轨道交通列控系统共因失效分析_方云根

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主要类别 原因或子类别 范例 列控系统需求 规 范 错 误 ， 如 控制模式遗漏 列车 控 系 统 输 出 紧 急 制 动 － 干扰 （ 外部 或内部 ） 干扰 （ 外部 或内部 ） 共因失效 继电器触点不能闭合 电磁 脉 冲 引 发 软 件 计 算 错误 电磁 脉 冲 引 发 有 弱 点 的 硬 件故障 ２取 ２ 双 通 道 中 选 择 的 软 件编译器存在故障 ２取 ２ 双 通 道 中 采 用 了 同 一电源导致的电压过高 电磁脉 冲 导 致 了 ２ 取 ２ 双 通道列控软件计算错误 电磁脉 冲 导 致 ２ 取 ２ 双 通 道硬件比较器的故障
” ／ ， 基金项目 ： 同济大学 “ 工程建设项目 “ 轨道交 通 运 行 控 制 原 型 试 验 子 系 统 ” 实验室建设（ 国家科技支撑计划 ９ ８ ５ １ ２ ３ ７ ５ ３ ０ １ ２ ０ １ ２ ０ ９ １ ４ ５ ３ １） “ （ ） 高速磁浮交通工程化集成系统研究 ” 资助 ２ ０ １ ３ Ｂ ＡＧ １ ９ Ｂ ０ １ ， ： 作者简介 ： 方云根 （ 男 ，安徽歙县人 ， 博士生 ， 主要研究方向为轨道交通列控系统的安全性 ， １ ９ ８ ０ Ｅ－ｍ ａ ｉ ｌ ｆ ｅ ｌ ｉ ｘ ｕ ｎ＠１ ６ ３． ｃ ｏ ｍ． －） ｙ ， ： 曾小清 （ 联系人 ） 女， 教授 ， 博士生导师 ， Ｅ－ｍ ａ ｉ ｌ ｚ ｅ ｎ ｘ ｔ ｏ ｎ ｉ ． ｅ ｄ ｕ． ｃ ｎ ＠ ｇ ｑ ｇ ｊ
Ａ 系统性失效 － 编号
图 １ 系统失效的类型 ｉ ． １ Ｓ ｓ ｔ ｅ ｍ ｆ ａ ｉ ｌ ｕ ｒ ｅ ｔ ｅ Ｆ ｇ ｙ ｙ ｐ 表 １ 列控系统失效类别与示例 Ｔ ａ ｂ ． １ Ｔ ｅ ａ ｎ ｄ ｅ ｘ ａ ｍ ｌ ｅ ｓ ｏ ｆ ａ ｕ ｔ ｏ ｍ ａ ｔ ｉ ｃ ｔ ｒ ａ ｉ ｎ ｙ ｐ ｐ ｃ ｏ ｎ ｔ ｒ ｏ ｌ ｓ ｓ ｔ ｅ ｍ ｆ ａ ｉ ｌ ｕ ｒ ｅ ｙ
： （ Ａ ｂ ｓ ｔ ｒ ａ ｃ ｔ Ｃ ｏ ｍｍ ｏ ｎ ｃ ａ ｕ ｓ ｅ ｆ ａ ｉ ｌ ｕ ｒ ｅ ｓ Ｃ Ｃ Ｆ） ｉ ｓ ｎ ｏ ｔ ｅ ａ ｓ ｔ ｏ ｂ ｅ ｉ ｄ ｅ ｎ ｔ ｉ ｆ ｉ ｅ ｄ ａ ｎ ｄ ｅ ｖ ａ ｌ ｕ ａ ｔ ｅ ｄ ｉ ｎ ａ ｕ ｔ ｏ ｍ ａ ｔ ｉ ｃ ｔ ｒ ａ ｉ ｎ ｃ ｏ ｎ ｔ ｒ ｏ ｌ ｙ （ ， ＡＴ Ｃ） ｓ ｓ ｔ ｅ ｍ ｄ ｅ ｓ ｉ ｎ ａ ｎ ｄ ｄ ｅ ｖ ｅ ｌ ｏ ｍ ｅ ｎ ｔ ． Ｔ ｈ ｅ ａ ｎ ａ ｌ ｓ ｉ ｓ ｏ ｆ ｔ ｈ ｅ ｆ ａ ｉ ｌ ｕ ｒ ｅ ｃ ｈ ａ ｒ ａ ｃ ｔ ｅ ｒ ｉ ｓ ｔ ｉ ｃ ｓ ｏ ｆ ＡＴ Ｃ ｓ ｓ ｔ ｅ ｍ ｆ ａ ｉ ｌ ｕ ｒ ｅ ｓ ｙ ｇ ｐ ｙ ｙ ｓ ｓ ｔ ｅ ｍ ｍ ｏ ｄ ｅ ｌ ｌ ｉ ｎ ａ ｎ ｄ ｃ ａ ｌ ｃ ｕ ｌ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ ｄ ｅ ｍ ｏ ｎ ｓ ｔ ｒ ａ ｔ ｅ ｄ ｔ ｈ ａ ｔ Ｃ Ｃ Ｆ ｈ ａ ｄ ａ ｓ ｉ ｎ ｉ ｆ ｉ ｃ ａ ｎ ｔ ｉ ｍ ａ ｃ ｔ ｏ ｎ ｔ ｈ ｅ ｓ ａ ｆ ｅ ｔ ｏ ｆ ｔ ｈ ｅ ｓ ｓ － ｙ ｇ ｇ ｐ ｙ ｙ ｔ ｅ ｍ．Ａ Ｃ Ｃ Ｆ ｖ ｕ ｌ ｎ ｅ ｒ ａ ｂ ｉ ｌ ｉ ｔ ｆ ａ ｃ ｔ ｏ ｒ ｗ ａ ｓ ｄ ｅ ｓ ｉ ｎ ｅ ｄ ａ ｃ ｃ ｏ ｒ ｄ ｉ ｎ ｔ ｏ ｔ ｈ ｅ ｓ ｓ ｔ ｅ ｍ ｓ ａ ｆ ｅ ｔ ｔ ｈ ｅ ｏ ｒ ａ ｎ ｄ ｔ ｈ ｅ ｃ ｈ ａ ｒ ａ ｃ ｔ ｅ ｒ ｉ ｓ ｔ ｉ ｃ ｓ ｙ ｇ ｇ ｙ ｙ ｙ ， ｒ ｏ ｃ ｅ ｓ ｓ ｔ ｈ ｅ ＡＴ Ｃ ｓ ｓ ｔ ｅ ｍ． Ｔ ｈ ｅ ｎ ｔ ｈ ｅ ｆ ｏ ｒ Ｃ Ｃ Ｆ ｉ ｄ ｅ ｎ ｔ ｉ ｆ ｉ ｃ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ ａ ｎ ｄ ｓ ｃ ｒ ｅ ｅ ｎ ｉ ｎ ｗ ａ ｓ ｄ ｉ ｓ ｃ ｕ ｓ ｓ ｅ ｄ ． Ｂ ａ ｓ ｅ ｄ ｏ ｎ ｔ ｈ ｅ ２ ｏ ｆ ｐ ｙ ｇ ， ｒ ｏ ｂ ａ ｂ ｉ ｌ ｉ ｔ ｏ ｕ ｔ ｏ ｆ ３ＡＴ Ｃ ｓ ａ ｆ ｅ ｔ ａ ｒ ｃ ｈ ｉ ｔ ｅ ｃ ｔ ｕ ｒ ｅ ｔ ｈ ｅ ｓ ｓ ｔ ｅ ｍ ｆ ａ ｉ ｌ ｕ ｒ ｅ ｗ ｈ ｉ ｃ ｈ ｔ ａ ｋ ｅ ｓ ａ ｃ ｃ ｏ ｕ ｎ ｔ ｏ ｆ Ｃ Ｃ Ｆ ｗ ａ ｓ ｃ ｏ ｍ ｕ － ｐ ｙ ｙ ｙ ｐ ｔ ｅ ｄ ． Ｉ ｔ ｉ ｓ ｆ ｏ ｕ ｎ ｄ ｏ ｕ ｔ ｔ ｈ ａ ｔ ｉ ｔ ｉ ｓ ｄ ｉ ｆ ｆ ｉ ｃ ｕ ｌ ｔ ｔ ｏ ｕ ａ ｎ ｔ ｉ ｔ ａ ｔ ｉ ｖ ｅ ｌ ｃ ａ ｌ ｃ ｕ ｌ ａ ｔ ｅ ｔ ｈ ｅ Ｃ Ｃ Ｆ ｄ ｕ ｅ ｔ ｏ ｔ ｈ ｅ ｌ ａ ｃ ｋ ｏ ｆ ｈ ｉ ｓ ｔ ｏ ｒ ｉ ｃ ａ ｌ Ｃ Ｃ Ｆ ｑ ｙ ， ｈ ｅ Ｃ Ｃ Ｆ ｃ ｏ ｎ ｔ ｒ ｏ ｌ ｍ ｅ ａ ｓ ｕ ｒ ｅ ｓ ｗ ａ ｓ ｄ ｉ ｓ ｃ ｕ ｓ ｓ ｅ ｄ ａ ｎ ｄ ｓ ｕ ｍｍ ａ ｒ ｉ ｚ ｅ ｄ ． ｄ ａ ｔ ａ ． Ｆ ｉ ｎ ａ ｌ ｌ ｅ ｎ ｅ ｒ ａ ｌ ｙｔ ｇ ： ； ； Ｋ ｅ ｗ ｏ ｒ ｄ ｓ ｃ ｏ ｍｍ ｏ ｎ ｃ ａ ｕ ｓ ｅ ｆ ａ ｉ ｌ ｕ ｒ ｅ ａ ｕ ｔ ｏ ｍ ａ ｔ ｉ ｃ ｔ ｒ ａ ｉ ｎ ｃ ｏ ｎ ｔ ｒ ｏ ｌ ｓ ｓ ｔ ｅ ｍ； ｆ ａ ｉ ｌ ｕ ｒ ｅ ａ ｎ ａ ｌ ｓ ｉ ｓ ｓ ｓ ｔ ｅ ｍ ｓ ａ ｆ ｅ ｔ ｙ ｙ ｙ ｙ ｙ
