，然后進(jìn)行壽命預(yù)測(cè)建模。與直接通過(guò)眾多特征參數(shù)進(jìn)行RUL預(yù)測(cè)相比，這種方法能夠和健康等級(jí)以及維修行動(dòng)建立關(guān)系。

圖9 接觸器剩余使用壽命預(yù)測(cè)過(guò)程

4.2 剩余壽命預(yù)測(cè)建模與驗(yàn)證

預(yù)測(cè)建模就是要建立健康指標(biāo)和接觸器剩余開(kāi)閉次數(shù)的數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)模型。接觸器壽命終止條件設(shè)置為健康狀態(tài)的失效線，如果考慮接觸器失效的危害，以及給接觸器的預(yù)測(cè)性維修預(yù)留出足夠的時(shí)間，也可將接觸器壽命終止條件設(shè)置為報(bào)警線。

RUL 是根據(jù)接觸器當(dāng)前狀態(tài)下的健康指標(biāo)，發(fā)展至失效線所需要的接觸器開(kāi)閉次數(shù)。那么預(yù)測(cè)建模實(shí)際上是動(dòng)態(tài)的過(guò)程，根據(jù)歷史數(shù)據(jù)的積累，不斷進(jìn)行動(dòng)態(tài)更新，外推健康指標(biāo)的發(fā)展趨勢(shì)，計(jì)算得到RUL，如圖10 所示。而且預(yù)測(cè)RUL時(shí)，也能根據(jù)預(yù)警線預(yù)計(jì)接觸器的檢查時(shí)間，根據(jù)報(bào)警線預(yù)計(jì)接觸器的更換計(jì)劃安排時(shí)間，這樣就將預(yù)測(cè)結(jié)果與接觸器的狀態(tài)修進(jìn)行關(guān)聯(lián)。

圖10 接觸器RUL 預(yù)測(cè)方法

文中采用應(yīng)用較為廣泛的BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法進(jìn)行RUL 預(yù)測(cè)建模，主要包括預(yù)測(cè)模型訓(xùn)練和RUL預(yù)測(cè)驗(yàn)證2 個(gè)過(guò)程。

綜合考慮樣本數(shù)據(jù)的數(shù)量以及建模方法驗(yàn)證的效果，開(kāi)展4 次建模和預(yù)測(cè)驗(yàn)證，按照接觸器開(kāi)閉次數(shù)由低到高，第1 次預(yù)測(cè)建模和RUL 預(yù)測(cè)，共有50 個(gè)樣本數(shù)據(jù)；第2次，共累積樣本數(shù)據(jù)100 個(gè)；第3次，共累積樣本數(shù)據(jù)150 個(gè)；第4次，共累積200個(gè)樣本數(shù)據(jù)。壽命終止時(shí)接觸器開(kāi)閉次數(shù)的期望值是健康指標(biāo)失效閾值對(duì)應(yīng)的開(kāi)閉次數(shù)94 000次。預(yù)測(cè)樣本設(shè)置情況如圖11 所示。

圖11 接觸器RUL 預(yù)測(cè)樣本設(shè)置

利用BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行建模，輸入是接觸器的開(kāi)閉次數(shù)，回歸目標(biāo)是健康指標(biāo)。經(jīng)過(guò)多次參數(shù)調(diào)優(yōu)，將神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的參數(shù)設(shè)置如下：層數(shù)設(shè)置為3層，初始權(quán)值為（-1，1）之間的隨機(jī)數(shù)，學(xué)習(xí)率設(shè)置為0.05，期望誤差設(shè)置為0.02。

每一次模型構(gòu)建完成后，輸入未來(lái)的接觸器開(kāi)閉次數(shù)，將健康指標(biāo)趨勢(shì)進(jìn)行外推，直至達(dá)到壽命終止條件所對(duì)應(yīng)的健康指標(biāo)值2.0，計(jì)算接觸器的剩余開(kāi)閉次數(shù)。4 次模型的RUL 預(yù)測(cè)結(jié)果如圖12所示，經(jīng)過(guò)計(jì)算，接觸器RUL 預(yù)測(cè)誤差最大為12 080次，最小為2 090次，平均預(yù)測(cè)誤差為5 920次，平均相對(duì)預(yù)測(cè)誤差為6.9%，預(yù)測(cè)結(jié)果準(zhǔn)確度相對(duì)較高，證明了本方法的有效性。另外，隨著歷史數(shù)據(jù)的不斷積累，本方法的預(yù)測(cè)結(jié)果準(zhǔn)確度也不斷提升。

圖12 接觸器RUL 預(yù)測(cè)結(jié)果

5 結(jié)論

針對(duì)動(dòng)車組牽引系統(tǒng)接觸器壽命與狀態(tài)修脫節(jié)的問(wèn)題，提出一種基于健康指標(biāo)的接觸器壽命預(yù)測(cè)方法。通過(guò)接觸器原理分析和相關(guān)資料調(diào)研獲取了最大燃弧電壓、燃弧時(shí)間等8 項(xiàng)性能參數(shù)；搭建了加速電壽命試驗(yàn)環(huán)境，開(kāi)展了性能參數(shù)采集與分析；通過(guò)Fisher 方法選擇了最大燃弧電壓和接觸電阻作為優(yōu)選的特征參數(shù)，并進(jìn)行歸一化等預(yù)處理后構(gòu)建了健康指標(biāo)，給出了健康狀態(tài)等級(jí)、評(píng)估閾值以及狀態(tài)修含義；最終建立了基于健康指標(biāo)進(jìn)行數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的接觸器壽命預(yù)測(cè)模型，并驗(yàn)證了本方法的有效性。