試論基于故障樹的地鐵車輛客室自動門系統可靠性分析

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可靠性分析

郝 博

南車青島四方機車車輛股份有限公司

郝博，1986年12月，男，漢族，甘肅慶陽，助理工程師，質量管理。

近年來，地鐵運行過程中由于自動門系統發生故障導致的事故數不勝數。由于自動門系統數量多、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的可靠性進行了分析。

我國的城市交通壓力日益嚴重，為了緩解這種壓力，有相當一部分城市開始引入城市地鐵系統。對城市地鐵來說，保障運作安全是第一位的，而現在的城市地鐵基本都在車輛客室上使用了自動門系統，這種系統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的故障。在這種情況下，自動門系統的可靠性受到了質疑，基于此種原因，本文將通過故障樹對該系統的可靠性進行分析，希望能為地鐵系統的優化提供一定的理論依據。

故障樹概述

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

從本質上來看，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函數手段，但是由于易于理解、而且也確保了最基本的分析準確性，所以在非大系統分析中依然非常受青睞。本文所述的地鐵車輛自動門系統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的可靠性，最基礎的環節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，以將建樹范圍確定下來。對本文分析的地鐵自動門系統來說，建樹范圍應囊括自動門系統直接發生的與其引發的所有故障。

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重的故障為頂上事件，另一種方法是選擇發生率最高的故障為頂上事件，具體選擇哪種方法應根據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“自動門系統在車輛運行狀態下錯誤打開”。

圖1　地鐵自動門系統中“自動門系統在車輛運行狀態下錯誤打開”的故障樹示意圖

頂上事件確立后，需要以此為基礎進行推導分析，先找出頂上事件發生的直接原因，對相應的中間事件進行層層遞進的因果關系推導，一直推導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，并從中發現故障控制的關鍵點。具體來說，針對地鐵自動門系統的定性分析要將頂上事件發生的全部原因、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生概率，通過概率的大小可以確認自動門系統運作的主要控制點，概率越大，可靠性也就越低，在控制上更應優先注意。對本文所建立的故障樹來說，失效模式和故障樹的對應關系非常明確，失效模式、失效因素和故障樹的最小割集都呈單一對應關系，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系，具體來說，定量分析就是利用確定的底事件發生概率計算頂上事件的概率與定量指標。

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作計算模型，確認已知的各項底事件的發生概率，然后將自動門系統失效這一頂上事件的發生概率推導計算出來，這樣一來就可以評估自動門系統，確認其風險性、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“正常”與“故障”這兩種狀態的概率視為絕對的0和1，這樣一來就可以得到全部底事件的發生概率。之后依據故障樹的總體邏輯結構，自下而上展開逐級運算，直到推導出頂事件概率。由于本故障樹應用了“與”門和“或”門兩者邏輯結構，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。根據這些概率和故障樹結構，可以依次計算出P（6）到P（0）的數值，其中P（0）即為頂上事件的發生概率。最終定量分析結果為，頂上事件發生概率7.67×10-8。

結語

綜上可知，通過故障樹分析地鐵車輛的客室自動門系統首先要進行完善化、合理化、全面的故障樹建立，然后以此為基礎，運用數學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。將獲得結果與相關標準和同類系統對比可知，地鐵自動門系統具有較高的可靠性。

10.3969/j.issn.1001-8972.2015.06.025