： ／ Ｄ Ｏ Ｉ １ ０． １ ６ １ ８ ３ ． ｃ ｎ ｋ ｉ ． ｓ ｔ ｕ． ２ ０ １ ５． ０ ７． ０ ２ ３ ｊ ｊ ｊ
轨道交通列控系统共因失效分析
方云根 ， 曾小清 ， 王 刚
（ ） 同济大学 交通运输工程学院 ，上海 ２ ０ １ ８ ０ ４ 摘 要 ：针对目前列控系统设计和开发 过 程 中 共 因 失 效 不 易 识 别 和 评 估 问 题 ， 在分析列控系统失 通过建模和计算证明共因失效对于系统安全 具 有 重 要 影 响 ． 采 用 系 统 安 全 理 论， 分 效特征基础上 ， 析列控系统的共因失效影响因素 ， 讨论 共因失效的识别和筛选过程； 基于列控系统３取２安全架 构， 计算包含共因失效的系统失 效 概 率 ， 指出由于缺乏历史统计数据造成共因失效定量计算的困 最后提出控制列控系统共因失效的一般控制措施和方法 ． 难， 关键词 ：共因失效 ；列控系统 ；失效分析 ；系统安全 中图分类号 ：Ｕ ４ ６ ３． １ 文献标志码 ：Ａ
间 隔 短、 密度 现代 轨 道 交 通 列 车 运 行 速 度 高 、 大， 必须采用自动化 设 备 来 代 替 人 工 控 制 指 挥 列 车 列车自动控制 系 统 （ 简称列控系统） 是轨道交 运行 ． 通中保证列车行 车 间 隔 、 防 止 超 速、 确 保 进 路 安 全、 车门监控等安全关 键 功 能 的 系 统 ， 其安全等级要达 到轨道交通安全标 准 规 定 的 安 全 完 整 度 ４ 级 要 求 ，
９卷 第７期 第４ ０ １ ５年７月 ２
上 海 交 通 大 学 学 报
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Ｖ ｏ ｌ ． ４ ９Ｎ ｏ ． ７ Ｊ ｕ ｌ ． ２ ０ １ ５
（ ） １ ０ ０ ６ ２ ４ ６ ７ ２ ０ １ ５ ０ ７ １ ０ ５ ２ ０ ６ 文章编号 ： － － －
收稿日期 ： ２ ０ １ ３ １ ２ ０ ５ － －
－８ 也就是其每 小 时 产 生 的 危 险 失 效 率 不 得 大 于 １ ０ １］ 次［ ．
常见列控 为使列控系统 达 到 规 定 的 安 全 水 平 ， （ 系统一般采用 ２ 取 ２ 对 ２ 个结果进 行 比 较 ， 比较一 （ 致则执行 ， 不一致则采取安全措施 ） 或者 ３ 取 ２ ３个 结果中选择 采 用 ２ 个 或 ３ 个 同 样 一 致 的 结 果 来 执
Ｂ
随列控系统安全的影响
