李曉宇，戴

LI Xiao-yu1, DAI Yue2

（1.中國鐵道科學(xué)研究院鐵道科學(xué)技術(shù)研究發(fā)展中心，北京100081；2.上海交通大學(xué)交大密西根聯(lián)合學(xué)院，上海200240）

(1. Railway Science & Technology Research & Development Center， China Academy of Railway Sciences，Beijing 100081， China； 2. University of Michigan-Shanghai Jiao Tong University Joint Institute，Shanghai Jiao Tong University， Shanghai 200240， China)

高速動車組緊急制動安全風(fēng)險分析及對策研究

李曉宇1，戴2

LI Xiao-yu1, DAI Yue2

（1.中國鐵道科學(xué)研究院鐵道科學(xué)技術(shù)研究發(fā)展中心，北京100081；2.上海交通大學(xué)交大密西根聯(lián)合學(xué)院，上海200240）

(1. Railway Science & Technology Research & Development Center， China Academy of Railway Sciences，Beijing 100081， China； 2. University of Michigan-Shanghai Jiao Tong University Joint Institute，Shanghai Jiao Tong University， Shanghai 200240， China)

在概述高速動車組制動系統(tǒng)和故障樹分析方法的基礎(chǔ)上，分析高速動車組緊急制動的工作原理，根據(jù)動車組列車管排風(fēng)、緊急制動環(huán)路斷開、緊急制動命令3種緊急制動觸發(fā)原理，應(yīng)用故障樹分析方法，采用大型可靠性分析軟件Isograph建立緊急制動失效的故障樹模型，通過計算基本事件的結(jié)構(gòu)重要度，得出導(dǎo)致緊急制動失效發(fā)生可能性較高的主要故障因素，并且有針對性地提出降低該風(fēng)險事件發(fā)生概率的預(yù)防性控制措施。

高速動車組；緊急制動；故障樹分析；風(fēng)險控制

1 概述

高速動車組在我國高速鐵路已經(jīng)普遍應(yīng)用，其運(yùn)營速度達(dá) 300km/h。高速動車組制動系統(tǒng)采用微機(jī)控制的空電聯(lián)合復(fù)合制動模式。當(dāng)列車遭遇危險或其他原因必須立即停車時所實施的制動為緊急制動，在發(fā)生緊急制動的情況下，高速列車應(yīng)以要求的制動減速度在一定的時間和制動距離內(nèi)從正常運(yùn)行的高速狀態(tài)降至某一低速水平，這一過程需要列車動能的快速轉(zhuǎn)換和能量消耗。因此，列車制動裝置的安全可用、制動性能的安全可靠不僅影響旅客的乘坐舒適性，更關(guān)系到旅客的生命財產(chǎn)安全，分析制動系統(tǒng)的安全性能，研究可能的風(fēng)險影響因素，并且預(yù)先進(jìn)行風(fēng)險控制至關(guān)重要。

目前，風(fēng)險識別、分析技術(shù)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于國內(nèi)外鐵路相關(guān)領(lǐng)域，根據(jù)分析結(jié)果實施風(fēng)險控制措施，從而實現(xiàn)系統(tǒng)的最優(yōu)安全性[1-3]。故障樹分析( Fault Tree Analysis，F(xiàn)TA ) 是從結(jié)果到原因描述故障的有向邏輯樹，通常用來評估多部件系統(tǒng)中不期望事件發(fā)生的頻率或可能性，是進(jìn)行鐵路系統(tǒng)風(fēng)險分析的主要方法，能夠為有效控制系統(tǒng)故障或降低故障發(fā)生概率提供依據(jù)和解決方案[4-5]。

2 高速動車組緊急制動工作原理分析

目前高速動車組主要有電空復(fù)合和全空氣 2 種緊急制動方式。采取緊急制動后，將會切除牽引力，施加制動力，同時預(yù)啟動車輪防滑系統(tǒng)[6]。

高速動車組的緊急制動由制動控制單元 ( Brake Control Unit，BCU ) 根據(jù)實際情況響應(yīng)，具體由牽引系統(tǒng)執(zhí)行電制動，制動系統(tǒng)控制空氣制動。其中，高速動車組的牽引電機(jī)以發(fā)電模式運(yùn)轉(zhuǎn)，為電制動提供穩(wěn)定的動力來源，制動系統(tǒng)則通過列車多功能車輛總線 ( Multifunction Vehicle Bus，MVB ) 網(wǎng)絡(luò)向牽引系統(tǒng)發(fā)送指令，控制電制動的啟動、關(guān)閉和動力設(shè)定。特別地，當(dāng)動車組因緊急制動而減速至 80km/h 以下時，將會關(guān)閉電制動力，僅保留空氣制動直至緊急制動結(jié)束[7]。

