摘  要： 近年城市交通問題凸顯，地鐵作為解決城市交通問題的重要方式，其安全穩定運行顯得尤為重要。地鐵綜合監控系統是整個地鐵系統安全可靠運行的重要保障，對其可靠性進行有效的評估有著重要的價值。介紹了地鐵綜合監控系統和故障樹" title="模糊故障樹">模糊故障樹理論，運用模糊故障樹對地鐵綜合監控系統可靠性進行分析，并對車站級監控系統的故障進行了定性和定量的可靠性分析，拓展了模糊故障樹的使用領域。
關鍵詞： 地鐵綜合監控系統；模糊故障樹；故障；可靠性

    地鐵具有高速、安全、準時、載客量大的特點，是現代城市解決交通擁塞最有效的手段。地鐵一旦發生事故，輕則影響乘客出行，重則危急生命財產安全，對社會影響極大，所以其運行的可靠性顯得尤為重要。
    地鐵綜合監控系統（ISCS）通過集成地鐵中的主要子系統，形成統一的監控層硬件平臺和軟件平臺，對各設備進行集中監控和管理，同時通過列車時刻表和運行圖控制站場連鎖設備實現車站內的高效可靠運行。由ISCS所完成的功能可見，其能否可靠有效工作直接影響到地鐵系統是否安全穩定運行，可以通過對ISCS進行系統的可靠性評估，查找出系統中的薄弱環節，針對這些薄弱點采取措施，降低故障發生率，提高系統可靠性。
    本文以地鐵綜合監控系統為研究對象，對其發生故障的各種因素進行分析。在可靠性分析上運用模糊故障樹理論（FFTA），有效地彌補用故障樹（FTA）進行可靠性分析的不足，解決了模糊不確定性的問題。最終確定系統故障原因的各種可能組合方式及其發生概率，從而可以針對分析結果對系統的薄弱環節進行改進，達到提高ISCS可靠性的目的。
1 地鐵綜合監控系統
    地鐵綜合監控系統作為一個綜合信息化平臺，集成了多個子系統的中央級功能，并同信號、自動售檢票等系統的中央級互聯，掌握全線設備的運行情況，負責管轄范圍內設備監控與調度，其設備主要設置在控制中心，面向的操作對象是運營部門的環調、電調及維修人員[1]。地鐵綜合監控系統采用中央級和車站級兩級管理，中央級、車站級和底層設備控制層（現場級）三級控制的分層分布式結構[2]。其系統結構如圖1所示。

    地鐵綜合監控系統由中央級綜合監控系統（CISCS）、車站級綜合監控系統(SISCS)、車輛段/停車場綜合監控系統(DISCS)以及電子維修中心的設備維護系統、培訓管理系統(TMS)、仿真試驗系統（STP）、網絡管理子系統（NMS）等組成。同時還集成了火災自動報警系統（FAS）、環境與設備監控系統（BAS）、電力監控系統（SCADA）、綜合安防系統（ISDS）、乘客資訊系統（PIS）、自動售檢票系統（AFC）、通信系統綜合網管子系統、廣播系統（PA）、屏蔽門系統（PSD）、大屏幕系統、信號系統（SIG）、不間斷電源（UPS）及時鐘系統（CLK）等。
    （1）中央級可以對整個線路各個站點系統管轄范圍內的設備運行狀態、故障情況進行監視，并向各個站點發布指令，統一指揮、協調各個站點的運行。信號、自動售檢票、綜合監控等系統均設有中央級。
    （2）車站級設備的監控功能主要是完成本站點設備監控、管理，由綜合監控、信號、自動售檢票等車站級系統組成。其中綜合監控系統在車站級集成了多個子系統的車站級功能，一方面負責管轄范圍內設備監視，并根據本站的情況向下級子系統發布控制指令，另一方面將本站設備的運行數據傳輸給中央級，并接受中央級運行指令。
    （3）現場級作為車站級、中央級的被監控對象，是車站地鐵機電設備的主體，由BAS、FAS、電力監控系統(PSCADA)、PSD、防盜門系統(FG)、閉路電視監控系統(CCTV)、PIS、SIG、AFC、門禁系統(ACS)等組成。
2 地鐵綜合監控系統的可靠性分析
2.1 故障樹分析法
    故障樹分析法FTA（Fault Tree Analysis）是進行系統可靠性分析和安全性分析的重要工具之一[3]。
    故障樹分析把系統最不希望發生的故障狀態作為分析目標，稱為頂事件;運用邏輯演繹的方法，找出導致頂事件發生的所有可能直接原因，即中間事件;再跟蹤找出導致這些中間事件發生的所有可能直接原因;直至尋找到引起中間事件發生的全部部件狀態，稱為底事件。用相應的代表符號及邏輯門把頂事件、中間事件、底事件連接成樹形邏輯圖，即得到故障樹。根據故障樹，分析系統發生故障的各種可能途徑(模式)和可靠性指標，就是故障樹分析方法[4]。故障樹分析分為定性分析和定量分析。定性分析的主要任務是尋找故障樹的全部最小割集（MCS）。在故障樹中，只要有任何一個最小的割集發生了，那么頂事件就會發生。定量分析的任務是給每個基本事件賦予一概率值來表征其發生故障的相對頻繁程度，在概率論的基礎上計算出所有的中間事件和頂事件發生的概率以及各基本事件的相對重要程度。
2.2 模糊故障樹
    模糊故障樹分析FFTA（Fuzzy Fault Tree Analysis）考慮到故障樹分析中的底事件和頂事件發生概率的不確定性（模糊概率）問題[5]。在傳統故障樹分析中底事件和頂事件是一個確定性的事件，基于概率論，其狀態只有正常和故障兩種，這樣可以較好地解決系統的隨機性問題。對于大型復雜的系統不僅存在隨機性問題，還存在大量的模糊不確定性問題，引入模糊理論，即認為發生故障這一事件本身是清晰的，但發生概率是模糊的，從而使得可靠性理論的研究擴大到能同時處理隨機現象和模糊現象。運用模糊數理論[5]，可得三角模糊數來給出基本事件概率的可能性分析，實現故障概率的模糊化，解決了難以獲得概率精確值的問題。故障樹中的系統失效與部件失效之間的邏輯關系依舊成立，結構函數和最小割集等概念仍然有效，即原有的定性分析依然有效，只是要重新定量分析，分為以下幾點：
    （1）基本事件發生概率的可能性分析
    對于地鐵綜合監控系統這樣大型復雜的系統，基本事件的故障的模糊數的隸屬度函數主要通過工程技術人員的實際經驗和判斷來構造，從而較為準確地描述出故障事件的概率，同時在一定程度上允許描述的誤差，具有一定的適應性和靈活性。文章用三角模糊數來描述基本事件發生的概率，基本事件失效是一清晰事件，只不過將事件發生的概率模糊化了。從三角模糊數可得基本事件發生的模糊概率[5]表達式為：

