異物侵限監(jiān)測子系統(tǒng)運(yùn)用失效的故障樹分析

張翠兵

（中國鐵路總公司 運(yùn)輸局，北京 100844）

異物侵限監(jiān)測子系統(tǒng)運(yùn)用失效的故障樹分析

張翠兵

（中國鐵路總公司 運(yùn)輸局，北京 100844）

異物侵限監(jiān)測子系統(tǒng)是高速鐵路自然災(zāi)害及異物侵限監(jiān)測系統(tǒng)的重要組成部分，對高速鐵路運(yùn)行安全起到了重要的保障作用。本文采用故障樹分析方法，通過對異物侵限監(jiān)測子系統(tǒng)中可能發(fā)生的重要或影響安全的故障進(jìn)行辨識，建立了異物侵限監(jiān)測子系統(tǒng)故障樹模型。通過對最小割集和結(jié)構(gòu)重要度的分析，將各設(shè)備故障按其影響程度重要程度進(jìn)行了排序，并用故障樹分析方法進(jìn)行了評價(jià)，所得結(jié)論可供系統(tǒng)完善和運(yùn)營維護(hù)參考。

異物侵限監(jiān)測子系統(tǒng)；故障樹模型；最小割集；結(jié)構(gòu)重要度

高速鐵路異物侵限監(jiān)測子系統(tǒng)（簡稱：異物監(jiān)測系統(tǒng)）是高速鐵路自然災(zāi)害及異物侵限監(jiān)測系統(tǒng)（簡稱：災(zāi)害監(jiān)測系統(tǒng)）的重要組成部分，主要由設(shè)置于公跨鐵橋梁兩側(cè)的雙電網(wǎng)傳感器、現(xiàn)場控制器、監(jiān)控單元及監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)處理設(shè)備等組成[1～2]。一旦有異物撞壞雙電網(wǎng)墜入鐵路，監(jiān)控單元立即通過繼電接口電路聯(lián)動觸發(fā)信號系統(tǒng)使相關(guān)列車停車，并向列車調(diào)度員發(fā)出異物侵限報(bào)警信息。災(zāi)害監(jiān)測系統(tǒng)自投入運(yùn)用以來，對高速鐵路運(yùn)行安全起到了重要的保障作用，但在運(yùn)用中也出現(xiàn)了系統(tǒng)可靠性較低、故障和誤報(bào)頻發(fā)等問題[3]。針對災(zāi)害監(jiān)測系統(tǒng)的故障問題，李曉宇等從設(shè)計(jì)、施工及維護(hù)方面進(jìn)行分析，并提出了系統(tǒng)優(yōu)化措施及相關(guān)建議[3]。周小明分析了滬寧城際鐵路防災(zāi)系統(tǒng)中電源故障類型[4]。周紹華介紹了異物監(jiān)測系統(tǒng)的功能及組成，提出了系統(tǒng)檢查維護(hù)周期建議和故障導(dǎo)致軌道電路紅光帶后的應(yīng)急處置方法[5]。上述研究大多側(cè)重于異物監(jiān)測系統(tǒng)某一類設(shè)備故障，并沒有從系統(tǒng)本身去進(jìn)行分析。本文采用故障樹分析方法（FTA，F(xiàn)ault Tree Analysis），通過對異物監(jiān)測系統(tǒng)中可能發(fā)生的重要或影響安全的故障進(jìn)行辨識，建立了異物監(jiān)測系統(tǒng)故障樹模型，分析各設(shè)備組成的重要程度，為系統(tǒng)完善和運(yùn)營維護(hù)提供參考。

1 異物監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)備的故障類型

異物監(jiān)測系統(tǒng)主要由雙電網(wǎng)傳感器、現(xiàn)場控制器、監(jiān)控單元、傳輸電纜及相關(guān)接口繼電器構(gòu)成。組成異物監(jiān)測系統(tǒng)（不考慮監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)處理設(shè)備故障）的各類設(shè)備均有可能發(fā)生故障，相關(guān)網(wǎng)絡(luò)通道也有可能故障，如雙電網(wǎng)傳感器、現(xiàn)場控制器、基站電源、防災(zāi)電源箱、電纜、監(jiān)控主機(jī)、繼電器、防雷及通信網(wǎng)絡(luò)等均會發(fā)生故障，但對行車影響最大的是故障導(dǎo)致軌道電路出現(xiàn)紅光帶。綜合系統(tǒng)各類設(shè)備故障分析，能導(dǎo)致軌道電路出現(xiàn)紅光帶的設(shè)備故障主要有雙電網(wǎng)斷線、電源失效、繼電器故障等幾大類，設(shè)備故障的產(chǎn)生主要由系統(tǒng)設(shè)備電氣不良、電纜及施工工藝導(dǎo)致。根據(jù)異物監(jiān)測系統(tǒng)開通運(yùn)營以來的故障表現(xiàn)形式，結(jié)合專家調(diào)查和故障源辨識，得到表1所示的異物監(jiān)測系統(tǒng)運(yùn)營期故障分類。

