摘 要： 近年城市交通問題凸顯，地鐵作為解決城市交通問題的重要方式，其安全穩(wěn)定運(yùn)行顯得尤為重要。地鐵綜合監(jiān)控系統(tǒng)是整個(gè)地鐵系統(tǒng)安全可靠運(yùn)行的重要保障，對(duì)其可靠性進(jìn)行有效的評(píng)估有著重要的價(jià)值。介紹了地鐵綜合監(jiān)控系統(tǒng)和故障樹" title="模糊故障樹">模糊故障樹理論，運(yùn)用模糊故障樹對(duì)地鐵綜合監(jiān)控系統(tǒng)可靠性進(jìn)行分析，并對(duì)車站級(jí)監(jiān)控系統(tǒng)的故障進(jìn)行了定性和定量的可靠性分析，拓展了模糊故障樹的使用領(lǐng)域。
關(guān)鍵詞： 地鐵綜合監(jiān)控系統(tǒng)；模糊故障樹；故障；可靠性
地鐵具有高速、安全、準(zhǔn)時(shí)、載客量大的特點(diǎn)，是現(xiàn)代城市解決交通擁塞最有效的手段。地鐵一旦發(fā)生事故，輕則影響乘客出行，重則危急生命財(cái)產(chǎn)安全，對(duì)社會(huì)影響極大，所以其運(yùn)行的可靠性顯得尤為重要。
地鐵綜合監(jiān)控系統(tǒng)（ISCS）通過集成地鐵中的主要子系統(tǒng)，形成統(tǒng)一的監(jiān)控層硬件平臺(tái)和軟件平臺(tái)，對(duì)各設(shè)備進(jìn)行集中監(jiān)控和管理，同時(shí)通過列車時(shí)刻表和運(yùn)行圖控制站場(chǎng)連鎖設(shè)備實(shí)現(xiàn)車站內(nèi)的高效可靠運(yùn)行。由ISCS所完成的功能可見，其能否可靠有效工作直接影響到地鐵系統(tǒng)是否安全穩(wěn)定運(yùn)行，可以通過對(duì)ISCS進(jìn)行系統(tǒng)的可靠性評(píng)估，查找出系統(tǒng)中的薄弱環(huán)節(jié)，針對(duì)這些薄弱點(diǎn)采取措施，降低故障發(fā)生率，提高系統(tǒng)可靠性。
本文以地鐵綜合監(jiān)控系統(tǒng)為研究對(duì)象，對(duì)其發(fā)生故障的各種因素進(jìn)行分析。在可靠性分析上運(yùn)用模糊故障樹理論（FFTA），有效地彌補(bǔ)用故障樹（FTA）進(jìn)行可靠性分析的不足，解決了模糊不確定性的問題。最終確定系統(tǒng)故障原因的各種可能組合方式及其發(fā)生概率，從而可以針對(duì)分析結(jié)果對(duì)系統(tǒng)的薄弱環(huán)節(jié)進(jìn)行改進(jìn)，達(dá)到提高ISCS可靠性的目的。
1 地鐵綜合監(jiān)控系統(tǒng)
地鐵綜合監(jiān)控系統(tǒng)作為一個(gè)綜合信息化平臺(tái)，集成了多個(gè)子系統(tǒng)的中央級(jí)功能，并同信號(hào)、自動(dòng)售檢票等系統(tǒng)的中央級(jí)互聯(lián)，掌握全線設(shè)備的運(yùn)行情況，負(fù)責(zé)管轄范圍內(nèi)設(shè)備監(jiān)控與調(diào)度，其設(shè)備主要設(shè)置在控制中心，面向的操作對(duì)象是運(yùn)營(yíng)部門的環(huán)調(diào)、電調(diào)及維修人員[1]。地鐵綜合監(jiān)控系統(tǒng)采用中央級(jí)和車站級(jí)兩級(jí)管理，中央級(jí)、車站級(jí)和底層設(shè)備控制層（現(xiàn)場(chǎng)級(jí)）三級(jí)控制的分層分布式結(jié)構(gòu)[2]。其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。
地鐵綜合監(jiān)控系統(tǒng)由中央級(jí)綜合監(jiān)控系統(tǒng)（CISCS）、車站級(jí)綜合監(jiān)控系統(tǒng)(SISCS)、車輛段/停車場(chǎng)綜合監(jiān)控系統(tǒng)(DISCS)以及電子維修中心的設(shè)備維護(hù)系統(tǒng)、培訓(xùn)管理系統(tǒng)(TMS)、仿真試驗(yàn)系統(tǒng)（STP）、網(wǎng)絡(luò)管理子系統(tǒng)（NMS）等組成。同時(shí)還集成了火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)（FAS）、環(huán)境與設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)（BAS）、電力監(jiān)控系統(tǒng)（SCADA）、綜合安防系統(tǒng)（ISDS）、乘客資訊系統(tǒng)（PIS）、自動(dòng)售檢票系統(tǒng)（AFC）、通信系統(tǒng)綜合網(wǎng)管子系統(tǒng)、廣播系統(tǒng)（PA）、屏蔽門系統(tǒng)（PSD）、大屏幕系統(tǒng)、信號(hào)系統(tǒng)（SIG）、不間斷電源（UPS）及時(shí)鐘系統(tǒng)（CLK）等。
