基于网络拓扑理论的高速列车可靠性分析系统的研究与实现

1引言

1.1研究背景及意义

随着现代科技的不断发展，运输的时间和空间都得到了明显的压缩，而在高速铁路方面，这种现象表现的尤为明显，我国高速铁路的发展已经走在了世界前列。所谓高速铁路是指运行速度达200m/h以上的铁路，是由基础设施、固定设备、移动设备、安全保障系统和运输组织方法有机结合起来的庞大系统工程，是当代高新技术的综合集成。

然而随着高速铁路技术的不断进步，路网等配套设施也应随之完善，以满足我国快速增长的客运需求。所以我国提出了四纵四横;的高速铁路客运路网建设以及四个快速城际客运系统，旨在将我国省会城市及大中城市进行快速客运连接，形成网络化客运能力，这是在我国《中国铁路中长期发展规划》中提出的宏伟目标。从目前的建设成果来看，各条线路建设稳步有序发展，并于2008年建成了京津城际铁路，这是中国铁路史上的一个里程碑事件，因为它是中国第一条时速达到300m以上的高速铁路。然而这仅仅是中国高速铁路建设的序幕，2009年中国再一次震惊世界，随着武广客运专线的建成通车，中国拥有了运营速度最高、运行里程最长的铁路。中国不断的刷新世界铁路史上的奇迹，预计到2021年，中国的高速铁路总里程将达到5万公里。

在中国高速铁路路网快速发展的同时，高速列车的自主化也在如火如荼的进行中。引进德国、日本、法国等国的先进技术，充分学习并吸收，设计出具有自主知识产权的和谐号;动车组系列产品，并随着技术的不断深化完成对多个国家的出口。

1.2国内外研究现状

1.2.1传统的高速列车系统可靠性研究现状

随着高速铁路的不断发展与技术的不断进步，现已成为人们出行必不可少的交通工具之一，其可靠性也是人们关注的焦点。然而高速列车与常规列车相比，其安全技术要比常规列车更上一层，其构成也更加复杂全面。所以，必须采用先进的技术、科学的管理对高速列车进行可靠性分析。目前国内外学者对于高速列车系统可靠性方面的研究主要有：文献为了提高高速列车联锁系统的安全性和可靠性，提出一种新的可行的联锁系统自动控制策略的算法。文献为了研究列车中各车辆在直线上和大半径圆曲线上的蛇行稳定性，建立了具有17个自由度的车辆系统非线性数学模型。文献采用了新的动力学分析模型对高速列车车辆的轮轨间作用关系进行了分析。文献根据高速列车制动系统及其子系统的基本结构和功能特点，分析影响制动系统可靠性的主要因素并提出相应的改进措施提高制动系统的可靠性。

而对于高速列车系统运行的可靠性，国内外学者从不同方面、不同层次对高速列车系统运行的可靠性做出如下研究。朱莉、刘汝让在《动车组可靠性评估》一文中对高速列车车速基本故障统计分析的基础上，对高速列车可靠性指标进行了描述，并通过对高速列车牵引系统故障统计计算，分析了高速列车的可靠性。孙剑方、李和平等在《动车组制动安全性研究》对动车组制动系统的设计原理和配置进行了详细的说明和分析，并举例对现有高速列车制动系统的安全保障措施和高速列车制动系统的诊断系统进行分析研宄，最终对高速列车制动的安全性进行评估。侯宏斌、朱毅在《高速铁路运架设备可靠性指标及影响因素》文中结合高速铁路运架设备的特点，提出从设计到制造在可靠性方面的衡量指标，分析影响运架设备可靠性的因素，提出了解决可靠性问题的途径。

综上所述，虽然有不少学者对高速铁路可靠性做出研究，但这些研究主要集中在两个方面，一方面是针对高速列车的某个主要系统进行可靠性研究。另一方面是集中在对列车运行中的可靠性研究。但是这两个方面都缺少对整个高速列车系统的可靠性研究方法，对高速列车可靠性研究缺乏一个完善的体系。

2网络拓扑理论

2.1网络拓扑及常用统计指标

所谓网络拓扑是指设备间通过传输介质互联的物理结构，也指成员间满足特性规则或逻辑的排列组合。对于连接结构相同的网络我们称之为有相同的网络拓扑结构，与他们之间连接所用的介质以及节点距离无关，网络拓扑是一个抽象化的概念。

