地鐵非授權(quán)列車從段/場進(jìn)入正線的故障樹風(fēng)險分析

李龍興 余峰

摘 要：分別在道岔未設(shè)置自動回轉(zhuǎn)功能和設(shè)置自動回轉(zhuǎn)功能的場景下，對非授權(quán)列車從段/場進(jìn)入正線概率和脫軌概率進(jìn)行故障樹建模，根據(jù)對比分析得出：從段/場進(jìn)入正線的道岔在不設(shè)置自動回轉(zhuǎn)功能而采用反位報警功能時，不僅可以避免頻繁操作道岔，而且在安全性和可用性方面優(yōu)于采用道岔自動回轉(zhuǎn)功能。因此，建議從段/場進(jìn)入正線的道岔設(shè)置反位報警功能。目前該功能在杭州地鐵 5 號線段/場工程中應(yīng)用效果良好。

關(guān)鍵詞：地鐵;非授權(quán)列車;道岔;自動回轉(zhuǎn);反位報警;故障樹;風(fēng)險矩陣

中圖分類號：U284.8

在地鐵線路中，列車從車輛段/停車場（簡稱“段 / 場”）進(jìn)入正線會經(jīng)過1組道岔。道岔設(shè)計除了滿足段/場正常出入功能外，還需考慮非授權(quán)列車從段/場進(jìn)入正線的可能性。因此，需要對從段/場進(jìn)入正線的列車進(jìn)行安全風(fēng)險分析和安全評估，并采取相應(yīng)的安全保護(hù)措施，避免風(fēng)險的發(fā)生。

1 風(fēng)險等級

風(fēng)險等級分為R1、R2、R3、R4級。R1級風(fēng)險等級最高，必須采取措施降低風(fēng)險;R2級在合理可行的情況下必須降低風(fēng)險;R3級是可以忍受的風(fēng)險，但是在成本可以接受的情況下需進(jìn)一步降低風(fēng)險等級;R4級是可以接受的風(fēng)險，一般不需要降低風(fēng)險等級。

風(fēng)險矩陣表主要由風(fēng)險后果和風(fēng)險概率組成，如表1所示。風(fēng)險等級的確定根據(jù)風(fēng)險矩陣表中事件發(fā)生的風(fēng)險概率和事件發(fā)生的風(fēng)險后果對應(yīng)坐標(biāo)垂直交叉確定。風(fēng)險后果從人員傷亡數(shù)量及系統(tǒng)服務(wù)中斷時間進(jìn)行了定義。風(fēng)險后果從事件發(fā)生的嚴(yán)重程度上分為7個等級，風(fēng)險概率根據(jù)事件發(fā)生的次數(shù)分為10個等級。

非授權(quán)列車從段/場進(jìn)入正線，可能與運營列車相撞或者脫軌，導(dǎo)致列車車體受損，造成數(shù)十名人員傷亡，構(gòu)成重大事故，故將其風(fēng)險后果等級定義為2級。

2 故障樹分析

故障樹分析（FTA）是系統(tǒng)安全性和可靠性分析工具之一。在系統(tǒng)設(shè)計階段，故障樹分析可以幫助查找潛在的系統(tǒng)故障模式，以便進(jìn)一步改進(jìn)設(shè)計，提高系統(tǒng)的安全性和可靠性;在系統(tǒng)維修階段，可以幫助故障診斷，改進(jìn)維修方案。

故障樹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當(dāng)確定底事件發(fā)生概率后，求出頂事件發(fā)生概率和其他定量指標(biāo)，為風(fēng)險矩陣等級確定提供依據(jù)。定性分析的主要目的是尋找導(dǎo)致與系統(tǒng)有關(guān)、不希望事件發(fā)生的原因及原因組合，即尋找頂事件發(fā)生的所有故障模式。故障樹分析的具體步驟如下。

（1）確定頂事件。頂事件一般選擇某一影響最大的系統(tǒng)故障作為頂事件，通常這個事件明顯影響系統(tǒng)的技術(shù)性能、經(jīng)濟(jì)性、可靠性、安全性或其他所要求的特征，頂事件必須有明確的定義，它是故障樹分析的核心。

（2）建立故障樹。建立故障樹是一個反復(fù)深入、不斷完善的過程。通常在系統(tǒng)設(shè)計早期階段進(jìn)行，隨著系統(tǒng)設(shè)計的進(jìn)展，對系統(tǒng)故障模式的認(rèn)識不斷深入，故障樹不斷增大，故障樹分析可信度就越來越高。

