高速列車門系統??FMEA??及風險評估案例研究

華 鵬，李艷嬌，辛久元

（1.?中車長春軌道客車股份有限公司?國家軌道客車工程研究中心，吉林長春?130062；2.?65066?部隊工程兵教研室，遼寧大連?116001）

隨著我國高速鐵路事業不斷發展，高速列車的運營速度等級以及裝備復雜性不斷提升，高速列車運用安全問題越來越突出。門系統作為旅客進出高速列車以及其中各個部分的接口，其可靠性、安全性的高低直接影響高速列車的安全性。故障模式及影響分析（FMEA）以及風險評估作為重要的安全性分析方法，對保障高速列車運營安全和提高運營維護水平起到至關重要的作用。

1 建立可靠性框圖

客室側門作為高速列車門系統中較為復雜的子系統，用可靠性框圖對其進行分析具有代表性。客室側門由驅動機構、門框、設備安裝支架、門扇、站臺間隙補償器、內操作面板、外操作面板和門控單元（DCU）組成，其系統可靠性框圖如圖?1?所示。該圖表示任何子系統（組成單元、組件）發生故障，都會對客室側門系統造成影響。

圖1 客室側門可靠性框圖

2 門系統 FMEA 分析

FMEA?是目前鐵路行業開展可靠性和安全性分析的基礎性分析工作之一。在高速列車設計和制造初期階段，應分析產品的各組成單元潛在發生的各種故障模式，以及故障模式發生的原因、影響，有針對性地制定減輕措施，降低該故障模式的風險等級，從而提升高速列車的可靠性和安全性。在制定高速列車檢修方案的過程中，根據?FMEA?分析結果，對故障率高、危害程度大的組件和零部件，有針對性地選擇合適的維修方式，制定合理的維修計劃，防止出現維修不到位或過修的情況發生，提升高速列車的維修水平。

客室側門作為旅客進出列車以及其中各個部分的接口，對高速列車運營安全有至關重要的作用，其結構也相對復雜，故障次數與故障模式較多，對其進行?FMEA?及風險評估具有代表意義。

2.1 門系統的故障模式識別

在行業標準?IEC?62278-2002《鐵路應用—可靠性、有效性、維修性和安全性（RAMS）的規范和論證》中，故障模式定義為“在失效/故障時，由與運行條件相關的規定項目引起的預計或觀察的失效/故障結果。”

由于高速列車及其零部件的故障模式十分復雜，至今還沒有一個統一、完整的相應規范來正確和全面地對其進行描述和規定。因此，通過對故障數據庫中的故障信息進行提煉，總結出?25?種門系統常見的潛在故障模式（表1）。

表1 門系統潛在的故障模式及代碼

2.2 門系統 FMEA 分析

在開展設計研發的初期階段，系統工程師、設計師和供應商根據項目的統一要求，結合既有產品實際發生的故障信息，從不同角度和深度來開展高速列車各系統/設備的?FMEA?分析工作，最后總結整理出門系統的FMEA?分析表（表2）。

表2 門系統潛在失效模式及效應分析表（01～06）

表2?中門系統各個潛在失效模式的嚴重度（S）、頻度（O）和探測度（D）可根據?IEC?60812-2006《系統可靠性分析技術—失效模式和影響分析（FMEA）程序》中相應的評價準則，進行相應的評分。

故障模式對應的風險等級根據風險順序數（RPN）的高低進行判斷，由該故障模式可能產生的嚴重程度、發生頻率和可探測度這三者的乘積得到，計算公式為：

RPN取值在?1～1??000?之間：①通常情況下，當RPN數值大于?100?時，設計師和供應商應針對性地制定并實施改進措施；②當嚴重度大于等于?8?級時，同樣需要采取改進措施；③當RPN數值小于等于?100，嚴重度小于8級時，根據RPN數值從大到小排序，對前?4?位的故障模式有針對性地實施改進措施。

3 門系統風險評估

風險評估是將故障模式所能夠帶來的風險進行量化/半量化的評估工作。按照每一故障模式的嚴重等級及該故障模式發生的概率所產生的綜合影響來研究該故障模式，以便全面評價該故障模式對系統產生的風險等級是否在可接受范圍。

