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[摘要]从城市轨道交通列车自身的特点出发，对影响列车安全的三个关键子系统的工作原理进行分析，并构建相应的故障模型，然后针对列车系统运行机理，将三个子系统故障模型有机结合，给出整个列车的系统故障数学模型，在此基础上，应用故障树方法，对系统故障模型进行定性分析，给出引起列车故障的最小割集。
[关键词]城市轨道交通 列车故障模型 故障树分析
中图分类号：U231 文献标识码：A 文章编号：1671－7597(2008)0820106－02
一、引言
在城市轨道交通系统中，列车的可靠性和安全性是十分重要的，列车的故障诊断是保障列车安全运营的基础，是提高系统可靠性与安全性的重要组成部分，列车故障诊断的准确性直接影响到故障诊断的正确与否以及维护检修的工作量。
二、城市轨道车辆概述
城市轨道列车包括供电系统、牵引走行系统、制动系统等多个关键子系统，其中任何一个子系统出现故障都将影响列车运行的安全，因此，本文将这三个子系统作为研究的重点。供电系统是整个列车的核心，负责为列车各系统，包括牵引制动、空气压缩、列车控制等等多种设备提供电力支持；牵引走行系统包括牵引电机、转向架和车轴等机械部件，以及附在上面的各种传感器，负责将接触网电能转化为机械能，支撑车身重量，带动列车整体运行，为列车提供行驶所需的牵引力；列车制动系统负责为列车的平稳停靠站台提供所需的制动力；列车控制系统由车载计算机以及列车控制网络组成，对列车进行实时控制，实现轨道交通平稳、高效的运营。
三、车辆关键子系统故障模型建立
（一）供电系统
供电系统为列车提供设备运行所需电力，主要包括了位于B车的受电弓和牵引逆变器模块，位于C车的辅助逆变器模块、充电模块以及蓄电池等，城轨列车供电系统的原理示意图如图1所示，该系统通过受电弓将架空接触网端DC1500V电压转换成列车所需的各种
电压，具体包括以下几种类型：
1．通过牵引逆变器模块，将DC1500V线电压转换为三相交流电压，该电源为变压变频电源，给牵引电机提供动力来源，每一个牵引逆变器可以同时为并联的4个异步电机提供电源；
2．通过辅助逆变器模块，将DC1500V线电压转换成380V三相交流电压，为列车空调系统、空气压缩机以及设备风扇供电；
3．通过充电模块将DC1500V线电压转换成110V直流电压，为列车照明、控制设备以及紧急通风装置供电。
通过对供电系统的分析可知，列车供电系统的故障主要有以下几种：第一是DC1500V输入故障，这是由地面供电系统出现故障或者受电弓故障引起的；第二是主牵引回路故障，该回路涉及部件有牵引逆变器、与DC1500V受电端相连的高压配电设备以及控制系统，因此，故障原因主要是高压配电设备故障、牵引逆变器故障、控制系统故障以及风机故障，该回路为列车牵引电机供电，是列车运行的关键；第三是辅助供电回路故障，涉及部件有辅助逆变器、高压配电设备，故障原因有辅助逆变器故障和高压配电设备故障两种情况，当辅助供电回路出现故障后，由辅助回路供电的空调机组、空气压缩机以及各设备的制冷风机将无法运行，牵引回路的逆变器也就无法工作，列车运行受到影响；第四是为列车照明以及控制系统提供DC110V电源的回路，由充电模块和蓄电池模块组成，当充电模块发生故障后，蓄电池为相关设备提供电力支持，当两个模块都发生故障时，DC110V回路出现故障，无法工作。通过上面的分析，建立列车供电系统的故障模型如图2所示。
（二）牵引走行系统
牵引走行系统由转向架、牵引电机、控制模块以及相关传感器等部件组成，负责将电能转换为机械能，使车辆作为一个整体行驶，是影响到列车安全的关键系统，因此也是列车监控的重点，走行系统示意图如图3所示，牵引控制器通过采集各个传感器的信息，对异步电机、齿轮装置，车轴轮对的状态进行实时监控，对数据进行分析后，结合列车运行控制命令，实现对列车的牵引控制。
根据上述分析可知，牵引走行系统的核心是牵引控制器，当分布在列车各个部位的传感器发生故障时，牵引控制器无法进行正确计算，并导致列车牵引故障的发生，另外，对于机械部分，车轴以及齿轮传动系统的损伤也会造成牵引故障，必须进行实时监控，主要通过红外轴温探测器等方法来实现，据此，建立牵引走行系统的故障模型如图4所示。
（三）电制动及空气制动系统
城市轨道车辆采用电空混合制动方式，在制动过程中，优先采用电力再生制动方式，当接触网不能吸收再生电能或者制动电阻温度过高时，启动空气制动及摩擦制动进行补偿。
