故障树在轨道交通综合监控系统中的应用

张振山

（国电南瑞科技股份有限公司，210032，南京∥助理工程师）

故障树在轨道交通综合监控系统中的应用

张振山

（国电南瑞科技股份有限公司，210032，南京∥助理工程师）

轨道交通综合监控系统集成或互联了电力、环境和设备等多个专业，需要采取有效的逻辑判断手段监控设备。介绍了利用功能图来描述综合监控系统故障树的方法，设计了一种基于故障树的综合监控系统故障诊断模型，并开发了功能图定义软件。以广州某车站自动售检票的故障跟踪为例，介绍了故障树在综合监控中的应用。所建模型及开发的软件在实际中应用良好。

城市轨道交通；综合监控系统；故障树形图分析

Author’s addressNARI Technology Co.，Ltd.，210032，Nanjing，China

轨道交通综合监控系统用系统化方法将城市轨道交通中各分散的自动化系统联结为一个有机的整体。随着系统越来越庞大，需要采取有效的逻辑判断手段来合理地管理设备。设备管理主要包括监视设备的实时状态和对设备进行逻辑控制两方面内容。综合监控系统中保护信号种类繁多，相互之间的关系错综复杂，因此需要采取有效的信息分层和过滤手段，将关键设备的实际运行、异常和事故情况，分层分级地展现给工作人员，从而达到有效监视设备实时状态的目的。当出现故障时，工作人员能够快速锁定故障点的位置。系统集成的复杂性要求综合监控系统为各分散的自动化系统提供统一的方法处理具有一定逻辑关系的多个设备，从而减轻使用者的工作量，提高系统工作效率，同时避免人工操作带来的误操作等。主要实现形式有顺控和联动等。

轨道交通综合监控系统各个专业在设计、运行与管理阶段的安全性与可靠性工作中建立了大量的故障树［1］。这些故障树中包含了各个系统专业中各种可能发生的保护信号失效、人为失误、环境变化等故障原因信息，以及他们之间的逻辑关系。此外，故障树的定性与定量分析，进一步提供了故障模式、成功模式、故障发生概率、局部故障对系统贡献大小等丰富的深层信息［2］。所以，将故障树运用于综合监控系统中具有积极的意义。基于故障树的综合监控系统故障诊断模型，主要利用功能图的方法描述以上故障树，克服综合监控系统各个专业中的故障数据分散、关联关系不清晰的特点；软件将故障树整合到综合监控系统的商用库中后，系统在冗余实时库的平台上，利用逻辑判断软件将系统关键设备的实时状态信息分层分级展现给工作人员，或控制具有逻辑关系的多个设备。

1 基于故障树的综合监控系统故障诊断模型

通过分析可能造成系统故障的各种因素（包括硬件、软件、环境、人为因素等），画出的一种特殊的倒立树状逻辑因果关系图叫做故障树［3］。故障树分析法是一种图形演绎方法，是故障事件自上到下的失效分析方法。通过树状逻辑因果关系图，以系统的某一不希望发生的事件（顶事件）作为分析目标，向下逐层追查导致顶事件发生的所有可能原因，直到基本事件（底事件）。在实际应用中，综合监控系统中能够被自动触发的信号为基本事件，信号与信号之间的逻辑关系为树形结构，监控对象和特殊功能为顶事件。

将故障树应用到轨道交通综合监控系统中，应结合综合监控实际应用进行分析。即根据轨道交通系统的结构或功能关系，建立基于故障树的综合监控系统故障诊断模型，用于处理故障树中各个事件的关联关系。在综合监控系统中，根据故障树事件所表示的不同的设备信号类别来处理不同的逻辑关系。其中，信号类别主要有设备的实时状态信号和设备控制模式信号。当故障树事件表示设备的实时状态信号时，故障诊断程序用于分析导致设备发生故障的原因，将设备故障所传递的逻辑关系逐层展现给工作人员，方便其快速跟踪设备故障发生的原因；当故障树事件表示设备控制模式信号时，故障诊断程序用于分析设备控制模式的逻辑关系，从而提供统一的方法处理各个专业系统中多个具有一定逻辑关系的设备。基于故障树的综合监控系统故障诊断模型的设计结构如图1所示。