（3）故障樹規(guī)范化。為了對故障樹做統(tǒng)一的描述和分析，必須將建造出來的故障樹進(jìn)行規(guī)范，成為僅含底事件、頂事件以及與或非3種邏輯的故障樹。

3 非授權(quán)列車進(jìn)入正線和脫軌故障樹分析

本文故障樹建模使用可靠性分析軟件Isograph，聯(lián)鎖系統(tǒng)進(jìn)路防護(hù)功能失效的底事件故障率（FR）選用BiTRACON系統(tǒng)FTA計算結(jié)果，該結(jié)果已通過獨立第三方安全認(rèn)證。其他底事件率FR值來源于國內(nèi)外鐵路行業(yè)故障概率統(tǒng)計。

在道岔未設(shè)置自動回轉(zhuǎn)功能和設(shè)置自動回轉(zhuǎn)功能的場景下，對非授權(quán)列車從段/場進(jìn)入正線概率和脫軌概率分別進(jìn)行故障樹建模，由底事件發(fā)生概率計算出頂事件發(fā)生概率，同時根據(jù)定義事件發(fā)生的后果確定事件發(fā)生的風(fēng)險等級。

3.1 進(jìn)入正線故障樹分析

3.1.1 道岔未設(shè)置自動回轉(zhuǎn)功能

道岔未設(shè)置自動回轉(zhuǎn)功能，非授權(quán)列車從段/場進(jìn)入正線主要有2種可能。

（1）聯(lián)鎖系統(tǒng)進(jìn)路防護(hù)功能失效，該失效可能由聯(lián)鎖通信失效或聯(lián)鎖輸入輸出（IO）失效引起。

（2）闖紅燈進(jìn)入，可能是由于錯誤的授權(quán)且道岔在通往正線的位置引起。錯誤的授權(quán)包括行調(diào)錯誤指令和司機(jī)連續(xù)闖紅燈;道岔在通往正線位置包括道岔設(shè)置在通往正線位置或道岔正好在通往正線位置。

道岔未設(shè)置自動回轉(zhuǎn)功能，非授權(quán)列車從段/場進(jìn)入正線的故障樹分析如圖1所示。

通過建模計算，在道岔未設(shè)置自動回轉(zhuǎn)功能時，非授權(quán)列車從段/場進(jìn)入正線的概率為3.442×10-11次/h（3.015×10-7次/年），參照風(fēng)險矩陣表，風(fēng)險發(fā)生概率為J，風(fēng)險后果為2級，則風(fēng)險等級為R4級，屬于可接受風(fēng)險。

3.1.2 道岔設(shè)置自動回轉(zhuǎn)功能

為進(jìn)一步減小非授權(quán)列車從段/場闖紅燈進(jìn)入正線的概率，可使用自動回轉(zhuǎn)道岔。增加道岔自動回轉(zhuǎn)功能后，非授權(quán)列車進(jìn)入正線也有2種可能：①聯(lián)鎖系統(tǒng)進(jìn)路防護(hù)功能失效;②闖紅燈進(jìn)入。聯(lián)鎖系統(tǒng)進(jìn)路防護(hù)失效同上所述，闖紅燈進(jìn)入可能是由于錯誤的授權(quán)且道岔鎖在通往正線的位置引起。道岔鎖在通往正線位置包括道岔非預(yù)期鎖在通往正線位置或調(diào)度錯誤設(shè)置在通往正線位置。增加道岔自動回轉(zhuǎn)功能后，非授權(quán)列車從段/場進(jìn)入正線的故障樹分析如圖2所示。

通過建模計算，在道岔設(shè)置自動回轉(zhuǎn)功能后，非授權(quán)列車闖紅燈進(jìn)入正線的概率降低，但從段/場進(jìn)入正線的概率仍為3.442×10-11次/h（3.015×10-7次/年），參照風(fēng)險矩陣表，風(fēng)險發(fā)生概率為J，風(fēng)險后果為2級，則風(fēng)險等級為R4級，屬于可接受風(fēng)險。

通過以上建模分析，無論段/場道岔是否設(shè)置自動回轉(zhuǎn)功能，非授權(quán)列車從段/場進(jìn)入正線的風(fēng)險都屬于可接受的風(fēng)險，一般不需要降低風(fēng)險等級，因此，還需從列車脫軌風(fēng)險進(jìn)一步建模分析。

