基于故障樹(shù)分析法的道岔故障診斷與可靠性評(píng)估方法*

張 帆 黃世澤 郭其一 劉豪鵬 董德存

(1. 同濟(jì)大學(xué)道路與交通工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 201804， 上海；2. 同濟(jì)大學(xué)電子與信息工程學(xué)院， 201804， 上海//第一作者，碩士研究生)

隨著高速鐵路的快速發(fā)展，列車速度不斷提高，對(duì)鐵路信號(hào)設(shè)備的安全與可靠性提出了更高的要求。道岔作為鐵路信號(hào)車站聯(lián)鎖系統(tǒng)的重要組成部分，是排列列車進(jìn)路和實(shí)現(xiàn)進(jìn)路轉(zhuǎn)換的關(guān)鍵設(shè)備。由現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研發(fā)現(xiàn)，道岔故障常常是造成重大事故的主要原因之一[1]。目前，我國(guó)使用微機(jī)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)車站信號(hào)設(shè)備的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。而該系統(tǒng)尚缺乏完善的狀態(tài)監(jiān)測(cè)與故障診斷于一體的綜合功能,使得道岔故障原因仍需依靠人工經(jīng)驗(yàn)分析判斷，且故障處理時(shí)間較長(zhǎng)，效率較低，檢修人員經(jīng)驗(yàn)不足時(shí)還可能影響行車安全。所以當(dāng)?shù)啦沓霈F(xiàn)故障時(shí)，快速準(zhǔn)確地診斷出故障，并及時(shí)修理故障，成為一項(xiàng)重要的研究?jī)?nèi)容。

故障樹(shù)分析法(FTA)是一種分析、判斷系統(tǒng)可靠性和可用性的重要方法，通過(guò)對(duì)可能造成系統(tǒng)失效的各種因素(包括硬件、軟件、環(huán)境、人為等因素)進(jìn)行分析，建造故障樹(shù)，從而確定系統(tǒng)失效原因的各種可能組合方式及其發(fā)生概率，以預(yù)測(cè)系統(tǒng)的失效概率，并采取相應(yīng)的糾正措施來(lái)提高系統(tǒng)的可靠性和安全性[2]。

本文以ZD6型道岔轉(zhuǎn)轍機(jī)為例，詳細(xì)說(shuō)明了故障樹(shù)分析法在道岔轉(zhuǎn)轍機(jī)故障診斷中的應(yīng)用。采用故障樹(shù)分析法可快速有效地診斷出道岔故障，從而提高檢修效率及系統(tǒng)可靠性，保證行車安全。

1 道岔結(jié)構(gòu)

道岔是機(jī)車車輛從一股軌道轉(zhuǎn)入或越過(guò)另一股軌道時(shí)必不可少的線路設(shè)備，是鐵路軌道的一個(gè)重要組成部分。車站道岔如圖1所示。道岔的主要組成部分為轉(zhuǎn)轍機(jī)、轍叉、護(hù)軌、道岔連接部分。

轉(zhuǎn)轍機(jī)是道岔控制系統(tǒng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，用于轉(zhuǎn)換鎖閉道岔尖軌或心軌，表示監(jiān)督聯(lián)鎖區(qū)內(nèi)道岔尖軌或心軌的位置和狀態(tài)。ZD6型電動(dòng)轉(zhuǎn)轍機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖1 車站道岔

圖2 ZD6型電動(dòng)轉(zhuǎn)轍機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖

ZD6型電動(dòng)轉(zhuǎn)轍機(jī)整體動(dòng)作過(guò)程為：解鎖→轉(zhuǎn)換→鎖閉。首先，電動(dòng)機(jī)得電旋轉(zhuǎn)，通過(guò)齒輪帶動(dòng)減速器；其次，輸出軸通過(guò)起動(dòng)片帶動(dòng)主軸，鎖閉齒輪隨主軸逆時(shí)針?lè)较蛐D(zhuǎn)；最后，撥動(dòng)齒條塊，使動(dòng)作桿帶動(dòng)道岔尖軌運(yùn)動(dòng)，轉(zhuǎn)換過(guò)程中，通過(guò)自動(dòng)開(kāi)閉器的接點(diǎn)完成表示。

