基于故障树的地铁列车牵引系统故障诊断＊

陶佳琦 翁正新

（1.上海交通大学自动化系，200240，上海；2.上海地铁维护保障有限公司车辆分公司，200233，上海∥第一作者，硕士研究生）

更好地诊断与处理地铁列车发生的故障是保障地铁列车运营安全的关键。地铁列车的综合线路图是列车各个设备、继电器、空气开关等元器件的连接原理图。综合线路图中的元器件出现故障会对列车正常运营造成很大的影响。在综合线路图的故障诊断中，由于没有一套系统性、科学性的故障诊断方法，维护人员对故障的定位和排除难度较大。故障树分析法以树形图的形式形象地阐明了系统故障与导致该故障的各个因素之间的逻辑关系。本文以列车无法建立牵引为顶事件，应用故障树分析法建立了列车牵引系统故障树，并对求出的最小割集进行了详细的分析研究，结合故障案例统计数据，使维护人员能更快地查找出故障原因。

1 故障树分析法简介

故障树分析法（Fault Tree Analysis，简为FTA）又称因果树分析法。它是目前国际上公认的一种简单、有效的可靠性分析和故障诊断方法，是指导系统最优化设计、薄弱环节分析和运行维修的有力工具。其基本思想是：把所研究系统的最不希望发生的故障状态作为分析的目标，找出直接导致这一故障发生的全部因素；然后以这些因素作为中间事件，找出导致这些中间事件发生的全部直接因素；采用演绎法，不断地进行下去，直到不能展开的事件为止。各层事件之间通过“与”、“或”、“非”、“异或”等逻辑运算关系得到的树状图即为故障树。将FTA 应用于系统的故障诊断中，既可以帮助人们加深对系统故障和故障原因的理解，又能减少故障处理的时间、提高维护人员的工作效率，为系统的日常维护提供依据［1－3］。

2 地铁列车牵引系统故障树的建立

在综合线路图中，牵引部分对于地铁列车的安全运营至关重要。图1为综合线路图中的列车建立牵引的原理示意图。由图1可知，列车牵引前须检查车门是否锁好，制动是否缓解等条件。在综合线路图中，这些条件都由相应的继电器等元器件来实现的，只有当所有条件都满足了，才会产生牵引信号及脉冲信号，列车收到信号后才能动车。

图1 牵引原理示意图

当列车建立牵引发生故障时，由于建立牵引所需条件复杂、涉及的故障原因较多，导致维护人员难以很快给出正确判断。为了提高故障诊断效率，本文以列车无法建立牵引为顶事件T，建立了图2所示的故障树。

图2 列车无法建立牵引为顶事件T 的故障树

在图2中，中间事件M1为牵引信号故障，M2为脉冲信号故障，M3 为司机室继电器故障，M4为列车状态信号故障，M5 为司机室继电器故障，M6为门联锁信号故障，M7 为停放制动缓解信号故障，M8 为紧急制动信号故障，M9 为常用制动缓解信号故障，M10 为快速制动缓解信号故障，M11为制动命令故障。底事件X1为牵引授权断路器故障，X2为牵引授权继电器1故障，X3为牵引授权继电器2 故障，X4 为司机室激活继电器3故障，X5为司机室激活继电器10 故障，X6 为脉冲使能断路器故障，X7 为门联锁继电器1＿A故障，X8为门联锁继电器2＿A故障，X9 为门联锁继电器1＿B故障，X10 为门联锁继电器 2＿B故障，X11为所有停放制动缓解继电器故障，X12为制动隔离继电器故障，X13 为所有制动缓解继电器1故障，X14为紧急制动接触器1故障，X15为紧急制动接触器2 故障，X16 为全常用制动缓解继电器1 故障，X17 为全常用制动缓解继电器2故障，X18为无制动指令继电器1故障，X19为无制动指令继电器2故障。

3 最小割集

割集是导致正规故障树（仅含有顶事件、底事件以及与、或、非三种逻辑门）顶事件发生的若干底事件集合。最小割集是导致正规故障树顶事件发生的数目不可再少的底事件集合。常用的故障树最小割集求法有上行法和下行法两种［4］。本文利用下行法 求最小割集，求解过程如表1所示。

表1 下行法求取列车无法建立牵引的最小割集过程

经简化、吸收、去掉重复的割集，得到16个最小割集K：

4 故障分析

4.1 建立故障查询表

当得到故障树的最小割集后，为了更好地进行故障处理，须确定各个最小割集的重要度。传统方法是根据各个割集的故障率，从高到低排序确定故障排查顺序。但分析本文故障树得到的最小割集，可以发现大多数最小割集属于同一型号的元器件，其故障率均相同。故仅仅用故障率排序的方法并不能很好地体现出各个最小割集的重要度。因此，本文根据割集包含的元素、不同元器件间的性能、同种元器件之间的工作位置对得到的16个最小割集进行分析，从而确定故障排查顺序如下：

首先，根据割集包含元素的数量进行排序。割集包含元素越多，故障的可能性越低。割集K4、K15、K16均包含了2个元器件，表明必须2个元器件同时故障才会对系统造成影响。因此，这些割集的故障率比其他割集的故障率要低。

