基于故障樹的地鐵列車牽引系統故障診斷＊

陶佳琦 翁正新

（1.上海交通大學自動化系，200240，上海；2.上海地鐵維護保障有限公司車輛分公司，200233，上海∥第一作者，碩士研究生）

更好地診斷與處理地鐵列車發生的故障是保障地鐵列車運營安全的關鍵。地鐵列車的綜合線路圖是列車各個設備、繼電器、空氣開關等元器件的連接原理圖。綜合線路圖中的元器件出現故障會對列車正常運營造成很大的影響。在綜合線路圖的故障診斷中，由于沒有一套系統性、科學性的故障診斷方法，維護人員對故障的定位和排除難度較大。故障樹分析法以樹形圖的形式形象地闡明了系統故障與導致該故障的各個因素之間的邏輯關系。本文以列車無法建立牽引為頂事件，應用故障樹分析法建立了列車牽引系統故障樹，并對求出的最小割集進行了詳細的分析研究，結合故障案例統計數據，使維護人員能更快地查找出故障原因。

1 故障樹分析法簡介

故障樹分析法（Fault Tree Analysis，簡為FTA）又稱因果樹分析法。它是目前國際上公認的一種簡單、有效的可靠性分析和故障診斷方法，是指導系統最優化設計、薄弱環節分析和運行維修的有力工具。其基本思想是：把所研究系統的最不希望發生的故障狀態作為分析的目標，找出直接導致這一故障發生的全部因素；然后以這些因素作為中間事件，找出導致這些中間事件發生的全部直接因素；采用演繹法，不斷地進行下去，直到不能展開的事件為止。各層事件之間通過“與”、“或”、“非”、“異或”等邏輯運算關系得到的樹狀圖即為故障樹。將FTA 應用于系統的故障診斷中，既可以幫助人們加深對系統故障和故障原因的理解，又能減少故障處理的時間、提高維護人員的工作效率，為系統的日常維護提供依據［1－3］。

2 地鐵列車牽引系統故障樹的建立

在綜合線路圖中，牽引部分對于地鐵列車的安全運營至關重要。圖1為綜合線路圖中的列車建立牽引的原理示意圖。由圖1可知，列車牽引前須檢查車門是否鎖好，制動是否緩解等條件。在綜合線路圖中，這些條件都由相應的繼電器等元器件來實現的，只有當所有條件都滿足了，才會產生牽引信號及脈沖信號，列車收到信號后才能動車。

圖1 牽引原理示意圖

當列車建立牽引發生故障時，由于建立牽引所需條件復雜、涉及的故障原因較多，導致維護人員難以很快給出正確判斷。為了提高故障診斷效率，本文以列車無法建立牽引為頂事件T，建立了圖2所示的故障樹。

圖2 列車無法建立牽引為頂事件T 的故障樹

在圖2中，中間事件M1為牽引信號故障，M2為脈沖信號故障，M3 為司機室繼電器故障，M4為列車狀態信號故障，M5 為司機室繼電器故障，M6為門聯鎖信號故障，M7 為停放制動緩解信號故障，M8 為緊急制動信號故障，M9 為常用制動緩解信號故障，M10 為快速制動緩解信號故障，M11為制動命令故障。底事件X1為牽引授權斷路器故障，X2為牽引授權繼電器1故障，X3為牽引授權繼電器2 故障，X4 為司機室激活繼電器3故障，X5為司機室激活繼電器10 故障，X6 為脈沖使能斷路器故障，X7 為門聯鎖繼電器1＿A故障，X8為門聯鎖繼電器2＿A故障，X9 為門聯鎖繼電器1＿B故障，X10 為門聯鎖繼電器 2＿B故障，X11為所有停放制動緩解繼電器故障，X12為制動隔離繼電器故障，X13 為所有制動緩解繼電器1故障，X14為緊急制動接觸器1故障，X15為緊急制動接觸器2 故障，X16 為全常用制動緩解繼電器1 故障，X17 為全常用制動緩解繼電器2故障，X18為無制動指令繼電器1故障，X19為無制動指令繼電器2故障。

3 最小割集

割集是導致正規故障樹（僅含有頂事件、底事件以及與、或、非三種邏輯門）頂事件發生的若干底事件集合。最小割集是導致正規故障樹頂事件發生的數目不可再少的底事件集合。常用的故障樹最小割集求法有上行法和下行法兩種［4］。本文利用下行法 求最小割集，求解過程如表1所示。