制动系统主要由制动控制模块、空气制动模块、电制动模块以及相关传感器组成，结构如图5所示，列车控制单元接受来自各传感器的信号，通过对车速，载重信息的分析，下达制动命令，将电机机械能转化成电能，通过逆变器传输到接触网，为其他列车提供动力，当接触网电压超过1800V时，控制系统启动制动斩波器，能量通过制动电阻散发，当制动电阻温度过高时，控制系统将采用空气制动及摩擦制动为列车提供制动力。
列车制动是通过制动控制单元来实现的，制动单元通过对车辆载重、列车速度以及触网电压信号的分析，采取相应的制动手段，并负责模式切换，因此，当载重压力传感器、速度传感器或者电压传感器出现故障时，控制单元将无法工作，并导致列车制动故障；空气制动方面，当空气压缩机出现故障或者主风缸漏气时，会使主风缸压力不足，进而导致制动风缸压力不足，风缸故障与制动阀故障是引起空气制动故障的两个主要因素；电气制动方面，关键部件主要有牵引逆变器、制动斩波器以及制动电阻，当这三个部件出现故障时，列车电气制动无法工作，通过上面分析，建立制动系统的故障模型如图6所示。
四、列车故障模型建立与分析
经过上一小节的分析，将三个关键子系统结合，建立城市轨道交通列车的系统故障模型，首先，对各故障编码如下：列车系统故障-M；列车供电故障-A1；列车牵引走行故障-A2；列车制动故障-A3；1500V输入故障-B1；VVVF输入故障-B2；AC380V输入故障-B3；DC110V输入故障-B4；蓄电池故障-D7；制动控制模块故障-C1；空气制动故障-C2；电制动故障-C3；受电弓故障-D1；地面供电故障-D2；高压配电设备故障-D3；VVVF牵引逆变器故障-D4；辅助逆变器故障-D5；110V充电模块故障-D6；风机故障-D8；空气压缩机故障-E1；主风缸压力不足-E2；制动风缸压力不足-E3；制动阀故障-E4；制动电阻故障-E5；制动斩波器故障-E6；牵引电机故障-F1；牵引控制模块故障-F2；电流传感器故障-F3；速度传感器故障-F4；电压传感器故障-F5；轴温探测器故障-F6；载重传感器故障-F7；齿轮传动损伤-F8；车轴轮对损伤-F9。
依据上面建立的列车子系统故障模型，利用故障树原理，给出列车系统故障的数学表达如下：
由式(1)、(2)、(3)、(4)，求出列车系统故障的最终表达式为：
M= D1∪D2∪D3D6∪D4∪D5D6∪D7D6∪D8D6∪F1∪F2∪F3∪F4∪F5∪F6∪F7∪F8∪F9∪C1∪E1∪E2∪E3∪E4∪E5∪E6。
得到故障最小割集为：D1、D2、D3D6、D4、D5D6、D7D6、D8D6、F1、F2、F3、F4、F5、F6、F7、F8、F9、C1、E1、E2、E3、E4、E5、E6共23项基本故障。
从分析可以看出，列车各子系统的故障表现为整个列车的故障，各部件的故障互相关联，互相影响，故障发生的原因错综复杂，因此，在对列车故障进行研究时，必须从系统的角度出发，从列车整体的结构和工作原理下手，逐层细化，并提出合理的故障模型。
五、结语
本文通过对城市轨道交通的关键子系统进行原理分析后，建立了列车整体的故障模型，并对其进行了系统分析，文章对各设备的故障没有进一步深入，在后续工作中，将重点对各设备的内部结构和工作原理进行分析，研究故障机理，细化故障模型，为城市轨道车辆的故障诊断提供理论支持。
参考文献：
[1]Xiaoqing Zeng, Matsumoto, M.; KinjiMori. Integration of automatic train control system, 2004 IEEE Region 10 Conference on Computer, Communications, Control and Power Engineering, 2004, pt. 1, p 11-14 vol.1, EI.
[2]Xiaoqing Zeng, Shimin Zhao, Masayuki Matsumoto, Zhenyu Niu. Technology Features Research of Japanese Railway Signal System, International Conference on Transportation Engineering, 2007,Vol.3, P2554-2559.
[3]曾小清, 赵时旻, M.Matsumoto. 日本轨道交通列车运行控制系统[J]. 城市轨道交通研究,2007,Vol 10(4): 57-60.
[4]龙志强, 吕治国, 常文森. 基于模糊故障树的磁浮列车悬浮系统故障诊断[J]. 控制与策,2004 ,19(2) :139 - 142.
