基于故障树的高速公路机电系统使用性能评价

基于故障树的高速公路机电系统使用性能评价

0故障树分析方法机械系统是确保道路安全、快速、舒适的重要组成部分。这是确保交通安全、提高经营效率、促进高效运营、提高服务水平的必要手段。随着我国公路建设的快速发展,高速公路机电系统已初具规模,其相关技术已由照搬国外经验逐步形成中国特色。然而,鉴于我国高速公路多为总体规划、分期建设,有的路段开通营运先后相差几年,同一设备不同品牌型号、不同生产批次,设备使用年限、老化程度和本身质量上的差异使得高速公路机电系统的运营、养护所必需的使用性能评价缺乏科学、有效的评判依据和标准,从而导致部分设备已达报废周期,却仍在投入大量的维护费用,而一些设备远未达到技术寿命报废期却因缺乏使用性能评价体系而难以决策是否需要更换,造成人力、物力的极大浪费。因此,研究高速公路机电系统使用性能评价技术,确定影响机电系统使用性能的关键因素,对于提高高速公路机电系统养护水平,保障机电系统的健康运行具有重要意义。高速公路机电系统是由监控系统、通信系统、收费系统、供配电系统、照明系统和隧道机电系统等子系统组成的复杂系统,各子系统之间性能拓扑与交互作用明显,这给系统使用性能的评价带来较大困难,亟需从系统角度进行使用性能评价方法的研究。故障树分析方法是1961年由美国贝尔电话实验室的沃森提出的,它以图论为基础,以事故为顶上事件,以不同等级的原因事件为结点,各结点间用逻辑门连接成无回路的连通图,既可以进行定性分析,又可以进行定量运算,具有形象直观、逻辑严谨的特点,且方法简便,并可辅之以计算机运算。该方法是目前进行事故原因分析的较为成熟的技术之一,在故障诊断、可靠性分析及设计和复杂系统的安全性评价等方面得到了较为广泛的应用。本文将采用故障树分析法研究高速公路机电系统性能评价方法,定性和定量地分析高速公路机电系统故障发生的原因和概率,并根据分析结果提出改善机电系统使用性能的相关建议。1故障树分析：高速公路机械系统的可用性1.1主要步骤1.1.1机电系统运行监测和事故数据分析分析之前,首先要了解高速公路机电系统的情况,包括构成设备、系统性能、工作程序、运行情况、各种重要参数及环境状况等,收集高速公路机电系统运行及养护过程中的系统和设备故障及事故数据。1.1.2以故障原因为中心分析对象,以常见事件结合,以干在广泛搜集高速公路机电系统设备故障及事故数据的基础上,对所收集的故障数据进行全面分析及评价,选择发生可能性较大且能造成一定后果的系统故障作为主要分析对象,即高速公路机电系统主要故障(顶上事件)。1.1.3确定目标值根据经验、试验和相关事件(故障)案例,经统计分析,确定高速公路机电系统事件(故障)的控制值。1.1.4调查的原因分析与顶上事件(故障)有关的各种原因事件,找出高速公路机电系统的所有潜在故障因素和薄弱环节。1.1.5科技控制系统安全保障信息从顶上事件开始,采取演绎分析方法,按照高速公路机电系统、子系统、机电设备的顺序,逐层向下找出导致上级事件(故障)的直接原因事件(故障),直到找出所有最基本的事件(故障)为止。每一层事件(故障)都按照输入(原因)与输出(结果)之间的逻辑关系,采用逻辑门连接起来,如图1所示。图1表示机电系统设备的基本故障1,2,…,n引起高速公路机电系统子系统故障1,2,…,n的发生,并最终导致了高速公路机电系统主要故障(顶上事件)。图中各符号表示的意义如表1所示。1.1.6故障树模型的最小割集的确定图2中的故障树模型可看作“与门”和“或门”的组合,若采用Pi表示基本故障(事件)i发生的概率,PTOR表示“或门”顶故障(事件)发生的概率,PTAND表示“与门”顶故障(事件)发生的概率,则:若使用二值变量Xi(i=1,2,…,n)表征对应故障(事件),且满足:则故障树的结构函数可表示为:其中,X为故障树中故障(事件)集,即X(X1,X2,…,Xn);n为故障树中故障(事件)数目。如果各基本故障(事件)相互独立,对于主要故障(顶上事件)状态值ue788(X)=1是所有基本故障(事件)的状态组合,则故障树中主要故障(顶上事件)的发生概率g可表示为:此外,故障树模型的最小割集可用于描述各最小割集对顶故障(事件)的发生所作的贡献,通常采用由上而下的故障树搜寻法即Fussell法,其最小割集的重要度PM/T可采用下式计算:式中,PM为最小割集M的发生概率;PT为故障树顶故障(事件)的发生概率。综上所述,基于建立的高速公路机电系统故障树模型,根据式(4)和式(5)即可定量求出高速公路机电系统中主要故障的发生概率以及各基本故障对主要故障的影响程度。1.1.7强的可操作性为了表征高速公路机电系统的使用性能,本文使用该系统主要故障的发生概率作为主要表征指标。该指标具有良好的直观和较强的可操作性,可用于定量计算。