对于网络拓扑结构的研宄，多年来不同领域学者运用大量统计方法和实例列举分析，从多种不同结构的网络拓扑结构中抽象出具有普遍性和一般性的属性，概括为描述网络拓扑结构最基本的统计特征。主要包括：平均路径长度、节点度和度分布、聚集系数、介数和网络弹性等。下面简要介绍这些基本的统计特征。

所谓节点的度就是与该节点相连的边的数目，也即与该节点相连的节点个数，这是网络的一个基本概念。一个节点的度能够反映该节点的重要程度，其度越大，表明该节点的重要程度就越高，在网络中所起到的作用也就越大。

2.2常见网络拓扑模型

2.2.1规则网络

通常，规则网络是指具有一维链、二维正方晶格等结构特征的网络。通过平移晶格节点，可以验证晶格的平移对称性，任意一个晶格节点的近邻数目都是相同的。规则网络的节点与节点之间的连接是确定的，常见的规则网络主要有以下三种。

经过多年的研宄发现，实际生活中的很多网络并不是规则的，传统的规则网络模型在某些方面已经不适应某些特殊网络的研究。20世纪50年代末，匈牙利数学家提出了完全随机图理论，该理论阐述了一种完全随机的网络模型，使得网络拓扑研宄进入到一个新的阶段。

尽管随机网络模型与规则网络模型相比更符合实际生活，但经过多年的研究发现，随机网络模型的聚集系数要比实际网络的聚集系数小很多。对于某些网络，随机网络模型己经不再适用，但是作为网络拓扑研究的基本结构理论，其核心思想对网络拓扑研究仍然有重要的作用，它也是在小世界网络理论提出之前，人们主要采用的网络模型，尤其是对于大规模网络而言，其简易易懂的拓扑结构更易为人所接受。

本章主要介绍了网络拓扑的基本理论及其常用统计特征，并对常用的网络拓扑结构模型做出相关介绍分析，为后续章节的网络模型建立及相关统计量的计算分析提供理论依据。

3系统可靠性理论..........16

3.1系统可靠性概念.........16

3.2系统可靠性分类..........16

4高速列车可靠性分析系统总体设计与详细设计.........24

4.1系统总体设计........24

5高速列车可靠性分析系统实现与算法分析..........37

5高速列车可靠性分析系统实现与算法分析

5.1Django项目创建与系统实现

根据上一章节的系统设计，本节主要描述基于Django开发框架的高速列车可靠性分析系统的项目创建及主要功能实现。

高速列车可靠性分析系统前端样式是基于Bootstrap编写的，具有与众不同的风格，用户通过注册并登录系统将进入故障信息页面，如图5-5所示。

由上图可以看出，故障信息页面显示为系统己经收录的故障信息，可对这些信息进行修改、删除以及查询操作，也可添加新的单条故障信息或通过Excel批量导入故障信息。

6总结与展望

6.1研究总结

目前对于高速铁路及可靠性分析等方面的研宄很多，对于高速铁路可靠性的研究大多集中在路网或者站点的可靠性分析，而对于高速列车本身的可靠性研究也往往集中在列车的某个系统中，即使有少数对整个列车系统的可靠性分析，也无法做到全面宏观的研究，没有一个良好的网络模型将系统抽象化，因此目前对高速列车系统可靠性研究缺乏一个完善的体系。

本文针对上述研究现状，以网络拓扑理论为基础，结合高速列车系统的结构特点和关联关系，将高速列车系统抽象为一种新型的网络模型。该模型将系统单元和单元间的作用关系分别抽象为节点和边，而对于结构更为复杂的模型亦可按照上述方式分割为多个子系统，再将子系统和子系统作用关系分别抽象为节点和边。采用这种方式构建出的模型具有结构化、模块化、网络化等特点。

依照上述的网络模型，本文有如下创新点：

（1）将复杂的高速列车系统抽象为上述结构化、模块化的网络模型，并将系统单元及单元间的关联关系融入到该模型中。

（2）在该网络模型的基础上，结合蒙特卡罗算法分析出一种可靠性研究方法，该方法综合考虑节点间的相互关系及节点本身的属性，而不是只考虑节点故障率。

参考文献（略）