表1 運(yùn)營期故障分類表

2 異物監(jiān)測系統(tǒng)故障樹分析

2.1 故障樹分析方法

故障樹分析方法是一種對復(fù)雜系統(tǒng)進(jìn)行可靠性、安全性分析及預(yù)測的方法。它通過對可能造成產(chǎn)品故障的硬件、軟件、環(huán)境和人為因素等進(jìn)行分析，畫出故障樹，從而確定產(chǎn)品故障原因的各種可能組合方式和其發(fā)生概率的一種分析技術(shù)。故障樹定性分析的目標(biāo)在于尋找最小割集，即導(dǎo)致頂事件發(fā)生的原因事件及原因事件的組合。

故障樹分析方法的分析流程如圖1所示。（1）準(zhǔn)備相關(guān)資料，進(jìn)行初步的分析，這個(gè)步驟在整個(gè)故障樹分析過程中起到了關(guān)鍵性的作用，因?yàn)榻⒐收蠘鋾r(shí)難免會具有主觀性，這時(shí)候資料調(diào)研和初步分析就會直接影響故障樹的客觀性和全面性。（2）進(jìn)行故障樹的建立和故障樹的定性分析。

2.2 異物監(jiān)測系統(tǒng)故障樹的建立

按照上述故障樹分析基本流程，將系統(tǒng)失效所導(dǎo)致紅光帶的事件確定為頂事件，中間事件有監(jiān)控單元故障、電源故障、現(xiàn)場采集設(shè)備故障等事件組成，基于異物監(jiān)測系統(tǒng)運(yùn)營期故障分類表，底事件編號與表1所示的運(yùn)營期故障描述相對應(yīng)。系統(tǒng)故障樹模型如圖2所示。

圖1 故障樹分析方法

圖2 異物監(jiān)測系統(tǒng)故障樹

2.3 故障樹的最小割集

最小割集是所有可能導(dǎo)致系統(tǒng)（頂事件）故障的部件故障組合，異物監(jiān)測系統(tǒng)運(yùn)營期故障樹的最小割集求解如下：

可見，該故障樹的最小割集共有14個(gè)：{X1}、{X2}、{X3}、{X4}、{X5}、{X6}、{X7}、{X8}、{X9，X10}、{X9，X11}、{X12}、{X13}、{X14}、{X15}。每個(gè)最小割集代表一種導(dǎo)致故障發(fā)生的模式，導(dǎo)致頂事件發(fā)生的最小割集有2種類型：一階最小割集有12個(gè)，例如{X1}，表示雙電網(wǎng)傳感器內(nèi)置雙電網(wǎng)斷開時(shí)，必然會導(dǎo)致異物監(jiān)測系統(tǒng)繼電器落下，軌道電路出現(xiàn)紅光帶；二階最小割集2個(gè)，例如{X9，X10}，表示X10（基站電源故障）和X9（雙套UPS電源耗盡）同時(shí)發(fā)生時(shí)，必然會導(dǎo)致異物監(jiān)測系統(tǒng)繼電器落下，軌道電路出現(xiàn)紅光帶。

2.4 故障樹的結(jié)構(gòu)重要度

故障樹分析中的結(jié)構(gòu)重要度為衡量各個(gè)底事件的發(fā)生對造成頂事件發(fā)生的重要度，它僅取決于故障樹的結(jié)構(gòu)和諸底事件在故障樹中所處的地位。

若系統(tǒng)中某個(gè)底事件xi已經(jīng)發(fā)生，即 xi=1，記為；若系統(tǒng)中某個(gè)底事件xi不發(fā)生，即xi=0，則記為。

如果其余xi的取值已定時(shí)，使頂事件發(fā)生，即，而使頂事件不發(fā)生，即，則可認(rèn)為底事件i的發(fā)生對頂事件的發(fā)生是重要的。

式中，n為底事件的總數(shù)； ∑是對2n–1個(gè)不同向量求和，顯然有1≤nφ(i) ≤2n–1。

根據(jù)結(jié)構(gòu)重要度的定義，可得底事件i的結(jié)構(gòu)重要度計(jì)算公式為：

Iφ(i)越接近1，說明底事件i在結(jié)構(gòu)上越重要，因此設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)增加底事件的可靠性。

