高速列车门系统 FMEA 及风险评估案例研究

华 鹏，李艳娇，辛久元

（1. 中车长春轨道客车股份有限公司 国家轨道客车工程研究中心，吉林长春 130062；2. 65066 部队工程兵教研室，辽宁大连 116001）

随着我国高速铁路事业不断发展，高速列车的运营速度等级以及装备复杂性不断提升，高速列车运用安全问题越来越突出。门系统作为旅客进出高速列车以及其中各个部分的接口，其可靠性、安全性的高低直接影响高速列车的安全性。故障模式及影响分析（FMEA）以及风险评估作为重要的安全性分析方法，对保障高速列车运营安全和提高运营维护水平起到至关重要的作用。

1 建立可靠性框图

客室侧门作为高速列车门系统中较为复杂的子系统，用可靠性框图对其进行分析具有代表性。客室侧门由驱动机构、门框、设备安装支架、门扇、站台间隙补偿器、内操作面板、外操作面板和门控单元（DCU）组成，其系统可靠性框图如图 1 所示。该图表示任何子系统（组成单元、组件）发生故障，都会对客室侧门系统造成影响。

图1 客室侧门可靠性框图

2 门系统 FMEA 分析

FMEA 是目前铁路行业开展可靠性和安全性分析的基础性分析工作之一。在高速列车设计和制造初期阶段，应分析产品的各组成单元潜在发生的各种故障模式，以及故障模式发生的原因、影响，有针对性地制定减轻措施，降低该故障模式的风险等级，从而提升高速列车的可靠性和安全性。在制定高速列车检修方案的过程中，根据 FMEA 分析结果，对故障率高、危害程度大的组件和零部件，有针对性地选择合适的维修方式，制定合理的维修计划，防止出现维修不到位或过修的情况发生，提升高速列车的维修水平。

客室侧门作为旅客进出列车以及其中各个部分的接口，对高速列车运营安全有至关重要的作用，其结构也相对复杂，故障次数与故障模式较多，对其进行 FMEA 及风险评估具有代表意义。

2.1 门系统的故障模式识别

在行业标准 IEC 62278-2002《铁路应用—可靠性、有效性、维修性和安全性（RAMS）的规范和论证》中，故障模式定义为“在失效/故障时，由与运行条件相关的规定项目引起的预计或观察的失效/故障结果。”

由于高速列车及其零部件的故障模式十分复杂，至今还没有一个统一、完整的相应规范来正确和全面地对其进行描述和规定。因此，通过对故障数据库中的故障信息进行提炼，总结出 25 种门系统常见的潜在故障模式（表1）。

表1 门系统潜在的故障模式及代码

2.2 门系统 FMEA 分析

在开展设计研发的初期阶段，系统工程师、设计师和供应商根据项目的统一要求，结合既有产品实际发生的故障信息，从不同角度和深度来开展高速列车各系统/设备的 FMEA 分析工作，最后总结整理出门系统的FMEA 分析表（表2）。

表2 门系统潜在失效模式及效应分析表（01～06）

表2 中门系统各个潜在失效模式的严重度（S）、频度（O）和探测度（D）可根据 IEC 60812-2006《系统可靠性分析技术—失效模式和影响分析（FMEA）程序》中相应的评价准则，进行相应的评分。

故障模式对应的风险等级根据风险顺序数（RPN）的高低进行判断，由该故障模式可能产生的严重程度、发生频率和可探测度这三者的乘积得到，计算公式为：

RPN取值在 1～1  000 之间：①通常情况下，当RPN数值大于 100 时，设计师和供应商应针对性地制定并实施改进措施；②当严重度大于等于 8 级时，同样需要采取改进措施；③当RPN数值小于等于 100，严重度小于8级时，根据RPN数值从大到小排序，对前 4 位的故障模式有针对性地实施改进措施。

3 门系统风险评估

风险评估是将故障模式所能够带来的风险进行量化/半量化的评估工作。按照每一故障模式的严重等级及该故障模式发生的概率所产生的综合影响来研究该故障模式，以便全面评价该故障模式对系统产生的风险等级是否在可接受范围。