3.1 風險級別判定

故障模式的風險級別判定通常通過風險級別判定矩陣來確定，而風險級別矩陣中橫、縱坐標分別表示該故障模式的嚴重等級和發生概率。因此，確定了某一故障模式的嚴重等級和發生概率，即可確定該故障模式的風險級別。

根據故障模式對應的故障率，計算出該故障模式出現次數占所有故障模式總次數的百分比，根據概率等級的劃分原則，得出故障模式發生的概率。在定性與定量分析時，為了方便相互轉化，通常將故障模式發生的概率等級按表3?內容進行劃分。

根據?IEC?62278?標準中危險等級劃分原則及高速列車自身情況，定義?A、B、C、D?4?個故障嚴重等級。其中，A?類故障——高速列車不能運營；B?類故障——高速列車處于降級模式運營；C?類故障——高速列車在最小受限限度下運營；D?類故障——該故障不影響運營，高速列車可不降低運營速度運行，可以返回段內維修。

根據?IEC?62278?標準中風險評估矩陣的定義，將每個故障模式的發生概率和嚴重等級代入風險評估矩陣，即可確定該故障模式的風險等級屬于不可容忍、不希望、可容忍、可忽略?4?個等級之一，并識別出風險級別為不可容忍和不希望的故障模式清單（表4）。

表3 故障模式發生的概率等級劃分表

表4 門系統風險級別判定表（部分）

3.2 故障模式危害性判定

如圖?2?所示，危害性矩陣圖橫坐標表示故障嚴重度，縱坐標表示故障模式出現概率。將本案例中的故障模式代碼按其嚴重等級和故障模式概率標記在矩陣圖相應位置上，從而得出故障模式分布點。將各分布點向對角線（即危害增長方向）投影，分布點投影離坐標原點越遠表明該故障模式危害性越大，風險等級越高。圖?2?表示了門系統各故障模式所產生的危害性相對大小。

圖2 門系統危害性矩陣圖

3.3 風險評估結果

由故障模式風險級別判定表和危害性矩陣，得出門系統的風險評估結果：

（1）風險等級為不可容忍、危害性最高的故障模式有控制故障、通信故障、補償器故障和作用不良；

（2）風險等級為不希望、危害度為次高的故障模式有關閉不嚴、集控失效、門顯示故障、側門關閉故障、側門打開故障、主鎖故障、側門開閉異常、內端門和接觸片故障。其中關閉不嚴、側門關閉故障和側門開閉異常這?3?種故障模式的危害度與其他?6?種比相對較高。

3.4 識別關鍵產品

將危害度等級排在前?2?位的故障模式對應的產品列入門系統關鍵產品清單（表5），為今后的產品設計改進、運用維護提供依據。

從門系統關鍵產品及其故障模式清單可以看出，門系統的關鍵產品有門控單元、驅動裝置、鎖閉機構、站臺補償器。這就需要在平時列車維護過程中對關鍵產品投入更多關注，從而提高整個門系統的可靠性和維修性，保障其可用性和安全性。

表5 門系統關鍵產品及其故障模式清單

4 結論

本文基于?FMEA?及風險評估理論，利用高速列車故障信息采集方法，提出了門系統?25?種故障模式，對門系統開展了?FMEA?分析，并從風險等級和危害度?2?個方面對高速列車門系統進行風險評估，得到了風險等級最高的?4?種關鍵故障模式：控制故障、通信故障、補償器故障和作用不良，以及?4?個可靠性、安全性關鍵設備：門控單元、驅動裝置、鎖閉機構、站臺補償器。該理論方法也為高速列車在設計、調試以及運用維護過程中規避風險提供了依據。

[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.軌道列車可靠性、可用性、維修性和安全性（RAMS）[M].北京：中國鐵道出版社，2009.

[4]燕飛，唐濤.IEC 61508及其在鐵路安全相關系統研制開發中的應用研究[J].鐵道學報, 2005，27（3）：124-128.

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