（环境科学专业论文）基于可靠性的铁路运输安全预警理论研究.pdf

大连交通人学下学硕+ 学位论文 a b s t r a c t r a i l w a yi st h em a i na r t e r yo fn a t i o n a le c o n o m y ，t h ei m p o r t a n ti n f r a s t r u c t u r ec o n s t r u c t i o n o fc o u n t r y ，a n dt h ep o p u l a rm o d eo fp u b l i ct r a n s p o r t s a f e t yh a sa l w a y sb e e nt h es u b j e c to f r a i l w a yt r a n s p o r t ，w h i l et h er e l i a b i l i t yo ft h er a i l w a yt r a n s p o r ts y s t e mi st h ep r e m i s eo fs a f e t y i fs o m ea s p e c t so ft h er a i l w a yt r a n s p o r ts y s t e mf a i l u r e ，i tp o s s i b l yc a u s e st r a i n sd e l a ye v e n t h ep e r s o n n e lc a s u a l t ya c c i d e n t ，a n db r i n g sa b o u tt h ea d v e r s ec o n s e q u e n c e st on a t i o n a l e c o n o m y sd e v e l o p m e n ta n dp e o p l e sp e r s o n a ls a f e t ya n dp r o p e r t y i nt h i sp a p e r , w et a k er a i l w a yt r a n s p o r ts y s t e mw h i c hi sc o m p l e xg i a n ts y s t e ma so u r s t u d yo b j e c t ，a n de x p l o r et h es y s t e m ss t r u c t u r e ，f u n c t i o na n dc o u p l i n gr e l a t i o n s ，t h e no b t a i n t h es y s t e ma n ds u b s y s t e m sr e l i a b l ec o n c e p ta n dc o m p u t a t i o n a lm e t h o d ，p r o p o s er a i l w a y t r a n s p o r ts y s t e m sr e l i a b i l i t yc o m p u t a t i o nm o d e l ，a n de s t a b l i s hr a i l w a yt r a n s p o r ts a f e t y p r e w a r n i n gt h e o r yw h i c hb a s e do nr e l i a b i l i t ya n a l y s i s t h ea u t h o rb y a n a l y z i n gt h er a i l w a yt r a n s p o r ts y s t e m sc o m p o s i t i o ns t r u c t u r ea n d o p e r a t i n gm e t h o d s ，c a r r i e do ni d e a l i z e dp r o c e s s i n gt ot h er a i l w a yt r a n s p o r ts y s t e m ，i d e n t i f i e d p e r s o ns u b s y s t e m ，m a c h i n e ss u b s y s t e ma n de n v i r o n m e n ts u b s y s t e m ，t h et h r e es u b s y s t e m sa r e r e l a t i v e l yi n d e p e n d e n to fe a c ho t h e r g e n e r a lu s i n gs y s t e mr e l i a b i l i t yt h e o r y ，f u z z y c o m p r e h e n s i v ee v a l u a t i o nt h e o r ya n dr e l a t e dp r o f e s s i o n a lk n o w l e d g eo fr a i l w a yt