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1、劣臻交硕士学位论文瘪乞和一城市轨道交通车辆制动系统安全分析方法研究R e s e a r c ho nU r b a nR a i lT r a n s i tV e h i c l eB r a k eS y s t e mA n a l y s i sM e t h o d o l o g y作者：周莉茗导师：贾利民北京交通大学2 0 11 年6 月学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解北京交通大学有关保留、使用学位论文的规定。特授权北京交通大学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，提供阅览服务，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校向国家
2、有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。(保密的学位论文在解密后适用本授权说明)学位论文储签名=?习莉磊导师签名：签字日期：Z 汐年-7 月IE t签字日期：沙f 年7 月IE tr、；l，中图分类号：U D C：1 2 0 2作者姓名导师姓名学位类别学科专业贾利民老师对我在学习和生活上的关心和指导。蔡国强副教授在我论文的选题、研究、实验过程中都倾注了很大的心血。在日常的学习和科研工作中，蔡老师不辞辛劳，言传身教，注重培养我们系统思考和实际动手的能力，指导我们完成两年的学业，在学习上和生活上都给予了我很大的关心和帮助，在此向蔡国强老师表示衷心的谢意。杨建伟老师、高军伟老师、魏秀琨老师、殷洪军老师
3、对于我的科研工作和论文都提出了许多的宝贵意见j 在此表示衷心的感谢。轨道交通控制与安全国家重点实验室的秦勇、王艳辉、董宏辉、邢宗义、王子洋、李晓峰、程晓卿、余韩灵等各位老师在我的学习科研和论文撰写过程中都给予了很多关心和帮助，在此表示感谢。在实验室工作及撰写论文期间，李熙博士、梁瑜博士、姚德臣博士、余博博士以及邵一琨、贾天丽等同学在两年的学习中给予了我很多帮助，并在论文研究和撰写过程中提出了许多宝贵的建议，在此向他们表达我的感激之情。最后，更感谢我的家人，感谢他们对于我的支持，给予我动力，使我顺利完成学业。中文摘要摘要：在我国城市轨道交通迅速发展的同时，其运营安全保障已成为目前面临的重要问题。
4、车辆作为城市轨道交通运输的载体，由于速度快、载客量大、环境复杂，其运行安全状况不容乐观车辆故障不断出现、事故常有发生，这些故障不但严重的影响到正常运营，一旦引发事故将会带来巨大的人员伤亡和经济损失。制动系统是城市轨道交通车辆的关键系统，直接影响其安全运行，为提高车辆运行的安全性，对制动系统进行安全分析，发现其故障规律和安全状态特征，并进行状态预测评估是一种有效的预警保障措施。本文围绕制动系统的安全分析展开以下研究：1、针对目前城市轨道交通车辆制动系统安全分析中存在的问题，论文结合可靠性分析方法G O 法和B a y e s 推理理论，提出了一种综合安全分析方法，简称为G O B a y e s
5、 法。系统阐述了其基本构思，即结构化双向建模、利用B a y e s 理论融合各种检测信息、基于模型结构的反向故障概率推理等。并研究总结了系统建模分析的基本方式和过程。2、基于G O B a y e s 法对城市轨道交通车辆制动系统进行了应用分析。在解析系统结构原理和故障信息基础上建立了系统模型。完成了系统可靠性和安全性的定量定性分析，得到了系统正常概率、反推概率以及最小割集。同时考虑检测信息对系统当前状态作了概率评估。3、利用M o n t eC a r l o 方法进一步研究城市轨道交通车辆制动系统安全的仿真评估应用。根据G O-B a y e s 法模型建立系统正常概率计算的仿真模型，运
6、行结果验证了解析算法的正确性。基于部件可靠性分别对系统第一次故障前和发生故障检修更新后的可靠性安全性变化趋势进行了仿真预测评估，对系统长期运行过程中的状态预测进行了探索研究。关键词：城市轨道交通车辆制动系统；安全分析；G O B a y e s 法；可靠性和安全性；故障推理；M o n t eC a r l o；分类号：U 2 6 0 3 3、!rA BS T R A C TA B S T R A C T：T h eo p e r a t i o ns a f e t ya n ds e c u r i t yo f u r b a nr a i lt r a n s i th a sb e
7、c o m ea ni m p o r t a n ti s s u ec u r r e n t l y,w h i l ei t Sd e v e l o p i n gr a p i d l y A st h ec a r r i e r,t h eu r b a nr a i lt r a n s p o r tv e h i c l e，t h es e c u r i t ys i t u a t i o no fw h i c hi sn o to p t i m i s t i c，h a sa l w a y sg o n ew r o n ga n dc a u s e d
