異物侵限監測子系統運用失效的故障樹分析

張翠兵

（中國鐵路總公司 運輸局，北京 100844）

異物侵限監測子系統運用失效的故障樹分析

張翠兵

（中國鐵路總公司 運輸局，北京 100844）

異物侵限監測子系統是高速鐵路自然災害及異物侵限監測系統的重要組成部分，對高速鐵路運行安全起到了重要的保障作用。本文采用故障樹分析方法，通過對異物侵限監測子系統中可能發生的重要或影響安全的故障進行辨識，建立了異物侵限監測子系統故障樹模型。通過對最小割集和結構重要度的分析，將各設備故障按其影響程度重要程度進行了排序，并用故障樹分析方法進行了評價，所得結論可供系統完善和運營維護參考。

異物侵限監測子系統；故障樹模型；最小割集；結構重要度

高速鐵路異物侵限監測子系統（簡稱：異物監測系統）是高速鐵路自然災害及異物侵限監測系統（簡稱：災害監測系統）的重要組成部分，主要由設置于公跨鐵橋梁兩側的雙電網傳感器、現場控制器、監控單元及監控數據處理設備等組成[1～2]。一旦有異物撞壞雙電網墜入鐵路，監控單元立即通過繼電接口電路聯動觸發信號系統使相關列車停車，并向列車調度員發出異物侵限報警信息。災害監測系統自投入運用以來，對高速鐵路運行安全起到了重要的保障作用，但在運用中也出現了系統可靠性較低、故障和誤報頻發等問題[3]。針對災害監測系統的故障問題，李曉宇等從設計、施工及維護方面進行分析，并提出了系統優化措施及相關建議[3]。周小明分析了滬寧城際鐵路防災系統中電源故障類型[4]。周紹華介紹了異物監測系統的功能及組成，提出了系統檢查維護周期建議和故障導致軌道電路紅光帶后的應急處置方法[5]。上述研究大多側重于異物監測系統某一類設備故障，并沒有從系統本身去進行分析。本文采用故障樹分析方法（FTA，Fault Tree Analysis），通過對異物監測系統中可能發生的重要或影響安全的故障進行辨識，建立了異物監測系統故障樹模型，分析各設備組成的重要程度，為系統完善和運營維護提供參考。

1 異物監測系統設備的故障類型

異物監測系統主要由雙電網傳感器、現場控制器、監控單元、傳輸電纜及相關接口繼電器構成。組成異物監測系統（不考慮監控數據處理設備故障）的各類設備均有可能發生故障，相關網絡通道也有可能故障，如雙電網傳感器、現場控制器、基站電源、防災電源箱、電纜、監控主機、繼電器、防雷及通信網絡等均會發生故障，但對行車影響最大的是故障導致軌道電路出現紅光帶。綜合系統各類設備故障分析，能導致軌道電路出現紅光帶的設備故障主要有雙電網斷線、電源失效、繼電器故障等幾大類，設備故障的產生主要由系統設備電氣不良、電纜及施工工藝導致。根據異物監測系統開通運營以來的故障表現形式，結合專家調查和故障源辨識，得到表1所示的異物監測系統運營期故障分類。

表1 運營期故障分類表

2 異物監測系統故障樹分析

2.1 故障樹分析方法

故障樹分析方法是一種對復雜系統進行可靠性、安全性分析及預測的方法。它通過對可能造成產品故障的硬件、軟件、環境和人為因素等進行分析，畫出故障樹，從而確定產品故障原因的各種可能組合方式和其發生概率的一種分析技術。故障樹定性分析的目標在于尋找最小割集，即導致頂事件發生的原因事件及原因事件的組合。

故障樹分析方法的分析流程如圖1所示。（1）準備相關資料，進行初步的分析，這個步驟在整個故障樹分析過程中起到了關鍵性的作用，因為建立故障樹時難免會具有主觀性，這時候資料調研和初步分析就會直接影響故障樹的客觀性和全面性。（2）進行故障樹的建立和故障樹的定性分析。

2.2 異物監測系統故障樹的建立

按照上述故障樹分析基本流程，將系統失效所導致紅光帶的事件確定為頂事件，中間事件有監控單元故障、電源故障、現場采集設備故障等事件組成，基于異物監測系統運營期故障分類表，底事件編號與表1所示的運營期故障描述相對應。系統故障樹模型如圖2所示。