oa n a l y z e v a d o u sf a c t o r si nt h es u b s y s t e m s ，w h i c ha r ea f f e c t i n gt h er e l i a b i l i t yo ft h es y s t e m , a n d e s t a b l i s h e dp e r s o n ，m a c h i n ea n de n v i r o n m e n ts u b s y s t e mf u z z yr e l i a b i l i t ye v a l u a t i o nm o d e l a n dc a l c u l a t i o nm e t h o d s t u d i e dt h e r e l i a b i l i t y r e l a t i o n sb e t w e e nt h ep e r s o ns u b s y s t e m ， m a c h i n e ss u b s y s t e ma n de n v i r o n m e n ts u b s y s t e m ，a n de s t a b l i s h e dt h er a i l w a yt r a n s p o r t s y s t e mf u z z yr e l i a b i l i t y e v a l u a t i o nm o d e l ，a tl a s ts e t u pt h er a i l w a yt r a n s p o r ts a f e t y p r e - w a r n i n gm o d e l f i n a l l y ，t h ea u t h o rp r o p o s e dr e a s o n a b l ea n dt h es u p e r i o rr e l i a b l e m a n a g e m e n ta n dd e s i g np r o p o s a l f o r t h er a i l d e p a r t m e n t t o i m p l e m e n tr e l i a b i l i t y m a n a g e m e n ta n dr e a l i z er a i l w a yt r a n s p o r ts y s t e m sr e l i a b i l i t yg r o w t h t h i sp a p e rb a s e do nt h er e l i a b l et h e o r y ，a n a l y z e dt h er e l i a b i l i t ya n ds e c u r i t yo fr a i l w a y t r a n s p o r ts y s t e m ，e v e n t u a l l yf o r m e dr a i l w a yt r a n s p o r ts a f e t yp r e - w a r n i n gt h e o r yw h i c hb a s e d o nr e l i a b i l i t y ，i tc a nh e l pr a i ld e p a r t m e n to fo u rc o u n t r yt oe n h a n c et h er e l i a b i l i t ya n d s e c u r i t yo ft h e i rm a n a g e m e n ta n do p e r a t i o n k e yw o r d s ：r a i l w a yt r a n s p o r ts y s t e m ；r e l i a b i l i t y ；f u z z yc o m p r e h e n s i v ee v a l u a t i o n ： p r e - w a r n i n g ；i n d e xs y s t e m 大连交通大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作 及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢及参考 文献的地方外，论文中不包含他人或集体已经发表或撰写过的研究成 果，也不包含为获得太蔓交通太堂或其他教育机构的学位或证书而 使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在 论文中作了明确的说明并表示谢意。 本人完全意识到本声明的法律效力，申请学位论文与资料若有不 实之处，由本人承担一切相关责任。 学位论文作者签名： 帆夕年多肌自 大连交通大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解太蔓交通太堂有关保护知识产权及保 留、使用学位论文的规定，即：研究生在校攻读学位期间论文工作的 知识产权单位属太蓬銮通太堂，本人保证毕业离校后，发表或使用 论文工作成果时署名单位仍然为太整銮通太堂。