馬 濤，米根鎖，齊 東

(蘭州交通大學自動化與電氣工程學院，蘭州 730070)

基于灰色理論ZPW2000A無絕緣軌道電路故障風險分析

馬 濤，米根鎖，齊 東

(蘭州交通大學自動化與電氣工程學院，蘭州 730070)

鐵路運輸系統(tǒng)中各個設備的故障模式存在不同的風險水平，而傳統(tǒng)的RCM方法進行風險分析時存在精度不高的問題。在FMEA進行定量風險分析的基礎(chǔ)上，再通過灰色關(guān)聯(lián)度方法對FMEA風險分析中的各個決策因素進行加權(quán)處理，實現(xiàn)了考慮各因素之間相對權(quán)重的故障模式風險分析，提高了分析的準確性。將此方法應用于鐵路信號設備，以ZPW2000A無絕緣軌道電路作為實例，通過分析計算表明該方法可行有效，能為改進鐵路運輸系統(tǒng)各個設備的維修策略提供有力的科學依據(jù)。

灰色關(guān)聯(lián)度;故障風險分析;ZPW2000A無絕緣軌道電路;RCM分析;維修策略

我國鐵路近年來快速發(fā)展，這對保障行車安全的信號設備的可靠性提出了更高的要求。以可靠性為中心的維修(RCM)是目前國際通用的用以優(yōu)化維修策略為目的，確定設備維修需求的系統(tǒng)工程過程［1］。此方法打破了我國鐵路信號設備傳統(tǒng)的“定修”模式，克服了以往檢修頻繁、盲目維修的問題，不僅降低了維修成本和維修人員的勞動強度，使維修體制更具科學性，而且可以顯著提高信號設備的可靠性水平。但傳統(tǒng)的RCM風險分析方法是通過對設備進行故障模式與影響分析(FMEA)，根據(jù)分析結(jié)果對故障模式風險進行排序，以此為依據(jù)來制定有效的維修策略。但該方法沒有考慮(FMEA)分析中各因素間的相對權(quán)重等影響因子，存在分析精確度不高的問題，而引入灰色理論中的灰色關(guān)聯(lián)分析方法可以彌補這一不足。因此，本文研究了基于灰色關(guān)聯(lián)度分析的設備故障定量風險分析方法，并應用于鐵路信號設備的風險分析中。

1 灰色理論和RCM分析相結(jié)合的設備風險分析方法

1.1 傳統(tǒng)RCM風險分析方法

傳統(tǒng)的RCM定量風險分析方法的核心是進行設備的FMEA分析，確定系統(tǒng)或者設備每個最低組成部分的故障模式，然后來評定每個故障模式的風險等級，再依據(jù)風險分析結(jié)果針對不同嚴重程度的故障模式提出設備的維修措施建議，得到改進的維修策略。FMEA最常采用的分析方法是風險優(yōu)先級法RPN(風險評估評價的尺度)，其基本方法是:確定系統(tǒng)最小組成的子系統(tǒng)單元;描述各單元的功能，并確定各單元的故障模式;確定每一種故障模式的嚴重度Severity(以下簡稱為“S”—根據(jù)可能出現(xiàn)的人員傷亡、環(huán)境損害和任務失敗等方面的影響程度確定);發(fā)生度Occurrence(以下簡稱為“O”—故障發(fā)生頻繁程度的度量);檢測度Detection(以下簡稱為“D”—故障可以被檢測到難易程度的度量);最后計算風險優(yōu)先級指數(shù)RPN，它與 S、O、D 三者的關(guān)系為

S、O、D三個因素的評分標準如表1所示。RPN數(shù)值的大小就代表了故障模式的風險等級大小，由此為依據(jù)來改進設備的維修策略，使設備維修更具科學性。FMEA方法的詳細介紹詳見參考文獻［2］。

表1 故障風險分析各項指標評分標準

1.2 基于灰色關(guān)聯(lián)度的定量風險分析方法

傳統(tǒng)RCM分析方法進行FMEA分析時用RPN值來評價設備各子系統(tǒng)故障模式的風險水平。但RPN數(shù)值的計算中沒有考慮S、O、D三者之間的相對重要度，將其等同對待，這樣會造成不同故障模式的S、O、D定量值的乘積可能產(chǎn)生同樣的RPN值，但這些故障模式的風險水平是不同的。因此存在著分析精確度不高的問題。我國學者鄧聚龍教授在1982年開創(chuàng)了灰色系統(tǒng)理論［3］，其優(yōu)勢是可以對部分已知的模糊信息進行分析。其中灰色關(guān)聯(lián)度分析法則是以系統(tǒng)內(nèi)部各因素間相互關(guān)系的相似程度來度量其關(guān)聯(lián)程度，因此在FMEA分析的基礎(chǔ)上，再運用灰色關(guān)聯(lián)度方法進行故障風險分析［4］，必然能有效提高分析的精度。分析方法的基本流程如圖1所示［5］。