2 道岔常見(jiàn)故障分類

道岔常見(jiàn)故障按現(xiàn)象可分為3類：道岔不啟動(dòng)、道岔無(wú)表示和道岔空轉(zhuǎn)。道岔不啟動(dòng)即道岔啟動(dòng)電路發(fā)生故障。道岔無(wú)表示即道岔扳動(dòng)到側(cè)向通過(guò)狀態(tài)時(shí)，信號(hào)無(wú)表示的故障。道岔空轉(zhuǎn)即道岔因故轉(zhuǎn)換不到位，電機(jī)一直轉(zhuǎn)動(dòng)，道岔無(wú)表示信號(hào)而造成的故障。常見(jiàn)的道岔空轉(zhuǎn)故障又可分為不解鎖空轉(zhuǎn)、解鎖空轉(zhuǎn)與密貼空轉(zhuǎn)。不解鎖空轉(zhuǎn)最明顯的特點(diǎn)是齒條塊不動(dòng)，解鎖空轉(zhuǎn)為齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)32.9°后發(fā)生的空轉(zhuǎn)，密貼空轉(zhuǎn)為道岔密貼過(guò)緊而造成電動(dòng)機(jī)空轉(zhuǎn)。

列車通過(guò)道岔時(shí)，道岔轉(zhuǎn)換設(shè)備必須保證道岔可動(dòng)部分固定在開(kāi)通直股或側(cè)股位置。一旦出現(xiàn)道岔空轉(zhuǎn)故障，使得道岔未轉(zhuǎn)換到位，行駛列車就有可能出現(xiàn)進(jìn)入異線、翻車、掉道等嚴(yán)重后果。然而，導(dǎo)致道岔空轉(zhuǎn)故障的原因復(fù)雜且繁多，若無(wú)法直接、準(zhǔn)確地找到導(dǎo)致道岔空轉(zhuǎn)故障的原因，此時(shí)，即可對(duì)其建立故障樹(shù)，以快速尋找排查故障原因，提高檢修效率及道岔可靠性，保證行車安全。

3 道岔空轉(zhuǎn)故障樹(shù)構(gòu)建

故障樹(shù)構(gòu)建是FTA的核心內(nèi)容，它構(gòu)建的完善程度將直接影響定性和定量分析。構(gòu)建故建樹(shù)之前必須深入了解被診斷系統(tǒng)的組成結(jié)構(gòu)和工作原理，廣泛收集相關(guān)故障信息資料，掌握系統(tǒng)功能與故障模式之間的邏輯關(guān)系與受影響程度。建樹(shù)過(guò)程應(yīng)與專家經(jīng)驗(yàn)知識(shí)緊密結(jié)合，逐步深入完善[3]。故障樹(shù)的建立一般分為以下3個(gè)步驟：

(1) 收集資料。深入理解系統(tǒng)基本原理、功能結(jié)構(gòu)及故障模式，廣泛收集系統(tǒng)故障信息資料。

(2) 選擇頂事件。頂事件是系統(tǒng)不希望發(fā)生的故障事件。根據(jù)研究?jī)?nèi)容，選擇定義清晰且可進(jìn)一步分解的故障事件作為頂事件。

(3) 建造故障樹(shù)。將已確定的頂事件定在頂部矩形框內(nèi)，將引起頂事件的全部必要而又充分的直接原因事件(包括硬件、軟件、環(huán)境、人為因素等)置于相應(yīng)原因事件符號(hào)中畫(huà)出第二層，再根據(jù)系統(tǒng)中它們的邏輯關(guān)系用邏輯門連接頂事件和這些直接原因事件。如此逐級(jí)向下發(fā)展，直到所有最低一層原因事件都是底事件為止。對(duì)于復(fù)雜系統(tǒng)，建造故障樹(shù)時(shí)應(yīng)按層次逐級(jí)展開(kāi)[4]。

