基于静态故障树的地铁门控系统安全性分析

【摘 要】针对安全性要求较高的地铁门控系统，提出一种基于故障树的安全性分析方法，通过构建组件之间的错误传播路径，转化为静态故障树进行定性分析，最终确定系统中的薄弱环节以提升地铁门控系统的安全性。

【关键词】地铁车门；安全分析；故障树

1 引言

随着社会经济与科技的快速发展，城镇化节奏加快，城市人口数目增加，城市交通工具面临巨大挑战。地铁因其速度快、容量大的特点成为市民出行的首选交通工具。受环境因素和自身条件的影响，地铁车门在高频次使用过程中容易产生零部件磨损或电路故障，导致重大安全隐患。本文对地铁门控系统工作原理和结构进行了分析，阐述了门控系统各组件之间的关联，并将错误模型转换为故障树模型进行安全性分析。

2 城市地铁门控系统工作原理

门控系统主要包括总控、电气控制单元、驱动装置单元、传感器装置等子系统组成，通过各子系统间的信号传导执行开关门电机的运转、车门系统状态检测、安全保护等操作。

2.1总控单元

总控部分包含多个输入输出接口，例如RS232通讯端口与列车控制系统的总线相连，获得电力支持，通过接收总线信号控制门控系统各设备，并及时将各设备状态，功能状态回传给总线从而保证门控单元与外部设备数据的实时对接；RS485与门控单元其他设备相连，根据总线信号执行车门开启和关闭等操作。

2.2电气控制的单元

电气控制单元接收总控发出的控制信号并向驱动单元输出执行信号。列车控制信号包括开/关门车辆控制信号、车辆零速信号；执行机构信号包括门隔离限位开/关、紧急装置限位开/关和门位置传感器信号[1]

2.3驱动电机信号

列车驱动装置由电机，传力螺母，门叶，闭锁限位开关等组成。当电动机接收门控信号跳转时传动装置控制门翼完成开关门动作。

2.4传感器

传感器通过微波或红外线的方式在车门打开或关闭时探测障碍物并将信号回传至总控，尤其是关门时探测，避免乘客被车门夹伤。总控接收信号根据系统设定条件发送相应的信号至电气控制单元。

3地铁门控系统故障分析

地铁各系统根据功能和作用可被划分为8个系统，包括门控系统、乘客信息系统、车体系统、走行系统、供风制动系统、电路控制系统、列控系统、空调系统等。根据北京地铁运营公司统计的近年来北京地铁列车故障停车的情况，由车辆原因导致的列车事故的174次故障中，因车门故障造成的达59次，占所有故障数的33.9%[]。客车门因其结构的复杂性与其频繁的使用率成为保障故障安全运行的关键环节。

3.1车门常见故障及原因

根据常见的机械和电子零部件失效形式，常见的故障模式分为如下几类[2]：

（1）损坏型故障，包括断裂、击穿、变形、压痕等。

（2）松脱型故障，包括松动、脱落等。

（3）失调性故障，包括电压过高过低、行程失调等。

（4）退化型故障，包括异常磨损、剥落、老化等。

（5）渗透与堵塞型故障，包括漏水、漏气、气阻、渗油等。

（6）性能衰退或功能失效型故障，包括过热、异响、性能衰减等。

造成客车门失效的原因基本可以分為机械类故障和电器类故障，其中机械类故障主要为机械组件失效或维护不当造成的门锁失效、车门变形、螺母松动等。地铁在行进过程中大部分时间处于动态，列车门反复开关，极易导致车门尺寸变形，咬合不当；在客流高峰期，乘客对车门的挤压也极容易导致车门变形，出现固定装置松动的情况。电器类故障主要为各控制或驱动单元状态异常导致的如控制盒失效，门控单元信号异常等。

3.2静态故障树建立

故障树的建立过程往往是一个反复深入、逐步完善的过程。本文采用演绎法，首先需要找到导致顶事件发生的诸多因素，暂且将这些因素称为中间事件。在中间事件的基础上再次分析，迭代出更深层次的原因，生成中间事件，直到事件无法再划分，这些事件就被称为底事件。最后再分析这些事件之间的逻辑关系，利用相应的逻辑门将它们组合成一个整体。

列车门控系统的常见故障为：行程开关故障、传感器回传错误等。其中电气控制单元故障可进一步细化为：门控系统自身组件损坏，物理车门开合错误，开关门按钮失效。引起物理车门开合异常的因素可继续归纳为：驱动电机失效，门隔离开关失效。驱动电机包含的故障有：门锁故障，门叶故障，控制车门丝杆扭簧组件失效，电机故障。其他不属于门控系统考虑范围内的组件引发的故障归类到其他故障下。

3.3故障树的定性分析

故障树定性分析的目的是找出可能引起顶事件发生的因素，求出故障树最小割集，预估潜在故障，得出系统安全性最薄弱的地方，以便改进运营和维护方案。排除其他故障中包含的诸多因素，列车门控系统最终能够得到9个最小割集，每个一阶最小割集对应故障树的一个底事件，这些底事件可认定为导致顶事件发生的主要因素。

3地铁车门维护建议

3.1调整地铁车门结构

调整地铁车门结构有利于减少门体与车体的摩擦，避免门板位置错位。在调整门结构时需要对门板弧度进行科学、合理的测量，及时矫正车门或更换门板。

3.2严格控制门控系统各元件质量

在组装前对元件进行筛选，保证元件质量。同时，在安装时需要注意安装手法，注意调整开关门时行程开关的位置，保证门触电和开关触点所处位置恰当。对于丝杆螺母这种机械转动装置的保养需要定期添加润滑油，提高转动装置的动力作用，定期做保养工作以减少因疏忽保养造成的机械损伤，及时更换零部件避免故障波及其他部件导致连锁故障。

3.3及时更换磨损部件

因地铁在长期运行中内部组件的高频振动和高频使用容易导致部件丢失、松动等情况，在处理此类故障时，需要在各级维修中定期更换外观已破损、复位弹簧失效、出点服饰的行程开关，定期清洁外观正常的行程开关，重新校准螺母。

4结束语

地铁车门系统是地铁故障最频繁发生的部分，确保门控系统的安全对保证地铁平稳运行、市民安全出行都有十分重要的意义。本文通过对地铁门控系统常见故障分析，提炼影响地铁门控系统故障的重要组件，从而进一步提高地铁的安全性。

参考文献：

[1] 杨颖，李骏，彭冬良等.地铁列车车门系统故障分析及诊断方法[J].电力机车与城轨车辆，2014（6）：21-23.

[2] 张亦农.迁徙地铁门控系统的故障树诊断方法研究[J]，2016，11.

[3] 王连森.城市轨道交通车辆维护与检修[M].中国铁道出版社，2012.

（作者单位：北方工业大学）