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基于灰色理論ZPW2000A無絕緣軌道電路故障風(fēng)險(xiǎn)分析

文檔作者：馬濤，米根鎖，齊東文檔來源：蘭州交通大學(xué)自動(dòng)化與電氣工程學(xué)院		點(diǎn) 擊數(shù)：	更新時(shí)間： 2025年09月05日
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基于灰色理論ZPW2000A無絕緣軌道
電路故障風(fēng)險(xiǎn)分析
馬 濤，米根鎖， 齊 東
(蘭州交通大學(xué)自動(dòng)化與電氣工程學(xué)院，蘭州730070)
· 通信／信號·
摘 要：鐵路運(yùn)輸系統(tǒng)中各個(gè)設(shè)備的故障模式存在不同的風(fēng)險(xiǎn)水平，而傳統(tǒng)的RCM 方法進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)分析時(shí)存在精度
不高的問題。在FMEA進(jìn)行定量風(fēng)險(xiǎn)分析的基礎(chǔ)上，再通過灰色關(guān)聯(lián)度方法對FMEA風(fēng)險(xiǎn)分析中的各個(gè)決策因素
進(jìn)行加權(quán)處理，實(shí)現(xiàn)了考慮各因素之間相對權(quán)重的故障模式風(fēng)險(xiǎn)分析，提高了分析的準(zhǔn)確性。將此方法應(yīng)用于鐵
路信號設(shè)備，以ZPW2000A無絕緣軌道電路作為實(shí)例，通過分析計(jì)算表明該方法可行有效，能為改進(jìn)鐵路運(yùn)輸系統(tǒng)
各個(gè)設(shè)備的維修策略提供有力的科學(xué)依據(jù)。
關(guān)鍵詞：灰色關(guān)聯(lián)度；故障風(fēng)險(xiǎn)分析；ZPW2OOOA無絕緣軌道電路；RCM 分析；維修策略
中圖分類號：U283．2 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1004—2954(2013)04—0115一O4
Fault Risk Analysis on ZPW 2000A Uninsulated Track
Circuit Based on Gray Theory
MA Tao，MI Gen—SUO，QI Dong
(School of Automation and Electrical Engineering，Lanzhou Jiaotong University，Lanzhou 730070，China)
Abstract：The fault models of all the equipments in railway transport system have different risk levels
，
but the traditional RCM method of risk analysis has some problems in precision．In this method proposed
by this paper，every decisive factor in the process of FMEA risk analysis is weighted based on the FMEA
quantitative risk analysis by using gray correlation method， SO that the fault model risk analysis
considering the relative weights of various factors can be achieved，therefore the accuracy of the analysis
can be improved． This method can be used in the railway signal equipment，
and in this paper，
ZPW 2000A uninsulated track circuit are taken as an example for risk analysis． Then the analysis and
