故障樹在軌道交通綜合監控系統中的應用

張振山

（國電南瑞科技股份有限公司，210032，南京∥助理工程師）

故障樹在軌道交通綜合監控系統中的應用

張振山

（國電南瑞科技股份有限公司，210032，南京∥助理工程師）

軌道交通綜合監控系統集成或互聯了電力、環境和設備等多個專業，需要采取有效的邏輯判斷手段監控設備。介紹了利用功能圖來描述綜合監控系統故障樹的方法，設計了一種基于故障樹的綜合監控系統故障診斷模型，并開發了功能圖定義軟件。以廣州某車站自動售檢票的故障跟蹤為例，介紹了故障樹在綜合監控中的應用。所建模型及開發的軟件在實際中應用良好。

城市軌道交通；綜合監控系統；故障樹形圖分析

Author’s addressNARI Technology Co.，Ltd.，210032，Nanjing，China

軌道交通綜合監控系統用系統化方法將城市軌道交通中各分散的自動化系統聯結為一個有機的整體。隨著系統越來越龐大，需要采取有效的邏輯判斷手段來合理地管理設備。設備管理主要包括監視設備的實時狀態和對設備進行邏輯控制兩方面內容。綜合監控系統中保護信號種類繁多，相互之間的關系錯綜復雜，因此需要采取有效的信息分層和過濾手段，將關鍵設備的實際運行、異常和事故情況，分層分級地展現給工作人員，從而達到有效監視設備實時狀態的目的。當出現故障時，工作人員能夠快速鎖定故障點的位置。系統集成的復雜性要求綜合監控系統為各分散的自動化系統提供統一的方法處理具有一定邏輯關系的多個設備，從而減輕使用者的工作量，提高系統工作效率，同時避免人工操作帶來的誤操作等。主要實現形式有順控和聯動等。

軌道交通綜合監控系統各個專業在設計、運行與管理階段的安全性與可靠性工作中建立了大量的故障樹［1］。這些故障樹中包含了各個系統專業中各種可能發生的保護信號失效、人為失誤、環境變化等故障原因信息，以及他們之間的邏輯關系。此外，故障樹的定性與定量分析，進一步提供了故障模式、成功模式、故障發生概率、局部故障對系統貢獻大小等豐富的深層信息［2］。所以，將故障樹運用于綜合監控系統中具有積極的意義?；诠收蠘涞木C合監控系統故障診斷模型，主要利用功能圖的方法描述以上故障樹，克服綜合監控系統各個專業中的故障數據分散、關聯關系不清晰的特點；軟件將故障樹整合到綜合監控系統的商用庫中后，系統在冗余實時庫的平臺上，利用邏輯判斷軟件將系統關鍵設備的實時狀態信息分層分級展現給工作人員，或控制具有邏輯關系的多個設備。

1 基于故障樹的綜合監控系統故障診斷模型

通過分析可能造成系統故障的各種因素（包括硬件、軟件、環境、人為因素等），畫出的一種特殊的倒立樹狀邏輯因果關系圖叫做故障樹［3］。故障樹分析法是一種圖形演繹方法，是故障事件自上到下的失效分析方法。通過樹狀邏輯因果關系圖，以系統的某一不希望發生的事件（頂事件）作為分析目標，向下逐層追查導致頂事件發生的所有可能原因，直到基本事件（底事件）。在實際應用中，綜合監控系統中能夠被自動觸發的信號為基本事件，信號與信號之間的邏輯關系為樹形結構，監控對象和特殊功能為頂事件。

將故障樹應用到軌道交通綜合監控系統中，應結合綜合監控實際應用進行分析。即根據軌道交通系統的結構或功能關系，建立基于故障樹的綜合監控系統故障診斷模型，用于處理故障樹中各個事件的關聯關系。在綜合監控系統中，根據故障樹事件所表示的不同的設備信號類別來處理不同的邏輯關系。其中，信號類別主要有設備的實時狀態信號和設備控制模式信號。當故障樹事件表示設備的實時狀態信號時，故障診斷程序用于分析導致設備發生故障的原因，將設備故障所傳遞的邏輯關系逐層展現給工作人員，方便其快速跟蹤設備故障發生的原因；當故障樹事件表示設備控制模式信號時，故障診斷程序用于分析設備控制模式的邏輯關系，從而提供統一的方法處理各個專業系統中多個具有一定邏輯關系的設備。基于故障樹的綜合監控系統故障診斷模型的設計結構如圖1所示。