圖1 故障樹分析方法

圖2 異物監測系統故障樹

2.3 故障樹的最小割集

最小割集是所有可能導致系統（頂事件）故障的部件故障組合，異物監測系統運營期故障樹的最小割集求解如下：

可見，該故障樹的最小割集共有14個：{X1}、{X2}、{X3}、{X4}、{X5}、{X6}、{X7}、{X8}、{X9，X10}、{X9，X11}、{X12}、{X13}、{X14}、{X15}。每個最小割集代表一種導致故障發生的模式，導致頂事件發生的最小割集有2種類型：一階最小割集有12個，例如{X1}，表示雙電網傳感器內置雙電網斷開時，必然會導致異物監測系統繼電器落下，軌道電路出現紅光帶；二階最小割集2個，例如{X9，X10}，表示X10（基站電源故障）和X9（雙套UPS電源耗盡）同時發生時，必然會導致異物監測系統繼電器落下，軌道電路出現紅光帶。

2.4 故障樹的結構重要度

故障樹分析中的結構重要度為衡量各個底事件的發生對造成頂事件發生的重要度，它僅取決于故障樹的結構和諸底事件在故障樹中所處的地位。

若系統中某個底事件xi已經發生，即 xi=1，記為；若系統中某個底事件xi不發生，即xi=0，則記為。

如果其余xi的取值已定時，使頂事件發生，即，而使頂事件不發生，即，則可認為底事件i的發生對頂事件的發生是重要的。

式中，n為底事件的總數； ∑是對2n–1個不同向量求和，顯然有1≤nφ(i) ≤2n–1。

根據結構重要度的定義，可得底事件i的結構重要度計算公式為：

Iφ(i)越接近1，說明底事件i在結構上越重要，因此設計時應增加底事件的可靠性。

由前面求得的最小割集，按結構重要度的定義對各底事件的結構重要系數進行分析[7]：

（1）一階（單事件）最小割集中的底事件結構重要度大于所有高階最小割集中底事件的結構重要度。一階割集X1、X2、X3、X4、X5、X6、X7、X8、X14、X15代表的底事件的結構重要度大于二階割集X9、X10、X11的代表的底事件的結構重要度。

（2）僅在同一最小割集中出現所有底事件，結構重要系數相等（在其他割集中不再出現）。一階割集中，X1、X2、X4、X5、X6、X7、X8、X15代表的底事件出現了1次，則有I1= I2= I4= I5= I6= I7= I8= I15。

（3）比較兩底事件，若與之相關的割集階數相同，這兩事件結構重要系數大于高階割集中底事件重要系數。階數相同，重要系數相同。一階割集中，X12、X13代表的底事件出現了3次，X3、X14代表的底事件出現了2次，則有I12= I13＞I3=I14，而X1、X2、X4、X5、X6、X7、X8、X15代表的底事件出現了1次，則有I12= I13＞I3=I14＞I1= I2= I4= I5= I6= I7= I8=I14= I15；二階割集中，X9代表的底事件出現了2次，X10、X11代表的底事件出現了1次，有I9＞I10= I11。

綜合上述分析，按各底事件的結構重要度系數對異物監測系統故障樹進行底事件結構重要度排序，I12= I13＞I3=I14＞I1= I2= I4= I5= I6= I7= I8=I15＞I9＞I10= I11。其中，對異物監測系統運營期影響最大的故障是：電纜斷路、電纜絕緣不良導致短路、接線不牢導致線纜斷開、防雷單元遭擊穿或短路等。

2.5 故障樹分析評價

（1）故障樹分析中有14個最小割集，就表示運營期存在14種引發設備故障的可能，其中，邏輯或門占絕大多數，根據或門的定義可知，只要有一個基本事件發生就必然有事件輸出。雖然影響程度各異，但對于保持異物監測系統的正常運用，應引起設備管理部門和維護單位高度重視。

（2）由故障樹分析可知，上述故障樹包含了12個邏輯門，其中邏輯或門11個，邏輯與門1個。邏輯與門中當外電（即基站電源和防災電源箱失效）無輸入的情況下，基站監控單元完全依靠UPS供電，按高速鐵路災害監測系統相關設計規定[2]，UPS供電時間一般為1.5 h，雙套UPS供電可維持3 h左右。一旦出現外電無輸入的情況，盡管此時異物監測系統無異常，但設備維護單位要高度重視，應盡快趕往通信基站查看外電輸入情況，避免出現因UPS電源耗盡導致繼電器落下造成軌道電路紅光帶，或出現因外電失效未能及時處置導致系統失效影響行車的故障。