calculation results show that：this method is a feasible and effective method
． and it can provide a strong
scientific basis for the improvement of the maintenance strategies of various equipments in railway traffic
system ．
Key words：gray correlation degree；fault risk analysis； ZPW 2000A uninsulated track circuit： RCM
analysis；maintenance strategy
我國鐵路近年來快速發(fā)展，這對保障行車安全的
信號設(shè)備的可靠性提出了更高的要求。以可靠性為中
心的維修(RCM)是目前國際通用的用以優(yōu)化維修策
收稿日期：2012—08～15
作者簡介：馬 濤(1986～)，男，碩士研究生，E．mail：283584996@
qq-COB 。
[8] 羅文．長春樞紐特殊地段GSM．R無線覆蓋方案[J]．中國鐵路，
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[9] 沈吟．合蚌客運(yùn)專線特殊區(qū)段GSM．R方案研究與探討[J]．鐵道
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[10]楊玉修．西成客運(yùn)專線部分特殊地段GSM．R網(wǎng)絡(luò)覆蓋方案研究
鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)RAILWAY STANDARD DESIGN 2013(04)
略為目的，確定設(shè)備維修需求的系統(tǒng)工程過程¨ 。此
方法打破了我國鐵路信號設(shè)備傳統(tǒng)的“定修”模式，克
服了以往檢修頻繁、盲目維修的問題，不僅降低了維修
成本和維修人員的勞動(dòng)強(qiáng)度，使維修體制更具科學(xué)性，
而且可以顯著提高信號設(shè)備的可靠性水平。但傳統(tǒng)的
RCM風(fēng)險(xiǎn)分析方法是通過對設(shè)備進(jìn)行故障模式與影
[J]．鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，2012(9)：106—109．
[11]梁延峰．RRU基本原理及應(yīng)用分析[J]．電信工程技術(shù)與標(biāo)準(zhǔn)化
2007(3)：51—59．
[12]吳靜．普速鐵路GSM-R可靠性設(shè)計(jì)探討[J]．中國鐵路，2012(8)
57—6O．
115
·
通信／信號· 馬 濤，米根鎖，齊 東一基于灰色理論ZPW2000A無絕緣軌道電路故障風(fēng)險(xiǎn)分析
響分析(FMEA)，根據(jù)分析結(jié)果對故障模式風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行
排序，以此為依據(jù)來制定有效的維修策略。但該方法
沒有考慮(FMEA)分析中各因素間的相對權(quán)重等影響
因子，存在分析精確度不高的問題，而引入灰色理論中
的灰色關(guān)聯(lián)分析方法可以彌補(bǔ)這一不足。因此，本文
研究了基于灰色關(guān)聯(lián)度分析的設(shè)備故障定量風(fēng)險(xiǎn)分析
方法，并應(yīng)用于鐵路信號設(shè)備的風(fēng)險(xiǎn)分析中。
1 灰色理論和RCM 分析相結(jié)合的設(shè)備風(fēng)險(xiǎn)分析
方法
1．1 傳統(tǒng)RCM風(fēng)險(xiǎn)分析方法
傳統(tǒng)的RCM定量風(fēng)險(xiǎn)分析方法的核心是進(jìn)行設(shè)
備的FMEA分析，確定系統(tǒng)或者設(shè)備每個(gè)最低組成部
分的故障模式，然后來評定每個(gè)故障模式的風(fēng)險(xiǎn)等級，
再依據(jù)風(fēng)險(xiǎn)分析結(jié)果針對不同嚴(yán)重程度的故障模式提
出設(shè)備的維修措施建議，得到改進(jìn)的維修策略。