8、a c c i d e n t s，b e c a u s eo fi t sh i g hs p e e d,l a r g ec a p a c i t ya n dc o m p l e xe n v i r o n m e n t T h e s ef a i l u r e sw i l ln o to n l ys e r i o u s l ya f f e c tt h en o r m a lo p e r a t i o n,b u ta l s oc a u s ea c c i d e n tw h i c hw i l ll e a dh u g ec a s u a
9、 l t i e sa n de c o n o m i cl o s s e s T h eb r a k es y s t e m,a st h ek e ys y s t e mo fu r b a nr a i lt r a n s i t,d i r e c t l ya f f e c t st h es a f eo p e r a t i o no fv e h i c l e s T oi m p r o v et h es a f e t yo fv e h i c l eo p e r a t i o n,m a k i n gb r a k es y s t e ms
10、a f e t ya n a l y s i s，d i s c o v e r i n gt h ef a u l ts t a t el a w sa n ds a f e t yf e a t u r e s，a n de v a l u a t i n gt h es t a t ep r e d i c t i o n,a r ee f f e c t i v ee a r l y-w a r n i n gs e c u r i t ym e a s u r e s T h i sp a p e rf o c u s e so nt h es a f e t ya n a l y
11、s i so fb r a k es y s t e ma n dh a sm a d et h ef o l l o w i n gs t u d i e s：1 A c c o r d i n gt ot h ee x i s t i n gp r o b l e m so fu r b a nr a i lt r a f f i cv e h i c l eb r a k i n gs y s t e ms a f e t ya n a l y s i s，t h ep a p e rp u tf o r w a r dac o m p r e h e n s i v es a f e
12、t ya n a l y s i sm e t h o dn a m e da sG O-B a y e sm e t h o d，b a s e do nG Om e t h o dw h i c hi su s e df o rr e l i a b i l i t ya n a l y s i sa n dr e a s o n i n gt h e o r y 硒eb a s i cc o n c e p t i o nh a sb e e ns y s t e m a t i c a l l ye x p o u n d e d,w h i c hi n v o l v e ss t
13、 r u c t u r et w o s i d e sm o d e l i n g，i n f o r m a t i o nf u s i n go fav a r i e t yo ff a u l t 丽mB a y e st h e o r y,r e l i a b i l i t ya n a l y z i n gb a s e do ns y s t e mm o d e la n dr e v e r s er e a s o n i n go ff a u l t T h ew a yo ft h es y s t e mm o d e l i n ga n a l
14、y s i sa n dp r o c e s sa r es u m m a r i z e d 2 A p p l i c a t i o na n a l y s i so fu r b a nr a i lt r a n s i tv e h i c l eb r a k es y s t e mi sm a d eb a s e do nG O-B a y e sm e t h o d T h es y s t e mg r a p hm o d e li se s t a b l i s h e db a s e do nt h ea r c h i t e c t u r et
15、h e o r ya n df a u l ti n f o r m a t i o no fs y s t e m T h er e l i a b i l i t ya n dt h es e c u r i t yo fs y s t e ma r c h i t e c t u r ea r ea n a l y z e da n dq u a n t i t a t i v ea n dq u a l i t a t i v ea n a l y s i si sc o m p l e t e d T h en o r m a lp r o b a b i l i t ya n di
