基于故障樹分析法的道岔故障診斷與可靠性評估方法*

張 帆 黃世澤 郭其一 劉豪鵬 董德存

(1. 同濟大學道路與交通工程教育部重點實驗室， 201804， 上海；2. 同濟大學電子與信息工程學院， 201804， 上海//第一作者，碩士研究生)

隨著高速鐵路的快速發展，列車速度不斷提高，對鐵路信號設備的安全與可靠性提出了更高的要求。道岔作為鐵路信號車站聯鎖系統的重要組成部分，是排列列車進路和實現進路轉換的關鍵設備。由現場調研發現，道岔故障常常是造成重大事故的主要原因之一[1]。目前，我國使用微機監測系統，實現了對車站信號設備的實時監測。而該系統尚缺乏完善的狀態監測與故障診斷于一體的綜合功能,使得道岔故障原因仍需依靠人工經驗分析判斷，且故障處理時間較長，效率較低，檢修人員經驗不足時還可能影響行車安全。所以當道岔出現故障時，快速準確地診斷出故障，并及時修理故障，成為一項重要的研究內容。

故障樹分析法(FTA)是一種分析、判斷系統可靠性和可用性的重要方法，通過對可能造成系統失效的各種因素(包括硬件、軟件、環境、人為等因素)進行分析，建造故障樹，從而確定系統失效原因的各種可能組合方式及其發生概率，以預測系統的失效概率，并采取相應的糾正措施來提高系統的可靠性和安全性[2]。

本文以ZD6型道岔轉轍機為例，詳細說明了故障樹分析法在道岔轉轍機故障診斷中的應用。采用故障樹分析法可快速有效地診斷出道岔故障，從而提高檢修效率及系統可靠性，保證行車安全。

1 道岔結構

道岔是機車車輛從一股軌道轉入或越過另一股軌道時必不可少的線路設備，是鐵路軌道的一個重要組成部分。車站道岔如圖1所示。道岔的主要組成部分為轉轍機、轍叉、護軌、道岔連接部分。

轉轍機是道岔控制系統的執行機構，用于轉換鎖閉道岔尖軌或心軌，表示監督聯鎖區內道岔尖軌或心軌的位置和狀態。ZD6型電動轉轍機內部結構如圖2所示。

圖1 車站道岔

圖2 ZD6型電動轉轍機內部結構圖

ZD6型電動轉轍機整體動作過程為：解鎖→轉換→鎖閉。首先，電動機得電旋轉，通過齒輪帶動減速器；其次，輸出軸通過起動片帶動主軸，鎖閉齒輪隨主軸逆時針方向旋轉；最后，撥動齒條塊，使動作桿帶動道岔尖軌運動，轉換過程中，通過自動開閉器的接點完成表示。

2 道岔常見故障分類

道岔常見故障按現象可分為3類：道岔不啟動、道岔無表示和道岔空轉。道岔不啟動即道岔啟動電路發生故障。道岔無表示即道岔扳動到側向通過狀態時，信號無表示的故障。道岔空轉即道岔因故轉換不到位，電機一直轉動，道岔無表示信號而造成的故障。常見的道岔空轉故障又可分為不解鎖空轉、解鎖空轉與密貼空轉。不解鎖空轉最明顯的特點是齒條塊不動，解鎖空轉為齒輪轉動32.9°后發生的空轉，密貼空轉為道岔密貼過緊而造成電動機空轉。

列車通過道岔時，道岔轉換設備必須保證道岔可動部分固定在開通直股或側股位置。一旦出現道岔空轉故障，使得道岔未轉換到位，行駛列車就有可能出現進入異線、翻車、掉道等嚴重后果。然而，導致道岔空轉故障的原因復雜且繁多，若無法直接、準確地找到導致道岔空轉故障的原因，此時，即可對其建立故障樹，以快速尋找排查故障原因，提高檢修效率及道岔可靠性，保證行車安全。

3 道岔空轉故障樹構建

故障樹構建是FTA的核心內容，它構建的完善程度將直接影響定性和定量分析。構建故建樹之前必須深入了解被診斷系統的組成結構和工作原理，廣泛收集相關故障信息資料，掌握系統功能與故障模式之間的邏輯關系與受影響程度。建樹過程應與專家經驗知識緊密結合，逐步深入完善[3]。故障樹的建立一般分為以下3個步驟：

(1) 收集資料。深入理解系統基本原理、功能結構及故障模式，廣泛收集系統故障信息資料。

(2) 選擇頂事件。頂事件是系統不希望發生的故障事件。根據研究內容，選擇定義清晰且可進一步分解的故障事件作為頂事件。

(3) 建造故障樹。將已確定的頂事件定在頂部矩形框內，將引起頂事件的全部必要而又充分的直接原因事件(包括硬件、軟件、環境、人為因素等)置于相應原因事件符號中畫出第二層，再根據系統中它們的邏輯關系用邏輯門連接頂事件和這些直接原因事件。如此逐級向下發展，直到所有最低一層原因事件都是底事件為止。對于復雜系統，建造故障樹時應按層次逐級展開[4]。