圖1 綜合監控系統故障診斷模型結構圖

綜合監控系統以冗余實時服務器為基礎，通過通信骨干網將所有的車站級綜合監控系統連接起來。故障診斷模型以此為基礎，并開發實際的軟件系統。模型主要有功能圖定義、故障樹診斷、數據庫、故障樹人機界面和綜合監控各專業系統等組成。首先，將軌道交通各個專業在設計、運行與管理階段所建立的故障樹轉化成計算機能夠識別的數據庫記錄。本文中開發功能圖定義軟件，利用功能圖去描述故障樹，將其整合到綜合監控的商用庫中。其次，故障樹診斷軟件對下裝到實時庫的故障樹數據記錄進行邏輯判斷分析，處理故障樹的邏輯關系。最后，在故障樹人機界面上將設備故障傳遞信息或對設備點進行監控的人機交互過程展現給工作人員。

2 功能圖定義

功能圖是一種圖形式的編程語言，遵從IEC 61131-3標準。故障樹可表示系統中設備信號之間的關聯關系。為了將已有故障樹運用于綜合監控系統中，用功能圖將故障樹描述成具體的計算機中的實體，并存儲到綜合監控的商用庫中，即功能圖定義。具體步驟如下：

（1）選擇合理的頂事件和基本事件。故障樹的頂事件應該明確。功能圖只能用于分析頂事件明確的故障樹，不能用于分析為了預測將發生哪種故障的故障樹。選擇能夠被觸發的事件作為基本事件；事件不能被觸發，就不能自動傳遞邏輯關系，無法滿足系統自動化要求，如人為失誤造成的故障在系統中不能被觸發。

（2）事件分類。為了方便工作人員快速找到功能模塊，對已有故障樹中的事件進行分類。開發軟件時，將不同類別的模塊放在不同的類別容器中。根據運算方式的不同，事件可以被分為數學運算、布爾運算、比較運算、二進制轉換和數據類型轉換等。根據其在綜合監控系統中功能的不同，又有動作控制、I/O控制、容錯控制、電力控制和反饋控制等分類，如電力控制主要有延時防抖、高低電平輸出和電流限值等其他電力相關操作。

（3）開發功能模塊。以IEC 61131-3標準中功能圖定義的模塊為藍本，并對IEC 61131-3標準進行擴充，開發常見的數學運算、布爾運算和其他運算模塊等，并按照綜合監控系統的需求擴充添加了容錯控制、I/O控制、電力控制和反饋控制等相關模塊。

（4）繪制功能圖。在功能圖軟件中，制作功能圖需依照故障樹結構，以拖入的功能模塊表示故障樹中的事件，以連線表示事件之間的關聯關系。在綜合監控系統中，故障樹用于表示多種關聯關系，如因果關系、順序關系和聯鎖關系等。其中，綜合監控系統中的順控功能既有順序關系，又有聯鎖關系。

圖2所示為某110 V交流電源故障的故障樹。利用功能圖對其進行描述，可以確定頂事件為110 V交流電源故障，基本事件為110 V電源電壓異常、110 V電源回路斷線、110 V電源空開故障，主要有輸入（保護信號）、布爾運算和輸出三種功能。為此可以開發輸入、輸出及邏輯或模塊來描述該故障樹。功能圖定義如圖3所示。

醫院成本精細化管理的主要工作就是對醫院各個服務項所需的成本進行有效分析，從而掌握醫院整個消耗的成本費用率，并以此為依據合理規劃醫院的成本費用。同時，要將規劃好的數據作為各項工作開展的指標，這樣就可以有效管控醫院總的成本費用支出，從而更好地讓利于患者，有效提高醫院的整體效益。

圖2 110 V交流電源故障的故障樹

圖3 功能圖定義

3 故障樹診斷

故障樹的頂事件、基本事件，以及事件之間的邏輯關系被整合到綜合監控系統商用庫中后，在綜合監控平臺的基礎上，通過對故障樹進行邏輯判斷分析，實現對設備的監控，或對故障樹進行定性和定量的可靠性分析等。