FMEA最常采用的分析方法是風(fēng)險(xiǎn)優(yōu)先級法RPN(風(fēng)
險(xiǎn)評估評價(jià)的尺度)，其基本方法是：確定系統(tǒng)最小組
成的子系統(tǒng)單元；描述各單元的功能，并確定各單元的
故障模式；確定每一種故障模式的嚴(yán)重度Severity(以
下簡稱為“s”一根據(jù)可能出現(xiàn)的人員傷亡、環(huán)境損害
和任務(wù)失敗等方面的影響程度確定)；發(fā)生度
Occurrence(以下簡稱為“O”一故障發(fā)生頻繁程度的度
量)；檢測度Detection(以下簡稱為“D”一故障可以被
檢測到難易程度的度量)；最后計(jì)算風(fēng)險(xiǎn)優(yōu)先級指數(shù)
RPN，它與S、O、D三者的關(guān)系為
RPN =S×O ×D (1)
S、O、D三個(gè)因素的評分標(biāo)準(zhǔn)如表1所示。RPN
數(shù)值的大小就代表了故障模式的風(fēng)險(xiǎn)等級大小，由此
為依據(jù)來改進(jìn)設(shè)備的維修策略，使設(shè)備維修更具科學(xué)
性。FMEA方法的詳細(xì)介紹詳見參考文獻(xiàn)[2]。
表1 故障風(fēng)險(xiǎn)分析各項(xiàng)指標(biāo)評分標(biāo)準(zhǔn)
1．2 基于灰色關(guān)聯(lián)度的定量風(fēng)險(xiǎn)分析方法
傳統(tǒng)RCM分析方法進(jìn)行FMEA分析時(shí)用RPN值
來評價(jià)設(shè)備各子系統(tǒng)故障模式的風(fēng)險(xiǎn)水平。但RPN
數(shù)值的計(jì)算中沒有考慮S、O、D三者之間的相對重要
度，將其等同對待，這樣會(huì)造成不同故障模式的S、O、
D定量值的乘積可能產(chǎn)生同樣的RPN值，但這些故障
模式的風(fēng)險(xiǎn)水平是不同的。因此存在著分析精確度不
高的問題。我國學(xué)者鄧聚龍教授在1982年開創(chuàng)了灰
色系統(tǒng)理論 ，其優(yōu)勢是可以對部分已知的模糊信息
進(jìn)行分析。其中灰色關(guān)聯(lián)度分析法則是以系統(tǒng)內(nèi)部各
因素間相互關(guān)系的相似程度來度量其關(guān)聯(lián)程度，因此
在FMEA分析的基礎(chǔ)上，再運(yùn)用灰色關(guān)聯(lián)度方法進(jìn)行
故障風(fēng)險(xiǎn)分析 ，必然能有效提高分析的精度。分析
方法的基本流程如圖1所示 。
l FMEA I
I
l用模糊化語義描述s、O、D l
I
l 反模糊化s、0、D l
+ +
l建立標(biāo)準(zhǔn)序列 。(砷1 l l建立標(biāo)準(zhǔn)序列 (砷}
L—l計(jì)算差值 I—__J
’
計(jì)算灰色關(guān)聯(lián)度系數(shù)l l確定各因素權(quán)重
L-J計(jì)算灰關(guān)聯(lián)度l——j
I
按灰關(guān)聯(lián)度排序
圖1 灰色關(guān)聯(lián)度分析流程
具體步驟為：首先通過FMEA分析確定系統(tǒng)組成
單元所有可能的故障模式，并對各個(gè)故障模式的決策
因素s、O、D進(jìn)行模糊評價(jià)。模糊評價(jià)的描述：“很
低”、“低”、“中等”、“高”和“很高”共5級，評價(jià)方法
見表1所示 。接著模糊評價(jià)進(jìn)行反模糊化。模糊集
的脆性系數(shù)K( )為
Σ “ (b 一c)
Σ b等 ) ：。( 一c)一Σ ：。(n 一d)
對應(yīng)各模糊評價(jià)的隸屬函數(shù)如圖2所示? ，從圖
中可得到式(2)中相關(guān)參數(shù)的值。以模糊評價(jià)描述
“低”為例，在取其脆性系數(shù)時(shí)，可由圖2得a。=2，b。=
5，a =b =3．5，C：0，d=10，代人式(2)有
K(X)=
(b。一C)+(b。一c)
)
1
0．370
一d)+(a。一d)
0 2 4 6 8 10
圖2 隸屬函數(shù)圖
同理可得其他模糊語義描述所對應(yīng)的脆性系數(shù)，
“很低”為0．196，“中等”為0．583，“高”為0．804，“很
116 鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)RAILWAY STANDARD DESIGN 2013(04)