学校有权保留并向 国家有关部门或机构送交论文的复印件及其电子文档，允许论文被查 阅和借阅。 本人授权一太整交通太堂可以将学位论文的全部或部分内容编入 有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、 汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此规定) ， 学位论文作者签名 吣j 冲毛舭甚 学位论文作者毕业后去向： 工作单位： 通讯地址： 电子信箱： 电话： 邮编： 耳月丑哏 一 钐纠 绪论 绪论 0 1 课题的背景 铁路是国家重要的基础设施、国民经济的大动脉，是现代化统一运输网中的骨干与 中坚。安全是铁路的生命，铁路系统的可靠性则是安全的前提。截至2 0 0 7 年底，我国 铁路营业里程已达7 8 万公里( 不含台湾省，下同) ，位居世界第三、亚洲第一，承担 的运输工作量是世界平均水平的4 倍，客货周转量居世界第一位。它以占世界铁路6 的营业里程完成了世界铁路2 5 的工作量，任务极其繁重，随之而来的是频繁发生铁路 运输事故，对人民的生命财产安全造成了极大的威胁。世界各国的铁路也都存在着不同 的事故隐患，如1 9 9 8 年德国i c e 高速列车脱轨，1 0 1 人死亡，8 4 人重伤l l j ；2 0 0 2 年美 国快速列车脱轨，6 人死亡；2 0 0 3 年日本特快列车脱轨，死伤6 0 多人。距离我们最近 的一次事故，2 0 0 8 年4 月2 8 日4 时4 1 分，北京开往青岛的t 1 9 5 次旅客列车运行至山 东胶济铁路周村至王村间脱线，与烟台至徐州的5 0 3 4 次客车相撞，事故造成7 2 人死亡， 4 1 6 人受伤，中断胶济线上下行线行车2 1 小时2 2 分，构成铁路交通特别重大事故。据 我们国家近年来的安全生产事故统计数据显示，铁路运输事故导致的死亡人数已经超过 了矿业领域，位居第三，仅次于公路运输和建筑行业。因此，开展对现有铁路运输系统 的可靠性评价，找出系统中的薄弱环节和影响系统可靠性的瓶颈，对铁路运输系统处于 的状态做出正确的预警，并提出提高其可靠性的方法措施，对于确保铁路运输安全具有 显著的经济和社会意义。 0 2 国外研究现状 据文献显示，各国铁路部门时都把确保行车安全放在首要位置，发达国家的铁路部 门相继开展了可靠性方面的研究，通过改善铁路系统的可靠性，进而增强铁路运输系统 的安全性，预防事故的发生。 日本国铁在2 0 世纪7 0 年代对新干线高速铁路及机车车辆大力开展了可靠性工程方 面的研究工作，以保证高速铁路运行的安全性和可靠性。1 9 8 0 1 9 8 2 年间，该机构利用 电力机车及动车在干线上发生的故障数据进行了威布尔解析分析，并推测出电力机车和 动车的可靠度，所得结论证明当时电力机车和动车的故障皆处于初期故障和偶发故障阶 段，因而为延长检修周期找出了依据。另外，他们还根据可靠性工程理论和现场实际损 坏数据来确定机车车辆主要零部件的寿命。日本国铁还利用机车车辆监测系统和信息系 统对发生的各种故障形式随走行公里或运行时间的变化进行分析，分析结果可供可靠性 设计时参考。在2 0 0 4 年l o 月2 3 日发生新泻中岳地区地震造成新干线列车脱轨以后， 大连交通大学工学硕十学位论文 对紧急状态下的地震等应急措施进行了可靠性分析，构筑起在紧急事态下的安全保障体 系【2 】o 美国各大铁路公司广泛开展了可靠性工程的研究，例如美国联合太平洋铁路公司建 立了完善的可靠性信息系统，利用可靠性工程理论对数据进行处理分析，从而使机车及 其零部件的可靠性评价由定性分析提高到定量分析的阶段，并制订出可靠性定量指标， 通过全公司各个环节的努力来实现这个目标；美国通用汽车公司( g m c ) 的电力部在2 0 世纪8 0 年代初就开始进行内燃机车的可靠性设计【3 1 ；美国机车车辆制造公司也应用可靠 性技术来提高机车车辆的可靠性，将可靠性技术贯穿于内燃机车设计、制造、试验、使 用、维修和管理等各个环节，形成一个系统工程，使复杂、先进的大功率内燃机车系统 真正达到高可靠性的目的。 北美铁路协会研究试验部近年来一直从事机车可靠性问题的研究。根据运营资料和 铁路公司经验，影响美国机车可靠性的首要原因是牵引电动机故障，因而a a r 通过数据 分析和测试结果淘汰了一批检修工厂，并对其余检修工厂实行严格质量控制，同时开发 和制订了牵引电动机的可靠性试验程序，并且建立了一个机车牵引电动机可靠性数据 库，用以查明故障原因，分析可靠性问题，比较各种技术维修程序和操作过程对可靠性 的影响。 德国联邦铁路对于机车车辆可靠性工程研究非常重视，在法兰克福设立了数据处理 中心，建立了可靠性数据库，对来自全路各机务段和修理工厂的数据进行处理、分析和 分布。特别重视对机车车辆故障的研究，不但对运行中的故障，而且对机务段、车辆段 和修理工厂在机车车辆拆卸和维修中发现的故障进行收集、处理、分析和研究。 前苏联专家格伦托夫著作车站运营可靠性，系统地阐述了运输系统运营可靠性 的理论基础和计算方法，研究了铁路运输技术设备的可靠性对运输过程可靠性和指标的 影响问题，并叙述了提高车站运行可靠性最佳阶段性的研究和计算方法【4 】。 