動車組緊急制動的啟動采用冗余和聯(lián)鎖的設(shè)置原則，共有緊急制動環(huán)路斷開、列車管排風(fēng)和BCU 緊急制動命令 3 種啟動方式。高速動車組緊急制動工作原理如圖1 所示。

（1）緊急制動環(huán)路斷開。該方式能夠最為直接有效地啟動緊急制動。緊急制動環(huán)路的狀態(tài)由制動系統(tǒng)和列控系統(tǒng)共同實時監(jiān)測，斷開途徑主要包括：按下緊急按鈕，制動控制器為緊急位，環(huán)路繼電器被列控系統(tǒng)操作，觸發(fā)列車保護(hù)警戒裝置等。

（2）列車管排風(fēng)。該方式為通過空氣分配閥實施的備用空氣緊急制動。列車管風(fēng)壓會因緊急制動閥排風(fēng)而下降，引發(fā)氣路聯(lián)鎖，從而啟動緊急制動。列車管排風(fēng)的途徑主要包括：按下緊急按鈕；制動控制器為緊急位；間接制動緊急制動閥被列控系統(tǒng)觸發(fā)；未關(guān)閉隔離塞門，并且備用制動手柄為緊急制動位等。

（3）BCU 緊急制動命令。該方式由列車的BCU 在收到制動系統(tǒng)和列控系統(tǒng)的緊急制動命令后啟動[7]。

圖1 高速動車組緊急制動工作原理

3 高速動車組緊急制動失效原因的故障樹分析

采用故障樹分析法對緊急制動失效的風(fēng)險事件發(fā)生原因進(jìn)行分析。結(jié)合高速動車組緊急制動相關(guān)部件的構(gòu)成、功能及工作原理，可以將緊急制動失效分解為緊急空氣制動失效和 BCU 觸發(fā)緊急電制動失效，并且將兩者作冗余處理，得到緊急制動失效的 1 級故障樹結(jié)構(gòu)如圖2 所示。

圖2 緊急制動失效的 1 級故障樹結(jié)構(gòu)

3.1 緊急空氣制動失效的故障樹

進(jìn)一步對緊急空氣制動失效開展故障原因分析。緊急空氣制動觸發(fā)途徑有 2 種，即通過緊急制動環(huán)路斷電啟動和通過列車管排風(fēng)啟動。每種緊急制動的啟動方式都有其信號觸發(fā)、傳輸和執(zhí)行裝置實施，據(jù)此建立緊急空氣制動失效的初步故障樹如圖3 所示。進(jìn)一步對每層故障事件進(jìn)行分析，從而建立緊急空氣制動失效的故障樹結(jié)構(gòu)如圖4 所示。

3.2 BCU 觸發(fā)緊急電制動失效的故障樹

進(jìn)一步對 BCU 觸發(fā)緊急電制動失效開展故障原因分析。緊急電制動的實施由 BCU 控制，其結(jié)構(gòu)由緊急制動信號觸發(fā)、信號傳輸和緊急制動實施單元構(gòu)成。信號觸發(fā)信息來自多種渠道，如制動控制器信號、乘客緊急裝置信號、故障監(jiān)測裝置信號等，所有觸發(fā)信號通過列車網(wǎng)絡(luò)傳輸，電制動的實施主要通過將牽引電機(jī)轉(zhuǎn)變到發(fā)電狀態(tài)的原理實現(xiàn)。BCU 觸發(fā)緊急電制動失效的故障樹結(jié)構(gòu)如圖5 所示。

3.3 緊急制動失效的基本原因及結(jié)構(gòu)重要度分析

圖3 緊急空氣制動失效的初步故障樹

圖4 緊急空氣制動失效的故障樹結(jié)構(gòu)

圖5 BCU 觸發(fā)緊急電制動失效的故障樹結(jié)構(gòu)

