试论基于故障树的地铁车辆客室自动门系统可靠性分析

郝 博

南车青岛四方机车车辆股份有限公司

试论基于故障树的地铁车辆客室自动门系统可靠性分析

郝 博

南车青岛四方机车车辆股份有限公司

郝博，1986年12月，男，汉族，甘肃庆阳，助理工程师，质量管理。

近年来，地铁运行过程中由于自动门系统发生故障导致的事故数不胜数。由于自动门系统数量多、操作相对频繁，进而对于其安全性的要求也相对较高，世界上各个国家选购地铁车辆时都非常关注地铁自动门的可靠性。本文采用故障树对地铁车辆的自动门系统的可靠性进行了分析。

我国的城市交通压力日益严重，为了缓解这种压力，有相当一部分城市开始引入城市地铁系统。对城市地铁来说，保障运作安全是第一位的，而现在的城市地铁基本都在车辆客室上使用了自动门系统，这种系统虽然具有较高的智能性，但故障率并不低，城市地铁的常见故障中，有超过三成来源于门系统的故障。在这种情况下，自动门系统的可靠性受到了质疑，基于此种原因，本文将通过故障树对该系统的可靠性进行分析，希望能为地铁系统的优化提供一定的理论依据。

故障树概述

故障树即事故树，是因果系统树的一种实际应用形式，对外体现为倒立的因果关系树状逻辑图，表征符号包括转移符号、逻辑门符号与事件符号，用于描述单一系统中不同事件的因果关系。因此经常被用于各种复杂系统的事件分析与多兆因事件的概率计算。

从本质上来看，故障树可以看作一种图像化的分析方法，具有很强的直观性和简便性，虽然在精确性上不如动态函数手段，但是由于易于理解、而且也确保了最基本的分析准确性，所以在非大系统分析中依然非常受青睐。本文所述的地铁车辆自动门系统可靠性分析即为与该分析方法适性较高的一种。

建立故障树

通过故障树分析地铁自动门系统的可靠性，最基础的环节是建立足够完善的故障树。

建立故障树的第一步是综合分析需要建立故障树的系统，以将建树范围确定下来。对本文分析的地铁自动门系统来说，建树范围应囊括自动门系统直接发生的与其引发的所有故障。

其次要确定故障树的顶上事件，顶上事件的确定方法有两种，两种方法都需要先分析所有的故障，不同的是，一种方法是选择后果最严重的故障为顶上事件，另一种方法是选择发生率最高的故障为顶上事件，具体选择哪种方法应根据分析对象与分析方向确定。基于地铁重大故障的危害性与负面的社会影响，本文选择前一种方法来确定故障树的顶上事件，顶上事件选为“自动门系统在车辆运行状态下错误打开”。

图1　地铁自动门系统中“自动门系统在车辆运行状态下错误打开”的故障树示意图

顶上事件确立后，需要以此为基础进行推导分析，先找出顶上事件发生的直接原因，对相应的中间事件进行层层递进的因果关系推导，一直推导到无法分析事件原因或不需要分析事件原因的事件，这类事件被称为底事件。然后利用逻辑门连接起所有上述获得的事件并绘制成图，这就完成了针对该顶上事件的故障树。本文所完成的地铁自动门系统故障树如图1所示。

表1　故障树割集表

定性和定量分析

定性分析

以故障树为基础的定性分析主要是为了保障可靠性分析的全面性，并从中发现故障控制的关键点。具体来说，针对地铁自动门系统的定性分析要将顶上事件发生的全部原因、形式、影响因素都囊括进分析范围，并计算分析全部失效模式的发生概率，通过概率的大小可以确认自动门系统运作的主要控制点，概率越大，可靠性也就越低，在控制上更应优先注意。对本文所建立的故障树来说，失效模式和故障树的对应关系非常明确，失效模式、失效因素和故障树的最小割集都呈单一对应关系，因此只要找出所有的最小割集就可以说是完成了定性分析。故障树的全部割集如表1所示。

定量分析

与定性分析不同，定量分析主要分析的是底事件和顶事件的关系，具体来说，定量分析就是利用确定的底事件发生概率计算顶上事件的概率与定量指标。

在本文所用的故障树中，利用故障树的定量分析需要先将故障树当作计算模型，确认已知的各项底事件的发生概率，然后将自动门系统失效这一顶上事件的发生概率推导计算出来，这样一来就可以评估自动门系统，确认其风险性、安全性、可靠性。为此，我们对顶上事件与独立化的底事件进行特化，将其“正常”与“故障”这两种状态的概率视为绝对的0和1，这样一来就可以得到全部底事件的发生概率。之后依据故障树的总体逻辑结构，自下而上展开逐级运算，直到推导出顶事件概率。由于本故障树应用了“与”门和“或”门两者逻辑结构，在可靠性理论下，前者输出事件的概率为P（X）=1，后者输出事件的概率为P（X）=2，由此可进一步推得全部11个底事件的发生概率分别为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。根据这些概率和故障树结构，可以依次计算出P（6）到P（0）的数值，其中P（0）即为顶上事件的发生概率。最终定量分析结果为，顶上事件发生概率7.67×10-8。

结语

综上可知，通过故障树分析地铁车辆的客室自动门系统首先要进行完善化、合理化、全面的故障树建立，然后以此为基础，运用数学手段采取定性分析与定量分析。前者分析了故障的各个组合模式与概率，指明了系统故障控制的重点；后者分析了在底事件概率确定的情况下，求算顶上事件概率的方法并得出了实际的顶上事件概率。将获得结果与相关标准和同类系统对比可知，地铁自动门系统具有较高的可靠性。

10.3969/j.issn.1001-8972.2015.06.025