圖1 灰色關(guān)聯(lián)度分析流程

具體步驟為:首先通過FMEA分析確定系統(tǒng)組成單元所有可能的故障模式，并對各個故障模式的決策因素S、O、D進行模糊評價。模糊評價的描述:“很低”、“低”、“中等”、“高”和“很高”共 5級，評價方法見表1所示［5］。接著模糊評價進行反模糊化。模糊集的脆性系數(shù)K(x)為

對應各模糊評價的隸屬函數(shù)如圖2所示［6］，從圖中可得到式(2)中相關(guān)參數(shù)的值。以模糊評價描述“低”為例，在取其脆性系數(shù)時，可由圖2得a0=2，b0=5，a1=b1=3.5，c=0，d=10，代入式(2)有

圖2 隸屬函數(shù)圖

同理可得其他模糊語義描述所對應的脆性系數(shù)，“很低”為 0.196，“中等”為 0.583，“高”為 0.804，“很高”為0.952，如表2所示。

表2 模糊語義反模糊化脆性系數(shù)

根據(jù)得到的脆性系數(shù)以式(3)的形式表示的比較序列

式中，X1，X2，…，Xn表示 n個故障模式對應的比較序列;{xi(1)，xi(2)，…，xi(m)}表示第 i個故障模式的m個決策因素模糊語義評價對應的脆性系數(shù)。

同時得到反映所有決策因素的理想期望水平的標準序列，即

由此，計算比較序列和標準序列的差序列

式中Δi(k)=xi(k)-x0(k)，則灰色關(guān)聯(lián)度系數(shù)可由式(6)求得

式中，x0(k)表示標準序列中第k個決策因素對應值;xi(k)表示比較序列矩陣中第i個故障模式第k個決策因素對應值;δ為分辨系數(shù)，δ∈(0，1)，它僅影響相對風險值，因此通?？扇?0.5［6］。

計算兩序列(比較序列與標準序列)的關(guān)聯(lián)度，可由式(7)得到

式中，βk為決策各因素的權(quán)重系數(shù)，且滿足=1。βk可用層次分析法(AHP)得到，層次分析法的詳細步驟詳見參考文獻［7］。

由此便可得到故障模式的灰色關(guān)聯(lián)度值，它反映了某一故障模式和決策因素之間相關(guān)聯(lián)程度的關(guān)系，關(guān)聯(lián)度越大的故障模式的整體影響越小，則該部件的風險優(yōu)先等級越低。根據(jù)得到的灰色關(guān)聯(lián)度值就可進行系統(tǒng)各個故障模式的風險等級排序，完成設備故障風險分析。

2 實例分析

ZPW2000A無絕緣軌道電路是我國鐵路應用最廣泛的信號設備之一，其安全性和可靠性關(guān)乎列車運行安全。因此，本文以ZPW2000A無絕緣軌道電路為研究對象進行定量風險分析。根據(jù)RCM分析方法中系統(tǒng)劃分原則，可將本體系統(tǒng)劃分為發(fā)送系統(tǒng)、接收系統(tǒng)、冗余衰耗系統(tǒng)、防雷系統(tǒng)、扼流匹配變壓器、調(diào)諧匹配單元、補償電容、空心線圈、機械絕緣節(jié)空心線圈、SPT電纜、通信接口板、扼流變壓器、信號傳輸線、條件線和監(jiān)測線共15個子系統(tǒng)，各子系統(tǒng)又包括若干部件。由于對各個子系統(tǒng)的分析方法完全相同，這里僅對發(fā)送系統(tǒng)和接收系統(tǒng)進行分析驗證。具體分析計算步驟如下。

(1)通過ZPW2000A無絕緣軌道電路發(fā)送器和接收器運行、維修的歷史記錄進行統(tǒng)計分析，并采用專家調(diào)查法，可得到系統(tǒng)RCM分析結(jié)果，如表3所示［8］。

