地铁非授权列车从段/场进入正线的故障树风险分析

李龙兴 余峰

摘 要：分别在道岔未设置自动回转功能和设置自动回转功能的场景下，对非授权列车从段/场进入正线概率和脱轨概率进行故障树建模，根据对比分析得出：从段/场进入正线的道岔在不设置自动回转功能而采用反位报警功能时，不仅可以避免频繁操作道岔，而且在安全性和可用性方面优于采用道岔自动回转功能。因此，建议从段/场进入正线的道岔设置反位报警功能。目前该功能在杭州地铁 5 号线段/场工程中应用效果良好。

关键词：地铁;非授权列车;道岔;自动回转;反位报警;故障树;风险矩阵

中图分类号：U284.8

在地铁线路中，列车从车辆段/停车场（简称“段 / 场”）进入正线会经过1组道岔。道岔设计除了满足段/场正常出入功能外，还需考虑非授权列车从段/场进入正线的可能性。因此，需要对从段/场进入正线的列车进行安全风险分析和安全评估，并采取相应的安全保护措施，避免风险的发生。

1 风险等级

风险等级分为R1、R2、R3、R4级。R1级风险等级最高，必须采取措施降低风险;R2级在合理可行的情况下必须降低风险;R3级是可以忍受的风险，但是在成本可以接受的情况下需进一步降低风险等级;R4级是可以接受的风险，一般不需要降低风险等级。

风险矩阵表主要由风险后果和风险概率组成，如表1所示。风险等級的确定根据风险矩阵表中事件发生的风险概率和事件发生的风险后果对应坐标垂直交叉确定。风险后果从人员伤亡数量及系统服务中断时间进行了定义。风险后果从事件发生的严重程度上分为7个等级，风险概率根据事件发生的次数分为10个等级。

非授权列车从段/场进入正线，可能与运营列车相撞或者脱轨，导致列车车体受损，造成数十名人员伤亡，构成重大事故，故将其风险后果等级定义为2级。

2 故障树分析

故障树分析（FTA）是系统安全性和可靠性分析工具之一。在系统设计阶段，故障树分析可以帮助查找潜在的系统故障模式，以便进一步改进设计，提高系统的安全性和可靠性;在系统维修阶段，可以帮助故障诊断，改进维修方案。

故障树分析一般包括定量分析和定性分析。定量分析的主要目的是当确定底事件发生概率后，求出顶事件发生概率和其他定量指标，为风险矩阵等级确定提供依据。定性分析的主要目的是寻找导致与系统有关、不希望事件发生的原因及原因组合，即寻找顶事件发生的所有故障模式。故障树分析的具体步骤如下。

（1）确定顶事件。顶事件一般选择某一影响最大的系统故障作为顶事件，通常这个事件明显影响系统的技术性能、经济性、可靠性、安全性或其他所要求的特征，顶事件必须有明确的定义，它是故障树分析的核心。

（2）建立故障树。建立故障树是一个反复深入、不断完善的过程。通常在系统设计早期阶段进行，随着系统设计的进展，对系统故障模式的认识不断深入，故障树不断增大，故障树分析可信度就越来越高。

（3）故障树规范化。为了对故障树做统一的描述和分析，必须将建造出来的故障树进行规范，成为仅含底事件、顶事件以及与或非3种逻辑的故障树。

3 非授权列车进入正线和脱轨故障树分析

本文故障树建模使用可靠性分析软件Isograph，联锁系统进路防护功能失效的底事件故障率（FR）选用BiTRACON系统FTA计算结果，该结果已通过独立第三方安全认证。其他底事件率FR值来源于国内外铁路行业故障概率统计。

在道岔未设置自动回转功能和设置自动回转功能的场景下，对非授权列车从段/场进入正线概率和脱轨概率分别进行故障树建模，由底事件发生概率计算出顶事件发生概率，同时根据定义事件发生的后果确定事件发生的风险等级。

3.1 进入正线故障树分析

3.1.1 道岔未设置自动回转功能

道岔未设置自动回转功能，非授权列车从段/场进入正线主要有2种可能。

（1）联锁系统进路防护功能失效，该失效可能由联锁通信失效或联锁输入输出（IO）失效引起。

（2）闯红灯进入，可能是由于错误的授权且道岔在通往正线的位置引起。错误的授权包括行调错误指令和司机连续闯红灯;道岔在通往正线位置包括道岔设置在通往正线位置或道岔正好在通往正线位置。

道岔未设置自动回转功能，非授权列车从段/场进入正线的故障树分析如图1所示。

通过建模计算，在道岔未设置自动回转功能时，非授权列车从段/场进入正线的概率为3.442×10-11次/h（3.015×10-7次/年），参照风险矩阵表，风险发生概率为J，风险后果为2级，则风险等级为R4级，属于可接受风险。

