郝 博

南車青島四方機車車輛股份有限公司

試論基于故障樹的地鐵車輛客室自動門系統(tǒng)可靠性分析

郝 博

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郝博，1986年12月，男，漢族，甘肅慶陽，助理工程師，質(zhì)量管理。

近年來，地鐵運行過程中由于自動門系統(tǒng)發(fā)生故障導(dǎo)致的事故數(shù)不勝數(shù)。由于自動門系統(tǒng)數(shù)量多、操作相對頻繁，進而對于其安全性的要求也相對較高，世界上各個國家選購地鐵車輛時都非常關(guān)注地鐵自動門的可靠性。本文采用故障樹對地鐵車輛的自動門系統(tǒng)的可靠性進行了分析。

我國的城市交通壓力日益嚴(yán)重，為了緩解這種壓力，有相當(dāng)一部分城市開始引入城市地鐵系統(tǒng)。對城市地鐵來說，保障運作安全是第一位的，而現(xiàn)在的城市地鐵基本都在車輛客室上使用了自動門系統(tǒng)，這種系統(tǒng)雖然具有較高的智能性，但故障率并不低，城市地鐵的常見故障中，有超過三成來源于門系統(tǒng)的故障。在這種情況下，自動門系統(tǒng)的可靠性受到了質(zhì)疑，基于此種原因，本文將通過故障樹對該系統(tǒng)的可靠性進行分析，希望能為地鐵系統(tǒng)的優(yōu)化提供一定的理論依據(jù)。

故障樹概述

故障樹即事故樹，是因果系統(tǒng)樹的一種實際應(yīng)用形式，對外體現(xiàn)為倒立的因果關(guān)系樹狀邏輯圖，表征符號包括轉(zhuǎn)移符號、邏輯門符號與事件符號，用于描述單一系統(tǒng)中不同事件的因果關(guān)系。因此經(jīng)常被用于各種復(fù)雜系統(tǒng)的事件分析與多兆因事件的概率計算。

從本質(zhì)上來看，故障樹可以看作一種圖像化的分析方法，具有很強的直觀性和簡便性，雖然在精確性上不如動態(tài)函數(shù)手段，但是由于易于理解、而且也確保了最基本的分析準(zhǔn)確性，所以在非大系統(tǒng)分析中依然非常受青睞。本文所述的地鐵車輛自動門系統(tǒng)可靠性分析即為與該分析方法適性較高的一種。

建立故障樹

通過故障樹分析地鐵自動門系統(tǒng)的可靠性，最基礎(chǔ)的環(huán)節(jié)是建立足夠完善的故障樹。

建立故障樹的第一步是綜合分析需要建立故障樹的系統(tǒng)，以將建樹范圍確定下來。對本文分析的地鐵自動門系統(tǒng)來說，建樹范圍應(yīng)囊括自動門系統(tǒng)直接發(fā)生的與其引發(fā)的所有故障。

其次要確定故障樹的頂上事件，頂上事件的確定方法有兩種，兩種方法都需要先分析所有的故障，不同的是，一種方法是選擇后果最嚴(yán)重的故障為頂上事件，另一種方法是選擇發(fā)生率最高的故障為頂上事件，具體選擇哪種方法應(yīng)根據(jù)分析對象與分析方向確定。基于地鐵重大故障的危害性與負(fù)面的社會影響，本文選擇前一種方法來確定故障樹的頂上事件，頂上事件選為“自動門系統(tǒng)在車輛運行狀態(tài)下錯誤打開”。

圖1　地鐵自動門系統(tǒng)中“自動門系統(tǒng)在車輛運行狀態(tài)下錯誤打開”的故障樹示意圖

頂上事件確立后，需要以此為基礎(chǔ)進行推導(dǎo)分析，先找出頂上事件發(fā)生的直接原因，對相應(yīng)的中間事件進行層層遞進的因果關(guān)系推導(dǎo)，一直推導(dǎo)到無法分析事件原因或不需要分析事件原因的事件，這類事件被稱為底事件。然后利用邏輯門連接起所有上述獲得的事件并繪制成圖，這就完成了針對該頂上事件的故障樹。本文所完成的地鐵自動門系統(tǒng)故障樹如圖1所示。

表1　故障樹割集表

定性和定量分析

定性分析

以故障樹為基礎(chǔ)的定性分析主要是為了保障可靠性分析的全面性，并從中發(fā)現(xiàn)故障控制的關(guān)鍵點。具體來說，針對地鐵自動門系統(tǒng)的定性分析要將頂上事件發(fā)生的全部原因、形式、影響因素都囊括進分析范圍，并計算分析全部失效模式的發(fā)生概率，通過概率的大小可以確認(rèn)自動門系統(tǒng)運作的主要控制點，概率越大，可靠性也就越低，在控制上更應(yīng)優(yōu)先注意。對本文所建立的故障樹來說，失效模式和故障樹的對應(yīng)關(guān)系非常明確，失效模式、失效因素和故障樹的最小割集都呈單一對應(yīng)關(guān)系，因此只要找出所有的最小割集就可以說是完成了定性分析。故障樹的全部割集如表1所示。

定量分析

與定性分析不同，定量分析主要分析的是底事件和頂事件的關(guān)系，具體來說，定量分析就是利用確定的底事件發(fā)生概率計算頂上事件的概率與定量指標(biāo)。

在本文所用的故障樹中，利用故障樹的定量分析需要先將故障樹當(dāng)作計算模型，確認(rèn)已知的各項底事件的發(fā)生概率，然后將自動門系統(tǒng)失效這一頂上事件的發(fā)生概率推導(dǎo)計算出來，這樣一來就可以評估自動門系統(tǒng)，確認(rèn)其風(fēng)險性、安全性、可靠性。為此，我們對頂上事件與獨立化的底事件進行特化，將其“正?！迸c“故障”這兩種狀態(tài)的概率視為絕對的0和1，這樣一來就可以得到全部底事件的發(fā)生概率。之后依據(jù)故障樹的總體邏輯結(jié)構(gòu)，自下而上展開逐級運算，直到推導(dǎo)出頂事件概率。由于本故障樹應(yīng)用了“與”門和“或”門兩者邏輯結(jié)構(gòu)，在可靠性理論下，前者輸出事件的概率為P（X）=1，后者輸出事件的概率為P（X）=2，由此可進一步推得全部11個底事件的發(fā)生概率分別為0.001，3.50×10-6，1.01×10-6，2.20×10-6，7.0×10-5，1.40×10-7，3.01×10-7，1.40×10-7，2.12×10-7，4.52×10-7，1.06×10-7。根據(jù)這些概率和故障樹結(jié)構(gòu)，可以依次計算出P（6）到P（0）的數(shù)值，其中P（0）即為頂上事件的發(fā)生概率。最終定量分析結(jié)果為，頂上事件發(fā)生概率7.67×10-8。

結(jié)語

綜上可知，通過故障樹分析地鐵車輛的客室自動門系統(tǒng)首先要進行完善化、合理化、全面的故障樹建立，然后以此為基礎(chǔ)，運用數(shù)學(xué)手段采取定性分析與定量分析。前者分析了故障的各個組合模式與概率，指明了系統(tǒng)故障控制的重點；后者分析了在底事件概率確定的情況下，求算頂上事件概率的方法并得出了實際的頂上事件概率。將獲得結(jié)果與相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和同類系統(tǒng)對比可知，地鐵自動門系統(tǒng)具有較高的可靠性。

10.3969/j.issn.1001-8972.2015.06.025