（1）中央級(jí)可以對(duì)整個(gè)線路各個(gè)站點(diǎn)系統(tǒng)管轄范圍內(nèi)的設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)、故障情況進(jìn)行監(jiān)視，并向各個(gè)站點(diǎn)發(fā)布指令，統(tǒng)一指揮、協(xié)調(diào)各個(gè)站點(diǎn)的運(yùn)行。信號(hào)、自動(dòng)售檢票、綜合監(jiān)控等系統(tǒng)均設(shè)有中央級(jí)。
（2）車站級(jí)設(shè)備的監(jiān)控功能主要是完成本站點(diǎn)設(shè)備監(jiān)控、管理，由綜合監(jiān)控、信號(hào)、自動(dòng)售檢票等車站級(jí)系統(tǒng)組成。其中綜合監(jiān)控系統(tǒng)在車站級(jí)集成了多個(gè)子系統(tǒng)的車站級(jí)功能，一方面負(fù)責(zé)管轄范圍內(nèi)設(shè)備監(jiān)視，并根據(jù)本站的情況向下級(jí)子系統(tǒng)發(fā)布控制指令，另一方面將本站設(shè)備的運(yùn)行數(shù)據(jù)傳輸給中央級(jí)，并接受中央級(jí)運(yùn)行指令。
（3）現(xiàn)場(chǎng)級(jí)作為車站級(jí)、中央級(jí)的被監(jiān)控對(duì)象，是車站地鐵機(jī)電設(shè)備的主體，由BAS、FAS、電力監(jiān)控系統(tǒng)(PSCADA)、PSD、防盜門系統(tǒng)(FG)、閉路電視監(jiān)控系統(tǒng)(CCTV)、PIS、SIG、AFC、門禁系統(tǒng)(ACS)等組成。
2 地鐵綜合監(jiān)控系統(tǒng)的可靠性分析
2.1 故障樹分析法
故障樹分析法FTA（Fault Tree Analysis）是進(jìn)行系統(tǒng)可靠性分析和安全性分析的重要工具之一[3]。
故障樹分析把系統(tǒng)最不希望發(fā)生的故障狀態(tài)作為分析目標(biāo)，稱為頂事件;運(yùn)用邏輯演繹的方法，找出導(dǎo)致頂事件發(fā)生的所有可能直接原因，即中間事件;再跟蹤找出導(dǎo)致這些中間事件發(fā)生的所有可能直接原因;直至尋找到引起中間事件發(fā)生的全部部件狀態(tài)，稱為底事件。用相應(yīng)的代表符號(hào)及邏輯門把頂事件、中間事件、底事件連接成樹形邏輯圖，即得到故障樹。根據(jù)故障樹，分析系統(tǒng)發(fā)生故障的各種可能途徑(模式)和可靠性指標(biāo)，就是故障樹分析方法[4]。故障樹分析分為定性分析和定量分析。定性分析的主要任務(wù)是尋找故障樹的全部最小割集（MCS）。在故障樹中，只要有任何一個(gè)最小的割集發(fā)生了，那么頂事件就會(huì)發(fā)生。定量分析的任務(wù)是給每個(gè)基本事件賦予一概率值來表征其發(fā)生故障的相對(duì)頻繁程度，在概率論的基礎(chǔ)上計(jì)算出所有的中間事件和頂事件發(fā)生的概率以及各基本事件的相對(duì)重要程度。
2.2 模糊故障樹
模糊故障樹分析FFTA（Fuzzy Fault Tree Analysis）考慮到故障樹分析中的底事件和頂事件發(fā)生概率的不確定性（模糊概率）問題[5]。在傳統(tǒng)故障樹分析中底事件和頂事件是一個(gè)確定性的事件，基于概率論，其狀態(tài)只有正常和故障兩種，這樣可以較好地解決系統(tǒng)的隨機(jī)性問題。對(duì)于大型復(fù)雜的系統(tǒng)不僅存在隨機(jī)性問題，還存在大量的模糊不確定性問題，引入模糊理論，即認(rèn)為發(fā)生故障這一事件本身是清晰的，但發(fā)生概率是模糊的，從而使得可靠性理論的研究擴(kuò)大到能同時(shí)處理隨機(jī)現(xiàn)象和模糊現(xiàn)象。運(yùn)用模糊數(shù)理論[5]，可得三角模糊數(shù)來給出基本事件概率的可能性分析，實(shí)現(xiàn)故障概率的模糊化，解決了難以獲得概率精確值的問題。故障樹中的系統(tǒng)失效與部件失效之間的邏輯關(guān)系依舊成立，結(jié)構(gòu)函數(shù)和最小割集等概念仍然有效，即原有的定性分析依然有效，只是要重新定量分析，分為以下幾點(diǎn)：
（1）基本事件發(fā)生概率的可能性分析