結(jié)構(gòu)重要度分析是根據(jù)故障樹結(jié)構(gòu)分析各基本事件的重要程度，是一種定性分析方法，反映改善某一基本事件的難易程度。通過結(jié)構(gòu)重要度的分析結(jié)果，可以確定各基本事件對“緊急制動失效”的影響大小和風(fēng)險控制措施的優(yōu)先順序。

假設(shè)故障樹的基本事件數(shù)為 n，則第 i 個基本事件的結(jié)構(gòu)重要度為

由公式⑴計算得出高速動車組緊急制動失效各基本事件的結(jié)構(gòu)重要度結(jié)果如表1 所示。

由表1 可以得到導(dǎo)致緊急制動失效發(fā)生可能性較高的主要故障因素如下。

表1 緊急制動失效各基本事件的結(jié)構(gòu)重要度結(jié)果

（1）乘客緊急裝置自身故障、制動信號監(jiān)測系統(tǒng)故障、緊急電制動執(zhí)行失敗/故障、司機(jī)未接受報警、電氣 ( 列車保護(hù)警惕系統(tǒng) ) 故障、機(jī)械 ( 列車保護(hù)警惕系統(tǒng) ) 故障 6 項故障影響最大。其中，4 項為緊急制動信號觸發(fā)裝置自身故障，包括機(jī)械故障或電器故障；1 項為緊急電制動執(zhí)行系統(tǒng)故障，屬牽引執(zhí)行系統(tǒng)故障；1 項為人為因素原因。

（2）斷電啟動緊急信號 ( 硬線 ) 傳輸故障、緊急電磁閥未激活、中繼閥故障、分配閥故障、繼電器電路故障、電氣 ( 緊急按鈕 ) 故障、機(jī)械 ( 緊急按鈕 ) 故障、列車保護(hù)警戒裝置故障、列控緊急信號產(chǎn)生故障、制動排風(fēng)管路堵塞、風(fēng)管風(fēng)壓不足 ( 信號傳輸 )、基礎(chǔ)制動裝置故障、制動缸裝置故障 13項故障對緊急制動失效的影響次之。其中，信號傳輸故障 2 項，控制閥類故障 4 項，與緊急制動信號產(chǎn)生裝置故障相關(guān)的故障有 3 項，與基礎(chǔ)制動裝置相關(guān)的故障有 3 項，列車安全保護(hù)裝置故障 1 項。

4 高速動車組緊急制動失效的風(fēng)險控制措施

風(fēng)險控制的基本原理是通過分析目標(biāo)風(fēng)險事件，找到導(dǎo)致目標(biāo)風(fēng)險事件發(fā)生的直接原因和基本原因，然后通過預(yù)先設(shè)置的控制措施降低目標(biāo)風(fēng)險事件發(fā)生的概率。風(fēng)險控制是對于潛在原因的管理，重點(diǎn)在于防止目標(biāo)風(fēng)險事件的發(fā)生，從而避免由其發(fā)生所導(dǎo)致的對系統(tǒng)、環(huán)境和人員造成的傷害[8]。

在兼顧安全性和經(jīng)濟(jì)性的原則下，可以對上述分析得到的各基本事件中發(fā)生可能性較高的主要故障因素重點(diǎn)制定預(yù)防高速動車組緊急制動失效的風(fēng)險控制措施。結(jié)合高速動車組實際情況，研究提出了包括產(chǎn)品源頭質(zhì)量控制、定期養(yǎng)護(hù)維修、人員強(qiáng)化培訓(xùn)、控制接口管理等多方面的控制措施。高速動車組緊急制動失效風(fēng)險控制措施如下。

（1）乘客緊急裝置自身故障、制動信號監(jiān)測系統(tǒng)故障、電氣(列車保護(hù)警惕系統(tǒng))故障、機(jī)械(列車保護(hù)警惕系統(tǒng))故障。源頭上可以通過制造商資質(zhì)許可、產(chǎn)品質(zhì)量認(rèn)證和有效監(jiān)管等實施質(zhì)量控制；此外按照產(chǎn)品說明定期養(yǎng)護(hù)維修也是必要條件，其中產(chǎn)品制造方和使用、維修方之間信息傳遞的有效和完善性需要格外重視。

