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)定運行顯得尤為重要。地鐵綜合監(jiān)控系統(tǒng)是整個地鐵系統(tǒng)安全可靠運行的重要保障，對其可靠性進行有效的評估有著重要的價值。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，運用模糊故障樹對地鐵綜合監(jiān)控系統(tǒng)可靠性進行分析，并對車站級監(jiān)控系統(tǒng)的故障進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域。
關鍵詞： 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、準時、載客量大的特點，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，重則危急生命財產(chǎn)安全，對社會影響極大，所以其運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)控層硬件平臺和軟件平臺，對各設備進行集中監(jiān)控和管理，同時通過列車時刻表和運行圖控制站場連鎖設備實現(xiàn)車站內(nèi)的高效可靠運行。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)定運行，可以通過對ISCS進行系統(tǒng)的可靠性評估，查找出系統(tǒng)中的薄弱環(huán)節(jié)，針對這些薄弱點采取措施，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)為研究對象，對其發(fā)生故障的各種因素進行分析。在可靠性分析上運用模糊故障樹理論（FFTA），有效地彌補用故障樹（FTA）進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，從而可以針對分析結(jié)果對系統(tǒng)的薄弱環(huán)節(jié)進行改進，達到提高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)作為一個綜合信息化平臺，集成了多個子系統(tǒng)的中央級功能，并同信號、自動售檢票等系統(tǒng)的中央級互聯(lián)，掌握全線設備的運行情況，負責管轄范圍內(nèi)設備監(jiān)控與調(diào)度，其設備主要設置在控制中心，面向的操作對象是運營部門的環(huán)調(diào)、電調(diào)及維修人員[1]。地鐵綜合監(jiān)控系統(tǒng)采用中央級和車站級兩級管理，中央級、車站級和底層設備控制層（現(xiàn)場級）三級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)由中央級綜合監(jiān)控系統(tǒng)（CISCS）、車站級綜合監(jiān)控系統(tǒng)(SISCS)、車輛段/停車場綜合監(jiān)控系統(tǒng)(DISCS)以及電子維修中心的設備維護系統(tǒng)、培訓管理系統(tǒng)(TMS)、仿真試驗系統(tǒng)（STP）、網(wǎng)絡管理子系統(tǒng)（NMS）等組成。同時還集成了火災自動報警系統(tǒng)（FAS）、環(huán)境與設備監(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)、信號系統(tǒng)（SIG）、不間斷電源（UPS）及時鐘系統(tǒng)（CLK）等。
（1）中央級可以對整個線路各個站點系統(tǒng)管轄范圍內(nèi)的設備運行狀態(tài)、故障情況進行監(jiān)視，并向各個站點發(fā)布指令，統(tǒng)一指揮、協(xié)調(diào)各個站點的運行。信號、自動售檢票、綜合監(jiān)控等系統(tǒng)均設有中央級。
（2）車站級設備的監(jiān)控功能主要是完成本站點設備監(jiān)控、管理，由綜合監(jiān)控、信號、自動售檢票等車站級系統(tǒng)組成。其中綜合監(jiān)控系統(tǒng)在車站級集成了多個子系統(tǒng)的車站級功能，一方面負責管轄范圍內(nèi)設備監(jiān)視，并根據(jù)本站的情況向下級子系統(tǒng)發(fā)布控制指令，另一方面將本站設備的運行數(shù)據(jù)傳輸給中央級，并接受中央級運行指令。
（3）現(xiàn)場級作為車站級、中央級的被監(jiān)控對象，是車站地鐵機電設備的主體，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，稱為頂事件;運用邏輯演繹的方法，找出導致頂事件發(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。用相應的代表符號及邏輯門把頂事件、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，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，只要有任何一個最小的割集發(fā)生了，那么頂事件就會發(fā)生。定量分析的任務是給每個基本事件賦予一概率值來表征其發(fā)生故障的相對頻繁程度，在概率論的基礎上計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)的隨機性問題。對于大型復雜的系統(tǒng)不僅存在隨機性問題，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大到能同時處理隨機現(xiàn)象和模糊現(xiàn)象。運用模糊數(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：
（1）基本事件發(fā)生概率的可能性分析
對于地鐵綜合監(jiān)控系統(tǒng)這樣大型復雜的系統(tǒng)，基本事件的故障的模糊數(shù)的隸屬度函數(shù)主要通過工程技術人員的實際經(jīng)驗和判斷來構(gòu)造，從而較為準確地描述出故障事件的概率，同時在一定程度上允許描述的誤差，具有一定的適應性和靈活性。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重要度基礎上產(chǎn)生的，是描述各個基本事件中，某個基本事件的模糊概率變化對頂事件發(fā)生模糊概率變化影響的重要程度的一個指標。
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)基礎上建立，以中央級監(jiān)控系統(tǒng)故障、車站級監(jiān)控系統(tǒng)故障和車輛段/停車場監(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，本文僅針對典型的車站級監(jiān)控系統(tǒng)故障進行可靠性研究。
2.3.1 車站級監(jiān)控系統(tǒng)模糊故障樹分析
地鐵的車站級監(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，可以獨立完成車站各個系統(tǒng)的監(jiān)控工作，不依賴控制中心，也可以提供本站的實時數(shù)據(jù)服務，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（冗余配置）、車站實時服務器（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)、車站報表打印機和操作臺。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。
對于基本事件較少情況下采用下行法可得最小割集[5]，對于大型系統(tǒng)可使用軟件分析，地鐵車站級監(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)車站級模糊故障樹按照以下步驟進行定量分析：
（1）根據(jù)工程技術人員的經(jīng)驗和設備的指標可以構(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)，即每個基本事件的模糊故障率。
（2）在定性分析中的故障樹的基礎上，按照模糊邏輯門的運算規(guī)則，計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)，可以對基本事件進行模糊處理，按照模糊故障樹的擴展門，可以得到車站級監(jiān)控故障的模糊概率表達式：
（3）系統(tǒng)一旦發(fā)生故障，應首先根據(jù)模糊重要度最大的設備和部件開始分析，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，并對典型車站級監(jiān)控系統(tǒng)故障進行了定性和定量分析。在計算機的輔助下，便可以對整個地鐵綜合監(jiān)控系統(tǒng)建立完善的系統(tǒng)模糊故障樹，進而在大范圍內(nèi)找出薄弱壞節(jié)，對其設計及可靠性研究有著重要的工程意義。
參考文獻
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[2] 湛維昭.地鐵綜合監(jiān)控系統(tǒng)的集成模式[J].都市快軌交通，2007，20（4）：82-85.
[3] 孫權(quán).應用故障樹解決實際問題[J].電子質(zhì)量，2005（8）：26-31.
[4] 朱繼洲.故障樹原理和應用[M].西安：西安交通大學出版社，1989.
[5] 李冬娜.系統(tǒng)模糊可靠性研究[D].蘭州：蘭州理工大學，2008.
[6] 馬克剛.地鐵綜合監(jiān)控系統(tǒng)可靠性評估體系框架[J].都市快軌交通，2010，23（1）：63-66.