張 菊 王若昆

(南京鐵道職業(yè)技術(shù)學(xué)院， 南京 210031)

基于FMECA和FTA的軌道電路系統(tǒng)安全性分析

張 菊 王若昆

(南京鐵道職業(yè)技術(shù)學(xué)院， 南京 210031)

軌道電路作為列車運行控制系統(tǒng)的重要基礎(chǔ)設(shè)備，其性能直接影響行車安全和運輸效率。隨著鐵路運營速度的不斷提高，對軌道電路系統(tǒng)的RAMS要求大大提高，鑒于軌道電路系統(tǒng)的重要地位及其故障頻發(fā)的現(xiàn)狀，對其開展系統(tǒng)地安全性分析十分必要。文章運用安全分析理論與方法對我國高速鐵路廣泛使用的客運專線ZPW-2000A型軌道電路系統(tǒng)開展安全性分析，通過FFA及FMECA方法確定了系統(tǒng)的頂層隱患，通過FTA方法定性、定量地分析了隱患產(chǎn)生的所有原因及原因組合,運用最小割集概率重要度確定了導(dǎo)致各隱患發(fā)生的最主要因素，并計算得到了各頂層隱患的發(fā)生概率。本文最后以此為依據(jù)對改善系統(tǒng)應(yīng)用性能提出了相關(guān)的意見和建議。

軌道電路； 安全分析； 風(fēng)險評估； 隱患

軌道電路系統(tǒng)作為列車運行控制系統(tǒng)的重要基礎(chǔ)和核心，是鐵路行車安全的重要保障[2]。據(jù)調(diào)查，一般中小鐵路局一年發(fā)生的信號設(shè)備故障多達1 400多件，造成行車總延時1 000多小時，軌道電路故障發(fā)生幾率最高，約占信號故障總數(shù)的36%。軌道電路自身的性能直接影響運輸效率和行車安全，軌道電路故障輕則影響行車，降低運輸效率，重則導(dǎo)致安全事故，造成財產(chǎn)損失并危及人員生命。

隨著鐵路運營速度的不斷提高，對軌道電路的RAMS(可靠性、可用性、可維護性與安全性)要求大大提高，但目前國內(nèi)外尚未見公開發(fā)表對軌道電路安全性進行系統(tǒng)分析與評估的相關(guān)成果，這顯然不符合安全系統(tǒng)工程的原則和高速鐵路發(fā)展的需求。目前，世界發(fā)達國家已經(jīng)形成了一整套科學(xué)的安全評估、認證、管理體系，制定了一系列切實可行的安全評估的技術(shù)標準，如圖1所示。

圖1 歐洲鐵路系統(tǒng)安全性相關(guān)標準

2006年我國制定了等同于IEC 61508的國家標準GB/T 20438，而針對鐵路信號系統(tǒng)生命周期的各個階段的安全管理和評估，目前還沒有形成規(guī)范化的實施方法。針對軌道電路系統(tǒng)，已有的研究主要針對軌道電路故障診斷、可用性及維修決策等問題展開，旨在解決視情維修的問題，提高系統(tǒng)可用性和可靠性；還有學(xué)者針對軌道電路系統(tǒng)的發(fā)送器、接收器做了可靠性分析與試驗，但都并未對軌道電路系統(tǒng)的安全性進行定性與定量分析。

本文運用安全分析理論與方法對我國高速鐵路廣泛使用的客運專線ZPW-2000A型軌道電路系統(tǒng)開展定性和定量的安全分析，確定了軌道電路系統(tǒng)的關(guān)鍵隱患及其產(chǎn)生原因，并分析得到導(dǎo)致各隱患發(fā)生的最主要因素及概率，對改善產(chǎn)品性能、保障列車運行安全、提高運營效率具有十分重要的意義。