3.1 故障樹診斷步驟

故障樹診斷的主要任務是分析故障樹事件之間傳遞的信息，找出所有可能導致頂事件發生的基本事件及基本事件之間的關聯關系，或處理事件之間的邏輯關系，從而有規律地控制各個事件觸發的先后順序和閉鎖關系，達到某特殊的功能。如綜合監控系統中的聯動功能，用于靈活控制多個專業設備。為此，在綜合監控平臺的基礎上，設計故障樹診斷軟件。其主要步驟如下：

（1）讀取實時庫中的故障樹信息表和模塊表的內容；

（2）根據樹的分組信息和功能創建故障樹進程；

（3）對故障樹進行周期性掃描，調用各個功能模塊計算故障樹的實時值和發送控制命令。

3.2 故障樹人機界面

可利用綜合監控的畫圖軟件制作故障樹的人機界面。人機界面包括故障樹的樹形信息展現和工作人員對設備點控制的交互界面。

4 實例

4.1 AFC功能圖定義

在功能圖定義軟件中，依照故障樹，拖入開發的功能模塊，設置其屬性信息，保存入庫，就可以將故障樹整合到綜合監控系統的商用庫中。圖4所示為廣州某車站AFC的功能圖定義截圖，將輸入（D）模塊、Or8模塊和輸出參考（D）模塊等依次拖入編輯界面，將其屬性設置為綜合監控系統中實際的保護信號，然后用線連接表示其關聯關系，最后將其保存到綜合監控商用庫中。

圖4 廣州某車站AFC功能圖定義

4.2 故障跟蹤

圖5為AFC故障樹人機界面運行狀態下的部分截圖。當AFC為異常狀態時，可根據連線，很快地跟蹤到是由于S1自動售票機狀態發生了異常所導致的。通過人機界面，工作人員可方便快速地鎖定故障點。

圖5 AFC故障樹人機界面

5 結語

本文建立了基于故障樹的綜合監控故障診斷模型，以廣州某車站為研究對象，開發功能圖定義軟件，利用功能圖描述軌道交通各專業在設計、運行與管理階段的安全性和可靠性工作中建立的故障樹，將故障樹整合到綜合監控系統的商用庫中。在綜合監控系統平臺的基礎上，開發故障樹診斷軟件，周期掃描故障樹，將故障樹的實時信息和監控信息在故障樹人機界面上交互，方便工作人員操作。所建模型以及開發的軟件在實際應用中運行良好，提高了系統的自動化。但是，由于開發時間短，故障樹的深層信息還需要進一步分析。

［1］ 袁潤，汪建業。基于故障樹的復雜系統故障診斷軟件設計研究［J］核科學與工程，2012（1）：74.

［2］ 劉萍，吳宜燦，李亞洲，等.一種基于ZBDD求解大型故障樹的基本事件排序方法［J］.核科學與工程，2007，27（3）：81.

［3］ 趙健，周瑜?；诠收蠘浞治龇ǖ臓恳╇娤到y接觸網可靠性評估［J］西安電力高等專科學校學報，2012（7）：57.

［4］ 王瀟，王武宏。大城市交通擁堵致因的故障樹分析［J］交通信息與安全，2012（2）：127.

［5］ 羅航，王厚軍。用遞歸BDD技術分析故障樹［J］電子科技大學學報，2011（5）：726.

［6］ SIEMENS.用于S7-300和S7-400的功能塊圖（FBD）編程［G］.2004.

［7］ 雷錫絨.西安地鐵2號線列車自動防護子系統［J］中國鐵路，2009（7）：76.

［8］ 劉曉娟，城市軌道交通智能控制系統［M］.北京：中國鐵道出版社，2003.

Application of Failure Tree in Intergrate Supervision and Control System of Rail Transit

Zhang Zhenshan

ISCSsystem is integrated or interconnected with many professional fields like electricity，environment and special devices，therefore it needs an effective judging logic means to monitor and control the equipment.In this paper，the failure tree is described by functional diagram to design a kind of diagnostic failure model in ISCS，and the software to be applied in ISCSis developed.The AFC faul tracing in Guangzhou metro is used to explain the application of failure tree in ISCS，the model and software of which will realize effective monitoring and control in ISCS technology for rail transit development.

urban rail transit；intergrate supervision and control system；failure tree analysis

U 29-39

2012-09-13）