由前面求得的最小割集，按結(jié)構(gòu)重要度的定義對各底事件的結(jié)構(gòu)重要系數(shù)進(jìn)行分析[7]：

（1）一階（單事件）最小割集中的底事件結(jié)構(gòu)重要度大于所有高階最小割集中底事件的結(jié)構(gòu)重要度。一階割集X1、X2、X3、X4、X5、X6、X7、X8、X14、X15代表的底事件的結(jié)構(gòu)重要度大于二階割集X9、X10、X11的代表的底事件的結(jié)構(gòu)重要度。

（2）僅在同一最小割集中出現(xiàn)所有底事件，結(jié)構(gòu)重要系數(shù)相等（在其他割集中不再出現(xiàn)）。一階割集中，X1、X2、X4、X5、X6、X7、X8、X15代表的底事件出現(xiàn)了1次，則有I1= I2= I4= I5= I6= I7= I8= I15。

（3）比較兩底事件，若與之相關(guān)的割集階數(shù)相同，這兩事件結(jié)構(gòu)重要系數(shù)大于高階割集中底事件重要系數(shù)。階數(shù)相同，重要系數(shù)相同。一階割集中，X12、X13代表的底事件出現(xiàn)了3次，X3、X14代表的底事件出現(xiàn)了2次，則有I12= I13＞I3=I14，而X1、X2、X4、X5、X6、X7、X8、X15代表的底事件出現(xiàn)了1次，則有I12= I13＞I3=I14＞I1= I2= I4= I5= I6= I7= I8=I14= I15；二階割集中，X9代表的底事件出現(xiàn)了2次，X10、X11代表的底事件出現(xiàn)了1次，有I9＞I10= I11。

綜合上述分析，按各底事件的結(jié)構(gòu)重要度系數(shù)對異物監(jiān)測系統(tǒng)故障樹進(jìn)行底事件結(jié)構(gòu)重要度排序，I12= I13＞I3=I14＞I1= I2= I4= I5= I6= I7= I8=I15＞I9＞I10= I11。其中，對異物監(jiān)測系統(tǒng)運(yùn)營期影響最大的故障是：電纜斷路、電纜絕緣不良導(dǎo)致短路、接線不牢導(dǎo)致線纜斷開、防雷單元遭擊穿或短路等。

2.5 故障樹分析評價(jià)

（1）故障樹分析中有14個(gè)最小割集，就表示運(yùn)營期存在14種引發(fā)設(shè)備故障的可能，其中，邏輯或門占絕大多數(shù)，根據(jù)或門的定義可知，只要有一個(gè)基本事件發(fā)生就必然有事件輸出。雖然影響程度各異，但對于保持異物監(jiān)測系統(tǒng)的正常運(yùn)用，應(yīng)引起設(shè)備管理部門和維護(hù)單位高度重視。

（2）由故障樹分析可知，上述故障樹包含了12個(gè)邏輯門，其中邏輯或門11個(gè)，邏輯與門1個(gè)。邏輯與門中當(dāng)外電（即基站電源和防災(zāi)電源箱失效）無輸入的情況下，基站監(jiān)控單元完全依靠UPS供電，按高速鐵路災(zāi)害監(jiān)測系統(tǒng)相關(guān)設(shè)計(jì)規(guī)定[2]，UPS供電時(shí)間一般為1.5 h，雙套UPS供電可維持3 h左右。一旦出現(xiàn)外電無輸入的情況，盡管此時(shí)異物監(jiān)測系統(tǒng)無異常，但設(shè)備維護(hù)單位要高度重視，應(yīng)盡快趕往通信基站查看外電輸入情況，避免出現(xiàn)因UPS電源耗盡導(dǎo)致繼電器落下造成軌道電路紅光帶，或出現(xiàn)因外電失效未能及時(shí)處置導(dǎo)致系統(tǒng)失效影響行車的故障。

（3）通過對故障樹的結(jié)構(gòu)重要度分析，異物監(jiān)測系統(tǒng)運(yùn)營期影響最大的故障是電纜斷路、電纜絕緣不良導(dǎo)致短路、接線不牢導(dǎo)致線纜斷開、防雷單元遭擊穿或短路等。這就要求設(shè)備管理單位經(jīng)常進(jìn)行檢查，特別是防雷單元這類薄弱元器件的檢查和測試，一旦發(fā)現(xiàn)問題，抓緊進(jìn)行更換。又如西寶高鐵也發(fā)生過現(xiàn)場控制器內(nèi)電纜松動造成系統(tǒng)故障的事件；杭深、武廣高鐵分別發(fā)生過由于電纜絕緣或接觸不良導(dǎo)致電壓不足造成系統(tǒng)故障的事件。此類故障一旦發(fā)生，排查比較繁瑣，對行車秩序影響也比較大。應(yīng)該說，這幾類故障與施工工藝與施工質(zhì)量有很大關(guān)系，這就要求建設(shè)單位和施工單位高度重視電纜的接續(xù)與絕緣處理，避免將問題帶到運(yùn)營期。

