摘要：在铁路运行现场，铁路信号设备经常由于受到强电磁干扰而导致故障，这些故障影响行车效率，甚至危及行车安全。本文从电磁干扰与铁路信号安全关系的角度出发，以电磁干扰符合抗扰度试验规范为前提，提出定量评估电磁干扰与铁路信号安全相关性的分析方法，并且对具体的分析过程进行了阐述，以期能够推动电磁干扰与铁路信号安全相关性研究的发展。
关键字：铁路信号；电磁干扰；安全性；层次分析法
引言
信号设备的安全性是一种概率参数，信号设备不可能存在排除任何危险的绝对安全状态。电磁干扰可能会造成信号设备故障。对于铁路系统而言，由设备故障或运行事故所造成的人员伤亡、经济损失和社会影响通常十分严重。所以，分析信号设备抗干扰性能及安全风险，对制定科学的防护策略和措施，具有重要意义和明确的应用价值。
1电磁干扰与安全性理论基础
1.1铁路系统强电磁干扰
第一，牵引电流传导性干扰：牵引传导性干扰即牵引电流不平衡所引起的干扰，它是电气化铁路对轨道电路产生干扰的主要原因。由于变压器对称度、钢轨阻抗不同以及对地漏泄等因素的影响，钢轨间的牵引电流不相等，变压器线圈中产生的磁通量无法相互抵消，因此产生了干扰电压，使得原有的变压器产生故障，造成轨道电路焰断器溶断，甚至烧损电缆及拥流变压器，使得轨道电路无法正常工作。第二，雷电电磁干扰：雷电会对飞行器造成危害，同时也会危及到地面上的建筑物、信号设备和人类的安全。对信号设备影响较大的雷电有两种：直击雷和感应雷。直击雷有放电电压高、电流大、放电过程时间短、温度高及闪电电流波形弧度大等特点。感应雷在放电过程中产生瞬间变化极强的电磁场，在附近的导体中产生电磁脉冲，信号设备一旦受到感应雷的影响，就会受到损害。
1.2铁路信号系统可靠性与安全性
1.2.1铁路信号系统可靠性
可靠性是对铁路信号系统可靠与否作为属性的系统性评价，对可靠性定量化度量称为可靠度。可靠度是关于可靠性的一种测度，通常用故障概率来反映系统或设备的可靠性。可靠性技术的发展大致分为以下四个阶段：调查研究阶段、统计试验阶段、可靠性物理探索研究阶段、可靠性保证阶段。
1.2.2铁路信号系统安全性
对于铁路信号的安全性，从广义来看是指信号设备具有维护铁路行车安全的能力；狭义来看是指当设备出现故障时，信号设备具有能引导车辆安全运行或减少事故损失的能力。与此同时，安全完整性是对系统安全性的一种评价，反映的是安全性技术处理的安全程度和恰当的程度。铁路系统的安全完整性取决于它发生故障的可能性以及可能带来的危害的综合估计。
1.2.3传统功能安全评估方法
传统的定性评估方法有以下三种：最低合理可行模型、风险图、风险矩阵。其中，最低合理可行模型原理要求任何风险必须降低到可行的合理水平，并且将风险分为广泛可接受区域、允许区域及不允许区域。获取的可容忍风险目标的方法是判断后果和允许频率是否与相关安全管理机构制定的风险等级相匹配；风险图是基于危险事件的后果、频率、暴露时间及危险区域、未能避开危险事件的概率、不期望事件的发生概率等风险参数进行安全完整性定性的分析方法；风险矩阵是对风险后果的严重度及危险事件发生可能性划分种类，然后将划分好的种类作为矩阵的坐标，并将每一个矩阵元素规定一个安全完整性等级。风险矩阵如图1所示。
2电磁干扰与铁路信号安全相关性的定量评估方法
2.1信号设备可靠性分析
第一步，故障树分析法：故障树分析法是一种图形演泽方法，它可以针对系统的故障模式进行分析，通过一种特殊的倒立树因果逻辑关系图，清晰的说明系统的故障原因。采用定性分析，可以在可靠性分析过程中将信号设备划分为若干子系统，将各种工作状态和不正常情况均列为故障事件，通过定性分析确定故障树的最小割集以及位于顶事件和底事件之间的中间事件，并以此建立信号设备的故障树。第二步，子系统故障概率计算：通常可以采用元器件计数可靠性预计法计算信号设备子系统受到电磁干扰后各子系统的故障概率。首先确定设备所处的外部环境；然后确定元器件的质量等级、元器件的种类及数量；最后，根据所选取的环境分类，依据元器件的种类及数量，确定元器件在环境条件下的通用失效率。
2.2子系统危险侧故障概率推导
首先，对风险发生度等级进行划分：要针对信号设备安全相关的规定，制定风险发生度等级评判标准。根据风险发生度等级评判标准，对信号设备子系统受到电磁干扰后每种故障模式的风险发生度进行评定，并划分风险发生度等级。风险发生度等级评判标准如下表1所示。其次，进行风险发生度权重计算：可以采用层次分析法计算子系统受到电磁干扰后每种故障模式的风险发生。在进行分析的时候，主要步骤如下：第一，建立评判矩阵，将每种故障模式的风险发生度两两之间根据比较标度进行对比，再通过计算转化为评判矩阵；第二，计算各因素权重，通常使用的方法有特征根法、求和法、方根法等；第三，—致性检验，需要得到矩阵的最大特征根，对得到的各因素权重进行一致性检验。
2.3基于贝叶斯网络的信号设备危险侧故障概率推导
贝叶斯网络可以通过故障诊断，得到根节点概率重要度、后验概率等重要信息，并找到信号设备的薄弱环节。贝叶斯网络是一种用图表示知识的方法，并且是可以计算的概率模型。通过这种网络，可以综合各种来源的数据，并对这些数据进行综合的推理，为铁路信号安全评估及对电磁干扰的安全防护提供理论依据。为了研究电磁干扰与铁路信号安全的相关性，需要将上面所述的故障树转化为贝叶斯网络，再根据贝叶斯网络对其安全性进行深入分析，并将子系统受到电磁干扰后的危险侧故障概率代入到贝叶斯网络，得到信号设备受到电磁干扰后的危险侧故障概率，对比其技术条件规定的安全完整性等级，从而初步研究电磁干扰与铁路信号安全的相关性。
结语
本文从电磁干扰与铁路信号安全关系的角度，在传统可靠性分析方法的基础上，基于层次分析法以及贝叶斯网络，结合铁路系统强电磁干扰、铁路信号系统可靠性与安全性的理论知识，深入分析了信号设备可靠性、子系统危险侧故障概率推导以及信号设备危险侧故障概率推导相关内容。通过分析，以期在一定程度上能够为铁路信号安全评估及对电磁干扰的安全防护提供参考。
参考文献：
[1]裴立原.电磁干扰与铁路信号安全的相关性研究[D].北京交通大学,2015.
[2]徐浩.高速铁路牵引电流谐波及其对轨道电路影响分析[D].北京交通大学,2016.
[3]周游.不同强度地磁暴对高铁牵引网影响的研究[D].华北电力大学(北京),2016.
论文作者:彭晓璐
论文发表刊物:《基层建设》2017年第24期
论文发表时间:2017/11/24
标签：故障论文; 电磁干扰论文; 设备论文; 风险论文; 信号论文; 概率论文; 可靠性论文; 《基层建设》2017年第24期论文;