本文以道岔空轉故障中的解鎖空轉故障為例，建立道岔解鎖空轉故障樹如圖3所示。分析導致道岔解鎖空轉故障的原因，可得如圖3 a)所示的故障樹；進一步對圖3 a)中齒條塊不動、齒條塊能動、尖軌不動以及尖軌能動、道岔轉換不到底故障分解，分別得到如圖3 b)、c)、d)、e)所示的子故障樹；再對圖3 e)中摩擦電流偏小、摩擦阻力偏大、箱內異物卡阻及箱外異物卡阻故障分解，分別得到如圖3 f)、g)、h)、i)所示的子故障樹。

4 基于FTA的定性分析

故障樹定性分析的目的在于尋找導致頂事件發生的原因及原因組合，識別導致頂事件發生的所有故障模式。

對于故障樹來說，割集是指：故障樹中一些底事件的集合，當這些底事件同時發生時，頂事件必然發生。最小割集是指：若將割集所含的底事件去掉任意一個就不再成為割集，這樣的割集就是最小割集。故障樹定性分析的任務就是要尋找故障樹的全部最小割集[4]。一般采用Fussell-Vesejy算法求解故障樹最小割集。

a) 導致解鎖空轉故障的事件A1-A4

b) 導致齒條塊不動(A1)的事件

c) 導致齒條塊能動(A2)的事件

d) 導致尖軌不動(A3)的事件

e) 導致尖軌能動道岔轉換不到底(A4)的事件

f) 導致摩擦電流偏小(B6)的事件

g) 導致摩擦阻力偏大(B7)的事件

h) 導致箱內異物卡阻(B8)的事件

i) 導致箱外異物卡阻(B9)的事件圖3 道岔解鎖空轉故障樹

Fussell-Vesejy算法又稱為下行法。根據故障樹的實際結構，從頂事件開始，逐層向下尋查，找出割集。規則就是遇到與門增加割集階數(割集所含底事件數目)，遇到或門增加割集個數。具體做法就是把從頂事件開始逐層向下尋查的過程橫向列表，遇到與門就將其輸入事件在下一列縱向依次展開，直到故障樹的最底層。這樣列出的表格最后一列的每一行都是故障樹的割集，再通過割集之間的比較，進行合并消元，最終得到故障樹的全部最小割集[4]。

采用下行法對道岔解鎖空轉故障樹進行定性分析，求解最小割集過程如表1所示，其最小割集即為系統的薄弱環節。

表1 下行法求解最小割集的過程

當最小割集中任一事件發生，必然導致道岔故障，如：{X1}齒輪與齒條塊異物卡阻，則導致道岔解鎖空轉故障。

5 基于FTA的定量分析

故障樹定量分析的任務是根據底事件發生的概率估計頂事件發生的概率以及系統的一些可靠性指標。在故障樹定量計算時可以通過故障樹的邏輯關系直接求頂事件發生的概率，也可以通過最小割集求頂事件發生的概率[4]。

5.1 直接求頂事件的發生概率

在故障樹定量分析過程中，在計算中間事件與頂事件的發生概率時，根據故障樹的邏輯結構，可以將復雜整樹結構分解成一個個單門子樹，從最底層開始由下往上進行逐層計算。一般分解得到的單門子樹分為與門和或門兩種類型，其頂事件發生概率計算方法如下式：

(1)

(2)

式中：

Pi——基本事件Xi發生的概率；

PT，OR——或門頂事件發生的概率；

PT，AND——與門頂事件發生的概率。

設Cj={X1,X2,…,Xn}表示故障樹的第j個最小割集，基本事件Xi是割集中的一個元素發生的概率，當各個基本事件是獨立事件時，最小割集Cj發生的概率為：

(3)

5.2 通過最小割集求頂事件的發生概率

若{X1,X2,…,Xn}是故障樹中的最小割集，則該最小割集的結構函數為：

(4)

若故障樹有k個最小割集，最小割集的結構函數分別為：

Φ1{X},Φ2{X},…,Φk{X}

(5)

則故障樹頂事件的結構函數ΦS(X)為：

(6)

本文選用直接求頂事件發生概率的方法進行定量分析。按照公式(1)～(6)，由下往上逐級計算出中間事件與頂事件的發生概率，其計算過程如表2所示。

表2 中間事件與頂事件發生概率計算過程

本文提取了齒條塊上部有異物等直接關系到道岔可靠性的底事件，但這些底事件并沒有包含在日常記錄的統計數據中。并且由于鐵路運營現場定期排查道岔故障，通常在故障發生前已檢修完畢，以保證鐵路行車安全與乘客人身安全，對道岔的日常故障記錄較少，故未搜集到各個底事件發生的概率數據。若獲得各個底事件發生的概率數據，按照表2中公式即可計算出頂事件發生概率，從而對系統進行可靠性評估，為道岔故障診斷和日常維修提供理論依據。從中找出系統薄弱環節，采取相應措施將系統可能發生的故障損失降低到最小程度，調整維修人員的檢查周期，提高檢修效率，增強鐵路運營安全性。

6 結語

本文詳細分析了道岔空轉故障中的解鎖空轉故障，對此建立了故障樹模型。當出現道岔解鎖空轉故障時，可根據故障樹快速查找故障類型，減少誤診斷事件，提高檢修準確性。對道岔解鎖空轉故障樹進行了定性與定量分析，找出系統薄弱環節，計算系統可靠性，合理制定部件檢修周期，提高檢修效率。但是由于條件限制，本文并沒有獲得具體數據，因此還需要進一步跟蹤底事件發生的概率數據，為系統可靠性的評估提供理論依據。