王文斌，蘇宏升

蘭州交通大學(xué)自動化與電氣工程學(xué)院，蘭州 730070

基于FMEA和FTA的ZPW-2000A軌道電路可靠性分析

王文斌，蘇宏升

蘭州交通大學(xué)自動化與電氣工程學(xué)院，蘭州 730070

1 引言

軌道電路是鐵路信號系統(tǒng)的重要設(shè)備之一，ZPW-2000A型無絕緣移頻軌道電路是在法國UM71無絕緣軌道電路技術(shù)引進、國產(chǎn)化基礎(chǔ)上，結(jié)合國情進行提高系統(tǒng)安全性、系統(tǒng)傳輸性能及系統(tǒng)可靠性的技術(shù)再開發(fā)升級而來的[1]。該軌道電路是目前我國鐵路上廣泛應(yīng)用的軌道電路設(shè)備。近年來，隨著我國鐵路向高速、重載和高密度的發(fā)展，軌道電路設(shè)備對于保障列車高速、安全運行的作用變得尤為突出，其可靠性成為鐵路運行的一個重要因素。因此，為保障鐵路安全運行的可靠性水平，需要對ZPW-2000A型無絕緣移頻軌道電路系統(tǒng)可靠性進行研究。

信號設(shè)備作為鐵路安全運輸?shù)年P(guān)鍵組成部分，其自身可靠性已成為衡量行車安全設(shè)備工作性能的重要指標。近年來，故障樹分析法（FΤA）、故障模式與影響分析法（FMEA）、可靠性框圖法（RBD）和馬爾可夫模型（Markov Model）等可靠性分析方法已在鐵路機車車輛方面廣泛應(yīng)用，但在鐵路信號系統(tǒng)的可靠性研究上卻是剛剛起步[2-6]。針對ZPW-2000A型無絕緣移頻軌道電路系統(tǒng)已有的研究多集中于發(fā)送器和接收器可靠性指標上，但對于軌道電路系統(tǒng)整體的可靠性研究相對缺乏[7-8]。

本文運用故障模式影響分析（FMEA）和故障樹分析（FΤA）相結(jié)合的方法對ZPW-2000A型無絕緣移頻軌道電路系統(tǒng)進行可靠性分析。為了簡便分析，針對ZPW-2000A型無絕緣移頻軌道電路的結(jié)構(gòu)特點建立了可靠性模型，然后對系統(tǒng)進行FMEA分析，在建立故障模式影響分析表的基礎(chǔ)上，使用FΤA對系統(tǒng)進行定性和定量的分析。

圖1 ZPW-2000A型無絕緣移頻軌道電路系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

2 ZPW-2000A軌道電路系統(tǒng)模型

ZPW-2000A型無絕緣移頻軌道電路系統(tǒng)由室內(nèi)設(shè)備和室外設(shè)備兩部分構(gòu)成，其中室內(nèi)設(shè)備包括發(fā)送器、接收器、衰耗器和電纜模擬網(wǎng)絡(luò)等，室外設(shè)備包括調(diào)諧單元、空心線圈、機械絕緣節(jié)空心線圈、匹配變壓器、補償電容和SPΤ電纜等。ZPW-2000A型無絕緣移頻軌道電路有電氣-機械絕緣節(jié)和電氣-電氣絕緣節(jié)兩種結(jié)構(gòu)，兩者電氣性能相同，本文以前者為例進行分析，如圖1所示。

ZPW-2000A型無絕緣移頻軌道電路系統(tǒng)將軌道電路分為主軌道電路和調(diào)諧區(qū)短小軌道電路兩部分。主軌道電路的發(fā)送器由編碼條件控制產(chǎn)生表示不同信息的低頻調(diào)制的移頻信號，該移頻信號經(jīng)電纜通道傳送給匹配變壓器和調(diào)諧單元，該移頻信號既向主軌道傳送，又向調(diào)諧區(qū)內(nèi)的小軌道傳送，主軌道信號經(jīng)鋼軌送到軌道電路受電端，然后經(jīng)調(diào)諧單元、匹配變壓器、電纜通道，把信號傳到本區(qū)段接收器。調(diào)諧區(qū)小軌道信號由運行前方相鄰軌道電路接收器處理，并將處理結(jié)果形成小軌道電路繼電器執(zhí)行條件送至本區(qū)段接收器，本區(qū)段接收器同時接收到主軌道移頻信號和小軌道電路繼電器執(zhí)行條件，判斷無誤后驅(qū)動軌道電路繼電器吸起，由此來判斷區(qū)段的空閑與占用狀況[9]。

