軌道交通車輛安全性評價體系與案例分析

華鵬,辛久元,盧碧紅

(1.中車長春軌道客車股份有限公司 國家軌道客車工程研究中心，吉林 長春 130000；2. 65066部隊 工程兵教研室，遼寧 大連 116001；3.大連交通大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，遼寧 大連 116028)

0 引言

伴隨著國家走出去的發(fā)展戰(zhàn)略，我國越來越多的軌道交通車輛制造企業(yè)，為全世界各地用戶提供了各式各樣的軌道交通產(chǎn)品和服務(wù).國際行業(yè)內(nèi)，特別是歐美發(fā)達(dá)國家，對于軌道交通車輛的安全性提出了極高的要求[1-2].軌道交通行業(yè)目前針對運營安全保障體系進(jìn)行了深入的研究，各主要軌道交通運營方都建立起自己的系統(tǒng)安全保障體系，但對于軌道車輛的專項安全性評價體系的研究還不夠全面深入[3- 4].

我國關(guān)于軌道交通車輛的安全性評價，國內(nèi)各整車制造企業(yè)在設(shè)計階段雖然進(jìn)行了對車輛的安全性分析和評價相關(guān)工作，但還不夠系統(tǒng)和深入，也沒有得到充分重視[5].因此建立一整套完善的軌道交通安全評價體系勢在必行.

作者認(rèn)為軌道交通車輛安全性評價應(yīng)該從安全性評價對象-軌道交通車輛安全相關(guān)系統(tǒng)、全生命周期安全評價階段、軌道交通車輛安全性分析方法、行業(yè)內(nèi)安全性相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)、安全評價要素這5個維度開展，為此本文建立了軌道交通車輛的安全評價體系，具體內(nèi)容如圖1所示.

圖1 軌道交通車輛的安全評價體系

1 全生命周期安全評價階段

軌道交通車輛的安全與否關(guān)系到廣大人民群眾的生命財產(chǎn)安全，需要軌道交通車輛的生產(chǎn)制造單位、運營單位和維修維護(hù)單位密切配合.在軌道交通車輛的全生命周期均應(yīng)該關(guān)注影響車輛安全性的相關(guān)事宜，確保車輛一直處于安全的狀態(tài).故安全性評價工作貫穿軌道交通車輛全生命周期，包括車輛的設(shè)計、制造、調(diào)試及試驗、試運行、運營及維護(hù)階段，每個階段關(guān)注的車輛安全性內(nèi)容又各有側(cè)重，具體內(nèi)容如下.

1.1 設(shè)計階段

根據(jù)EN50126行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)[6]，軌道車輛的設(shè)計階段從概念設(shè)計到詳細(xì)設(shè)計，通過危害分析(包括初步危害分析、系統(tǒng)/子系統(tǒng)危害分析、接口危害分析、運營及維護(hù)危害分析)、故障樹分析、安全原則及規(guī)范要求的符合性評估等方法，對車輛的整個設(shè)計過程進(jìn)行安全性分析和評估，發(fā)現(xiàn)車輛安全性的薄弱環(huán)節(jié)，并及時修改完善設(shè)計方案，確保車輛的設(shè)計安全.

1.2 制造階段

當(dāng)車輛處于制造階段，安全評價重點關(guān)注的內(nèi)容是制造過程中相關(guān)人員是否按照設(shè)計及工藝文件來執(zhí)行.同時重點關(guān)注在設(shè)計過程中識別的危害源，在制造過程中需要采取的減輕措施是否都按照要求開展了相關(guān)工作.

1.3 調(diào)試及試驗階段

調(diào)試及試驗階段，安全評價重點關(guān)注的內(nèi)容是在車輛調(diào)試、開展車輛型式和例行試驗的過程中，發(fā)現(xiàn)了哪些影響安全的故障，是否對于所有影響安全的故障都進(jìn)行了閉環(huán)管理等.同時重點關(guān)注在設(shè)計過程中識別的危害源，在調(diào)試及試驗過程中需要采取的減輕措施是否都按照要求開展了相關(guān)工作.

1.4 試運行和運行及維護(hù)階段

當(dāng)車輛處于試運行階段和運行及維護(hù)階段時，需要軌道交通車輛運營方，根據(jù)車輛主機(jī)廠提供的司機(jī)操作手冊、維護(hù)手冊等材料，并根據(jù)實際的運營經(jīng)驗，制定適合本項目車輛的運營方式方法及安全管理制度，并在車輛試運行階段積累故障數(shù)據(jù)，對于影響運營可靠性和安全性的重大故障，要及時發(fā)現(xiàn)并組織相關(guān)人員進(jìn)行故障分析、糾正，實現(xiàn)閉環(huán)管理.