其次，根据不同元器件之间的性能进行排序。由于最小割集主要分为继电器与空气开关两部分，因此，对继电器与空气开关进行性能分析。空气开关在系统中主要起保护作用，防止经过的电流过大；而继电器则需通过频繁的打开、闭合动作来实现系统的各项功能。故空气开关发生故障的可能性肯定小于继电器，因此在排序表中割集K1、K5的顺序低于其他割集。

最后，根据同种型号元器件的工作特点进行排序。在继电器的相互比较中，动作频率越低，故障可能性越低。例如：割集K11是制动隔离继电器，其工作原理是制动被隔离时动作，而制动隔离可能几周都不会出现一次，因此可能几周都不会动作一次。割集K10是所有停放制动缓解继电器，原理是停放制动缓解时动作。由于停放制动只有在列车回库后才会施加，因此频率大约为1～2次／d。比较这两个割集，割集K11的故障可能性明显小于K10。又比如割集K13，K14是紧急制动接触器，原理是列车紧急制动时动作。割集K6～K10是门联锁继电器，门锁闭时动作，一旦列车关门，门联销继电器就会动作。在频率上门联锁继电器远大于紧急制动接触器，因此K13、K14的故障可能性小于K6～K10。

从上述故障排查顺序可知，有些割集的排查顺序相同，表明这些割集的工作特性类似。此时，可通过割集在故障案例中出现的次数多少进行判断，从而更准确地判断故障发生原因。例如：K6，K7，K8，K9均为门联锁继电器，型号相同，工作频率相同，仅仅根据特性很难判断故障可能性高低，此时，可通过查询这4个继电器在列车运营至今的故障案例中出现故障次数的多少来进行判断，次数越多，则故障可能性越大。

4.2 诊断实例

1）故障现象：2013年11月28日13：18，上海轨道交通1号线261＃车在陆家嘴站下行牵引无法正常建立，无故障显示，且所有门关好灯亮。司机切ATCIS（列车自动控制隔离开关）、ABRBS（所有制动旁路开关）、APBRBS（所有停放制动旁路开关）、EBKBS（紧急制动旁路开关）、DIRBS（门关好旁路开关）后清客至威宁路存车线。

2）诊断过程：使用从上述故障排查顺序所示顺序对故障进行诊断，首先检查第一顺序割集K2、K3、K12，查询案例统计数据后发现这3个割集发生故障的次数均为0，因此，对这3个割集逐个进行排查，检查结果均正常。随后排查第二顺序割集K6、K7、K8、K9，查询案例统计数据后发现这4个割集发生故障的次数也均为0，因此，逐一对这4个割集进行排查，使用电压表依次测量4个割集的进线及出线触点电压。检查发现，K6进线、出线触点有电压，K7进线触点有电压，而出线触点无电压。因此，判断K7即DIR2＿A 继电器故障，更换DIR2＿A继电器后，牵引能正常建立，试车线试车正常。

在此次案例中，维护人员使用故障排查顺序快速、准确地对故障进行了诊断。针对案例中各元器件案例统计数据相同的现象，一方面是由于牵引无法建立这一故障现象，在地铁运营中出现较少，另一方面是由于地铁运营时间较短，各元器件发生故障概率较低。随着列车运营时间的增加，各元器件发生故障的概率会逐渐增大，此时应用结合故障案例统计数据的故障排查顺序，能使维护人员更快捷地进行故障诊断。

5 结论

故障树分析法形象直观、逻辑性强，通过对地铁列车牵引系统建立故障树，维护人员能加深对牵引系统原理的理解，了解导致各种故障发生的所有可能原因。为了使一线员工更方便快捷地处理列车牵引的各种故障现象，可将故障树分析法与编程软件相结合，从而大大减少维护人员处理故障的时间，提高工作效率，保障列车正常运营。

［1］倪绍徐，张裕芳，易宏，等.基于故障树的智能故障诊断方法［J］.上海交通大学学报，2008（8）：1372.

［2］张迪，朱发新，谈亮.船舶造水机故障树构建及其应用研究［J］.中国水运，2012（11）：89.

［3］姜来春.故障树分析方法在脉冲雷达故障检测中的应用［J］.电子设计工程，2013（3）：27.

［4］钟飞，刘传伟，邓世东，等.基于故障树的发射机故障诊断［J］.舰船电子工程，2013（1）：111.

［5］Marko epin，Borut Mavko.A dynamic fault tree［J］.Reliability Engineering and System Safety，2002（1）：83.

［6］沈涛.地铁车辆牵引控制单元故障树分析与诊断建模［D］.上海：上海交通大学，2003.

［7］姚竹亭，潘宏侠，吴立新，等.故障树法在车辆控制系统CPU板故障诊断中的应用［J］.合肥工业大学学报：自然科学版，2009（9）：1317.

［8］陶勇剑，董德存，任鹏，等.基于故障树的轨道交通通信系统可靠性研究［J］.华东交通大学学报，2007（2）：48.