此外,根据建立的高速公路机电系统故障树模型计算出的各基本故障的结构重要度,直观再现了该基本故障对高速公路机电系统主要故障的影响权重,亦可将其作为高速公路机电系统养护对象(基本故障)重要程度的判定依据,从而为高速公路机电系统养护策略(如:养护频率及周期)的制定以及相关故障的追溯提供理论基础及技术支撑。1.2边界条件选择—高速公路机电系统故障树模型建模边界条件系统的边界条件包括内边界和外边界,使用边界条件可以限定系统的分析范围,避免故障树的建模漫无边际,而边界条件的选择亦确定了所建模型及其分析的深度和广度。本文高速公路机电系统故障树模型选取的边界条件如下:a)内边界隧道监控系统各设备的安装附件等与设备本身作为一个单元处理,其安装附件发生的故障均作为该设备故障;b)外边界不考虑通信管道故障,不考虑人为因素。2高速公路机械系统的使用性分析和隧道监控系统的使用性分析2.1传输及数据传输系统高速公路隧道监控系统由隧道信息采集、数据传输、信息处理和控制策略生成、交通信息发布及控制四个子系统组成。隧道信息采集系统实时采集如下信息:a)隧道的交通量、车道占有率、车速等交通参数及状态信息;b)风力风向、CO/VI、隧道洞外亮度等气象、环境信息;c)隧道机电设施状态信息;d)消防系统状态信息等;e)视频CCTV监控图像信息。数据传输系统利用计算机网络和数据通信技术搭建的数据通信传输平台,可靠传输信息采集系统数据和控制数据。信息处理及策略生成系统对采集的交通、环境、设备状态等原始数据进行处理和分析,并综合各相关数据,通过专家系统生成最优的交通控制策略及方案。交通信息发布及控制系统是交通控制策略及方案的执行者,包括交通信息发布控制系统和局域控制系统,它通过多种信息发布渠道、隧道交通诱导及控制设施,如可变情报板系统、可变限速标志、隧道广播、照明系统、交通控制设施、消防控制系统、供电控制系统和通风控制系统等,向高速公路隧道使用者提供隧道交通状况信息,对行驶车辆发出限制、分流等诱导指令等,以提高隧道的通行效率和安全水平。在高速公路隧道监控系统中,闭路电视监控、视频传输、事件自动检测系统是其中最为关键的子系统,它由隧道监控摄像机、视频光端机、视频分配器、视频矩阵、视频事件分析仪、大屏幕投影及显示系统、数字硬盘录像机和控制计算机等设备组成。2.2隧道交通控制及诱导设施未能联动联动通过对高速公路隧道依托工程的现场数据采集、高速公路隧道监控系统建模及分析,发现高速公路隧道监控系统的主要故障有视频监视CCTV系统图像丢失、信息采集系统输入信号缺失、紧急报警系统未能产生报警和隧道交通控制系统各交通控制及诱导设施未能根据控制策略实施联动等。在高速公路监控系统的诸多故障中,隧道交通控制及诱导设施未能根据控制策略实施联动是影响高速公路隧道运营安全的最大安全隐患,也是影响隧道监控系统使用性能的关键。为此,本文以隧道控制及诱导设施未能根据控制策略联动作为故障树的顶上事件进行分析。2.3错误树建模高速公路隧道监控系统主要故障———控制设施未按控制策略实施联动的故障树如图2所示。2.4顶事件概率分析根据隧道监控系统运营过程中的实际养护数据、隧道监控设施元件的产品说明书及相关文献,可确定本故障树各基本事件的可靠性数据。另外,根据式(4)和式(5)可分析得出该故障树的顶事件发生概率、故障树最小割集及各基本事件的概率重要度。根据本文所建立的隧道控制设施未按照控制策略实施联动故障树进行计算得到本隧道设施控制故障的发生概率PT=0.0013365,本故障树的最小割集数为30,即隧道未按照控制策略实施联动共有30种故障模式,各故障模式即最小割集及其重要度如表2所示。2.5结果分析2.5.1控制系统安全测试根据本文所计算的顶事件———隧道监控系统控制系统故障的概率为0.0013365,表明本系统可以可靠安全地运行,其使用性能满足当前的运营要求。2.5.2最小割集重要度值0.1的重要性从计算数据可知,隧道监控系统的控制故障有30种故障(失效)模式,且不同最小割集的重要度值相差很大,如取最小割集重要度值≥0.01的最小割集,这时真正候选的故障源有16个,也就是说,虽然从理论上这30种不同最小割集都可能引起顶上事件的发生,但实际上从最小割集的重要度来讲,其他14种故障模式几乎不会发生。因此,在养护过程中,可以根据该重要度的大小依次检测,养护效率可提高47%,从而提高了养护的针对性和养护效率。2.5.3高可靠性基础设施设计该故障树的全部最小割集显示,对系统失效贡献较大的是M9(车道栏杆机故障)、M13(光强传感器)、M20(人行横洞)、M21(车行横洞)、M23(电力监控传感器故障),这成为影响隧道监控系统使用性能的瓶颈,需要在系统设计过程中采用高可靠性部件及增设冗余系统等方法,以增强上述最小割集的可靠性,提高高速公路隧道监控系统的使用性能。3故障点评估模型本文针对高速公路机电系统的养护问题,采用故障树分析法,以故障率(顶上事件的发生概率)为表征指标,建立了高速公路机电系统使用性能分析模型,提出了基于故障树的高速公路机电系统使用性能评价方法,并以某高速公路隧道监控系统为例,定性和定