1 客運專線ZPW-2000A型軌道電路系統(tǒng)分析

客運專線ZPW-2000A型軌道電路系統(tǒng)由室內(nèi)設(shè)備和室外設(shè)備構(gòu)成。其系統(tǒng)構(gòu)成和內(nèi)部接口框圖，如圖2所示。室內(nèi)外設(shè)備主要包括：發(fā)送器、接收器、衰耗冗余控制器(包括單頻和雙頻)、防雷模擬網(wǎng)絡(luò)、調(diào)諧匹配單元、空心線圈、鋼軌線路、補償電容、SPT電纜、鋼包銅引接線、機械絕緣節(jié)空心線圈、扼流變壓器、扼流適配變壓器等。

圖2 區(qū)間軌道電路(電氣絕緣節(jié)-電氣絕緣節(jié))系統(tǒng)內(nèi)部接口框圖

客運專線ZPW-2000A型軌道電路系統(tǒng)的外部接口框圖，如圖3所示，本文以區(qū)間軌道電路系統(tǒng)為對象開展安全分析，其范圍為圖3中橢圓內(nèi)部(含接口)的部分。

圖3 軌道電路系統(tǒng)外部接口示意圖

軌道電路系統(tǒng)作為列控系統(tǒng)的重要組成部分，其主要任務(wù)[4]是調(diào)整狀態(tài)時，實現(xiàn)區(qū)段空閑檢查；分路狀態(tài)時，實現(xiàn)區(qū)段占用檢查；實現(xiàn)向車載設(shè)備信息的傳輸；區(qū)間軌道電路還要具備斷軌檢查功能。列車完整性檢查功能的實現(xiàn)，軌道電路系統(tǒng)只為其提供軌道占用信息依據(jù)，因此本文不作為軌道電路功能進行分析。系統(tǒng)頂層功能及外部接口功能如表1所示。

表1 軌道電路系統(tǒng)功能列表

2 系統(tǒng)安全分析方法

系統(tǒng)安全性分析是安全性工程的核心內(nèi)容，使用系統(tǒng)工程的原理和方法，辨識、分析系統(tǒng)存在的隱患因素，并根據(jù)實際需要對其進行定性、定量描述的技術(shù)方法。系統(tǒng)安全分析方法是安全分析結(jié)果科學(xué)性與合理性的重要保障，在系統(tǒng)的整個安全生命周期中，每個階段都有適用的分析方法。目前有數(shù)十種系統(tǒng)安全分析方法，適用于不同的安全分析過程，從分析邏輯方法的角度可分為歸納法和演繹法，從分析的數(shù)理方法的角度可分為定性和定量分析方法，定性的系統(tǒng)安全分析是定量的系統(tǒng)安全評價的基礎(chǔ)。

常用的幾種傳統(tǒng)安全分析方法，主要包括安全檢查表法(Checklist)、預(yù)先危險性分析法(PHA)、故障模式、影響及嚴重性分析法(FMECA)、故障樹分析法(FTA)、事件樹分析法(ETA)、危險性與可操作性研究(HAZOP)等。各種方法的比較情況如表2所示。

表2 傳統(tǒng)安全分析方法的比較

針對軌道電路系統(tǒng)進行安全分析時選取功能失效分析法(FFA)和故障模式、影響及嚴重性分析法(FMECA)進行系統(tǒng)隱患識別及初步原因分析；選用故障樹分析法(FTA)進行詳細定性和定量的原因分析，同時與FMECA的定性分析結(jié)果進行相互驗證與補充。

3 客運專線ZPW-2000A型軌道電路系統(tǒng)安全性分析

3.1 基于FFA和FMECA的系統(tǒng)隱患分析

軌道電路系統(tǒng)的隱患識別對象為系統(tǒng)功能，軌道電路系統(tǒng)由室內(nèi)和室外設(shè)備組成，各設(shè)備完成自身功能的同時，通過信息傳遞和交互實現(xiàn)軌道電路的系統(tǒng)功能。因此，首先利用功能失效分析法(FFA)識別系統(tǒng)頂層隱患，再進一步對子系統(tǒng)的每項功能進行故障模式、影響及嚴重性分析(FMECA)，對已識別的頂層隱患和原因進行驗證與補充，如圖4所示。