国外发达国家的铁路系统已经形成了比较完善的安全评估和安全管理体系，制定了 一系列切实可行的安全评估技术标准。如欧洲电气化标准委员会( c e n e l e c ) 制定的欧洲 铁路行业标准( e n 5 0 1 2 6 ) ，这一标准包含可靠性、可用性、可维护性和安全性规范和说 明以及其他一系列铁路各专业的e n 标准，已成为世界铁路安全评估的指导性规范1 5 】。 o 3 国内研究现状 我国的铁路系统在推行可靠性技术方面，目前还处于安全和质量管理的初级阶段， 不仅与国外发达国家的水平有很大差距，而且与国内军工和航空工业也有很大的差距。 近年来，国内各高校及科研单位在铁路可靠性方面和预警方面的研究也出现了很多，涉 2 绪论 及到铁路管理中人因可靠性的分析、铁道基础结构的可靠性分析、铁路信号可靠性分析 6 扛 奇0 西南交通大学戢晓峰、吴其刚等对人因可靠性分析在铁路安全管理中的运用进行了 分析，结合建立职业安全健康管理体系( o h s m s ) 推行人因管理【6 】；张殿业教授等提出了包 含铁路运输事故预防体系、安全保障体系和事故处理与救援体系等三个子系统的铁路运 输安全研究的框架体系【j 7 】；郭进、陈红霞等采用微机实现站间闭塞并结合现有计轴技术 的新方法构成的微机化站间自动闭塞系统为实例来要研究铁路信号设备的可靠性与安 全性f 8 j ； 北京交通大学孙平教授在对铁路预警研究综述的基础上，进行了铁路运营监测预警 系统研究，确定了铁路运营监测预警系统指标体系的设计原则【9 】；谢永涛等对秦沈高速 铁路某段地基的可靠性进行分析，在分析过程中，把地基可靠性放在结构整体可靠性的 概念中来研究，使地基设计安全的“富余 程度得到定量的描述1 1 0 】：高自友教授等结合 哈尔滨铁路局实际运营系统，基于事故树分析理论，探讨了铁路安全预警系统的实现。 论述了事故树的建立方法和以事故树分析法为基础的铁路安全预警系统的核心算法j 然 后讨论了具体实现的数据结构和事故树编码方法，最后简要提出了铁路安全预警系统的 系统设计思想【1 1 , 1 2 】；范振平等分析了铁路运输生产中的不利因素，基于事故树分析理论， 探讨了铁路安全预警系统的实现【1 3 1 ： 西安交通大学万威武教授，运用系统工程理论，深入分析了铁路运输系统的内在联 系，借助专家咨询的方法，建立了铁路运输系统综合评价指标体系1 1 4 j ； 上海海事大学余静教授等针对矿区铁路运输生产的实际，从系统环境、系统数据库、 系统模块等方面进行了矿区铁路运输管理信息系统的可靠性设计和选择1 1 别； 中国矿业大学才庆祥教授研究了矿区铁路的可靠性分析问题，把一般可靠性原理引 入煤炭矿区铁路运输系统可靠性研究，并综合运用系统分析方法、概率与数理统计、运 筹学原理、铁路运输和采矿工程专业知识，对煤矿矿区铁路运输系统可靠性的基本特点、 评价指标体系、主要研究内容和方法进行了综合分析与系统研究1 1 6 j ； 武汉理工大学佘廉教授等在铁路灾害预警管理方面进行了深入的研究，铁路机车运 行预警管理的确理论模型和运行模式，对其构建原则，运行模式，工作报告流程、方法 体系给予描述【1 7 , 1 8 】；李睿、罗帆等人采用安全管理理论、系统科学理论和经济预警理论 进行了铁路交通灾害预警系统的初步研究【”j ； 中国地质大学的朱良峰等人利用g i s 构建铁路地质灾害信息管理和预警预报系统， 研究了数据采集、查询检索及预警预报等方面的内容【冽。 3 大连交通大学工学硕十学位论文 铁道部张曙光局长分析了我国高速铁路生命周期内安全评估体系的战略定位、目 标、原则和作用，并根据我国高速铁路建设的具体情况，应用系统工程和安全评估的理 论，提出我国高速铁路系统生命周期内实施安全评估的体系框架，并对评估流程和评估 方法进行了分析弘。 另外，铁路运输部门为了提高运输的安全性，在铁路路基及线路检测与养护、机车 车辆可靠性与运行安全状态检测、铁路结合部子系统的可靠性、站场作业可靠性、人的 可靠性等方面进行了大量的理论研究工作。这些研究成果都是我国列车运行控制与铁路 运输安全性评估方面具有开拓性的创新成果。 从掌握的文献资料分析得出：国内有关学者围绕铁路安全保障体系和预警关键技术 这一主题进行了大量的研究工作，先后开发了“铁路假同客运安全监控与预警系统”、 “铁路应急救援指挥体系 、“铁路应急救援指挥管理信息系统和“铁路安全监控报 警与追踪系统 为促进铁路安全理论的进步和保障铁路行车安全起到了重要的作用。但 是，对于铁路运输系统的安全性与可靠性的关系，铁路运输系统可靠性管理与增长以及 铁路运输体系可靠性评估的方法缺乏深入系统的基础理论研究和应用基础研究。对于这 样一个复杂巨系统其可靠性与安全性不仅要在规划、设计建造时给与充分考虑，更为重 要的是在运营管理中进行研究、改进和提高，不仅要考虑单个设备设施的安全性与可靠 性，还要从系统的角度研究其整体的安全性与可靠性问题，发现各种潜在的不安全因素 和故障模式，为铁路运输系统安全运营管理工作和设备设施改造提供理论依据。 所以，在这些成果的基础上，如何科学地利用行车安全信息监测网络和综合监控管 理系统所获得的大量数据预测铁路运输系统的可靠性，评估系统的安全性，并进而分析 得出影响系统可靠性和安全性的瓶颈所在，对铁路运输系统的可靠性状况进行预警管 理，从而为提高铁路运输系统的可靠性和安全性提供理论指导，已经成为当前急需解决 的课题。 