图1 综合监控系统故障诊断模型结构图

综合监控系统以冗余实时服务器为基础，通过通信骨干网将所有的车站级综合监控系统连接起来。故障诊断模型以此为基础，并开发实际的软件系统。模型主要有功能图定义、故障树诊断、数据库、故障树人机界面和综合监控各专业系统等组成。首先，将轨道交通各个专业在设计、运行与管理阶段所建立的故障树转化成计算机能够识别的数据库记录。本文中开发功能图定义软件，利用功能图去描述故障树，将其整合到综合监控的商用库中。其次，故障树诊断软件对下装到实时库的故障树数据记录进行逻辑判断分析，处理故障树的逻辑关系。最后，在故障树人机界面上将设备故障传递信息或对设备点进行监控的人机交互过程展现给工作人员。

2 功能图定义

功能图是一种图形式的编程语言，遵从IEC 61131-3标准。故障树可表示系统中设备信号之间的关联关系。为了将已有故障树运用于综合监控系统中，用功能图将故障树描述成具体的计算机中的实体，并存储到综合监控的商用库中，即功能图定义。具体步骤如下：

（1）选择合理的顶事件和基本事件。故障树的顶事件应该明确。功能图只能用于分析顶事件明确的故障树，不能用于分析为了预测将发生哪种故障的故障树。选择能够被触发的事件作为基本事件；事件不能被触发，就不能自动传递逻辑关系，无法满足系统自动化要求，如人为失误造成的故障在系统中不能被触发。

（2）事件分类。为了方便工作人员快速找到功能模块，对已有故障树中的事件进行分类。开发软件时，将不同类别的模块放在不同的类别容器中。根据运算方式的不同，事件可以被分为数学运算、布尔运算、比较运算、二进制转换和数据类型转换等。根据其在综合监控系统中功能的不同，又有动作控制、I/O控制、容错控制、电力控制和反馈控制等分类，如电力控制主要有延时防抖、高低电平输出和电流限值等其他电力相关操作。

（3）开发功能模块。以IEC 61131-3标准中功能图定义的模块为蓝本，并对IEC 61131-3标准进行扩充，开发常见的数学运算、布尔运算和其他运算模块等，并按照综合监控系统的需求扩充添加了容错控制、I/O控制、电力控制和反馈控制等相关模块。

（4）绘制功能图。在功能图软件中，制作功能图需依照故障树结构，以拖入的功能模块表示故障树中的事件，以连线表示事件之间的关联关系。在综合监控系统中，故障树用于表示多种关联关系，如因果关系、顺序关系和联锁关系等。其中，综合监控系统中的顺控功能既有顺序关系，又有联锁关系。

图2所示为某110 V交流电源故障的故障树。利用功能图对其进行描述，可以确定顶事件为110 V交流电源故障，基本事件为110 V电源电压异常、110 V电源回路断线、110 V电源空开故障，主要有输入（保护信号）、布尔运算和输出三种功能。为此可以开发输入、输出及逻辑或模块来描述该故障树。功能图定义如图3所示。

医院成本精细化管理的主要工作就是对医院各个服务项所需的成本进行有效分析，从而掌握医院整个消耗的成本费用率，并以此为依据合理规划医院的成本费用。同时，要将规划好的数据作为各项工作开展的指标，这样就可以有效管控医院总的成本费用支出，从而更好地让利于患者，有效提高医院的整体效益。

图2 110 V交流电源故障的故障树

图3 功能图定义

3 故障树诊断

故障树的顶事件、基本事件，以及事件之间的逻辑关系被整合到综合监控系统商用库中后，在综合监控平台的基础上，通过对故障树进行逻辑判断分析，实现对设备的监控，或对故障树进行定性和定量的可靠性分析等。

