軌道交通車輛安全性評價體系與案例分析

華鵬,辛久元,盧碧紅

(1.中車長春軌道客車股份有限公司 國家軌道客車工程研究中心，吉林 長春 130000；2. 65066部隊 工程兵教研室，遼寧 大連 116001；3.大連交通大學 機械工程學院，遼寧 大連 116028)

0 引言

伴隨著國家走出去的發展戰略，我國越來越多的軌道交通車輛制造企業，為全世界各地用戶提供了各式各樣的軌道交通產品和服務.國際行業內，特別是歐美發達國家，對于軌道交通車輛的安全性提出了極高的要求[1-2].軌道交通行業目前針對運營安全保障體系進行了深入的研究，各主要軌道交通運營方都建立起自己的系統安全保障體系，但對于軌道車輛的專項安全性評價體系的研究還不夠全面深入[3- 4].

我國關于軌道交通車輛的安全性評價，國內各整車制造企業在設計階段雖然進行了對車輛的安全性分析和評價相關工作，但還不夠系統和深入，也沒有得到充分重視[5].因此建立一整套完善的軌道交通安全評價體系勢在必行.

作者認為軌道交通車輛安全性評價應該從安全性評價對象-軌道交通車輛安全相關系統、全生命周期安全評價階段、軌道交通車輛安全性分析方法、行業內安全性相關標準、安全評價要素這5個維度開展，為此本文建立了軌道交通車輛的安全評價體系，具體內容如圖1所示.

圖1 軌道交通車輛的安全評價體系

1 全生命周期安全評價階段

軌道交通車輛的安全與否關系到廣大人民群眾的生命財產安全，需要軌道交通車輛的生產制造單位、運營單位和維修維護單位密切配合.在軌道交通車輛的全生命周期均應該關注影響車輛安全性的相關事宜，確保車輛一直處于安全的狀態.故安全性評價工作貫穿軌道交通車輛全生命周期，包括車輛的設計、制造、調試及試驗、試運行、運營及維護階段，每個階段關注的車輛安全性內容又各有側重，具體內容如下.

1.1 設計階段

根據EN50126行業標準[6]，軌道車輛的設計階段從概念設計到詳細設計，通過危害分析(包括初步危害分析、系統/子系統危害分析、接口危害分析、運營及維護危害分析)、故障樹分析、安全原則及規范要求的符合性評估等方法，對車輛的整個設計過程進行安全性分析和評估，發現車輛安全性的薄弱環節，并及時修改完善設計方案，確保車輛的設計安全.

1.2 制造階段

當車輛處于制造階段，安全評價重點關注的內容是制造過程中相關人員是否按照設計及工藝文件來執行.同時重點關注在設計過程中識別的危害源，在制造過程中需要采取的減輕措施是否都按照要求開展了相關工作.

1.3 調試及試驗階段

調試及試驗階段，安全評價重點關注的內容是在車輛調試、開展車輛型式和例行試驗的過程中，發現了哪些影響安全的故障，是否對于所有影響安全的故障都進行了閉環管理等.同時重點關注在設計過程中識別的危害源，在調試及試驗過程中需要采取的減輕措施是否都按照要求開展了相關工作.

1.4 試運行和運行及維護階段

當車輛處于試運行階段和運行及維護階段時，需要軌道交通車輛運營方，根據車輛主機廠提供的司機操作手冊、維護手冊等材料，并根據實際的運營經驗，制定適合本項目車輛的運營方式方法及安全管理制度，并在車輛試運行階段積累故障數據，對于影響運營可靠性和安全性的重大故障，要及時發現并組織相關人員進行故障分析、糾正，實現閉環管理.

2 軌道交通車輛安全相關系統

主機廠在開展安全性分析工作過程中，對車輛的所有系統和設備都會進行分析工作.但基于安全性評價工作的有效性考慮，可以主要針對車輛的安全性關鍵系統進行重點評價，例如軌道車輛的轉向架系統、制動系統、供風系統、車鉤系統、整車控制環路等系統進行專項的安全性評價工作，保證車輛的關鍵系統具有較高的安全性.

3 行業內安全性相關標準

軌道交通行業內，進行安全性分析工作通常是應用EN5012X系列標準，包括EN50126-1:1999鐵路應用—RAMS技術條件和驗證，EN50126-2: 2007鐵路應用—EN 50126-1的安全性應用指南，EN50126-3:2006鐵路應用 EN 50126-1的軌道車輛RAMS標準應用指南，EN 50128:2001鐵路應用—通信、信號和處理系統—鐵路控制與保護系統軟件，EN 50129:2003鐵路應用-通信、信號和處理系統-信號的安全相關電子處理系統等.在相關標準中明確規定了軌道交通行業開展安全性分析工作的具體內容和方式方法，為在軌道交通行業內推進RAMS工作的應用，提升車輛的可靠性和安全性起到了至關重要的作用.

4 軌道交通車輛安全性分析方法

4.1 故障模式、影響及危害性分析(FMECA)

故障模式、影響及危害性分析采用“自下而上”的方式，評估各部件或子系統發生故障的可能性，對系統性能的影響及影響的嚴重程度.FMECA從系統中在線可更換單元(LRU)開始從下往上分析[7].根據風險矩陣中的風險后果，對類別為“嚴重”后果及以上甚至更嚴重的故障模式，將關聯到危害登記冊中進行管理.