3.1 风险级别判定

故障模式的风险级别判定通常通过风险级别判定矩阵来确定，而风险级别矩阵中横、纵坐标分别表示该故障模式的严重等级和发生概率。因此，确定了某一故障模式的严重等级和发生概率，即可确定该故障模式的风险级别。

根据故障模式对应的故障率，计算出该故障模式出现次数占所有故障模式总次数的百分比，根据概率等级的划分原则，得出故障模式发生的概率。在定性与定量分析时，为了方便相互转化，通常将故障模式发生的概率等级按表3 内容进行划分。

根据 IEC 62278 标准中危险等级划分原则及高速列车自身情况，定义 A、B、C、D 4 个故障严重等级。其中，A 类故障——高速列车不能运营；B 类故障——高速列车处于降级模式运营；C 类故障——高速列车在最小受限限度下运营；D 类故障——该故障不影响运营，高速列车可不降低运营速度运行，可以返回段内维修。

根据 IEC 62278 标准中风险评估矩阵的定义，将每个故障模式的发生概率和严重等级代入风险评估矩阵，即可确定该故障模式的风险等级属于不可容忍、不希望、可容忍、可忽略 4 个等级之一，并识别出风险级别为不可容忍和不希望的故障模式清单（表4）。

表3 故障模式发生的概率等级划分表

表4 门系统风险级别判定表（部分）

3.2 故障模式危害性判定

如图 2 所示，危害性矩阵图横坐标表示故障严重度，纵坐标表示故障模式出现概率。将本案例中的故障模式代码按其严重等级和故障模式概率标记在矩阵图相应位置上，从而得出故障模式分布点。将各分布点向对角线（即危害增长方向）投影，分布点投影离坐标原点越远表明该故障模式危害性越大，风险等级越高。图 2 表示了门系统各故障模式所产生的危害性相对大小。

图2 门系统危害性矩阵图

3.3 风险评估结果

由故障模式风险级别判定表和危害性矩阵，得出门系统的风险评估结果：

（1）风险等级为不可容忍、危害性最高的故障模式有控制故障、通信故障、补偿器故障和作用不良；

（2）风险等级为不希望、危害度为次高的故障模式有关闭不严、集控失效、门显示故障、侧门关闭故障、侧门打开故障、主锁故障、侧门开闭异常、内端门和接触片故障。其中关闭不严、侧门关闭故障和侧门开闭异常这 3 种故障模式的危害度与其他 6 种比相对较高。

3.4 识别关键产品

将危害度等级排在前 2 位的故障模式对应的产品列入门系统关键产品清单（表5），为今后的产品设计改进、运用维护提供依据。

从门系统关键产品及其故障模式清单可以看出，门系统的关键产品有门控单元、驱动装置、锁闭机构、站台补偿器。这就需要在平时列车维护过程中对关键产品投入更多关注，从而提高整个门系统的可靠性和维修性，保障其可用性和安全性。

表5 门系统关键产品及其故障模式清单

4 结论

本文基于 FMEA 及风险评估理论，利用高速列车故障信息采集方法，提出了门系统 25 种故障模式，对门系统开展了 FMEA 分析，并从风险等级和危害度 2 个方面对高速列车门系统进行风险评估，得到了风险等级最高的 4 种关键故障模式：控制故障、通信故障、补偿器故障和作用不良，以及 4 个可靠性、安全性关键设备：门控单元、驱动装置、锁闭机构、站台补偿器。该理论方法也为高速列车在设计、调试以及运用维护过程中规避风险提供了依据。

[1]IEC 60812-2006.Analysis techniques for system reliability —Procedure for failure mode and effects analysis (FMEA) [S].

[2]IEC 62278-2002.Railway applications— Specification and demonstration of reliability,availability, maintainability and safety（RAMS）[S].

[3]董钖明.轨道列车可靠性、可用性、维修性和安全性（RAMS）[M].北京：中国铁道出版社，2009.

[4]燕飞，唐涛.IEC 61508及其在铁路安全相关系统研制开发中的应用研究[J].铁道学报, 2005，27（3）：124-128.

[5]IEC61508-2000.Functional safety of electrical/electronic /programmable electronic safety-related systems[S].