    （3）模糊重要度分析
    模糊重要度是在傳統FTA重要度基礎上產生的，是描述各個基本事件中，某個基本事件的模糊概率變化對頂事件發生模糊概率變化影響的重要程度的一個指標。
2.3 地鐵綜合監控系統模糊故障樹分析
    地鐵綜合監控系統的模糊故障樹在系統結構基礎上建立，以中央級監控系統故障、車站級監控系統故障和車輛段/停車場監控系統故障為基本事件，地鐵綜合監控系統為頂事件，得到的模糊故障樹如圖2所示。

    由于地鐵系統較大，本文僅針對典型的車站級監控系統故障進行可靠性研究。
2.3.1 車站級監控系統模糊故障樹分析
    地鐵的車站級監控系統（SISCS）是一套具有完整結構的自治系統，具自律性，可以獨立完成車站各個系統的監控工作，不依賴控制中心，也可以提供本站的實時數據服務，是全線ISCS的基本單位[6]。
    車站ISCS主要由以下系統組成：車站以太網交換機（冗余配置）、車站實時服務器（冗余配置）、雙屏綜合監控工作站、車站前端處理器(冗余配置)、綜合后備盤(IBP盤)、車站報表打印機和操作臺。結構圖如圖3所示。

    由車站ISCS的結構可以建立其模糊故障樹，如圖4所示。
    對于基本事件較少情況下采用下行法可得最小割集[5]，對于大型系統可使用軟件分析，地鐵車站級監控系統故障最小割集：[X1,X2],[X3,X4],[X5,X9],[X5,X12],[X5,X10,X11],[X8,X9],[X8,X12],[X8,X10,X11],[X6,X7,X9],[X6,X7,X12],[X6,X7,X10,X11]。
    根據車站級模糊故障樹按照以下步驟進行定量分析：
    （1）根據工程技術人員的經驗和設備的指標可以構造出基本事件故障的隸屬度函數，從而由三角函數模糊數理論得到基本事件的模糊數，即每個基本事件的模糊故障率。
    （2）在定性分析中的故障樹的基礎上，按照模糊邏輯門的運算規則，計算中間事件和頂事件發生故障的模糊概率。
    根據模糊論和三角模糊數，可以對基本事件進行模糊處理，按照模糊故障樹的擴展門，可以得到車站級監控故障的模糊概率表達式：

    （3）系統一旦發生故障，應首先根據模糊重要度最大的設備和部件開始分析，并按照模糊重要度的大小順序，來找尋故障的原因。
    文章將模糊故障樹理論運用于地鐵綜合監控系統的可靠性分析，介紹了模糊故障樹分析方法的基本原理和步驟，并對典型車站級監控系統故障進行了定性和定量分析。在計算機的輔助下，便可以對整個地鐵綜合監控系統建立完善的系統模糊故障樹，進而在大范圍內找出薄弱壞節，對其設計及可靠性研究有著重要的工程意義。
參考文獻
[1] 魏曉東.城市軌道交通自動化系統與技術[M].北京：電子工業出版社，2004.
[2] 湛維昭.地鐵綜合監控系統的集成模式[J].都市快軌交通，2007，20（4）：82-85.
[3] 孫權.應用故障樹解決實際問題[J].電子質量，2005（8）：26-31.
[4] 朱繼洲.故障樹原理和應用[M].西安：西安交通大學出版社，1989.
[5] 李冬娜.系統模糊可靠性研究[D].蘭州：蘭州理工大學，2008.
[6] 馬克剛.地鐵綜合監控系統可靠性評估體系框架[J].都市快軌交通，2010，23（1）：63-66.