（3）通過對故障樹的結構重要度分析，異物監測系統運營期影響最大的故障是電纜斷路、電纜絕緣不良導致短路、接線不牢導致線纜斷開、防雷單元遭擊穿或短路等。這就要求設備管理單位經常進行檢查，特別是防雷單元這類薄弱元器件的檢查和測試，一旦發現問題，抓緊進行更換。又如西寶高鐵也發生過現場控制器內電纜松動造成系統故障的事件；杭深、武廣高鐵分別發生過由于電纜絕緣或接觸不良導致電壓不足造成系統故障的事件。此類故障一旦發生，排查比較繁瑣，對行車秩序影響也比較大。應該說，這幾類故障與施工工藝與施工質量有很大關系，這就要求建設單位和施工單位高度重視電纜的接續與絕緣處理，避免將問題帶到運營期。

3 結束語

由異物監測系統故障為頂事件的故障樹的建立及分析過程可以看出，故障樹分析技術在高速鐵路災害監測系統故障分析中可發揮重要作用。故障樹分析技術直觀、明了，思路清晰，邏輯性強，既可做定性分析，也可作定量分析。目前，采用故障樹分析技術對高速鐵路災害監測系統進行建模、分析的研究開展得還很少，本文在這方面做了一個有益的嘗試，由于缺乏系統各設備準確的失效概率，暫無法計算頂上事件的發生概率，僅從結構重要度方面進行了定性分析，所得結論可供災害監測系統設計、施工和維護人員參考。

在實際運用中，隨著災害監測系統長期運營經驗的積累，各類設備故障數據和失效概率的建立，可計算出頂上事件的發生概率，同時通過分析基本事件的概率重要度，進一步明確在影響頂上事件的基本事件中，減少哪個基本事件的發生概率可以有效地降低頂上事件的發生概率。從而確定失效或危險事件發生的概率或允許發生的概率，找到系統的薄弱環節。針對這些薄弱環節采取恰當的改進或完善措施，并落實到產品設計工作中，能夠為系統設計和產品升級完善提供科學合理的依據，同時維護部門在日常維護中，要有意識地進行重點病害檢查和測試，隨時掌握設備的狀況，能夠為維護部門制定維修保養計劃和安全管理措施提供可靠的建議。

[1]中國鐵路總公司.鐵總科技〔2013〕35號 高速鐵路自然災害及異物侵限監測系統總體技術方案[S].北京：中國鐵道出版社，2013，2.

[2]中國鐵路總公司.鐵總建設〔2013〕86號 鐵路自然災害及異物侵限監測系統工程設計暫行規定[S].北京：中國鐵道出版社，2013，9.

[3]李曉宇，張 鵬，戴賢春，等.高速鐵路自然災害及異物侵限監測系統運用及管理優化研究[J].中國鐵路，2013（10）：21-25.

[4] 周小明.滬寧城際鐵路防災系統中電源故障的分析與處理[J].上海鐵道科技，2013（2）：72-74.

[5]周紹華.淺談異物侵限監測子系統維護[J].鐵道通信信號，2013（7）：61-67.

[6]史定華，王松瑞.故障樹分析技術方法和理論[M].北京：北京師范大學出版社，1993.

[7]國家安全生產監督管理總局.編安全評價[M].3版（上冊）.北京：煤炭工業出版社，2005.

責任編輯 徐侃春

Fault Tree Analysis for failure of Foreign Object Invasion Monitoring Subsystem during operation period

ZHANG Cuibing
( Transport Administration,China Railway,Beijing 100844,China)

As an important part of High Speed Railway Natural Disaster and Foreign Object Invasion Monitoring System,the Foreign Object Invasion Monitoring Subsystem played an important part for the safety of high-speedrailway’s operation.In this article,Fault Tree Analysis(FTA) was applied to establish the analytical models for the failure of Foreign Object Invasion Monitoring System based on the analysis of the failure factors of the Subsystem.Through analyzing the importance degree of the minimum cut sets and structure,the failure factors were sorted according to their infuence level,and evaluated by FTA.The results obtained can be used for reference to improve the operation and maintenance of the Subsystem.

Foreign Object Invasion Monitoring Subsystem;FTA model;minimum cut sets;structure importance degree

U238∶TP39

A

1005-8451（2016）01-0004-04

2015-05-11

張翠兵，高級工程師。