李 聪，王长林

（西南交通大学 信息科学与技术学院，成都 610031）

列车定位子系统是列车运行控制系统的关键技术之一。列车定位的基本功能是在任何时刻和地方都能够按要求确定列车的位置。它必须保证提供正确的列车位置信息和列车定位技术的精密度。

高速铁路中，CTCS-3级以后的区间线路不再划分固定闭塞分区，即移动闭塞系统。前后列车在运动中保持安全的追踪间隔距离，应大于或等于列车制动距离加上安全防护距离。列车运行控制系统必须实时地知道列车和前车的位置、速度等信息，计算许可的列车运行速度，并与列车的当前速度进行比较，决定是否需要采取制动措施，以保证安全的间隔。

1 列车定位技术

（1）轨道电路方案；（2）电子计轴方案；（3）测速测距定位方案；（4）查询/应答器方案；（5）全球卫星定位系统法（GPS）；（6）轨道交叉感应电缆法；（7）多普勒雷达法；（8）惯性定位系统（IPS）；（9）无线扩频通信定位法。

其中，列车定位测速测距定位系统是用于提供车辆的位置和速度等信息，它利用安装在车轮轮轴上的速度传感器测量车轮转速，然后经过测速单元逻辑运算，得到列车的实际速度。由于车轮的磨损导致通过车轮直径获得路程数据误差偏大，因此须结合雷达测速方法。雷达定时向地面发送微波，并根据反射微波与入射微波的夹角、入射时间和发射时间以及雷达距地面的距离计算出列车运行速度。进而根据速度计算出列车的走行距离。同时，利用安装在轨旁或车载的定位辅助设备消除、减小列车走行距离的误差，以确定列车的实时位置。其设备组成与车载接口如图1。

2 定位系统故障模式及危害性分析

图1 列车车载设备组成框图

FMECA （故障模式影响及危害性分析）是分析系统或产品的故障模式及可能产生的影响，按每个故障模式产生影响的严重程度及其发生概率进行分类的一种归纳分析方法，是属于单因素的分析方法。FMECA由故障模式及影响分析（FMEA）与危害性分析（CA）组成。在进行FMEA基础上才能进行CA。FMECA 是开展维修性分析、安全性分析、测试性分析和保障性分析的基础。以下参照GJBZ1391对系统进行功能故障模式分析。

2.1 功能和任务可靠性

根据列车定位系统原理绘制功能框图如图2。任务可靠性框图如图3。

图2 定位系统功能层次及结构层次对应图

图3 定位系统任务可靠性框图

2.2 约定层次

初始约定层次为定位模块，约定层次为定位不确定和速度不确定，最低约定层次为信标（10），车载控制器（20），速度传感器（60）。

2.3 严酷度定义

根据故障模式对定位不确定的最终影响程度，确定其严酷度。本文对严酷度的分类以EN50128为标准，描述如下：

I类（灾难性的）：定位误差极大造成冲撞，重大事故，人员伤亡。

II类（严重性的）：定位误差很大造成停车不准确影响全线通过。III类（重大的）：定位误差较大，停车不准确。IV类（不重要的）：定位误差不可避免，在允许范围内。

2.4 故障模式分析

定位模块的故障模式主要从有关信息中分析得到。故障模式发生概率的等级分为A、B、C、D、E共5个等级，其具体定义如表1。

表1 故障模式发生概率的等级划分

2.5 填写FMECA表格

危害性分析(CA)是对产品每一个故障模式的严重程度及其发生概率所产生的综合影响进行分类，以全面评价产品中所有可能出现的故障模式的影响。本文对定位系统进行定性分析，将 FMEA表、CA 表合并成“定位系统功能FMECA 表”。为了突出故障模式的严酷度分类和概率等级分类，简化表示为表2。

表2 定位系统功能FMECA表

2.6 定性危害性矩阵分析

根据表2的结果，绘制定位系统危害性矩阵如图4。

图4 定位系统危害性矩阵

定位系统共有9个故障模式，其中严酷度为I类有0个，II类有4个，但考虑故障模式发生概率的因素，危害性最大的故障模式识别号为201，301，601，对此可定为关键的故障模式，并对其优先重点考虑改进。

3 故障树分析

3.1 建立故障树

定位系统故障树结构如图5。

将故障树规范化，以方便找出故障树最小割集。每个底事件都是一个最小割集。从系统分析得知，定位系统故障树中各底事件是相互独立的，此时顶事件可表示为：

且如果底事件Xi发生概率是qi，n表示底事件的个数。那么顶事件发生的概率可表示为：

3.2 故障树重要度指标分析

3.2.1 故障树概率重要度分析

在故障树所有事件互相独立的条件下，第i个底事件的概率重要度为：

由此公式可知，故障树底事件发生概率最大的故障模式其概率重要度也最大，反之亦成立。3.2.2 故障树结构重要度分析

故障树中并非每个底事件同等重要。结构重要度分析，是从故障树结构上分析各基本事件对顶事件发生的贡献，即在不考虑基本事件发生概率，或设各基本事件发生概率相等的情况下，分析其对顶事件的贡献。贡献大小用数值表示，称为基本事件结构重要度。

故障树的结构函数定义为：

其中x1, x2,…, xn，为描述底事件状态的布尔变量。若底事件xi发生为1，否则为0。

第i个底事件的结构重要度是：

其中，∑是对x1,…xi-1, xi+1, xn分别取0和1的所有可能求和。

进行结构重要度分析时，提出一种新的处理方法，对于底事件xj，令

3.3 算例

因为ATP定位系统所有设备、元器件的可靠度并不完全相同，根据以前运行时各种故障率统计，可将底事件失效率qi折中取为1×109/h，经计算得顶事件概率Q=0.9×10-8，底事件xi的概率重要度为0.9999，结构重要度为0.0039。由此可见，定位系统的安全性满足安全完整性等级IV级。

4 结束语

本文针对引起定位不准确的可能故障模式，分析了每个故障模式的局部影响、对上层的影响、最终影响，极其危害性，为改进减小故障影响提供方法依据，有利于提高定位的准确性。并进一步建立故障树，对其故障模式进行定量分析，得出最终发生概率，对定位系统的安全性给出定量的结论。这不仅对提高列车定位具有理论指导意义，也可作为实际运营中列车定位故障分析的借鉴。

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