本文以道岔空轉(zhuǎn)故障中的解鎖空轉(zhuǎn)故障為例，建立道岔解鎖空轉(zhuǎn)故障樹(shù)如圖3所示。分析導(dǎo)致道岔解鎖空轉(zhuǎn)故障的原因，可得如圖3 a)所示的故障樹(shù)；進(jìn)一步對(duì)圖3 a)中齒條塊不動(dòng)、齒條塊能動(dòng)、尖軌不動(dòng)以及尖軌能動(dòng)、道岔轉(zhuǎn)換不到底故障分解，分別得到如圖3 b)、c)、d)、e)所示的子故障樹(shù)；再對(duì)圖3 e)中摩擦電流偏小、摩擦阻力偏大、箱內(nèi)異物卡阻及箱外異物卡阻故障分解，分別得到如圖3 f)、g)、h)、i)所示的子故障樹(shù)。

4 基于FTA的定性分析

故障樹(shù)定性分析的目的在于尋找導(dǎo)致頂事件發(fā)生的原因及原因組合，識(shí)別導(dǎo)致頂事件發(fā)生的所有故障模式。

對(duì)于故障樹(shù)來(lái)說(shuō)，割集是指：故障樹(shù)中一些底事件的集合，當(dāng)這些底事件同時(shí)發(fā)生時(shí)，頂事件必然發(fā)生。最小割集是指：若將割集所含的底事件去掉任意一個(gè)就不再成為割集，這樣的割集就是最小割集。故障樹(shù)定性分析的任務(wù)就是要尋找故障樹(shù)的全部最小割集[4]。一般采用Fussell-Vesejy算法求解故障樹(shù)最小割集。

a) 導(dǎo)致解鎖空轉(zhuǎn)故障的事件A1-A4

b) 導(dǎo)致齒條塊不動(dòng)(A1)的事件

c) 導(dǎo)致齒條塊能動(dòng)(A2)的事件

d) 導(dǎo)致尖軌不動(dòng)(A3)的事件

e) 導(dǎo)致尖軌能動(dòng)道岔轉(zhuǎn)換不到底(A4)的事件

f) 導(dǎo)致摩擦電流偏小(B6)的事件

g) 導(dǎo)致摩擦阻力偏大(B7)的事件

h) 導(dǎo)致箱內(nèi)異物卡阻(B8)的事件

i) 導(dǎo)致箱外異物卡阻(B9)的事件圖3 道岔解鎖空轉(zhuǎn)故障樹(shù)

Fussell-Vesejy算法又稱為下行法。根據(jù)故障樹(shù)的實(shí)際結(jié)構(gòu)，從頂事件開(kāi)始，逐層向下尋查，找出割集。規(guī)則就是遇到與門增加割集階數(shù)(割集所含底事件數(shù)目)，遇到或門增加割集個(gè)數(shù)。具體做法就是把從頂事件開(kāi)始逐層向下尋查的過(guò)程橫向列表，遇到與門就將其輸入事件在下一列縱向依次展開(kāi)，直到故障樹(shù)的最底層。這樣列出的表格最后一列的每一行都是故障樹(shù)的割集，再通過(guò)割集之間的比較，進(jìn)行合并消元，最終得到故障樹(shù)的全部最小割集[4]。

采用下行法對(duì)道岔解鎖空轉(zhuǎn)故障樹(shù)進(jìn)行定性分析，求解最小割集過(guò)程如表1所示，其最小割集即為系統(tǒng)的薄弱環(huán)節(jié)。

表1 下行法求解最小割集的過(guò)程

當(dāng)最小割集中任一事件發(fā)生，必然導(dǎo)致道岔故障，如：{X1}齒輪與齒條塊異物卡阻，則導(dǎo)致道岔解鎖空轉(zhuǎn)故障。

5 基于FTA的定量分析

故障樹(shù)定量分析的任務(wù)是根據(jù)底事件發(fā)生的概率估計(jì)頂事件發(fā)生的概率以及系統(tǒng)的一些可靠性指標(biāo)。在故障樹(shù)定量計(jì)算時(shí)可以通過(guò)故障樹(shù)的邏輯關(guān)系直接求頂事件發(fā)生的概率，也可以通過(guò)最小割集求頂事件發(fā)生的概率[4]。