（2）緊急電制動執(zhí)行失敗/故障。緊急電制動實施主要通過牽引系統(tǒng)工作狀態(tài)的轉(zhuǎn)換實現(xiàn)，需要考慮與制動系統(tǒng)之間的接口問題，合理定義牽引單元與制動單元的接口協(xié)議。

（3）司機(jī)未接受報警信息。駕駛?cè)藛T資質(zhì)許可、崗前培訓(xùn)、定期強(qiáng)化培訓(xùn)，值班期間作息制度的實施和監(jiān)督；定期職業(yè)健康檢查等。

（4）緊急電磁閥未激活、中繼閥故障、分配閥故障、繼電器電路故障。通過實施保障制度、定期檢測和養(yǎng)護(hù)維修，從源頭上進(jìn)行質(zhì)量控制；應(yīng)加強(qiáng)電磁閥和電路故障診斷。

（5）電氣(緊急按鈕)故障、機(jī)械(緊急按鈕)故障、列控緊急信號產(chǎn)生故障。產(chǎn)品源頭質(zhì)量保障，應(yīng)用場景試驗檢測，定期保養(yǎng)維護(hù)。

（6）制動排風(fēng)管路堵塞、基礎(chǔ)制動裝置故障、制動缸裝置故障。由于基礎(chǔ)制動裝置主要為機(jī)械裝置，應(yīng)采取源頭質(zhì)量保障制度、定期檢測及養(yǎng)護(hù)維修措施。其中，新產(chǎn)品的資質(zhì)許可、應(yīng)用前的試驗測試必不可少。

（7）列車保護(hù)警戒裝置故障。應(yīng)用試驗測試，故障導(dǎo)向安全設(shè)計，必要的安全評估。

（8）斷電啟動緊急信號(硬線)傳輸故障、風(fēng)管風(fēng)壓不足(信號傳輸)。硬線傳輸和網(wǎng)絡(luò)傳輸互為冗余安全設(shè)計，增加可靠性；此外，關(guān)鍵信息應(yīng)能夠通過硬線信息通道傳輸。針對風(fēng)管風(fēng)壓不足，可以對空壓機(jī)進(jìn)行定期維護(hù)和保養(yǎng)，并且對濾清器濾芯定期更換，合理制定干燥器各部件維護(hù)保養(yǎng)周期。

5 結(jié)束語

高速動車組緊急制動功能是保證高速動車組行車安全的重要功能。利用大型可靠性分析軟件Isograph，開展基于故障樹方法的緊急制動失效風(fēng)險分析，結(jié)果表明乘客緊急裝置自身故障、制動信號監(jiān)測系統(tǒng)故障、緊急電制動執(zhí)行失敗/故障、司機(jī)未接受報警、電氣 ( 列車保護(hù)警惕系統(tǒng) ) 故障、機(jī)械 ( 列車保護(hù)警惕系統(tǒng) ) 故障對緊急制動失效的影響最大，應(yīng)從加強(qiáng)產(chǎn)品源頭質(zhì)量管理、運(yùn)用過程中的定期養(yǎng)護(hù)維修、強(qiáng)化司乘人員培訓(xùn)和職業(yè)健康安全管理、加強(qiáng)子系統(tǒng)間接口管理等方面設(shè)置風(fēng)險控制措施，降低該風(fēng)險事件發(fā)生的概率，以達(dá)到動車組緊急制動功能的安全可靠。

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責(zé)任編輯：馮姍姍

Study on Safety Risk Analysis of High-speed EMU Emergency Braking and Its Countermeasures

Based on expounding high-speed EMU braking system and fault tree analysis, this paper analyzes the working principle of high-speed EMU emergency braking. According to the trigger principle of 3 types of emergency braking, such as air discharging of EMU train pipe, loop break of emergency braking and emergency breaking order, by using fault tree analysis, the fault tree model of emergency breaking failure was established by applying the large-scale analysis software—Isograph, through calculating the structure importance degree of basic event, the main fault factors which causing higher possibility of emergency breaking failure was achieved, and then the preventive control measures on reducing the occurrence probability of the risk events was pointedly put forward. Key Words: High-speed EMU; Emergency Braking; Fault Tree Analysis; Risk Control

1003-1421(2015)06-0033-06

U298.1；U292.91+4；U260.35

A

2015-05-11

鐵路科技研究開發(fā)計劃項目(J2013J004；2011T009)