作者简介：
牛振宇，男，山西朔州人，硕士，从事轨道交通领域的研究。
[关键词]城市轨道交通 列车故障模型 故障树分析
中图分类号：U231 文献标识码：A 文章编号：1671－7597(2008)0820106－02
一、引言
在城市轨道交通系统中，列车的可靠性和安全性是十分重要的，列车的故障诊断是保障列车安全运营的基础，是提高系统可靠性与安全性的重要组成部分，列车故障诊断的准确性直接影响到故障诊断的正确与否以及维护检修的工作量。
二、城市轨道车辆概述
城市轨道列车包括供电系统、牵引走行系统、制动系统等多个关键子系统，其中任何一个子系统出现故障都将影响列车运行的安全，因此，本文将这三个子系统作为研究的重点。供电系统是整个列车的核心，负责为列车各系统，包括牵引制动、空气压缩、列车控制等等多种设备提供电力支持；牵引走行系统包括牵引电机、转向架和车轴等机械部件，以及附在上面的各种传感器，负责将接触网电能转化为机械能，支撑车身重量，带动列车整体运行，为列车提供行驶所需的牵引力；列车制动系统负责为列车的平稳停靠站台提供所需的制动力；列车控制系统由车载计算机以及列车控制网络组成，对列车进行实时控制，实现轨道交通平稳、高效的运营。
三、车辆关键子系统故障模型建立
（一）供电系统
供电系统为列车提供设备运行所需电力，主要包括了位于B车的受电弓和牵引逆变器模块，位于C车的辅助逆变器模块、充电模块以及蓄电池等，城轨列车供电系统的原理示意图如图1所示，该系统通过受电弓将架空接触网端DC1500V电压转换成列车所需的各种
电压，具体包括以下几种类型：
1．通过牵引逆变器模块，将DC1500V线电压转换为三相交流电压，该电源为变压变频电源，给牵引电机提供动力来源，每一个牵引逆变器可以同时为并联的4个异步电机提供电源；
2．通过辅助逆变器模块，将DC1500V线电压转换成380V三相交流电压，为列车空调系统、空气压缩机以及设备风扇供电；
3．通过充电模块将DC1500V线电压转换成110V直流电压，为列车照明、控制设备以及紧急通风装置供电。
通过对供电系统的分析可知，列车供电系统的故障主要有以下几种：第一是DC1500V输入故障，这是由地面供电系统出现故障或者受电弓故障引起的；第二是主牵引回路故障，该回路涉及部件有牵引逆变器、与DC1500V受电端相连的高压配电设备以及控制系统，因此，故障原因主要是高压配电设备故障、牵引逆变器故障、控制系统故障以及风机故障，该回路为列车牵引电机供电，是列车运行的关键；第三是辅助供电回路故障，涉及部件有辅助逆变器、高压配电设备，故障原因有辅助逆变器故障和高压配电设备故障两种情况，当辅助供电回路出现故障后，由辅助回路供电的空调机组、空气压缩机以及各设备的制冷风机将无法运行，牵引回路的逆变器也就无法工作，列车运行受到影响；第四是为列车照明以及控制系统提供DC110V电源的回路，由充电模块和蓄电池模块组成，当充电模块发生故障后，蓄电池为相关设备提供电力支持，当两个模块都发生故障时，DC110V回路出现故障，无法工作。通过上面的分析，建立列车供电系统的故障模型如图2所示。
（二）牵引走行系统
牵引走行系统由转向架、牵引电机、控制模块以及相关传感器等部件组成，负责将电能转换为机械能，使车辆作为一个整体行驶，是影响到列车安全的关键系统，因此也是列车监控的重点，走行系统示意图如图3所示，牵引控制器通过采集各个传感器的信息，对异步电机、齿轮装置，车轴轮对的状态进行实时监控，对数据进行分析后，结合列车运行控制命令，实现对列车的牵引控制。
根据上述分析可知，牵引走行系统的核心是牵引控制器，当分布在列车各个部位的传感器发生故障时，牵引控制器无法进行正确计算，并导致列车牵引故障的发生，另外，对于机械部分，车轴以及齿轮传动系统的损伤也会造成牵引故障，必须进行实时监控，主要通过红外轴温探测器等方法来实现，据此，建立牵引走行系统的故障模型如图4所示。
（三）电制动及空气制动系统
城市轨道车辆采用电空混合制动方式，在制动过程中，优先采用电力再生制动方式，当接触网不能吸收再生电能或者制动电阻温度过高时，启动空气制动及摩擦制动进行补偿。
制动系统主要由制动控制模块、空气制动模块、电制动模块以及相关传感器组成，结构如图5所示，列车控制单元接受来自各传感器的信号，通过对车速，载重信息的分析，下达制动命令，将电机机械能转化成电能，通过逆变器传输到接触网，为其他列车提供动力，当接触网电压超过1800V时，控制系统启动制动斩波器，能量通过制动电阻散发，当制动电阻温度过高时，控制系统将采用空气制动及摩擦制动为列车提供制动力。