2 軌道交通車輛安全相關(guān)系統(tǒng)

主機(jī)廠在開展安全性分析工作過程中，對車輛的所有系統(tǒng)和設(shè)備都會進(jìn)行分析工作.但基于安全性評價工作的有效性考慮，可以主要針對車輛的安全性關(guān)鍵系統(tǒng)進(jìn)行重點評價，例如軌道車輛的轉(zhuǎn)向架系統(tǒng)、制動系統(tǒng)、供風(fēng)系統(tǒng)、車鉤系統(tǒng)、整車控制環(huán)路等系統(tǒng)進(jìn)行專項的安全性評價工作，保證車輛的關(guān)鍵系統(tǒng)具有較高的安全性.

3 行業(yè)內(nèi)安全性相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)

軌道交通行業(yè)內(nèi)，進(jìn)行安全性分析工作通常是應(yīng)用EN5012X系列標(biāo)準(zhǔn)，包括EN50126-1:1999鐵路應(yīng)用—RAMS技術(shù)條件和驗證，EN50126-2: 2007鐵路應(yīng)用—EN 50126-1的安全性應(yīng)用指南，EN50126-3:2006鐵路應(yīng)用 EN 50126-1的軌道車輛RAMS標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)用指南，EN 50128:2001鐵路應(yīng)用—通信、信號和處理系統(tǒng)—鐵路控制與保護(hù)系統(tǒng)軟件，EN 50129:2003鐵路應(yīng)用-通信、信號和處理系統(tǒng)-信號的安全相關(guān)電子處理系統(tǒng)等.在相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)中明確規(guī)定了軌道交通行業(yè)開展安全性分析工作的具體內(nèi)容和方式方法，為在軌道交通行業(yè)內(nèi)推進(jìn)RAMS工作的應(yīng)用，提升車輛的可靠性和安全性起到了至關(guān)重要的作用.

4 軌道交通車輛安全性分析方法

4.1 故障模式、影響及危害性分析(FMECA)

故障模式、影響及危害性分析采用“自下而上”的方式，評估各部件或子系統(tǒng)發(fā)生故障的可能性，對系統(tǒng)性能的影響及影響的嚴(yán)重程度.FMECA從系統(tǒng)中在線可更換單元(LRU)開始從下往上分析[7].根據(jù)風(fēng)險矩陣中的風(fēng)險后果，對類別為“嚴(yán)重”后果及以上甚至更嚴(yán)重的故障模式，將關(guān)聯(lián)到危害登記冊中進(jìn)行管理.

4.2 量化風(fēng)險評估(QRA)

主機(jī)廠通過進(jìn)行量化風(fēng)險評估的分析方法，用故障樹分析的方法確定可能導(dǎo)致乘客和/或員工死亡的各個危險源的風(fēng)險等級.通常QRA由下列過程組成：

主機(jī)廠在進(jìn)行量化風(fēng)險評估時，必要時還將利用事件樹分析方法來評估復(fù)雜系統(tǒng)(例如：具有冗余設(shè)計、 故障監(jiān)測與保護(hù)設(shè)計的系統(tǒng)) 的所有潛在后果.人為因素(human factor) 及環(huán)境因素等影響將包括在內(nèi).在量化風(fēng)險評估分析中所采用的「頻率」及「概率」均將參考相似系統(tǒng)的運營數(shù)據(jù)及安全記錄，并根據(jù)項目的特性做出適當(dāng)調(diào)整.

4.3 危害分析及危害登記冊

危害分析是針對系統(tǒng)的潛在危險進(jìn)行系統(tǒng)的分析，在工程項目的適當(dāng)階段將用作為安全評估技術(shù)，有助于做出優(yōu)化安全的變更.主機(jī)廠在進(jìn)行設(shè)計、開發(fā)、生產(chǎn)及測試時，應(yīng)考慮有關(guān)危害及其減輕措施，并將有關(guān)的減輕措施納入系統(tǒng)設(shè)計、開發(fā)、生產(chǎn)及測試中.

通過危害登記冊，記錄與合同規(guī)定有關(guān)的所有危害，對已確定的危害進(jìn)行審核和跟蹤，提供風(fēng)險減輕措施，并監(jiān)控危害關(guān)閉過程.任何由軌道交通車輛的用戶、設(shè)計團(tuán)隊、RAMS團(tuán)隊或者任何相關(guān)部門所識別的新的危害都應(yīng)加到危害登記冊中，并且在整個項目執(zhí)行過程中進(jìn)行監(jiān)控.

5 安全評價要素

在開展安全性評價工作時，評估人員可以從設(shè)計方案及細(xì)節(jié)、車輛接口、噪聲、振動、防火、電磁兼容、禁用物質(zhì)、人機(jī)工程等方面來評價軌道交通車輛安全性水平[8].

5.1 設(shè)計方案及細(xì)節(jié)安全性評價

通過設(shè)計安全審查工作，從功能和硬件兩個層面，審核設(shè)計過程中安全性的相關(guān)分析與設(shè)計方案是否一致，設(shè)計方案是否全面完整地考慮了所有安全性分析工作的相關(guān)內(nèi)容，并在車輛級/系統(tǒng)級設(shè)計過程中全面實現(xiàn).