圖4 軌道電路系統(tǒng)隱患識別流程

(1)系統(tǒng)頂層隱患識別

軌道電路系統(tǒng)邊界處的隱患被稱為頂層隱患，系統(tǒng)頂層隱患的識別采用功能失效分析法(Functional Failure Analysis,FFA)，分析每個功能在各種可能的故障模式下對列車運行造成的影響及潛在的危險后果，并對其嚴重性進行初步界定。

FFA針對要分析的每個功能，全面考慮以下三類失效模式：①功能喪失；②在不需要時提供此功能；③功能錯誤。由于軌道電路系統(tǒng)的功能都是持續(xù)性的，因此不考慮“在不需要時提供此功能”這一類失效模式。頂層功能失效分析結(jié)果如表3所示。

表3 頂層功能失效分析FFA表頭

通過對軌道電路系統(tǒng)的頂層功能和外部接口的功能進行FFA，建立功能失效分析表，識別出ZPW-2000A/K無絕緣軌道電路系統(tǒng)的8個頂層隱患如表4所示。

表4 ZPW-2000A/K無絕緣軌道電路系統(tǒng)頂層隱患列表

(2)子系統(tǒng)功能FMECA

故障模式、影響及危害性分析方法(Failure Mode, Effects and Criticality Analysis, FMECA)是分析產(chǎn)品所有可能的故障模式及其可能產(chǎn)生的影響，并按每個故障模式產(chǎn)生影響的嚴重程度及其發(fā)生概率予以分類的一種歸納分析方法，是屬于單因素的分析方法。根本目的是從不同角度發(fā)現(xiàn)產(chǎn)品的各種缺陷與薄弱環(huán)節(jié)，并采取有效的改進和補償措施。本文主要進行功能FMECA，其基本分析步驟如圖5所示。

圖5 功能FMECA的步驟

根據(jù)GJBZ 1391-2006《故障模式、影響及危害性分析指南[5]》：確定的功能FMECA表格，如表5所示。

表5 本文采用的FMECA表頭

軌道電路子系統(tǒng)功能FMECA的初始約定層次為列控系統(tǒng)，約定層次為軌道電路分系統(tǒng)，最低約定層次為發(fā)送器、衰耗冗余控制器、接收器等?！熬植坑绊憽笔敲總€功能失效模式對該設(shè)備(發(fā)送器、衰耗冗余控制器、接收器等)的使用、功能或狀態(tài)的影響；“高一層次影響”是指該失效模式對軌道電路系統(tǒng)的功能或狀態(tài)的影響；“最終影響”是指對整個列控系統(tǒng)及行車所產(chǎn)生的影響。

將通過子系統(tǒng)FMECA識別出來的隱患與系統(tǒng)頂層隱患進行匹配，其中大部分屬于導(dǎo)致頂層隱患發(fā)生的原因，最終分析得出的軌道電路系統(tǒng)安全功能相關(guān)隱患8項，非安全功能相關(guān)隱患11項，具體如表6所示。

3.2 基于FTA的系統(tǒng)隱患原因分析

識別系統(tǒng)隱患后，為了精確評價每個隱患發(fā)生的概率以及幫助確定降低隱患發(fā)生概率的措施，必須對導(dǎo)致隱患發(fā)生的原因進行詳細分析。本文選用故障樹分析(Fault Tree Analysis, FTA)方法進行詳細原因分析。

導(dǎo)致軌道電路系統(tǒng)隱患產(chǎn)生的原因事件已經(jīng)在前文隱患識別過程中進行了初步分析。為進一步補充、驗證導(dǎo)致系統(tǒng)隱患發(fā)生的原因及原因的組合，并定量計算隱患發(fā)生的概率，將識別的軌道電路系統(tǒng)的8個頂層隱患作為故障樹的頂事件，進行進一步的定性與定量分析。

