面向被动安全的高速列车系统安全评估方法

Considering the defects of existing evaluation methods for passive safety of high-speed trains, this project proposes a system evaluation method, which is based on system holistic topology and historical failure data. In the project, component risk coefficients, which can reflect the variation degree of component performance, are generated based on historical maintenance data of high-speed trains. A fault propagation model for high-speed train systems is constructed on the basis of system topology model and component risk coefficients. A risk degree, which can reflect the variation degree of component performance, is proposed by considering system topology model together with fault propagation analysis results. The relationship between system risk degree and safety is investigated based on the system risk degree and historical maintenance data to evaluate the system safety of high-speed trains. The proposed passive safety evaluation method considers the impact of system physical topology and fault propagation mechanism on system safety. Besides, it derives the mapping relationship between metrics reflecting system risk level and system safety levels. Furthermore, it also provides a theoretical and methodological support for ensuring high-speed trains to operate safely, reliably and efficiently, and for developing effective maintenance strategies.

针对现有面向被动安全的高速列车系统的安全评估方法存在的缺陷，本项目提出基于系统全局拓扑结构和历史故障数据的系统安全评估方法。基于高速列车系统的历史故障维修数据，构建反映部件性能变化程度的部件风险系数；以系统拓扑网络模型和部件风险系数为基础，建立针对高速列车系统层的故障传播模型；结合系统拓扑网络模型和故障传播分析结果，提出反映高速列车系统性能变化程度的系统风险度；以系统风险度和历史故障维修数据为基础，研究系统风险度与安全性的关系，评估高速列车系统安全性。所提出的被动安全评估方法，考虑了系统物理结构和故障传播机制对系统安全的影响，解决了所提出的表征系统风险程度的指标与系统安全等级间映射关系，为实现高速铁路安全、可靠、高效运营及制定有效的维修策略提供理论与方法支撑。

针对现有的高速列车系统系统安全性评估方法存在忽略系统全局拓扑结构以及历史故障数据利用率较低等缺陷，经过多次现场调研与交流讨论，在深入了解高速列车系统的构成并对历史故障数据统计分析的基础上，主要研究内容如下：.（1）基于结构的高速列车系统拓扑建模与分析方法.通过多次的现场调研以及与专家交流讨论，给出了部件提取规则和三种部件间作用关系（机械连接、电气连接和信息连接）；结合网络理论，提出了基于结构的高速列车系统拓扑网络构建方法；构建了高速列车系统拓扑网络，分析了高速列车系统全局拓扑结构特征，包括中心度、中心介数、中心接近度等。.（2）基于改进FMEA的部件风险系数计算方法.以现有的FMEA框架和故障数据为基础，针对专家所给出的不完整语言评估，提出了基于最小距离的风险要素优化模型；依据描述专家间信任关系的社会关系网，估计了所有专家的权重系数和风险要素的权重系数；构建了基于共识的语言评估优化模型；结合LDAWA算子，确定了部件的风险系数。.（3）基于负载分配的高速列车系统故障传播建模方法.基于系统拓扑网络和节点风险系数，定义了节点初始负载和最大容量；按照分步扩散原则，建立了基于负载分配的系统故障传播模型；提出了评估故障传播影响程度的网络效能指标；选取了四种类型的攻击策略（MDC、MBC、HFR和MSFC），探讨了高速列车系统的故障传播机制。.（4）基于故障传播机制的高速列车系统安全评估方法.依据系统安全性定义，提出了考虑故障传播的系统状态测度指标；构建了表征系统状态与安全等级关系的预期效用映射函数，确定了高速列车系统的安全等级；以高速列车系统全局结构和历史故障数据为基础，评估了高速列车系统安全性，实例验证了所提出方法的有效性。.研究结果表明，所提出的全局系统拓扑网络建模方法、部件风险分析方法、系统故障传播模型以及系统安全性评估方法可适用于诸如高速列车系统等复杂机电一体化系统，同时也实例验证了所提出方法的有效性和正确性。