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案例详细
标题三取二铁路信号微机联锁系统故障树分析
技术领域电源
行业
简介
内容

 

宋平凡，肖运勇

 

1  前言

 

    故障树是分析大型复杂控制系统的安全性与可靠性的最常用方法，它把系统不希望发生的事件（失效状态）作为故障树的顶端事件，逐一找出导致这一不希望事件所有可能发生的直接因素和原因，故障树对搜索控制系统的失效之源、分析故障产生的原因、评价系统故障概率具有重要的作用。

 

    站场信号微机联锁系统是复杂的控制系统，目前，有多种主控结构，如三取二、主备二取二、双机热备等等，主控结构确定之后，室内、室外信号联锁系统就可以建立“系统失效”的故障树模型，以便系统运行中快速、准确地追查故障原因，迅速排除故障，确保系统全运行。

 

    本文以国内使用较普通的北京和利时系统工程股份有限公司研发的三取二（即2/3(G)）信号微机联锁系统为主控结构，评价其系统的可靠性指标，并且建立系统失效的故障树分析模型。

 

2  三取二（2/3(G)）表决系统的可靠性

 

    2/3(G)表决系统，即三套同时独立运行的CPU控制系统中，有2个或2个以上CPU控制系统工作正常（运算数据结果一致）则确定系统工作正常（运算数据有效），否则，系统失效（数据无效）。把每一套CPU控制系统分别看成是一个独立运行的元件ICU1、ICU2、 ICU3，2/3(G)表决系统可以用可靠性框表述为图1。

 

    从图1可见，系统工作正常（T）至少ICU1与ICU2或ICU2与ICU3或ICU3与ICU1工作正常，即：

    由于每套CPU控制系统的元件相同，制作工艺、参数也相同，故失效率λ也相同，所以表决系统的可靠性：

   

图2  三取二信号微机联锁系统故障树

 

3  三取二信号微机联锁系统故障树

 

    为简化分析，把联锁系统中独立工作的部件均视为一个元件，如信号机、转辙机、区段电路……，以系统失效为顶端事件，建立三取二信号微机联锁系统运行时故障树模型，如图2所示。

 

    对每个基本元件还可以继续分解，建立其故障树模型，如调车信号机故障树模型如图3所示。

4  故障树分析

表1  三取二信号微机联锁系统故障树的最小割集（下行法）

(1)  定性分析

    最小割集是导致故障树顶端事件发生的充要条件，反之，查找到故障树顶端事件发生的原因，必然包含最小割集，三取二信号微机联锁系统故障树的最小割集（下行法）查找如表1所示。

 

    最小割集为{X1}、{X5，X6 }、{X2}、{X3}、{X4}、{X7}、{X8}……{X18}，当最小割集中任一事件发生，必然导致系统失效，如事件{X1}发生（停电），系统失效；事件{X5，X6 }发生（二路电源均故障），系统失效；事件{X2}发生（ ICU1，ICU2均故障），系统失效………

 

(2)  定量分析

    系统失效事件的概率P{T}，既当一个最小割集事件出现时顶端事件出现的概率为：

    P{T}= P{X1∪X2∪X3∪X4∪(X5∩X6)∪X7……∪X18}

 

    用概率加法定理展开上式并代入统计数据，可以计算出顶端事件发生的概率。

 

    但是，工程上一般采用近似估算，取

    P{T}sup=P{X1∪X2∪X3∪X4∪(X5∩X6)∪X7……∪X18}

    =P(X1)+P(X2)+P(X3)+P(X4)+P(X5∩X6)+P(X7)+……+P(X18)           (1)

 

    系统运行时P(X1)发生的概率很小，P(X5∩X6)（二路电源同时发生故障）的概率也很小，对系统失效概率的计算忽略，而X2，X3，X4，是三取二表决系统中二个或二个以上ICUi，同时发生故障事件的概率，如图4所示。

    最小割集{ICU1，ICU2}、{ICU2，ICU3}、{ICU3，ICU1}

    因为ICUi故障发生的独立性，设其故障率为P

    因为：P(X2)=P{ ICU1∩ICU2}=P(ICU1)P(ICU2)=P2

    同理：P(X3)=P(X4)=P2

    故：P(X2)+P(X3)+P(X4)=3P2                                      (2)

    又因为ICM，OCM采用双断法，主备二路I/O、制作工艺、老化参数与ICUi相同，元件故障概率近似等于ICU1故障概率。

    因为　P(X7)=P(X8)=P　　　　　　　　　       　　(3)

    把(2)、(3)代入(1)得

               (4)

    由于制造工艺，室内、室外设备运行环境的差异，运行中存在以下关系。

   

    即系统失效的故障概率主要由室外设备故障概率的影响，把统计数据代入(4)，可近似估算系统失效概率。

 

5  结论

 

    三取二信号微机联锁系统可靠性特点：主控部分可靠性远大于室外设备可靠性，有可靠性冗余度的联锁控制系统。系统运行的失效概率主要受继电器电路、室外信号机、电动转辙机、区段电路以及电缆回路的影响，因此，确保系统的正常运行，在于精心维护室外设备，提高室外设备的运行可靠性，降低故障率。