5.1 直接求頂事件的發(fā)生概率

在故障樹(shù)定量分析過(guò)程中，在計(jì)算中間事件與頂事件的發(fā)生概率時(shí)，根據(jù)故障樹(shù)的邏輯結(jié)構(gòu)，可以將復(fù)雜整樹(shù)結(jié)構(gòu)分解成一個(gè)個(gè)單門子樹(shù)，從最底層開(kāi)始由下往上進(jìn)行逐層計(jì)算。一般分解得到的單門子樹(shù)分為與門和或門兩種類型，其頂事件發(fā)生概率計(jì)算方法如下式：

(1)

(2)

式中：

Pi——基本事件Xi發(fā)生的概率；

PT，OR——或門頂事件發(fā)生的概率；

PT，AND——與門頂事件發(fā)生的概率。

設(shè)Cj={X1,X2,…,Xn}表示故障樹(shù)的第j個(gè)最小割集，基本事件Xi是割集中的一個(gè)元素發(fā)生的概率，當(dāng)各個(gè)基本事件是獨(dú)立事件時(shí)，最小割集Cj發(fā)生的概率為：

(3)

5.2 通過(guò)最小割集求頂事件的發(fā)生概率

若{X1,X2,…,Xn}是故障樹(shù)中的最小割集，則該最小割集的結(jié)構(gòu)函數(shù)為：

(4)

若故障樹(shù)有k個(gè)最小割集，最小割集的結(jié)構(gòu)函數(shù)分別為：

Φ1{X},Φ2{X},…,Φk{X}

(5)

則故障樹(shù)頂事件的結(jié)構(gòu)函數(shù)ΦS(X)為：

(6)

本文選用直接求頂事件發(fā)生概率的方法進(jìn)行定量分析。按照公式(1)～(6)，由下往上逐級(jí)計(jì)算出中間事件與頂事件的發(fā)生概率，其計(jì)算過(guò)程如表2所示。

表2 中間事件與頂事件發(fā)生概率計(jì)算過(guò)程

本文提取了齒條塊上部有異物等直接關(guān)系到道岔可靠性的底事件，但這些底事件并沒(méi)有包含在日常記錄的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)中。并且由于鐵路運(yùn)營(yíng)現(xiàn)場(chǎng)定期排查道岔故障，通常在故障發(fā)生前已檢修完畢，以保證鐵路行車安全與乘客人身安全，對(duì)道岔的日常故障記錄較少，故未搜集到各個(gè)底事件發(fā)生的概率數(shù)據(jù)。若獲得各個(gè)底事件發(fā)生的概率數(shù)據(jù)，按照表2中公式即可計(jì)算出頂事件發(fā)生概率，從而對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行可靠性評(píng)估，為道岔故障診斷和日常維修提供理論依據(jù)。從中找出系統(tǒng)薄弱環(huán)節(jié)，采取相應(yīng)措施將系統(tǒng)可能發(fā)生的故障損失降低到最小程度，調(diào)整維修人員的檢查周期，提高檢修效率，增強(qiáng)鐵路運(yùn)營(yíng)安全性。

6 結(jié)語(yǔ)

本文詳細(xì)分析了道岔空轉(zhuǎn)故障中的解鎖空轉(zhuǎn)故障，對(duì)此建立了故障樹(shù)模型。當(dāng)出現(xiàn)道岔解鎖空轉(zhuǎn)故障時(shí)，可根據(jù)故障樹(shù)快速查找故障類型，減少誤診斷事件，提高檢修準(zhǔn)確性。對(duì)道岔解鎖空轉(zhuǎn)故障樹(shù)進(jìn)行了定性與定量分析，找出系統(tǒng)薄弱環(huán)節(jié)，計(jì)算系統(tǒng)可靠性，合理制定部件檢修周期，提高檢修效率。但是由于條件限制，本文并沒(méi)有獲得具體數(shù)據(jù)，因此還需要進(jìn)一步跟蹤底事件發(fā)生的概率數(shù)據(jù)，為系統(tǒng)可靠性的評(píng)估提供理論依據(jù)。