表1 下行法求取列車無法建立牽引的最小割集過程

經簡化、吸收、去掉重復的割集，得到16個最小割集K：

4 故障分析

4.1 建立故障查詢表

當得到故障樹的最小割集后，為了更好地進行故障處理，須確定各個最小割集的重要度。傳統方法是根據各個割集的故障率，從高到低排序確定故障排查順序。但分析本文故障樹得到的最小割集，可以發現大多數最小割集屬于同一型號的元器件，其故障率均相同。故僅僅用故障率排序的方法并不能很好地體現出各個最小割集的重要度。因此，本文根據割集包含的元素、不同元器件間的性能、同種元器件之間的工作位置對得到的16個最小割集進行分析，從而確定故障排查順序如下：

首先，根據割集包含元素的數量進行排序。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個元器件，表明必須2個元器件同時故障才會對系統造成影響。因此，這些割集的故障率比其他割集的故障率要低。

其次，根據不同元器件之間的性能進行排序。由于最小割集主要分為繼電器與空氣開關兩部分，因此，對繼電器與空氣開關進行性能分析。空氣開關在系統中主要起保護作用，防止經過的電流過大；而繼電器則需通過頻繁的打開、閉合動作來實現系統的各項功能。故空氣開關發生故障的可能性肯定小于繼電器，因此在排序表中割集K1、K5的順序低于其他割集。

最后，根據同種型號元器件的工作特點進行排序。在繼電器的相互比較中，動作頻率越低，故障可能性越低。例如：割集K11是制動隔離繼電器，其工作原理是制動被隔離時動作，而制動隔離可能幾周都不會出現一次，因此可能幾周都不會動作一次。割集K10是所有停放制動緩解繼電器，原理是停放制動緩解時動作。由于停放制動只有在列車回庫后才會施加，因此頻率大約為1～2次／d。比較這兩個割集，割集K11的故障可能性明顯小于K10。又比如割集K13，K14是緊急制動接觸器，原理是列車緊急制動時動作。割集K6～K10是門聯鎖繼電器，門鎖閉時動作，一旦列車關門，門聯銷繼電器就會動作。在頻率上門聯鎖繼電器遠大于緊急制動接觸器，因此K13、K14的故障可能性小于K6～K10。

從上述故障排查順序可知，有些割集的排查順序相同，表明這些割集的工作特性類似。此時，可通過割集在故障案例中出現的次數多少進行判斷，從而更準確地判斷故障發生原因。例如：K6，K7，K8，K9均為門聯鎖繼電器，型號相同，工作頻率相同，僅僅根據特性很難判斷故障可能性高低，此時，可通過查詢這4個繼電器在列車運營至今的故障案例中出現故障次數的多少來進行判斷，次數越多，則故障可能性越大。

4.2 診斷實例

1）故障現象：2013年11月28日13：18，上海軌道交通1號線261＃車在陸家嘴站下行牽引無法正常建立，無故障顯示，且所有門關好燈亮。司機切ATCIS（列車自動控制隔離開關）、ABRBS（所有制動旁路開關）、APBRBS（所有停放制動旁路開關）、EBKBS（緊急制動旁路開關）、DIRBS（門關好旁路開關）后清客至威寧路存車線。

2）診斷過程：使用從上述故障排查順序所示順序對故障進行診斷，首先檢查第一順序割集K2、K3、K12，查詢案例統計數據后發現這3個割集發生故障的次數均為0，因此，對這3個割集逐個進行排查，檢查結果均正常。隨后排查第二順序割集K6、K7、K8、K9，查詢案例統計數據后發現這4個割集發生故障的次數也均為0，因此，逐一對這4個割集進行排查，使用電壓表依次測量4個割集的進線及出線觸點電壓。檢查發現，K6進線、出線觸點有電壓，K7進線觸點有電壓，而出線觸點無電壓。因此，判斷K7即DIR2＿A 繼電器故障，更換DIR2＿A繼電器后，牽引能正常建立，試車線試車正常。

在此次案例中，維護人員使用故障排查順序快速、準確地對故障進行了診斷。針對案例中各元器件案例統計數據相同的現象，一方面是由于牽引無法建立這一故障現象，在地鐵運營中出現較少，另一方面是由于地鐵運營時間較短，各元器件發生故障概率較低。隨著列車運營時間的增加，各元器件發生故障的概率會逐漸增大，此時應用結合故障案例統計數據的故障排查順序，能使維護人員更快捷地進行故障診斷。

5 結論

故障樹分析法形象直觀、邏輯性強，通過對地鐵列車牽引系統建立故障樹，維護人員能加深對牽引系統原理的理解，了解導致各種故障發生的所有可能原因。為了使一線員工更方便快捷地處理列車牽引的各種故障現象，可將故障樹分析法與編程軟件相結合，從而大大減少維護人員處理故障的時間，提高工作效率，保障列車正常運營。

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