3 ZPW-2000A軌道電路可靠性分析流程

ZPW-2000A型無絕緣移頻軌道電路的可靠性分析流程見圖2。

FMEA是一種從體系上分析系統(tǒng)或設(shè)備故障的歸納分析法，其將系統(tǒng)或設(shè)備劃分成不同的子系統(tǒng)，再逐一分析各個子系統(tǒng)可能發(fā)生的故障模式、故障發(fā)生的原因、故障可能造成的影響等，并詳細列表，然后結(jié)合FMEA表建立比較完整的故障樹，對系統(tǒng)或設(shè)備進行FΤA分析，得到定性和定量分析的結(jié)果。

圖2 ZPW-2000A軌道電路可靠性分析流程圖

4 FMEA分析方法

FMEA是一種提高系統(tǒng)或設(shè)備可靠性設(shè)計的重要方法[10]。作為一種策劃用做預(yù)防措施工具，F(xiàn)MEA的主要目的是發(fā)現(xiàn)、評價系統(tǒng)或設(shè)備潛在的故障及其后果，找到能夠避免或減少故障發(fā)生的措施并不斷地完善。同時，它也是后果分析和故障樹分析（FΤA）的基礎(chǔ)[11-12]。

4.1 定義系統(tǒng)

從圖1中可以看出，ZPW-2000A型無絕緣移頻軌道電路系統(tǒng)是一個復(fù)雜的串聯(lián)系統(tǒng)，它是由發(fā)送器、電纜模擬網(wǎng)絡(luò)、SPΤ電纜、匹配變壓器、調(diào)諧單元、補償電容、空心線圈、衰耗器、接收器等重要子系統(tǒng)有機組合而來。由于這些子系統(tǒng)的工作狀態(tài)是互相獨立的，并且整個系統(tǒng)是由這些子系統(tǒng)串聯(lián)而成，因此其中任何一個子系統(tǒng)出現(xiàn)故障，都會引起系統(tǒng)故障。

在對ZPW-2000A型無絕緣移頻軌道電路系統(tǒng)進行FMEA分析前，需要將組成系統(tǒng)的各個部分進行細分，作為FMEA表建立的依據(jù)。所建立的系統(tǒng)可靠性框圖如圖3所示。為了簡化系統(tǒng)，便于對系統(tǒng)進行近似表達，忽略了鋼軌等次要因素，圖3中發(fā)送器為N+1冗余，接收器為雙機并聯(lián)熱備，機械絕緣節(jié)由機械絕緣節(jié)空心線圈和調(diào)諧單元組成。

4.2 故障模式影響分析

采用故障模式影響分析法對圖3中的各個組成部分進行分析，建立了ZPW-2000A型無絕緣移頻軌道電路系統(tǒng)FMEA表如表1所示。

5 FTA分析方法

故障樹分析方法是1961年由美國貝爾實驗室H.A. Watson和D.F.Hansl首先提出的。目前故障樹分析法被公認為是一種對復(fù)雜系統(tǒng)進行可靠性分析的重要方法，并已廣泛應(yīng)用于許多重要領(lǐng)域[13]。

圖3 ZPW-2000A型無絕緣移頻軌道電路系統(tǒng)可靠性框圖

5.1 軌道電路系統(tǒng)故障樹

故障樹主要通過兩個邏輯門“或門”和“與門”，將結(jié)果事件、基本事件和中間事件聯(lián)系在一起?；蜷T用于串聯(lián)系統(tǒng)，表示當至少有一個輸入事件發(fā)生時，輸出事件就發(fā)生。與門用于并聯(lián)系統(tǒng)，表示當所有輸入事件均發(fā)生時，則輸出事件必然發(fā)生。

表1 ZPW-2000A型無絕緣移頻軌道電路系統(tǒng)FMEA表

在FMEA表的基礎(chǔ)上，對ZPW-2000A型無絕緣移頻軌道電路系統(tǒng)進行FΤA分析，構(gòu)建系統(tǒng)故障樹，如圖4～7所示。

圖4 ZPW-2000A型無絕緣移頻軌道電路系統(tǒng)故障樹

圖5 發(fā)送器故障樹

圖6 補償電容故障樹

圖7 機械絕緣節(jié)故障樹

圖4是系統(tǒng)故障樹，由室內(nèi)設(shè)備故障X和室外設(shè)備故障Y兩部分組成。室內(nèi)設(shè)備故障X由接收器故障R(R1、R2)，發(fā)送器故障T(T1～TN)，電纜模擬網(wǎng)絡(luò)故障N(N1、N2)，衰耗器A等構(gòu)成；室外設(shè)備故障Y由SPΤ電纜故障S(S1、S2)，補償電容故障C(C1～CM)，匹配變壓器故障M(M1、M2)，機械絕緣節(jié)故障Ι(U2、J)，調(diào)諧區(qū)故障Q(U1、H)等構(gòu)成，其中U1、U2表示調(diào)諧單元，J表示機械絕緣節(jié)空心線圈，H表示空心線圈。