0 4 课题研究的目标、方法及所要解决的问题 0 4 1 课题研究的目标 本课题的研究目标就是在现有成果的基础上，以铁路运输复杂巨系统作为研究对 象，从系统的组成、结构、功能及其耦合关系出发，探索系统整体及其各单元可靠性的 概念及其计算方法，提出铁路运输复杂巨系统的可靠性分析与设计模型和方法，研究建 立起基于可靠性分析的铁路运输安全预警理论体系。 4 绪论 0 4 2 课题研究的方法 本课题采用理论分析、现场调查等方法，运用系统可靠性与维修性理论、系统模糊 评价理论和相关铁路专业知识研究铁路运输系统生命周期内的可靠性和安全性问题。论 文研究结构为：首先对系统按照结构功能等特点进行分解，确定出相对相互独立的各子 系统，对子系统建立可靠性分析模型和计算方法，确定出各子系统的可靠度，进而通过 研究子系统之间的耦合关系，建立整个铁路运输系统可靠性评估体系，得到系统的总体 可靠度，并进行系统可靠性的分配研究，在此基础上建立可靠性预警模型，提出针对性 的系统维修或更新策略。论文结构参见图o 1 ( 下页) 。 0 4 3 课题解决的问题 课题的研究重点解决如下三个关键问题： ( 1 ) 对于铁路运输“人机环境复杂巨系统，从系统总体出发科学选择确定一个能 够充分考虑各子系统特点的准确描述子系统及系统整体性能的定量指标；对于铁路运输 复杂巨系统及其各组成单元，深入研究系统的组成、结构、功能及其耦合关系，建立系 统及其各组成单元可靠性数据的分析处理方法。 ( 2 ) 研究铁路运输复杂巨系统可靠性与安全性的相互关系，提出适应系统的安全评价t 目标、原则、任务、内容与步骤，建立基于可靠性的系统及其各子系统安全评价方法， 形成基于可靠性的铁路运输系统安全性评价体系。 ( 3 ) 在系统总体安全性评价的基础上，研究各子系统的匹配关系，构建可靠性预警理， 论，发现影响系统可靠性的瓶颈环节，优化系统及各单元的维修策略或更新策略，实现 系统可靠性的增长。 s 大连交通大学工学硕十学位论文 图0 1 论文结构 f i g 0 1p a p e rs t r u c t u r e o 5 课题的意义 本文以可靠性研究为切入点将铁路运输系统的人一机一环境的表现特征及其运行方 式作为研究对象，结合其他行业可靠性评价中有成效的方法，运用系统可靠性理论和模 糊数学理论，分析影响铁路运输系统安全的各种因素，构建一套基于可靠性的评价指标 体系，对铁路运输系统的可靠性进行评估，并对系统的安全状况进行预警，最终能为铁 路运输管理部门提供实效可行的理论指导，保证铁路运输系统处于安全有序状态。课题 的研究贯彻了“安全第一、预防为主的安全生产方针，具有广泛的实用性和创新性， 有巨大的经济与安全效益。 6 第一章铁路运输系统和研究方法概述 第一章铁路运输系统和研究方法概述 1 1 铁路运输系统 铁路运输系统是我国铁路行业的核心组成部分，其生产过程就是货物和旅客的运输 过程，整个运输生产是铁路各部门、各单位、各工种以及全国数百万的铁路员工协同工 作来完成的，其目标是安全、快捷、经济、舒适的将运输对象送达目的地，同时不断提 高装备水平来提高运输速度和运输能力，满足国民经济的快速发展和人民群众的生活需 求。铁路承担着全国年客运量的5 0 左右和货运量的6 0 左右，作为一个社会化运输的 物质生产部门，铁路对我国国民经济的发展具有及其重要的作用，是社会主义现代化建 设事业的骨干与中坚。 1 1 1 铁路运输系统的组成结构 铁路运输系统是一个由车、机、工、电、辆、人等要素组成的庞大复杂巨系统，作 为一个实体系统，我国的铁路管理实行铁道部铁路局站段三级管理模式，由各铁路局 成立适应直接管理站段的调度指挥机构，对铁路局管辖范围内的运输工作统一指挥、集 中调度。我国铁路部共设有1 8 个铁路局( 包括集团公司) ，管辖3 0 0 0 多个站段，铁路从 业人员达2 0 7 5 2 万，根据作业性质的不同，从业人员划分为4 6 个工种。铁路运输系统 拥有5 7 8 万辆货车，1 8 3 万辆机车，其中内燃机车占6 7 ，电力机车占3 2 4 【2 2 2 3 】。铁 道部所属的1 8 个铁路局见图1 1 。 图1 1 中国铁路局构成图 f i g 1 1 c h i n ar a i l w a yb u r e a uc o m p o n e n td i a g r a m 7 大连交通大学：】二学硕十学位论文 铁路局下设的主要管理机构及其主要职能如图1 2 所示。 图1 2 铁路局主要机构 f i g 1 2r a i l w a yb u r e a up r i n c i p a ld e p a r t m e n t 1 1 2 铁路运输系统理想化 在科学研究中，经常需要对研究对象进行理想状态的假设，然后才能运用数学方法 去建立起数学模型定量揭示对象的规律性。本文按照此种方法将铁路运输系统理想化， 将对系统正常运行无影响或有一定影响但其发生概率及其微小的事件，划割到系统之 外，避免其增加分析的困难度，而并不会对系统的分析结果产生影响。 铁路运输系统的可靠性问题具有独特的特点，它取决于人一机一环系统的相互作用和 相互影响。