4.2 量化風險評估(QRA)

主機廠通過進行量化風險評估的分析方法，用故障樹分析的方法確定可能導致乘客和/或員工死亡的各個危險源的風險等級.通常QRA由下列過程組成：

主機廠在進行量化風險評估時，必要時還將利用事件樹分析方法來評估復雜系統(例如：具有冗余設計、 故障監測與保護設計的系統) 的所有潛在后果.人為因素(human factor) 及環境因素等影響將包括在內.在量化風險評估分析中所采用的「頻率」及「概率」均將參考相似系統的運營數據及安全記錄，并根據項目的特性做出適當調整.

4.3 危害分析及危害登記冊

危害分析是針對系統的潛在危險進行系統的分析，在工程項目的適當階段將用作為安全評估技術，有助于做出優化安全的變更.主機廠在進行設計、開發、生產及測試時，應考慮有關危害及其減輕措施，并將有關的減輕措施納入系統設計、開發、生產及測試中.

通過危害登記冊，記錄與合同規定有關的所有危害，對已確定的危害進行審核和跟蹤，提供風險減輕措施，并監控危害關閉過程.任何由軌道交通車輛的用戶、設計團隊、RAMS團隊或者任何相關部門所識別的新的危害都應加到危害登記冊中，并且在整個項目執行過程中進行監控.

5 安全評價要素

在開展安全性評價工作時，評估人員可以從設計方案及細節、車輛接口、噪聲、振動、防火、電磁兼容、禁用物質、人機工程等方面來評價軌道交通車輛安全性水平[8].

5.1 設計方案及細節安全性評價

通過設計安全審查工作，從功能和硬件兩個層面，審核設計過程中安全性的相關分析與設計方案是否一致，設計方案是否全面完整地考慮了所有安全性分析工作的相關內容，并在車輛級/系統級設計過程中全面實現.

5.2 車輛接口安全性評價

車輛的接口包括車輛內部各系統間的接口以及車輛與外界環境與其他設施的外部接口.車輛接口安全性評價主要是針對所有車輛內部接口和外部接口，審核設計過程中接口設計方案與安全性分析是否一致，接口設計方案是否全面完整地考慮了所有安全性分析工作的相關內容，并在接口設計過程中加以實現.

5.3 車輛特殊工程安全性評價

車輛特殊工程安全性評價主要是評價各系統在安全性分析過程中，對于噪聲、振動、防火、電磁兼容等相關危害識別是否全面，針對危害是否有足夠的減輕措施，以及對應的危害關閉證據是否都已經完成，確認相關危害得以關閉.

5.4 人機工程安全性評價

人機工程安全性評價主要是評價在列車設計過程中，是否基于人機工程理論進行了人機工程研究？是否開展了人機工程相關危害識別工作、將識別的危害有效傳遞給了安全工程師、并整合到車輛的危害登記冊之中？

5.5 禁用物質安全性評價

禁用物質安全性評價主要是評價在設計過程中，是否使用了國際/國家相關標準中明確禁止應用在軌道交通車輛之上的物質？對于禁用物質是否有明確的管理過程及相關責任人？在保證安全性的同時也能避免法律官司和經濟損失.

6 安全性評價案例

軌道交通的安全性評價工作貫穿于產品全生命周期的各個階段，作為一項系統工程，進行案例展示將十分龐雜，本文針對軌道交通車輛外門系統案例進行安全性分析與評價.

根據列車的功能危害分析給出下列外門系統的安全性要求：

(1)在列車啟動過程中外門不能關閉的概率應低于5E-7每次運行;

(2)在列車啟動過程中外門不能關到位的概率應低于5E-7每次運行;

(3)在列車需要開門時外門不能打開的概率必須低于5E-9每次運行;

(4)在列車啟動過程中外門到位不能鎖上,誤指示已經鎖上的故障概率必須低于5E-9每次運行.

……

6.1 安全性要求驗證表

外門的設計完全按照安全性要求進行設計，表1顯示的是對每條安全性要求進行的驗證結果.

6.2 FMECA結果

通過對列車外門進行FMECA可以得出：外門無任何單一故障對列車產生災難性的影響.故障模式故障數據主要來源于產品供應商提供的文件和產品使用統計.FMECA提供的故障模式失效概率作為FTA定量驗證的基礎為FTA底事件提供輸入概率.

6.3 FTA結果

以“列車門不能關閉”這一失效狀態進行驗證，通過故障樹對該事件進行定量驗證，驗證結果表明:列車外門設計符合安全性設計目標和要求.表2給出了對所有重要失效狀態進行故障樹驗證的結果.

表1 外門系統安全性要求驗證表

表2 外門FTA驗證表

6.4 其它相關安全性要求的驗證結果

通過設計檢查確認設備的設計和安裝布置滿足安全性設計準則和相應的規范.

6.5 評估結果

以上分析結果表明，列車外門系統的設計滿足所要求的安全性要求，達到了預期的安全性目標.

7 結論

基于軌道交通車輛安全性相關標準及安全性分析及評價工作的相關經驗，在對全生命周期安全評價階段、行業內安全性相關標準、軌道交通車輛安全相關系統、安全性分析方法以及安全評價要素這五個維度進行了深入分析的基礎上，初步建立了軌道交通車輛安全性評價體系，針對軌道交通車輛外門系統進行安全性分析與評價，為深入開展軌道交通車輛的安全性評價提供了體系化方法與案例支持，為行業內針對軌道交通車輛的安全性評價工作起到了指導和借鑒作用，并希望在未來的軌道交通車輛安全性評價開展過程中，不斷完善此評價體系，使之更好地服務于軌道交通行業，提高產品安全性設計水平.