根據(jù)軌道電路系統(tǒng)的功能及結(jié)構(gòu)特點，主要從硬件失效、接口失效、環(huán)境影響等方面分析各個隱患發(fā)生的原因，硬件失效主要是軌道電路設(shè)備本身失效，接口失效是系統(tǒng)間交互信息發(fā)送接收過程中出現(xiàn)的各種問題，環(huán)境影響主要考慮周邊系統(tǒng)的干擾(供電系統(tǒng)、相鄰軌道電路、應(yīng)用環(huán)境等)，人為因素主要考慮軌道電路調(diào)整不當?shù)取?/p>

表6 隱患識別結(jié)果表

故障樹建立的過程以“隱患H3：分路狀態(tài)時，軌道電路向外報告了軌道空閑信息”為例進行說明。故障樹中的頂事件用隱患編號表示Hi(i=1,2,3…,10)，基本事件用xj表示(j=1,2,3…)，中間事件用Mk表示(k=1,2,3…)。軌道電路系統(tǒng)頂層隱患H3的故障樹分析如圖6所示，由于軌道電路系統(tǒng)是一個串聯(lián)系統(tǒng)，所以元件失效之間的邏輯關(guān)系主要為“與門”。由于篇幅所限，本文僅給出隱患H3的故障樹分析。

圖6 隱患H3故障樹分析

(1)定性分析

通過下行法[6]求解故障樹的最小割集進行定性分析，尋找隱患H3故障樹的全部最小割集，如表7所示。

表7 隱患H3故障樹的全部最小割集求解

由此得出，隱患H3故障樹的全部最小割集為{x1}、{x2}、{x3}、{x4}...{x14}。綜上所述，“分路狀態(tài)時，軌道電路向外報告了軌道空閑信息”的原因主要有發(fā)送端、接收端各設(shè)備故障(發(fā)送器、接收器、衰耗冗余控制器和防雷模擬網(wǎng)絡(luò)盤)，傳輸通道故障(道砟電阻太大、鋼軌阻抗太小，輪軌接觸不良)，接口通信錯誤和人為調(diào)整錯誤(發(fā)送電平調(diào)整、防雷模擬網(wǎng)絡(luò)盤調(diào)整接線、衰耗盤封連端子連接)。

(2)定量分析

通過故障樹定量分析求出頂事件失效概率及最小割集概率重要度(Fussell-Vesely importance)。最小割集的發(fā)生會導(dǎo)致頂事件的發(fā)生，即頂事件發(fā)生是全部最小割集按邏輯“或”的集合，而最小割集的發(fā)生又是其中所包含全部底事件按邏輯關(guān)系“與”的集合。則由{x1,x2，…,xn}構(gòu)成的最小割集T的邏輯表達式為：

(1)

頂事件H的邏輯表達式為：

(2)

式中：k——故障樹的最小割集數(shù)。

根據(jù)相容事件的概率計算公式，頂事件發(fā)生的概率為：

(3)

當故障樹最小割集Ti(i=1,2,…,k)間相互獨立，則頂事件H發(fā)生概率表示為：

(4)

最小割集概率重要度(Fussell-Veselyimportance)為：

ITi=P(Ti)/P(H)

(5)

頂事件H3的故障樹的最小割集為{x1}、{x2}、{x3}、{x4}...{x14}，且相互獨立，則頂事件H3的發(fā)生概率：

最小割集概率重要度如表8所示，分析得出x8輪軌接觸不良是造成隱患H3發(fā)生的最主要因素，同時也有資料顯示鋼軌生銹嚴重或污染造成絕緣隔離層占分路不良成因的92.7%[9]，表明分析結(jié)果與實際應(yīng)用統(tǒng)計結(jié)果一致。