在这些系统中一旦出现了较严重的故障和混乱，即使是短暂的运行延误都将 造成整个运输系统的中断。要分析铁路运输系统的综合可靠性，就必须要从复杂的巨系 统中抽象出各个子系统，在子系统当中按照我们采用的理论和方法进一步理想化，然后 建立数学模型，进行分析和评价，再通过数学理论及可靠性理论来将各个子系统按照科 学的、合理的、能够反映真实情况的方法结合起来，形成一套完整的分析手段，对复杂 系统的可靠性做出科学的评价。 终上所述，我们将铁路运输系统划分为人员子系统、机子系统和环境子系统三个子 系统来分别进行可靠性的评价，最后综合各个子系统的评价结果，建立起铁路运输系统 8 第一章铁路运输系统和研究方法概述 的可靠性评价方法，通过定量计算对铁路运输系统的可靠性做出评价，并构建预警模型， 进行可靠性的分配，实现可靠性的增长，以此来保障铁路运输的安全稳定。 1 2 可靠性理论 1 2 1 可靠性理论简述 可靠性理论作为一门独立的工程基础学科于2 0 世纪3 0 年代初率先在美国形成。最 初，它运用统计方法于工业产品的质量控制中。第二次世界大战期间，许多复杂系统， 如航空电子设备、通信系统以及武器系统，都暴露出低下的可靠性水平，特别是2 0 世 纪五六十年代着手实施各类太空研究计划，成为了推动可靠性工程兴起和发展的主要动 力。1 9 6 5 年，国际电工委员会( e i c ) 可靠性专业委员会的成立，标志着可靠性技术成为 了一门较为新兴的学科可靠性工程。 2 0 世纪6 0 年代，我国首先在电子工业部门进行了可靠性工程技术的开拓性工作； 进入8 0 年代以来，国家颁了一系列的可靠性工程技术标准和管理规定，在现代武器装 备等大型系统的研制中全面推行可靠性工程技术，使我国工程可靠性工作进入规范化轨 道，并得到迅速发展。目前，可靠性工程主要应用于航天制造业、机械工程领域、交叉 学科领域以及通信领域等。由于可靠性理论的应用，提高了工程结构和工程系统抵御自 然灾害和人为灾害的能力，可靠性理论被引入到一般工业领域。2 0 世纪9 0 年代以来， 系统可靠性工程理论也被应用于铁路运输安全领域。随着科学技术的迅速发展，可靠性 技术日益受到人们的关注，目前可靠性技术已经成为科研和生产中不可或缺的内容了。 1 2 2 常用可靠性指标 为了评价一个系统的可靠性，我们需要获得系统的可靠性数值指标，常用的可靠性 特征量有可靠度、故障率、平均寿命、平均维修时间、修复率和有效度等。下文列出各 项特征量的定义和计算公式。 ( 1 ) 可靠度尺 产品在规定的条件下和规定的时间内能完成规定功能的概率叫做可靠度。对于任意 产品来说，在规定的条件下和规定功能的情况下，其可靠度尺例是时间的函数，如果产 品的寿命丁大于或等于规定的时间t ，即能够完成预定的功能。 尺q ) 2p 仁叶 ) r ( f ) = 1 一f o ) 、。 f o ) 一不可靠度 9 大连交通大学j 学硕十学位论文 ( 2 ) 故障率2 ( 0 故障率也称为失效率，是指工作到某时刻尚未失效的产品在该时刻后，单位时间内 发生失效的概率。 m 一高掣 n 2 ， 由式( 1 2 ) 得出 一p - y oz ( t ) d t ( 1 3 ) ( 3 ) 平均寿命口 平均寿命是指产品寿命的平均值，对于不可修复的产品是指产品失效前工作时间的 均值，用m 1 陌( m e a nt i m et of a i l u r e s ) 表示，对于可修复的产品是指无故障时间的 平均值或两相邻故障之间的平均时间，用m t b f ( m e a nt i m e b e t w e e nf a i l u r e s ) 表示。 本文研究的对象为可修复产品，只给出m t b f 的计算公式。 脚= p = 吾r j f r o ) 出一j ；e x p ( - a t ) a t 一一万1e x p ( 一刀, i o ；万1 ( 1 4 ) 旺平均寿命； 卜故障总次数； 卜总的工作时间 ( 4 ) 平均修复时间m 平均修复时间m t y r ( m e a n t i m et or e p a i r ) 是指可修复的产品的平均修理时间，记 为m ( t ) 。产品修复时间t 是一个随机变量，平均修复时间是维修时间t 的数学期望e m ( t ) = e ( t ) 2 j = t m ( t ) d t ( 1 5 ) m 似一单位时间t 内完成维修的概率 ( 5 ) 修复率肛 修复率是指维修时间已达到某一时刻t 但尚未维修的条件下，在该时刻f 后单位时 间内完成修复的概率，记为，表示为： 1 0 第一章铁路运输系统和研究方法概述 o ) 一函r e ( 而t ) ( 1 6 ) ( 6 ) 有效度彳似 有效度也称可用度，由可靠性和维修性两部分组成，是表示可维修产品在规定的条 件下( 包括工作条件和维修条件) 使用时，在某时刻具有或维持其规定功能处于正常工 作状态的概率。 定义变量：z o ，一譬 。