5.2 車輛接口安全性評價

車輛的接口包括車輛內(nèi)部各系統(tǒng)間的接口以及車輛與外界環(huán)境與其他設(shè)施的外部接口.車輛接口安全性評價主要是針對所有車輛內(nèi)部接口和外部接口，審核設(shè)計過程中接口設(shè)計方案與安全性分析是否一致，接口設(shè)計方案是否全面完整地考慮了所有安全性分析工作的相關(guān)內(nèi)容，并在接口設(shè)計過程中加以實現(xiàn).

5.3 車輛特殊工程安全性評價

車輛特殊工程安全性評價主要是評價各系統(tǒng)在安全性分析過程中，對于噪聲、振動、防火、電磁兼容等相關(guān)危害識別是否全面，針對危害是否有足夠的減輕措施，以及對應(yīng)的危害關(guān)閉證據(jù)是否都已經(jīng)完成，確認(rèn)相關(guān)危害得以關(guān)閉.

5.4 人機(jī)工程安全性評價

人機(jī)工程安全性評價主要是評價在列車設(shè)計過程中，是否基于人機(jī)工程理論進(jìn)行了人機(jī)工程研究？是否開展了人機(jī)工程相關(guān)危害識別工作、將識別的危害有效傳遞給了安全工程師、并整合到車輛的危害登記冊之中？

5.5 禁用物質(zhì)安全性評價

禁用物質(zhì)安全性評價主要是評價在設(shè)計過程中，是否使用了國際/國家相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)中明確禁止應(yīng)用在軌道交通車輛之上的物質(zhì)？對于禁用物質(zhì)是否有明確的管理過程及相關(guān)責(zé)任人？在保證安全性的同時也能避免法律官司和經(jīng)濟(jì)損失.

6 安全性評價案例

軌道交通的安全性評價工作貫穿于產(chǎn)品全生命周期的各個階段，作為一項系統(tǒng)工程，進(jìn)行案例展示將十分龐雜，本文針對軌道交通車輛外門系統(tǒng)案例進(jìn)行安全性分析與評價.

根據(jù)列車的功能危害分析給出下列外門系統(tǒng)的安全性要求：

(1)在列車啟動過程中外門不能關(guān)閉的概率應(yīng)低于5E-7每次運行;

(2)在列車啟動過程中外門不能關(guān)到位的概率應(yīng)低于5E-7每次運行;

(3)在列車需要開門時外門不能打開的概率必須低于5E-9每次運行;

(4)在列車啟動過程中外門到位不能鎖上,誤指示已經(jīng)鎖上的故障概率必須低于5E-9每次運行.

……

6.1 安全性要求驗證表

外門的設(shè)計完全按照安全性要求進(jìn)行設(shè)計，表1顯示的是對每條安全性要求進(jìn)行的驗證結(jié)果.

6.2 FMECA結(jié)果

通過對列車外門進(jìn)行FMECA可以得出：外門無任何單一故障對列車產(chǎn)生災(zāi)難性的影響.故障模式故障數(shù)據(jù)主要來源于產(chǎn)品供應(yīng)商提供的文件和產(chǎn)品使用統(tǒng)計.FMECA提供的故障模式失效概率作為FTA定量驗證的基礎(chǔ)為FTA底事件提供輸入概率.

6.3 FTA結(jié)果

以“列車門不能關(guān)閉”這一失效狀態(tài)進(jìn)行驗證，通過故障樹對該事件進(jìn)行定量驗證，驗證結(jié)果表明:列車外門設(shè)計符合安全性設(shè)計目標(biāo)和要求.表2給出了對所有重要失效狀態(tài)進(jìn)行故障樹驗證的結(jié)果.

表1 外門系統(tǒng)安全性要求驗證表

表2 外門FTA驗證表

6.4 其它相關(guān)安全性要求的驗證結(jié)果

通過設(shè)計檢查確認(rèn)設(shè)備的設(shè)計和安裝布置滿足安全性設(shè)計準(zhǔn)則和相應(yīng)的規(guī)范.

6.5 評估結(jié)果

以上分析結(jié)果表明，列車外門系統(tǒng)的設(shè)計滿足所要求的安全性要求，達(dá)到了預(yù)期的安全性目標(biāo).

7 結(jié)論

基于軌道交通車輛安全性相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)及安全性分析及評價工作的相關(guān)經(jīng)驗，在對全生命周期安全評價階段、行業(yè)內(nèi)安全性相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)、軌道交通車輛安全相關(guān)系統(tǒng)、安全性分析方法以及安全評價要素這五個維度進(jìn)行了深入分析的基礎(chǔ)上，初步建立了軌道交通車輛安全性評價體系，針對軌道交通車輛外門系統(tǒng)進(jìn)行安全性分析與評價，為深入開展軌道交通車輛的安全性評價提供了體系化方法與案例支持，為行業(yè)內(nèi)針對軌道交通車輛的安全性評價工作起到了指導(dǎo)和借鑒作用，并希望在未來的軌道交通車輛安全性評價開展過程中，不斷完善此評價體系，使之更好地服務(wù)于軌道交通行業(yè)，提高產(chǎn)品安全性設(shè)計水平.