表8 隱患H3的最小割集概率重要度

采用以上故障樹分析方法，對其他隱患依次進行分析計算，得到系統(tǒng)各頂層隱患的發(fā)生概率如表9所示。

表9 系統(tǒng)頂層隱患失效頻率

定量分析結(jié)果表明隱患H2和H3的發(fā)生頻率最高，這與現(xiàn)場情況相一致，表明了分析結(jié)果的合理性。

3.3 改善系統(tǒng)應(yīng)用性能的建議

為了改善軌道電路系統(tǒng)應(yīng)用性能，提高系統(tǒng)的安全性，針對引發(fā)系統(tǒng)隱患的主要原因，現(xiàn)建議如下：

(1)通過引進高性能的電子元器件及芯片，提高各子系統(tǒng)的可靠性，從而降低由于設(shè)備故障而引發(fā)的系統(tǒng)隱患發(fā)生概率；

(2)加強室內(nèi)外設(shè)備日常巡視及維護工作，改善傳輸通道質(zhì)量；

(3)加強對于接口通信質(zhì)量的監(jiān)控，及時發(fā)現(xiàn)通信故障及錯誤；

(4)加強日常工作的管理，一人工作多人復(fù)核，降低由于人為因素造成的系統(tǒng)錯誤。

4 結(jié)論

軌道電路是典型的安全苛求系統(tǒng)，而影響軌道電路安全性的相關(guān)因素不僅繁多，而且十分復(fù)雜。本文綜述了國內(nèi)外對軌道電路系統(tǒng)安全評估領(lǐng)域的發(fā)展現(xiàn)狀，詳細分析了客運專線ZPW-2000A型軌道電路的系統(tǒng)構(gòu)成、接口及功能，根據(jù)安全分析流程，通過FFA和FMECA識別出軌道電路系統(tǒng)8個安全功能相關(guān)隱患和11個非安全功能相關(guān)隱患，通過故障樹FTA的定性分析得到導(dǎo)致軌道電路系統(tǒng)各隱患發(fā)生的原因大致分為4類：(1)軌道電路系統(tǒng)自身設(shè)備故障，導(dǎo)致軌道電路系統(tǒng)性能下降或不可用；(2)軌道電路系統(tǒng)外部接口通信故障，導(dǎo)致部分功能喪失或信息錯誤；(3)環(huán)境因素導(dǎo)致的傳輸通道參數(shù)變化，最終使得軌道電路系統(tǒng)發(fā)生功能錯誤；(4)人為因素，人為認知或操作失誤使端子連接或系統(tǒng)設(shè)置錯誤，導(dǎo)致軌道電路系統(tǒng)功能錯誤。定量計算得出了各隱患的發(fā)生頻率，結(jié)果表明軌道電路系統(tǒng)隱患H2和H3的發(fā)生頻率最高，這與現(xiàn)場情況相一致，表明了分析結(jié)果的合理性。

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(編輯：趙立紅 蘇玲梅)

Analysis on of Safety of Track Circuit System Based on FMECA and FTA

ZHANG Ju WANG Ruokun

(Nanjing Institute of Railway Technology, Nanjing 210031,China)

Track circuit system is an important infrastructure of the train control system. The performance of the track circuit directly influences transport efficiency and train operation safety. Accompanied with the constant improvement of the speed, the requirements for the RAMS of track circuit system are greatly improved. As the importance of the track circuit system and the situation of its frequent malfunctions, systematical safety analysis of the track circuit system is very necessary. This paper analyzes the safety of ZPW-2000A/K track circuit system widely used on Chinese high-speed railway by safety analysis theory and method. We identify top level hidden danger of the system by FFA and FMECA method. FTA method is used to qualitatively and quantitatively analyze the causes and combination of the causes, and get the main cause and probability of occurrence by probability importance of minimum cut sets. At last, this paper puts forward some related suggestions on improving the application performance of the track circuit system.

track circuit; safety analysis; risk Estimation; hidden danger

2016-08-01

張菊(1989-)，女，助教。 基金項目：南京鐵道職業(yè)技術(shù)學(xué)院青年科研基金項目(YQ150009)

1674—8247(2016)06—0023—07

U284.2

A