：筹裂喜量羹妻 则t 时刻产品的瞬时有效度可表示为： 彳o ) ：p 忸o ) 一0 令t 0 0 ，得到稳态有效度a 如l i m a ( t ) 可维修系统的有效度可表示为： a p ) 一而面m t 丽b f ( 1 7 ) 1 3 层次分析法 1 3 1 层次分析法简述 层次分析法( t h ea n a l y t i ch i e r a r c h yp r o c e s s ) 简称a h p ，在2 0 世纪7 0 年代中期由美 国运筹学家托马斯塞蒂( t l s a a t y ) 正式提出【矧，它是一种定性和定量相结合的、系统化、 层次化的分析方法，由于它在处理复杂的决策问题上的实用性和有效性，很快在世界范 围得到重视，它的应用已遍及经济计划和管理、能源政策和分配、行为科学、军事指挥、 运输、农业、教育、人才、医疗和环境等领域。 运用层次分析法有很多优点，其中最重要的一点就是简单明了。层次分析法不仅适 用于存在不确定性和主观信息的情况，还允许以合乎逻辑的方式运用经验、洞察力和直 觉。层次分析法最大的优点则是提出了层次本身，它使得人们能够认真地考虑和衡量指 标的相对重要性。 大连交通大学t 学硕士学位论文 1 3 2 层次分析法的步骤 ( 1 ) 建立层次结构模型。在深入分析实际问题的基础上，将有关的各个因素按照不同 属性自上而下地分解成若干层次，同一层的诸因素从属于上一层的因素或对上层因素有 影响，同时又支配下一层的因素或受到下层因素的作用。最上层为目标层，通常只有1 个因素，最下层通常为方案或对象层，中间可以有一个或几个层次，通常为准则层。当 准则过多时( 譬如多于9 个) 应进一步分解出子准则层。 ( 2 ) 构造判断矩阵。从层次结构模型的第2 层开始，对于从属于( 或影响) 上一层每个 因素的同一层诸因素，用两两比较的方法，并按照1 - 9 标度评分，构造出判断矩阵，直到 最下层。1 - 9 标度法评分表见表1 1 ( 3 ) 权重计算和一致性校验。对于每一个判断矩阵计算其最大特征根及对应特征向 量，利用一致性指标、随机一致性指标和一致性比率做一致性检验。若检验通过，特征 向量( 归一化后) 即为权向量：若不通过，需重新按照1 - 9 标度评分法构造判断矩阵【2 酬。 表1 1l 棚标度法评分表 t a b l e1 11 - 9s c a l eo fc o m p a r i s o n s 标度值定义 9 甲比乙极为重要 7 甲比乙明显重要 5 甲比乙重要 3 甲比乙稍微重要 1 甲比乙同等重要 1 3 甲比乙稍微次要 1 5 甲比乙次要 1 刀 甲比乙明显次要 1 9 甲比乙极为次要 2 ，4 ，6 ，8表示需要在上述两个标准之间折衷考虑 1 3 3 指标权重的确定 层次分析法确定权重值的过程，见图1 3 ： 第一章铁路运输系统和研究方法概述 图1 3 层次分析法确定权重值流程图 f i g 1 3f l o wc h a r to fw e i g h td e t e r m i n e db ya h p 权重的确定主要步骤如下： ( 1 ) 采用1 - 9 标度法( 见表1 1 ) 进行每两元素间的相对比较，构造判断矩阵 ( 2 ) 采用方根法计算各元素权重，其计算步骤如下： 逐行计算矩阵m 的几何平均值g ， g 一( i = l ，2 ，n )( 1 8 ) 对q 进行归一化处理，即为所计算的权重蛾。 t o i g 罗q ( i = l ，2 ，n ) ( 1 9 ) 筒 则甜= ( q 16 9 2 ，开) 即为所计算的权重向量。 计算判断矩阵的最大特征根a m 缸 a 。三皇噬( i - l ，2 ，n ) ( 1 1 0 ) 甩贸a j l 其中m t o 表示判断矩阵m 与权重向量相乘后得到的新向量，m ，为m 甜的第f 个元素。本文采用m a t l a b 语言编制了计算程序来进行判断矩阵权重计算，避免了繁 琐的数值计算，计算流程图见附录a ( m a t l a b 实现方根法权重计算流程图。 ( 3 ) 一致性检验。在构造判断矩阵时，由于客观事物的复杂性和人的判断能力的局限 性，人们在对各元素重要性的判断过程中难免会出现矛盾。如在判断元素x y = 1 ：4 、 y z = 1 ：2 的同时，可能会出现判断x z = 1 ：3 的矛盾情况。为此，需要对判断矩阵进行一致 1 3 大连交通大学工学硕十学位论文 性检验，以检查所构造的判断矩阵和由之导出的权重向量的合理性。一般是利用一致性 比率指标c 尺进行检验。检验公式为 c r = c i 瓜i ( 1 1 1 ) 式( 1 1 1 ) 中，c = ( k 甜一，1 ) 0 1 ) 为一致性指标，尉为平均随机一致性指标，尺， 的值由提出层次分析法的t l s a a t y 通过大量试验确定，随机一致性指标彤的数值见表 2 2 。当c r o 1 时，认为矩阵的不一致程度是可以接受的，否则，认为不一致性太严重， 需重新构造判断矩阵或做必要的调整。 本文同样采用m a t l a b 语言编制程序来进行一致性校验，程序流程图见附录b m a t ia b 实现判断矩阵的校验流程图。 表2 2 平均随机一致性指标r i 数值 t a b l e2 2t h ea v e r a g er a n d o mc o n s i s t e n c yi n d e xo f r i i 矩阵阶数 123456789 r 10 00 5 80 9 01 1 21 2 41 - 3 21 4 11 4 5 1 4 模糊综合评价法 1 4 1 模糊综合评价简述 模糊方法是2 0 世纪6 0 年代美国科学家l a z a d e h 教授创立的，是针对现实中大 量的经济现象具有模糊性而设计的一种评判模型和方法，在应用实践中得到有关专家不 断演进【2 7 1 。