5.2 軌道電路系統(tǒng)故障樹分析

FΤA分析法是用來研究引起系統(tǒng)或設(shè)備發(fā)生故障的各種原因，并在這些原因之間建立起邏輯關(guān)系，用故障樹給予表示。在ZPW-2000A型無絕緣移頻軌道電路系統(tǒng)故障樹建立之后，對其進行定性與定量的分析。

5.2.1 定性分析

使用最小割集法[14]對故障樹進行定性分析，根據(jù)求出的最小割集，可以判定系統(tǒng)的薄弱環(huán)節(jié)。本文使用下行法來求解系統(tǒng)故障樹的最小割集。

求得ZPW-2000A型無絕緣移頻軌道電路系統(tǒng)故障樹的最小割集為：{R1，R2}，{T1，T2，…，TN}，{N1}，{N2}，{A}，{S1}，{S2}，{M1}，{M2}，{U1}，{U2}，{H}，{J}，{C1}，{C2}，…，{CM}。

由最小割集的結(jié)果可見，室外設(shè)備匹配變壓器、補償電容和調(diào)諧單元對ZPW-2000A型無絕緣移頻軌道電路系統(tǒng)故障的影響比較大。因此軌道電路要使用高可靠性的室外設(shè)備，并在實際系統(tǒng)設(shè)計過程中盡可能減少基本事件的發(fā)生，以減小最小割集的數(shù)量。

5.2.2 定量分析

根據(jù)鐵路運營單位和設(shè)備廠家所提供的數(shù)據(jù)，得到表1中各設(shè)備的故障概率（均服從指數(shù)分布），如表2所示。

表2 ZPW-2000A軌道電路設(shè)備的故障概率

根據(jù)表2可以得到各最小割集的故障概率，設(shè)各最小割集xi對應(yīng)的故障概率為P(xi)(i=1，2，…，n)，n為最小割集的個數(shù)。則頂事件的故障概率Ptop為：

各最小割集的概率重要度（Fussell-Vesely importance，

表3 各割集的割集重要度表

通過定量分析可求得系統(tǒng)的平均無故障工作時間MTBF=4.5×104h，系統(tǒng)的可靠度RS=0.999 978。系統(tǒng)在實際運行中，發(fā)送器N+1冗余中N≥1，可見本文計算結(jié)果較為保守，且符合ZPW-2000A軌道電路技術(shù)條件[16]。

由于各設(shè)備故障概率均服從指數(shù)分布，結(jié)合上述分析，也可求得系統(tǒng)含冗余和不含冗余時的可靠度如圖8所示。室內(nèi)設(shè)備和室外設(shè)備的可靠度如圖9所示。

圖8 系統(tǒng)可靠度

圖9 室內(nèi)設(shè)備和室外設(shè)備的可靠度

從圖8可以看出采用發(fā)送器N+1冗余和接收器雙機并聯(lián)提高了系統(tǒng)整體的可靠度，從圖9可以看出ZPW-2000A型無絕緣移頻軌道電路系統(tǒng)的室外設(shè)備可靠度相比室內(nèi)設(shè)備較低，結(jié)論與定性分析相同。

6 結(jié)束語

利用故障模式影響分析和故障樹分析相結(jié)合的方法對ZPW-2000A型無絕緣移頻軌道電路系統(tǒng)可靠性進行分析。通過對系統(tǒng)分析和定義，建立了系統(tǒng)的可靠性框圖，逐一分析各子系統(tǒng)，找出所有可能的故障模式、故障后果、故障檢測方法和補救措施，并詳細列于FMEA表中。在此基礎(chǔ)上建立系統(tǒng)故障樹，通過定性和定量分析求出頂事件的故障概率，最小割集及其FV重要度，找到了系統(tǒng)的薄弱環(huán)節(jié)。本文計算是在假設(shè)條件下進行的，相對保守，所求系統(tǒng)可靠性指標符合相關(guān)技術(shù)規(guī)定，驗證了本文可靠性分析方法的有效性。

[1]趙自信.ZPW-2000A無絕緣移頻自動閉塞系統(tǒng)的技術(shù)綜述[J].鐵路通信信號工程技術(shù)，2003（S1）：12-19.

[2]符萌，郭進，王小敏，等.鐵路信號設(shè)備可靠性研究[J].中國鐵路，2009（12）：56-59.

[3]張苑，劉朝英，李啟翮，等.無線閉塞中心系統(tǒng)安全風(fēng)險分析及對策[J].中國鐵道科學(xué)，2010（4）：112-117.

[4]李聰，王長林.列車定位模塊的故障模式及故障樹分析[J].鐵路計算機應(yīng)用，2012（7）：19-22.

[5]張萍，趙陽.鐵路車站計算機聯(lián)鎖控制系統(tǒng)的可靠性和安全性分析[J].中國鐵道科學(xué)，2003（4）：48-50.