3.2 脫軌故障樹分析

3.2.1 道岔未設(shè)置自動回轉(zhuǎn)功能

道岔未設(shè)置自動回轉(zhuǎn)功能，非授權(quán)列車脫軌主要由于聯(lián)鎖系統(tǒng)道岔防護(hù)失效且列車闖紅燈進(jìn)入。聯(lián)鎖系統(tǒng)進(jìn)路防護(hù)功能失效原因同上所述;列車闖紅燈進(jìn)入可能是由于行調(diào)和司機(jī)誤操作引起。道岔未設(shè)置自動回轉(zhuǎn)功能，非授權(quán)列車從段/場進(jìn)入正線導(dǎo)致列車脫軌的故障樹分析如圖3所示。

通過建模計算，在道岔未設(shè)置自動回轉(zhuǎn)功能時，非授權(quán)列車從段/場進(jìn)入正線導(dǎo)致脫軌的概率為1.514×10-19次/h（1.326×10-15次/年），參照風(fēng)險矩陣表，風(fēng)險發(fā)生概率為J，風(fēng)險后果為2級，則風(fēng)險等級為R4 級，屬于可接受風(fēng)險。

3.2.2 道岔設(shè)置自動回轉(zhuǎn)功能

道岔增加自動回轉(zhuǎn)功能后，道岔回轉(zhuǎn)過程中非授權(quán)列車脫軌的故障樹分析如圖4所示。

通過建模計算，道岔增加自動回轉(zhuǎn)功能后，在道岔回轉(zhuǎn)過程中列車脫軌的概率為2.719×10-10次/h（2.382×10-6次/年），參照風(fēng)險矩陣表，風(fēng)險發(fā)生概率為I，風(fēng)險后果為2級，則風(fēng)險等級為R3級，屬于可以忍受的風(fēng)險，但在成本可行的情況下需進(jìn)一步降低風(fēng)險。

3.3 小結(jié)

在道岔未設(shè)置自動回轉(zhuǎn)功能時，非授權(quán)列車進(jìn)入正線和脫軌的風(fēng)險均為R4級;道岔設(shè)置自動回轉(zhuǎn)功能后，非授權(quán)列車進(jìn)入正線的風(fēng)險為R4級，但道岔回轉(zhuǎn)過程中列車脫軌的風(fēng)險為R3級，可見，道岔設(shè)置自動回轉(zhuǎn)功能后增加了列車脫軌的風(fēng)險。

4 工程應(yīng)用

根據(jù)TB 10007-2017《鐵路信號設(shè)計規(guī)范》第6.2.8條規(guī)定，引向安全線的道岔納入集中聯(lián)鎖時道岔的定位必須為安全線開通的位置，在未處于定位位置且未處于進(jìn)路鎖閉狀態(tài)時應(yīng)給出報警信息。

杭州地鐵5號線段/場出入線共涉及3處，分別位于常二路站、蔣村站及姑娘橋站，具體如圖 5～圖 7所示。五常車輛段西出入線（常二路站方向）段 / 場銜接處通過道岔位置隔開，五常車輛段東出入線（蔣村站方向）和姑娘橋停車場出入線由于地鐵線路環(huán)境限制，未設(shè)置道岔隔開。根據(jù)上述建模分析，段/場與正線連接的道岔不適合設(shè)置自動回轉(zhuǎn)功能，為了進(jìn)一步降低道岔長期處在開通正線方向的概率，杭州地鐵5號線段/場出入線在與正線連接的道岔處分別設(shè)置了道岔反位報警功能（道岔處于開通正線方向時設(shè)置報警），提醒信號人員及時把道岔操作到非正線方向。杭州地鐵5號線自開通以來，道岔從未發(fā)生過長期處于開通正線方向的情況，且道岔操作的頻次也大大減少。

5 結(jié)語及建議

鑒于道岔不設(shè)置自動回轉(zhuǎn)功能，非授權(quán)列車誤操作進(jìn)入正線導(dǎo)致列車脫軌的風(fēng)險已經(jīng)達(dá)到風(fēng)險等級可接受標(biāo)準(zhǔn)，因此，建議不通過道岔設(shè)置自動回轉(zhuǎn)功能防護(hù)非授權(quán)列車進(jìn)入正線的可能，可采用道岔反位報警功能，通過道岔在開通正線方向且未處于進(jìn)路鎖閉狀態(tài)時及時給出報警提示，提醒值班人員把道岔操作到非開通正線方向。一方面可以防護(hù)因人為故意破壞導(dǎo)致列車進(jìn)入正線與正在運營列車碰撞的可能，另一方面可以避免頻繁操作道岔，從而延長道岔使用壽命。

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收稿日期 2020-01-02

責(zé)任編輯 宗仁莉