馬 濤，米根鎖，齊 東一基于灰色理論ZPW2000A無絕緣軌道電路故障風(fēng)險(xiǎn)分析
高”為0．952，如表2所示。
表2 模糊語義反模糊化脆性系數(shù)
模糊語義描述 反模糊脆性系數(shù)
很低
低
中等
高
很高
0．196
0．370
0．583
0．804
0．952
序列
根據(jù)得到的脆性系數(shù)以式(3)的形式表示的比較
X =
l
2
● ● ●
(2)
2(2)
●
：
(2)
1(m)
2(m)
-
：
(m)
(3)
式中， 。， ：，? ， 表示n個(gè)故障模式對應(yīng)的比
較序列；{ (1)， (2)，? ，X (m)}表示第i個(gè)故障模
式的m個(gè)決策因素模糊語義評價(jià)對應(yīng)的脆性系數(shù)。
同時(shí)得到反映所有決策因素的理想期望水平的標(biāo)
準(zhǔn)序列，即
X0={ 。(1)， 0(2)，? ， 0(m)} (4)
由此，計(jì)算比較序列和標(biāo)準(zhǔn)序列的差序列
d ={h (1)，△ (2)，? ，△ (m)} (5)
式中A (k)= (k)一 。(k)，則灰色關(guān)聯(lián)度系數(shù)可
由式(6)求得
( 。( )， (k))=
rain max J 0(k)一 (k)J+6min max l 0(k)一 ( )f
l A ( )l+6min max l 0( )一 (|j})l
(6)
式中， (|j})表示標(biāo)準(zhǔn)序列中第k個(gè)決策因素對應(yīng)
值； ( )表示比較序列矩陣中第i個(gè)故障模式第k個(gè)
決策因素對應(yīng)值；6為分辨系數(shù)，6∈(0，1)，它僅影響
· 通信／信號·
相對風(fēng)險(xiǎn)值，因此通常可取0．5 。
計(jì)算兩序列(比較序列與標(biāo)準(zhǔn)序列)的關(guān)聯(lián)度，可
由式(7)得到
y(x。，Xi)=Σ (xo( )，xi(后)) (7)
式中，盧 為決策各因素的權(quán)重系數(shù)，且滿足=1。
可用層次分析法(AHP)得到，層次分析法的詳細(xì)步
驟詳見參考文獻(xiàn)[7]。
由此便可得到故障模式的灰色關(guān)聯(lián)度值，它反映
了某一故障模式和決策因素之問相關(guān)聯(lián)程度的關(guān)系，
關(guān)聯(lián)度越大的故障模式的整體影響越小，則該部件的
風(fēng)險(xiǎn)優(yōu)先等級越低。根據(jù)得到的灰色關(guān)聯(lián)度值就可進(jìn)
行系統(tǒng)各個(gè)故障模式的風(fēng)險(xiǎn)等級排序，完成設(shè)備故障
風(fēng)險(xiǎn)分析。
2 實(shí)例分析
ZPW2000A無絕緣軌道電路是我國鐵路應(yīng)用最廣
泛的信號設(shè)備之一，其安全性和可靠性關(guān)乎列車運(yùn)行
安全。因此，本文以ZPW2000A無絕緣軌道電路為研
究對象進(jìn)行定量風(fēng)險(xiǎn)分析。根據(jù)RCM分析方法中系
統(tǒng)劃分原則，可將本體系統(tǒng)劃分為發(fā)送系統(tǒng)、接收系
統(tǒng)、冗余衰耗系統(tǒng)、防雷系統(tǒng)、扼流匹配變壓器、調(diào)諧匹
配單元、補(bǔ)償電容、空心線圈、機(jī)械絕緣節(jié)空心線圈、
SPT電纜、通信接口板、扼流變壓器、信號傳輸線、條件
線和監(jiān)測線共15個(gè)子系統(tǒng)，各子系統(tǒng)又包括若干部
件。由于對各個(gè)子系統(tǒng)的分析方法完全相同，這里僅
對發(fā)送系統(tǒng)和接收系統(tǒng)進(jìn)行分析驗(yàn)證。具體分析計(jì)算
步驟如下。
(1)通過ZPW2000A無絕緣軌道電路發(fā)送器和接
收器運(yùn)行、維修的歷史記錄進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，并采用專家
調(diào)查法，可得到系統(tǒng)RCM分析結(jié)果，如表3所示 。
表3 ZPW2000A無絕緣軌道電路發(fā)送接收系統(tǒng)RCM分析結(jié)果
鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)RAILWAY STANDARD DESIGN 2013(04) 117
·
通信／信號· 馬 濤，米根鎖，齊 東一基于灰色理論ZPW20OOA無絕緣軌道電路故障風(fēng)險(xiǎn)分析
(2)對各決策因素反模糊化，得到比較序列矩陣
0．804
0．804
0．583
0．804
0．804
0．804
0．952
0．804
0．952
0．804
0．804
0．952
0．370
0．804
0．804
0．583
0．952
0．952
0．804
0．952
0．370
0．370
0．804
0．804
0．804
0．583
0．952
0．804
0．583
0．804
0．952
0．583
0．804
0．952
0．804
0．583
(3)取各決策因素最低模糊語義評價(jià)的反模糊化
值來確定標(biāo)準(zhǔn)序列。若取標(biāo)準(zhǔn)序列為零矩陣，則兩序
列(比較序列與標(biāo)準(zhǔn)序列)的差序列仍為比較序列。
式(6)便可簡化為
y k ， = (8)
式中，A i =0．196，A? =0．952，6=0．5。
由式(8)便可得到每個(gè)故障模式的決策因素相對
應(yīng)的灰色關(guān)聯(lián)度系數(shù)( 。、 。、y )。
(4)通過咨詢信號廠家和鐵路局專家以及現(xiàn)場運(yùn)
行、維修人員，參照設(shè)備設(shè)計(jì)說明和歷史維護(hù)數(shù)據(jù)，利
用AHP法得到式(7)的各因素(故障影響嚴(yán)重度s、發(fā)
生度O和檢測度D)的權(quán)重分別為0．5、0．25和0．25。
(5)由式(7)代入對應(yīng)的灰色關(guān)聯(lián)度系數(shù)可得各
故障模式所對應(yīng)的灰色關(guān)聯(lián)度，同時(shí)再根據(jù)表1的標(biāo)
準(zhǔn)按式(1)計(jì)算各故障模式的RPN值，并對兩種方法
的計(jì)算結(jié)果分別進(jìn)行故障模式的風(fēng)險(xiǎn)排序，排序結(jié)果
如表4所示。
由表4可見：兩種方法的結(jié)果對比可看出排序的
基本一致性。而灰色關(guān)聯(lián)度故障風(fēng)險(xiǎn)分析方法由于考
慮了各因素間的相互權(quán)重，克服了不同s、D、O值得到
相同RPN值的不足，比傳統(tǒng)RCM 風(fēng)險(xiǎn)分析方法提高
了分析精度。而且可以看出，RPN排序的風(fēng)險(xiǎn)等級分
為9級，而灰色關(guān)聯(lián)度排序的風(fēng)險(xiǎn)等級為12級，灰色
關(guān)聯(lián)的分級更為精確詳細(xì)。各個(gè)系統(tǒng)的故障模式風(fēng)險(xiǎn)
優(yōu)先級排序也和現(xiàn)場運(yùn)行、維修情況比對一致。
118
表4 ZPW2000A無絕緣軌道電路接收和發(fā)送
系統(tǒng)故障風(fēng)險(xiǎn)分析結(jié)果
4 結(jié)語
利用灰色理論進(jìn)行鐵路信號設(shè)備的故障風(fēng)險(xiǎn)分
析，可避免傳統(tǒng)RCM分析方法沒有考慮同一故障模式
各因素之間的相對重要度而產(chǎn)生的誤差，有效提高了
分析精度。將該方法應(yīng)用于ZPW2000A無絕緣軌道
電路設(shè)備的故障風(fēng)險(xiǎn)分析，用以確定設(shè)備各個(gè)子系統(tǒng)
的故障風(fēng)險(xiǎn)等級，為制定科學(xué)有效的維修策略提供了
有力的科學(xué)依據(jù)。該方法可作為一個(gè)通用方法，應(yīng)用
于我國鐵路信號系統(tǒng)其他設(shè)備的故障風(fēng)險(xiǎn)分析中。
參考文獻(xiàn)：
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鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)RAILWAY STANDARD DESIGN 2013(04)

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