3.1.2 道岔设置自动回转功能

为进一步减小非授权列车从段/场闯红灯进入正线的概率，可使用自动回转道岔。增加道岔自动回转功能后，非授权列车进入正线也有2种可能：①联锁系统进路防护功能失效;②闯红灯进入。联锁系统进路防护失效同上所述，闯红灯进入可能是由于错误的授权且道岔锁在通往正线的位置引起。道岔锁在通往正线位置包括道岔非预期锁在通往正线位置或调度错误设置在通往正线位置。增加道岔自动回转功能后，非授权列车从段/场进入正线的故障树分析如图2所示。

通过建模计算，在道岔设置自动回转功能后，非授权列车闯红灯进入正线的概率降低，但从段/场进入正线的概率仍为3.442×10-11次/h（3.015×10-7次/年），参照风险矩阵表，风险发生概率为J，风险后果为2级，则风险等级为R4级，属于可接受风险。

通过以上建模分析，无论段/场道岔是否设置自动回转功能，非授权列车从段/场进入正线的风险都属于可接受的风险，一般不需要降低风险等级，因此，还需从列车脱轨风险进一步建模分析。

3.2 脱轨故障树分析

3.2.1 道岔未设置自动回转功能

道岔未设置自动回转功能，非授权列车脱轨主要由于联锁系统道岔防护失效且列车闯红灯进入。联锁系统进路防护功能失效原因同上所述;列车闯红灯进入可能是由于行调和司机误操作引起。道岔未设置自动回转功能，非授权列车从段/场进入正线导致列车脱轨的故障树分析如图3所示。

通过建模计算，在道岔未设置自动回转功能时，非授权列车从段/场进入正线导致脱轨的概率为1.514×10-19次/h（1.326×10-15次/年），参照风险矩阵表，风险发生概率为J，风险后果为2级，则风险等级为R4 级，属于可接受风险。

3.2.2 道岔设置自动回转功能

道岔增加自动回转功能后，道岔回转过程中非授权列车脱轨的故障树分析如图4所示。

通过建模计算，道岔增加自动回转功能后，在道岔回转过程中列车脱轨的概率为2.719×10-10次/h（2.382×10-6次/年），参照风险矩阵表，风险发生概率为I，风险后果为2级，则风险等级为R3级，属于可以忍受的风险，但在成本可行的情况下需进一步降低风险。

3.3 小结

在道岔未设置自动回转功能时，非授权列车进入正线和脱轨的风险均为R4级;道岔设置自动回转功能后，非授权列车进入正线的风险为R4级，但道岔回转过程中列车脱轨的风险为R3级，可见，道岔设置自动回转功能后增加了列车脱轨的风险。

4 工程应用

根据TB 10007-2017《铁路信号设计规范》第6.2.8条规定，引向安全线的道岔纳入集中联锁时道岔的定位必须为安全线开通的位置，在未处于定位位置且未处于进路锁闭状态时应给出报警信息。

杭州地铁5号线段/场出入线共涉及3处，分别位于常二路站、蒋村站及姑娘桥站，具体如图 5～图 7所示。五常车辆段西出入线（常二路站方向）段 / 场衔接处通过道岔位置隔开，五常车辆段东出入线（蒋村站方向）和姑娘桥停车场出入线由于地铁线路环境限制，未设置道岔隔开。根据上述建模分析，段/场与正线连接的道岔不适合设置自动回转功能，为了进一步降低道岔长期处在开通正线方向的概率，杭州地铁5号线段/场出入线在与正线连接的道岔处分别设置了道岔反位报警功能（道岔处于开通正线方向时设置报警），提醒信号人员及时把道岔操作到非正线方向。杭州地铁5号线自开通以来，道岔从未发生过长期处于开通正线方向的情况，且道岔操作的频次也大大减少。

5 结语及建议

鉴于道岔不设置自动回转功能，非授权列车误操作进入正线导致列车脱轨的风险已经达到风险等级可接受标准，因此，建议不通过道岔设置自动回转功能防护非授权列车进入正线的可能，可采用道岔反位报警功能，通过道岔在开通正线方向且未处于进路锁闭状态时及时给出报警提示，提醒值班人员把道岔操作到非开通正线方向。一方面可以防护因人为故意破坏导致列车进入正线与正在运营列车碰撞的可能，另一方面可以避免频繁操作道岔，从而延长道岔使用寿命。

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收稿日期 2020-01-02

责任编辑 宗仁莉