１． １ 列控系统的失效与安全度量 失效是指产品丧失完成规定功能的能力的事 件， 由电气／电子／可编程电子组成的系统中 ， 将失效 划分为系统性失效 和 随 机 性 失 效 ． 系统性失效是指 一种存在于系统 、 子系统或部件的规范 、 设计 、 建造 、 安装 、 运行或维护中的一种固有性失效 ， 它是由于系 统生命周期过程任 一 阶 段 中 由 于 人 为 错 误 造 成 的 ， 它可在特定的系统环境条件下或特定的输入组合条 件下导致系 统 失 效 ； 系 统 性 失 效 包 含 系 统 规 范、 设 计、 制造 、 安 装、 操 作、 维 护 和维 修错误 等类 型． 随机 性失效是一种由于硬件物理上有限可靠性导致的随 机硬件失效 ， 与部 件 的 操 作 模 式 、 运 行 环 境、 应力条 件、 疲劳等方面有关 ； 随机性失效的发生是硬件在物 理上的降级机制决 定 的 ， 在具体发生时间上是不可 预测的 ， 但其发生概 率 可 以 通 过 统 计 数 据 进 行 精 确 的预测 ． 共因失效是指由于一个共同的原因导致了系统 中多个部件发生了 失 效 ， 多个部件发生失效的时机 可以是同时的也可 以 是 错 开 的 ， 共因失效其根本原 因可能是 设 备 内 部 的 也 有 可 能 是 外 部 触 发 （ 干 扰） 的． 由图 １ 可见 ， 共因失效可以划分为系统性失效和 随机性失效两方面 ， 其中一部分是由系统干扰引起 的
第７期
方云根 ， 等： 轨道交通列控系统共因失效分析
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行， 否则采取安全措 施 ） 的 安 全 架 构， 这类系统安全 架构中 ， 一个系统安全 功 能 通 常 有 ２ 个 或 ３ 个 并 行 的功能相同的通道 （ 功能模块） 实 现， 然后由比较器 （ ） ） 或表决器 （ 对并行实现的结果进行比 ２取２ ３取２ 较或表决 ， 依据比较 或 表 决 的 结 果 对 列 车 执 行 相 应 的实时控制 ． 列控系统 ２ 取 ２ 或者 ３ 取 ２ 安全架构中每个通 道常采用相同或者 相 似 的 设 计 实 现 技 术 ， 通道中的 相同或相似性使得它们可能会存在共同的敏感因素 和弱点 ， 对于系统安全性而言 ， 列控系统存在由共因 失效引起的安全隐 患 ． 目前轨道交通行业对共因失 效分析 、 识别 、 计算 、 控制尚无成熟经验和方法 ， 这可 能导致在列控系 统 的 设 计 、 制 造、 运 行、 维护过程中 遗漏或者低估存在 的 共 因 失 效 ， 为轨道交通的列车 安全运行埋下隐患 ． 本文主要针对列控系统设计和开发过程中共因 失效不易识别和评 估 问 题 ， 提出控制列控系统共因 失效的一般控制措施和方法 ．