3.1 故障树诊断步骤

故障树诊断的主要任务是分析故障树事件之间传递的信息，找出所有可能导致顶事件发生的基本事件及基本事件之间的关联关系，或处理事件之间的逻辑关系，从而有规律地控制各个事件触发的先后顺序和闭锁关系，达到某特殊的功能。如综合监控系统中的联动功能，用于灵活控制多个专业设备。为此，在综合监控平台的基础上，设计故障树诊断软件。其主要步骤如下：

（1）读取实时库中的故障树信息表和模块表的内容；

（2）根据树的分组信息和功能创建故障树进程；

（3）对故障树进行周期性扫描，调用各个功能模块计算故障树的实时值和发送控制命令。

3.2 故障树人机界面

可利用综合监控的画图软件制作故障树的人机界面。人机界面包括故障树的树形信息展现和工作人员对设备点控制的交互界面。

4 实例

4.1 AFC功能图定义

在功能图定义软件中，依照故障树，拖入开发的功能模块，设置其属性信息，保存入库，就可以将故障树整合到综合监控系统的商用库中。图4所示为广州某车站AFC的功能图定义截图，将输入（D）模块、Or8模块和输出参考（D）模块等依次拖入编辑界面，将其属性设置为综合监控系统中实际的保护信号，然后用线连接表示其关联关系，最后将其保存到综合监控商用库中。

图4 广州某车站AFC功能图定义

4.2 故障跟踪

图5为AFC故障树人机界面运行状态下的部分截图。当AFC为异常状态时，可根据连线，很快地跟踪到是由于S1自动售票机状态发生了异常所导致的。通过人机界面，工作人员可方便快速地锁定故障点。

图5 AFC故障树人机界面

5 结语

本文建立了基于故障树的综合监控故障诊断模型，以广州某车站为研究对象，开发功能图定义软件，利用功能图描述轨道交通各专业在设计、运行与管理阶段的安全性和可靠性工作中建立的故障树，将故障树整合到综合监控系统的商用库中。在综合监控系统平台的基础上，开发故障树诊断软件，周期扫描故障树，将故障树的实时信息和监控信息在故障树人机界面上交互，方便工作人员操作。所建模型以及开发的软件在实际应用中运行良好，提高了系统的自动化。但是，由于开发时间短，故障树的深层信息还需要进一步分析。

［1］ 袁润，汪建业。基于故障树的复杂系统故障诊断软件设计研究［J］核科学与工程，2012（1）：74.

［2］ 刘萍，吴宜灿，李亚洲，等.一种基于ZBDD求解大型故障树的基本事件排序方法［J］.核科学与工程，2007，27（3）：81.

［3］ 赵健，周瑜。基于故障树分析法的牵引供电系统接触网可靠性评估［J］西安电力高等专科学校学报，2012（7）：57.

［4］ 王潇，王武宏。大城市交通拥堵致因的故障树分析［J］交通信息与安全，2012（2）：127.

［5］ 罗航，王厚军。用递归BDD技术分析故障树［J］电子科技大学学报，2011（5）：726.

［6］ SIEMENS.用于S7-300和S7-400的功能块图（FBD）编程［G］.2004.

［7］ 雷锡绒.西安地铁2号线列车自动防护子系统［J］中国铁路，2009（7）：76.

［8］ 刘晓娟，城市轨道交通智能控制系统［M］.北京：中国铁道出版社，2003.

Application of Failure Tree in Intergrate Supervision and Control System of Rail Transit

Zhang Zhenshan

ISCSsystem is integrated or interconnected with many professional fields like electricity，environment and special devices，therefore it needs an effective judging logic means to monitor and control the equipment.In this paper，the failure tree is described by functional diagram to design a kind of diagnostic failure model in ISCS，and the software to be applied in ISCSis developed.The AFC faul tracing in Guangzhou metro is used to explain the application of failure tree in ISCS，the model and software of which will realize effective monitoring and control in ISCS technology for rail transit development.

urban rail transit；intergrate supervision and control system；failure tree analysis

U 29-39

2012-09-13）