列車定位模塊的故障模式及故障樹分析

李 聰，王長林

（西南交通大學 信息科學與技術學院，成都 610031）

列車定位子系統是列車運行控制系統的關鍵技術之一。列車定位的基本功能是在任何時刻和地方都能夠按要求確定列車的位置。它必須保證提供正確的列車位置信息和列車定位技術的精密度。

高速鐵路中，CTCS-3級以后的區間線路不再劃分固定閉塞分區，即移動閉塞系統。前后列車在運動中保持安全的追蹤間隔距離，應大于或等于列車制動距離加上安全防護距離。列車運行控制系統必須實時地知道列車和前車的位置、速度等信息，計算許可的列車運行速度，并與列車的當前速度進行比較，決定是否需要采取制動措施，以保證安全的間隔。

1 列車定位技術

（1）軌道電路方案；（2）電子計軸方案；（3）測速測距定位方案；（4）查詢/應答器方案；（5）全球衛星定位系統法（GPS）；（6）軌道交叉感應電纜法；（7）多普勒雷達法；（8）慣性定位系統（IPS）；（9）無線擴頻通信定位法。

其中，列車定位測速測距定位系統是用于提供車輛的位置和速度等信息，它利用安裝在車輪輪軸上的速度傳感器測量車輪轉速，然后經過測速單元邏輯運算，得到列車的實際速度。由于車輪的磨損導致通過車輪直徑獲得路程數據誤差偏大，因此須結合雷達測速方法。雷達定時向地面發送微波，并根據反射微波與入射微波的夾角、入射時間和發射時間以及雷達距地面的距離計算出列車運行速度。進而根據速度計算出列車的走行距離。同時，利用安裝在軌旁或車載的定位輔助設備消除、減小列車走行距離的誤差，以確定列車的實時位置。其設備組成與車載接口如圖1。

2 定位系統故障模式及危害性分析

圖1 列車車載設備組成框圖

FMECA （故障模式影響及危害性分析）是分析系統或產品的故障模式及可能產生的影響，按每個故障模式產生影響的嚴重程度及其發生概率進行分類的一種歸納分析方法，是屬于單因素的分析方法。FMECA由故障模式及影響分析（FMEA）與危害性分析（CA）組成。在進行FMEA基礎上才能進行CA。FMECA 是開展維修性分析、安全性分析、測試性分析和保障性分析的基礎。以下參照GJBZ1391對系統進行功能故障模式分析。

2.1 功能和任務可靠性

根據列車定位系統原理繪制功能框圖如圖2。任務可靠性框圖如圖3。

圖2 定位系統功能層次及結構層次對應圖

圖3 定位系統任務可靠性框圖

2.2 約定層次

初始約定層次為定位模塊，約定層次為定位不確定和速度不確定，最低約定層次為信標（10），車載控制器（20），速度傳感器（60）。

2.3 嚴酷度定義

根據故障模式對定位不確定的最終影響程度，確定其嚴酷度。本文對嚴酷度的分類以EN50128為標準，描述如下：

I類（災難性的）：定位誤差極大造成沖撞，重大事故，人員傷亡。

II類（嚴重性的）：定位誤差很大造成停車不準確影響全線通過。III類（重大的）：定位誤差較大，停車不準確。IV類（不重要的）：定位誤差不可避免，在允許范圍內。

2.4 故障模式分析

定位模塊的故障模式主要從有關信息中分析得到。故障模式發生概率的等級分為A、B、C、D、E共5個等級，其具體定義如表1。

表1 故障模式發生概率的等級劃分

2.5 填寫FMECA表格

危害性分析(CA)是對產品每一個故障模式的嚴重程度及其發生概率所產生的綜合影響進行分類，以全面評價產品中所有可能出現的故障模式的影響。本文對定位系統進行定性分析，將 FMEA表、CA 表合并成“定位系統功能FMECA 表”。為了突出故障模式的嚴酷度分類和概率等級分類，簡化表示為表2。

表2 定位系統功能FMECA表

2.6 定性危害性矩陣分析

根據表2的結果，繪制定位系統危害性矩陣如圖4。

圖4 定位系統危害性矩陣

定位系統共有9個故障模式，其中嚴酷度為I類有0個，II類有4個，但考慮故障模式發生概率的因素，危害性最大的故障模式識別號為201，301，601，對此可定為關鍵的故障模式，并對其優先重點考慮改進。

3 故障樹分析

3.1 建立故障樹

定位系統故障樹結構如圖5。

將故障樹規范化，以方便找出故障樹最小割集。每個底事件都是一個最小割集。從系統分析得知，定位系統故障樹中各底事件是相互獨立的，此時頂事件可表示為：

且如果底事件Xi發生概率是qi，n表示底事件的個數。那么頂事件發生的概率可表示為：

3.2 故障樹重要度指標分析

3.2.1 故障樹概率重要度分析

在故障樹所有事件互相獨立的條件下，第i個底事件的概率重要度為：

由此公式可知，故障樹底事件發生概率最大的故障模式其概率重要度也最大，反之亦成立。3.2.2 故障樹結構重要度分析

故障樹中并非每個底事件同等重要。結構重要度分析，是從故障樹結構上分析各基本事件對頂事件發生的貢獻，即在不考慮基本事件發生概率，或設各基本事件發生概率相等的情況下，分析其對頂事件的貢獻。貢獻大小用數值表示，稱為基本事件結構重要度。

故障樹的結構函數定義為：

其中x1, x2,…, xn，為描述底事件狀態的布爾變量。若底事件xi發生為1，否則為0。

第i個底事件的結構重要度是：

其中，∑是對x1,…xi-1, xi+1, xn分別取0和1的所有可能求和。

進行結構重要度分析時，提出一種新的處理方法，對于底事件xj，令

3.3 算例

因為ATP定位系統所有設備、元器件的可靠度并不完全相同，根據以前運行時各種故障率統計，可將底事件失效率qi折中取為1×109/h，經計算得頂事件概率Q=0.9×10-8，底事件xi的概率重要度為0.9999，結構重要度為0.0039。由此可見，定位系統的安全性滿足安全完整性等級IV級。

4 結束語

本文針對引起定位不準確的可能故障模式，分析了每個故障模式的局部影響、對上層的影響、最終影響，極其危害性，為改進減小故障影響提供方法依據，有利于提高定位的準確性。并進一步建立故障樹，對其故障模式進行定量分析，得出最終發生概率，對定位系統的安全性給出定量的結論。這不僅對提高列車定位具有理論指導意義，也可作為實際運營中列車定位故障分析的借鑒。

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