模糊综合评价应用模糊变换原理对受多种因素影响的事物做出全面评价的一 种十分有效的多因素决策方法，其特点是评价结果不是绝对地肯定或否定，而是以一个 模糊集合来表示。此种评价方法适合对复杂的系统进行评价，有效避免了数据收集困难 和可信度不高带来的评价结果的偏差，该方法具有如下特点： ( 1 ) 评价的结果为集合 模糊综合评价的结果是一个集合，而不是一个点值，它较为准确地刻画了事物本身 的模糊状况，因此模糊综合评判结果在信息的质和量上都具有优越性。 ( 2 ) 适用于定性指标的定量评价 人们对定性指标属于某一等级的判断往往很难用数字表示，只能用“很好”、“较 好 、“较差”、“很差 等模糊概念来表示。应用模糊综合评价可以较好地解决定性 指标的定量化问题。因此，模糊综合评价既可用于主观指标的综合评价，又可用于客观 指标的综合评价。 ( 3 ) 评价结果具有唯一性 1 4 第一章铁路运输系统和研究方法概述 模糊综合评价一般是对评价对象逐个进行评价，每个评价对象一般可确定一个阵， 最终也得到一个向量，所以模糊综合评价结果对同一个评价对象而言，只要评价指标权 数相同，合成算子相同，一般均具有唯一性，即不论评价对象处于何种评价对象的组合 中( 空间或时间) 都不会改变。 基于模糊综合评价的上述特点，结合系统从安全到不安全是一个逐步变化的过程， 而不是突然改变的，我们可以通过计算各种因素对系统安全的隶属度来确定系统的可靠 性等级， 1 4 2 模糊综合评价的步骤 ( 1 ) 建立评价因子集 首先对分析的对象进行充分详细的调查，获取影响目标对象评价结果的各种因素， 将影响因素记为u b “力u 玎，构成模糊集职u = u l , u 2 ，“。 ( 2 ) 建立可靠性评语集 在进行可靠性研究时，人们对理论上给出的数值结果的感性认识远远没有给出一个 定性的“高或低”那么直接，不能迅速形成一个概念化的评价，所以采用模糊数学的评语 集，将评价等级分为极可靠，很可靠，可靠，不可靠，很不可靠，极不可靠，确定出评 语集v = 和j ，v 2 , ，v 6 1 。 ( 3 ) 构造模糊关系矩阵 建立各因素的综合评价矩阵r r = 1 2 r 2 1r 2 2 名12 其中啊表示因素“i 被评为v j 的隶属程度，也就是r 为因素u f 对等级v j 的隶属度， 矩阵尺的第f 行r i = ( r i 西渤，叫表示第f 个因素啦的单因素评价，它是y 上的模糊子集。 h ) 隶属函数的确定 要求解模糊矩阵r ，就要根据目标对象的指标数据，对每一个评价指标蜥p = j ，2 ，叫 分别构造出它属于v j ，屹，垤，v 4 ，v 5 ，v 6 的隶属函数。 首先求出对各评语隶属度绝对为1 的指标值6 x 2 b x 3 b x 4 b x s & x 6 i ) ，可以通过对已知数据 的统计得来。然后构造六个等级隶属函数如下，所，亿，表示评语为极可靠的隶属函数， 依次有场例，坛m ，坛，v 6 i ( u ) 。 一 w 屹； ； 一 大连交通大学t 学硕士学位论文 u x u “s ( x 2 f ，x h ) 其他 “g ，x ：，) 其他 “g 。，x 5 ，) u x 6 i ( 5 ) 确定影响因素的权重 在进行综合评价时，确定【厂集中各因素的权重是较困难的环节，但也是极重要的 一个环节，因为它直接影响着评判择优决策。权重的确定必须慎重，力求科学可靠，应 尽量符合或接近实际。本文采用层次分析法来对影响系统可靠性的各个因素进行权重的 计算。 将层次分析法确定出的权重记为： c o = ( c o j ，0 3 扣，训 ( 6 ) 求解系统的可靠性 当隶属度综合评价矩阵尺确定之后，就可以通过模糊运算公式求出综合评价结果： b = r = ( b 1 ，b 2 ，b 3 ，b 4 ，b 5 ，b 6 ) ( 0 = b j = 1 ) ( 1 1 2 ) 式中“”表示根据实际问题选取的某种模糊乘积运算。其中6 ，为对象评为等级v j 的隶 属度，而口就是综合评价结果。 本章小结 ( 1 ) 本章对我国铁路运输系统的组织形式、机构设置及部门职能做了简单的介绍。分 析了的铁路运输系统的复杂性，对铁路运输系统进行了理想化处理，确定出人、机、环 境三个子系统，便于进行深入分析。 ( 2 ) 对可靠性理论、层次分析法和模糊综合评价方法等课题所采用的分析方法，进行 了应用介绍和适用分析，并利用m a t i _ a b 语言编制计算流程，简化了计算过程。 1 6 1一一。 节 草 第二章铁路运输系统人员子系统可靠性分析 第二章铁路运输系统人员子系统可靠性分析 2 1 人员子系统简述 铁路运输系统人员子系统中的“人”是指作为工作主体的人( 操作人员或决策人员) 。 截至2 0 0 7 年底，铁路运输系统的职工达2 0 7 5 2 万左右，工人1 6 8 8 万人，其中技术工 人1 3 9 5 万人，占工人总数的8 2 6 。从事铁道行业特有职业( 工种) 人数1 0 5 9 万人， 占技术工人总数的7 5 9 。年龄结构方面，全路技术工人平均