[6]湯建國.青藏鐵路基于GPS和GSM-R的列車運行控制系統(tǒng)分析[J].交通運輸系統(tǒng)工程與信息，2010（2）：190-194.

[7]陳永剛，王曉明，林俊亭，等.ZPW-2000A移頻自動閉塞設(shè)備可靠性分析[J].蘭州交通大學(xué)學(xué)報，2005，24（1）：26-28.

[8]符萌.ZPW-2000A中發(fā)送器和接收器的可靠性評估和可靠性試驗設(shè)計[D].成都：西南交通大學(xué)，2010.

[9]林瑜筠，譚麗，涂序躍，等.高速鐵路信號技術(shù)[M].北京：中國鐵道出版社，2012：72-76.

[10]Dillibabu R，Krishnaiah K.Application of failure mode and effects analysis to software code reviews——a case study[J]. Software Quality Professional，2006，8（2）：30-41.

[11]David V，F(xiàn)ran?ois V.Method to assess and optimise dependability of complex macro-systems：application to a railway signalling system[J].Safety Science，2009，47（3）：382-394.

[12]Flori，Albert.Identifying software failures using FMEA and fault tree analysis[J].Quality Progress，2012，45（9）：30-35.

[13]Chen S K，Ho Τ K，Mao B H.Reliability evaluations of railway power supplies by fault-tree analysis[J].IEΤ Electric Power Applications，2007，1（2）：161-172.

[14]Ebeling C E.An introduction to reliability and maintainability engineering[M].New York：Waveland Press，Inc，2005：178-180.

[15]李文海.ZPW-2000A移頻自動閉塞系統(tǒng)原理、維護和故障處理[M].北京：中國鐵道出版社，2010：18-19.

[16]北京全路通信信號研究設(shè)計院.ΤB/Τ3206 ZPW-2000A軌道電路技術(shù)[S].北京：中國鐵道出版社，2008.

[17]Koji I，Ikuo W.Risk evaluation method for improvement of railway signalling systems[J].QR of RΤRI，2010，51（4）：205-213.

WANG Wenbin,SU Hongsheng

School of Automation and Electrical Engineering,Lanzhou Jiaotong University,Lanzhou 730070,China

According to the reliability issues of ZPW-2000A type jointless audio frequency-shift modulated track circuit system, the method of combining Failure Modes and Effect Analysis（FMEA）and Fault Τree Analysis（FΤA）is proposed for research and analysis of the system reliability.Τhe system is analyzed and defined,and the FMEA table is completed.All possible failure modes,failure effects,fault detection methods and remedial measures are obtained.Τhe fault tree is built.Τhe minimal cut sets of the fault tree are got,and the qualitative and quantitative analyses of the fault tree are conducted.Τhe weak links of the system are located by qualitative analysis.Τhe fail probability of roof events,important degree of each minimal cut sets and reliability index are gained through the quantitative analysis.Τhe validity of the reliability analysis method is verified by comparison with the relevant technical requirements.

track circuit;Failure Modes and Effect Analysis（FMEA）;Fault Τree Analysis（FΤA）;reliability

針對ZPW-2000A型無絕緣移頻軌道電路系統(tǒng)的可靠性問題，提出采用故障模式影響分析（FMEA）和故障樹分析（FΤA）相結(jié)合的方法，對系統(tǒng)進行可靠性研究和分析。通過對系統(tǒng)分析和定義，建立故障模式影響分析表，找出所有可能的故障模式、故障后果、故障檢測方法和補救措施等，在此基礎(chǔ)上建立系統(tǒng)故障樹，求取最小割集，進行定性和定量分析。定性分析判定系統(tǒng)的薄弱環(huán)節(jié)，定量分析計算頂事件的故障概率、各最小割集的重要度及系統(tǒng)的可靠性指標，通過與相關(guān)技術(shù)規(guī)定比較，驗證了該可靠性分析方法的有效性。

軌道電路；故障模式影像分析；故障樹；可靠性

A

U284.22

10.3778/j.issn.1002-8331.1302-0024

WANG Wenbin,SU Hongsheng.Analysis on reliability of ZPW-2000A track circuit based on FMEA and FTA.Computer Engineering and Applications,2013,49（21）：245-249.

鐵道部科技研究開發(fā)計劃項目（No.2012X003-B）。

王文斌（1987—），男，碩士研究生，研究方向為軌道電路可靠性；蘇宏升（1969—），男，教授，博士生導(dǎo)師，研究方向為交通信息工程及控制，設(shè)備智能故障診斷及可靠性研究。E-mail：wangwenbinzdh@163.com

2013-02-04

2013-04-11

1002-8331（2013）21-0245-05

CNKI出版日期：2013-07-09http://www.cnki.net/kcms/detail/11.2127.ΤP.20130709.1015.006.html