表3 ZPW2000A無絕緣軌道電路發(fā)送接收系統(tǒng)RCM分析結(jié)果

(2)對各決策因素反模糊化，得到比較序列矩陣

(3)取各決策因素最低模糊語義評價的反模糊化值來確定標準序列。若取標準序列為零矩陣，則兩序列(比較序列與標準序列)的差序列仍為比較序列。式(6)便可簡化為

由式(8)便可得到每個故障模式的決策因素相對應的灰色關(guān)聯(lián)度系數(shù)(γs、γo、γd)。

(4)通過咨詢信號廠家和鐵路局專家以及現(xiàn)場運行、維修人員，參照設備設計說明和歷史維護數(shù)據(jù)，利用AHP法得到式(7)的各因素(故障影響嚴重度S、發(fā)生度O和檢測度 D)的權(quán)重分別為0.5、0.25和0.25。

(5)由式(7)代入對應的灰色關(guān)聯(lián)度系數(shù)可得各故障模式所對應的灰色關(guān)聯(lián)度，同時再根據(jù)表1的標準按式(1)計算各故障模式的RPN值，并對兩種方法的計算結(jié)果分別進行故障模式的風險排序，排序結(jié)果如表4所示。

由表4可見:兩種方法的結(jié)果對比可看出排序的基本一致性。而灰色關(guān)聯(lián)度故障風險分析方法由于考慮了各因素間的相互權(quán)重，克服了不同S、D、O值得到相同RPN值的不足，比傳統(tǒng)RCM風險分析方法提高了分析精度。而且可以看出，RPN排序的風險等級分為9級，而灰色關(guān)聯(lián)度排序的風險等級為12級，灰色關(guān)聯(lián)的分級更為精確詳細。各個系統(tǒng)的故障模式風險優(yōu)先級排序也和現(xiàn)場運行、維修情況比對一致。

表4 ZPW2000A無絕緣軌道電路接收和發(fā)送系統(tǒng)故障風險分析結(jié)果

4 結(jié)語

利用灰色理論進行鐵路信號設備的故障風險分析，可避免傳統(tǒng)RCM分析方法沒有考慮同一故障模式各因素之間的相對重要度而產(chǎn)生的誤差，有效提高了分析精度。將該方法應用于ZPW2000A無絕緣軌道電路設備的故障風險分析，用以確定設備各個子系統(tǒng)的故障風險等級，為制定科學有效的維修策略提供了有力的科學依據(jù)。該方法可作為一個通用方法，應用于我國鐵路信號系統(tǒng)其他設備的故障風險分析中。

［1］ Moubray J.以可靠性為中心的維修［M］.北京:機械工業(yè)出版社，1995:6-8.

［2］ Stamatis DH.Failure mode and effect analysis-FMEA from theory to execution［M］.New York:ASQC Press，1995:63-67.

［3］ Deng J.Control problems of grey systems［J］.Systems Control Letters，1982，1(5):288-294.

［4］ Ben-Daya M，Raouf A.A revised failure mode and effects analysis model［J］.International Journal of Quality Reliability Management，1993，3(1):43-47.

［5］ Chang C L，Wei C C，Lee YH.Failure mode and effects analysis using fuzzy method and grey method［J］.Kybernetes，1999，28(9):1072-1080.

［6］ Chen C B，Klien CM.A simple approach to ranking a group of aggregated fuzzy utilities［J］.IEEE Trans Syst Man Cybernet，Part BL:Cybernet，1997，27(1):26-35.

［7］ Anand Pillay，Jin Wang.Modified failure mode and effects analysis using approximate reasoning［J］.Reliability Engineering and System Safety，2003，79(1):69-85.

［8］ 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，2010:57-66.

Fault Risk Analysis on ZPW2000A Uninsulated Track Circuit Based on Gray Theory

MA Tao，MI Gen-suo，QI Dong
(School of Automation and Electrical Engineering，Lanzhou Jiaotong University，Lanzhou 730070，China)

The fault models of all the equipments in railway transport system have different risk levels，but the traditional RCM method of risk analysis has some problems in precision.In this method proposed by this paper，every decisive factor in the process of FMEA risk analysis is weighted based on the FMEA quantitative risk analysis by using gray correlation method，so that the fault model risk analysis considering the relative weights of various factors can be achieved，therefore the accuracy of the analysis can be improved.This method can be used in the railway signal equipment， and in this paper，ZPW2000A uninsulated track circuit are taken as an example for risk analysis.Then the analysis and calculation results show that:this method is a feasible and effective method，and it can provide a strong scientific basis for the improvement of the maintenance strategies of various equipments in railway traffic system.

gray correlation degree;fault risk analysis;ZPW2000A uninsulated track circuit;RCM analysis;maintenance strategy

U283.2

A

1004-2954(2013)04-0115-04

2012-08-15

馬 濤(1986—)，男，碩士研究生，E-mail:283584996@qq.com。