3 結(jié)束語

由異物監(jiān)測系統(tǒng)故障為頂事件的故障樹的建立及分析過程可以看出，故障樹分析技術(shù)在高速鐵路災(zāi)害監(jiān)測系統(tǒng)故障分析中可發(fā)揮重要作用。故障樹分析技術(shù)直觀、明了，思路清晰，邏輯性強(qiáng)，既可做定性分析，也可作定量分析。目前，采用故障樹分析技術(shù)對高速鐵路災(zāi)害監(jiān)測系統(tǒng)進(jìn)行建模、分析的研究開展得還很少，本文在這方面做了一個(gè)有益的嘗試，由于缺乏系統(tǒng)各設(shè)備準(zhǔn)確的失效概率，暫無法計(jì)算頂上事件的發(fā)生概率，僅從結(jié)構(gòu)重要度方面進(jìn)行了定性分析，所得結(jié)論可供災(zāi)害監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)、施工和維護(hù)人員參考。

在實(shí)際運(yùn)用中，隨著災(zāi)害監(jiān)測系統(tǒng)長期運(yùn)營經(jīng)驗(yàn)的積累，各類設(shè)備故障數(shù)據(jù)和失效概率的建立，可計(jì)算出頂上事件的發(fā)生概率，同時(shí)通過分析基本事件的概率重要度，進(jìn)一步明確在影響頂上事件的基本事件中，減少哪個(gè)基本事件的發(fā)生概率可以有效地降低頂上事件的發(fā)生概率。從而確定失效或危險(xiǎn)事件發(fā)生的概率或允許發(fā)生的概率，找到系統(tǒng)的薄弱環(huán)節(jié)。針對這些薄弱環(huán)節(jié)采取恰當(dāng)?shù)母倪M(jìn)或完善措施，并落實(shí)到產(chǎn)品設(shè)計(jì)工作中，能夠?yàn)橄到y(tǒng)設(shè)計(jì)和產(chǎn)品升級完善提供科學(xué)合理的依據(jù)，同時(shí)維護(hù)部門在日常維護(hù)中，要有意識地進(jìn)行重點(diǎn)病害檢查和測試，隨時(shí)掌握設(shè)備的狀況，能夠?yàn)榫S護(hù)部門制定維修保養(yǎng)計(jì)劃和安全管理措施提供可靠的建議。

[1]中國鐵路總公司.鐵總科技〔2013〕35號 高速鐵路自然災(zāi)害及異物侵限監(jiān)測系統(tǒng)總體技術(shù)方案[S].北京：中國鐵道出版社，2013，2.

[2]中國鐵路總公司.鐵總建設(shè)〔2013〕86號 鐵路自然災(zāi)害及異物侵限監(jiān)測系統(tǒng)工程設(shè)計(jì)暫行規(guī)定[S].北京：中國鐵道出版社，2013，9.

[3]李曉宇，張 鵬，戴賢春，等.高速鐵路自然災(zāi)害及異物侵限監(jiān)測系統(tǒng)運(yùn)用及管理優(yōu)化研究[J].中國鐵路，2013（10）：21-25.

[4] 周小明.滬寧城際鐵路防災(zāi)系統(tǒng)中電源故障的分析與處理[J].上海鐵道科技，2013（2）：72-74.

[5]周紹華.淺談異物侵限監(jiān)測子系統(tǒng)維護(hù)[J].鐵道通信信號，2013（7）：61-67.

[6]史定華，王松瑞.故障樹分析技術(shù)方法和理論[M].北京：北京師范大學(xué)出版社，1993.

[7]國家安全生產(chǎn)監(jiān)督管理總局.編安全評價(jià)[M].3版（上冊）.北京：煤炭工業(yè)出版社，2005.

責(zé)任編輯 徐侃春

Fault Tree Analysis for failure of Foreign Object Invasion Monitoring Subsystem during operation period

ZHANG Cuibing
( Transport Administration,China Railway,Beijing 100844,China)

As an important part of High Speed Railway Natural Disaster and Foreign Object Invasion Monitoring System,the Foreign Object Invasion Monitoring Subsystem played an important part for the safety of high-speedrailway’s operation.In this article,Fault Tree Analysis(FTA) was applied to establish the analytical models for the failure of Foreign Object Invasion Monitoring System based on the analysis of the failure factors of the Subsystem.Through analyzing the importance degree of the minimum cut sets and structure,the failure factors were sorted according to their infuence level,and evaluated by FTA.The results obtained can be used for reference to improve the operation and maintenance of the Subsystem.

Foreign Object Invasion Monitoring Subsystem;FTA model;minimum cut sets;structure importance degree

U238∶TP39

A

1005-8451（2016）01-0004-04

2015-05-11

張翠兵，高級工程師。