列车制动是通过制动控制单元来实现的，制动单元通过对车辆载重、列车速度以及触网电压信号的分析，采取相应的制动手段，并负责模式切换，因此，当载重压力传感器、速度传感器或者电压传感器出现故障时，控制单元将无法工作，并导致列车制动故障；空气制动方面，当空气压缩机出现故障或者主风缸漏气时，会使主风缸压力不足，进而导致制动风缸压力不足，风缸故障与制动阀故障是引起空气制动故障的两个主要因素；电气制动方面，关键部件主要有牵引逆变器、制动斩波器以及制动电阻，当这三个部件出现故障时，列车电气制动无法工作，通过上面分析，建立制动系统的故障模型如图6所示。
四、列车故障模型建立与分析
经过上一小节的分析，将三个关键子系统结合，建立城市轨道交通列车的系统故障模型，首先，对各故障编码如下：列车系统故障-M；列车供电故障-A1；列车牵引走行故障-A2；列车制动故障-A3；1500V输入故障-B1；VVVF输入故障-B2；AC380V输入故障-B3；DC110V输入故障-B4；蓄电池故障-D7；制动控制模块故障-C1；空气制动故障-C2；电制动故障-C3；受电弓故障-D1；地面供电故障-D2；高压配电设备故障-D3；VVVF牵引逆变器故障-D4；辅助逆变器故障-D5；110V充电模块故障-D6；风机故障-D8；空气压缩机故障-E1；主风缸压力不足-E2；制动风缸压力不足-E3；制动阀故障-E4；制动电阻故障-E5；制动斩波器故障-E6；牵引电机故障-F1；牵引控制模块故障-F2；电流传感器故障-F3；速度传感器故障-F4；电压传感器故障-F5；轴温探测器故障-F6；载重传感器故障-F7；齿轮传动损伤-F8；车轴轮对损伤-F9。
依据上面建立的列车子系统故障模型，利用故障树原理，给出列车系统故障的数学表达如下：
由式(1)、(2)、(3)、(4)，求出列车系统故障的最终表达式为：
M= D1∪D2∪D3D6∪D4∪D5D6∪D7D6∪D8D6∪F1∪F2∪F3∪F4∪F5∪F6∪F7∪F8∪F9∪C1∪E1∪E2∪E3∪E4∪E5∪E6。
得到故障最小割集为：D1、D2、D3D6、D4、D5D6、D7D6、D8D6、F1、F2、F3、F4、F5、F6、F7、F8、F9、C1、E1、E2、E3、E4、E5、E6共23项基本故障。
从分析可以看出，列车各子系统的故障表现为整个列车的故障，各部件的故障互相关联，互相影响，故障发生的原因错综复杂，因此，在对列车故障进行研究时，必须从系统的角度出发，从列车整体的结构和工作原理下手，逐层细化，并提出合理的故障模型。
五、结语
本文通过对城市轨道交通的关键子系统进行原理分析后，建立了列车整体的故障模型，并对其进行了系统分析，文章对各设备的故障没有进一步深入，在后续工作中，将重点对各设备的内部结构和工作原理进行分析，研究故障机理，细化故障模型，为城市轨道车辆的故障诊断提供理论支持。
参考文献：
[1]Xiaoqing Zeng, Matsumoto, M.; KinjiMori. Integration of automatic train control system, 2004 IEEE Region 10 Conference on Computer, Communications, Control and Power Engineering, 2004, pt. 1, p 11-14 vol.1, EI.
[2]Xiaoqing Zeng, Shimin Zhao, Masayuki Matsumoto, Zhenyu Niu. Technology Features Research of Japanese Railway Signal System, International Conference on Transportation Engineering, 2007,Vol.3, P2554-2559.
[3]曾小清, 赵时旻, M.Matsumoto. 日本轨道交通列车运行控制系统[J]. 城市轨道交通研究,2007,Vol 10(4): 57-60.
[4]龙志强, 吕治国, 常文森. 基于模糊故障树的磁浮列车悬浮系统故障诊断[J]. 控制与策,2004 ,19(2) :139 - 142.
作者简介：
牛振宇，男，山西朔州人，硕士，从事轨道交通领域的研究。