對(duì)于地鐵綜合監(jiān)控系統(tǒng)這樣大型復(fù)雜的系統(tǒng)，基本事件的故障的模糊數(shù)的隸屬度函數(shù)主要通過工程技術(shù)人員的實(shí)際經(jīng)驗(yàn)和判斷來構(gòu)造，從而較為準(zhǔn)確地描述出故障事件的概率，同時(shí)在一定程度上允許描述的誤差，具有一定的適應(yīng)性和靈活性。文章用三角模糊數(shù)來描述基本事件發(fā)生的概率，基本事件失效是一清晰事件，只不過將事件發(fā)生的概率模糊化了。從三角模糊數(shù)可得基本事件發(fā)生的模糊概率[5]表達(dá)式為：
（3）模糊重要度分析
模糊重要度是在傳統(tǒng)FTA重要度基礎(chǔ)上產(chǎn)生的，是描述各個(gè)基本事件中，某個(gè)基本事件的模糊概率變化對(duì)頂事件發(fā)生模糊概率變化影響的重要程度的一個(gè)指標(biāo)。
2.3 地鐵綜合監(jiān)控系統(tǒng)模糊故障樹分析
地鐵綜合監(jiān)控系統(tǒng)的模糊故障樹在系統(tǒng)結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上建立，以中央級(jí)監(jiān)控系統(tǒng)故障、車站級(jí)監(jiān)控系統(tǒng)故障和車輛段/停車場(chǎng)監(jiān)控系統(tǒng)故障為基本事件，地鐵綜合監(jiān)控系統(tǒng)為頂事件，得到的模糊故障樹如圖2所示。
由于地鐵系統(tǒng)較大，本文僅針對(duì)典型的車站級(jí)監(jiān)控系統(tǒng)故障進(jìn)行可靠性研究。
2.3.1 車站級(jí)監(jiān)控系統(tǒng)模糊故障樹分析
地鐵的車站級(jí)監(jiān)控系統(tǒng)（SISCS）是一套具有完整結(jié)構(gòu)的自治系統(tǒng)，具自律性，可以獨(dú)立完成車站各個(gè)系統(tǒng)的監(jiān)控工作，不依賴控制中心，也可以提供本站的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)服務(wù)，是全線ISCS的基本單位[6]。
車站ISCS主要由以下系統(tǒng)組成：車站以太網(wǎng)交換機(jī)（冗余配置）、車站實(shí)時(shí)服務(wù)器（冗余配置）、雙屏綜合監(jiān)控工作站、車站前端處理器(冗余配置)、綜合后備盤(IBP盤)、車站報(bào)表打印機(jī)和操作臺(tái)。結(jié)構(gòu)圖如圖3所示。
由車站ISCS的結(jié)構(gòu)可以建立其模糊故障樹，如圖4所示。
對(duì)于基本事件較少情況下采用下行法可得最小割集[5]，對(duì)于大型系統(tǒng)可使用軟件分析，地鐵車站級(jí)監(jiān)控系統(tǒng)故障最小割集：[X1,X2],[X3,X4],[X5,X9],[X5,X12],[X5,X10,X11],[X8,X9],[X8,X12],[X8,X10,X11],[X6,X7,X9],[X6,X7,X12],[X6,X7,X10,X11]。
根據(jù)車站級(jí)模糊故障樹按照以下步驟進(jìn)行定量分析：
（1）根據(jù)工程技術(shù)人員的經(jīng)驗(yàn)和設(shè)備的指標(biāo)可以構(gòu)造出基本事件故障的隸屬度函數(shù)，從而由三角函數(shù)模糊數(shù)理論得到基本事件的模糊數(shù)，即每個(gè)基本事件的模糊故障率。
（2）在定性分析中的故障樹的基礎(chǔ)上，按照模糊邏輯門的運(yùn)算規(guī)則，計(jì)算中間事件和頂事件發(fā)生故障的模糊概率。
根據(jù)模糊論和三角模糊數(shù)，可以對(duì)基本事件進(jìn)行模糊處理，按照模糊故障樹的擴(kuò)展門，可以得到車站級(jí)監(jiān)控故障的模糊概率表達(dá)式：
（3）系統(tǒng)一旦發(fā)生故障，應(yīng)首先根據(jù)模糊重要度最大的設(shè)備和部件開始分析，并按照模糊重要度的大小順序，來找尋故障的原因。
文章將模糊故障樹理論運(yùn)用于地鐵綜合監(jiān)控系統(tǒng)的可靠性分析，介紹了模糊故障樹分析方法的基本原理和步驟，并對(duì)典型車站級(jí)監(jiān)控系統(tǒng)故障進(jìn)行了定性和定量分析。在計(jì)算機(jī)的輔助下，便可以對(duì)整個(gè)地鐵綜合監(jiān)控系統(tǒng)建立完善的系統(tǒng)模糊故障樹，進(jìn)而在大范圍內(nèi)找出薄弱壞節(jié)，對(duì)其設(shè)計(jì)及可靠性研究有著重要的工程意義。
參考文獻(xiàn)
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