16、 n v e r s ep r o b a b i l i t yo ft h es y s t e mi sc a l c u l a t e d，w h i l em i n i m a lc u ts e t sa l eo b t a i n e d P r o b a b i l i t ya s s e s s m e n to ft h ec u r r e n ts t a t eo fs y s t e mi sm a d ec o n s i d e r i n gd e t e c t i o ni n f o r m a t i o n 3 T h ea p p l i
17、 c a t i o np r o c e s so fs i m u l a t i o ns a f e t ya s s e s s m e n to fu r b a nr a i lt r a n s i tv e h i c l eb r a k es y s t e mi ss t u d i e dw i t hM o n t eC a r l om e t h o d s T h es i m u l a t i o nm o d e lo fn o r m a lp r o b a b i l i t yc a l c u l a t i o nb a s e do nG
18、O-B a y e sm o d e lo fs y s t e mi se s t a b l i s h e da n dt h es i m u l a t i o nr e s u l th a sv e r i f i e dt h ea n a i y t i e a lm e t h o d T h et r e n d sp r e d i c t i o na s s e s s m e n to fs y s t e mr e l i a b i l i t ya n ds a f e t ya r es i m u l a t e db a s e do nc o m p
19、 o n e n t s V目录中文摘要一i i iA B S T R A C T i vl 绪论11 1 研究背景11 2 研究目的及意义21 3 国内外研究现状31 4 论文的研究思路及章节安排52 相关理论介绍72 1 系统安全分析特征量72 2 研究内容相关理论概述82 2 1G O 法分析概述92 2 2B a y e s 理论概述1 l2 2 3M o n t eC a r l o 方法概述1 22 3 小结1 33 基于可靠性和故障推理的系统安全综合分析方法。1 43 1 综合分析方法G O B a y e s 法的基本构思1 43 1 1 基于系统结构的双向建模1 53 1 2
20、 基于B a y e s 理论的状态检测信息融合1 63 1 3 反向故障概率推演1 83 1 4 基本逻辑模型的G O B a y e s 法分析1 83 2G O B a y e s 法的建模方式2 03 2 1 基本单元算法推导2 03 2 2 模型中共有信号的处理方法2 43 2-3 考虑检测信息的调整分析2 73 3 系统G O B a y e s 法建模分析步骤2 83 4 小结2 94 城市轨道交通车辆制动系统安全分析一3 04 1 城市轨道交通车辆制动系统概述3 04 1 1 制动系统基本构成3 04 1 2 制动系统故障分析3 l4 2 制动系统G O B a y e s 法
21、建模3 24 3 基于模型的定量和定性分析。3 74 3 1 概率特征量定量计算3 74 3 2 系统定性分析4 14 4 制动系统安全状态实时评估4 14 4 1 单元检测分析4 24 4 2 系统状态概率推断4 44 4 3 结果分析一4 64 5 小结4 75 制动系统G O B a y e s 法应用仿真分析。4 85 1M o n t eC a r l o 仿真方法4 85 2 系统分布假设仿真4 95 3 制动系统仿真分析一5 05 3 1 正常概率仿真验证5 05 3 2 系统状态仿真评估5 35 4 小结5 86 结论与展望5 96 1 结论5 96 2 展望6 0参考文献。6
22、 1作者简历6 4独创性声明6 5学位论文数据集6 6l 绪论1 1研究背景随着我国城市化进程的加快，交通拥堵成为一个亟待解决的问题，尤其对于北京、上海、广州这样的大城市；而城市轨道交通这种具有封闭线路、准点运行、快捷可靠、周围环境因素影响较低等特点，已逐渐演变为大城市公共交通的骨干方式。同时，由于全世界人民都日益倡导绿色、环保、低碳概念，城市轨道交通以其零排放量的环保运营模式，成为构建低碳城市的可持续发展交通体系的重要组成部分。近年来，我国轨道交通发展迅猛，已经进入大规模城市轨道交通建设的阶段。根据资料统计，截止到2 0 0 9 年底，已经有北京、天津、上海、广州、长春、大连、武汉、深圳、重
23、庆、南京、沈阳共1 1 个城市拥有建成并运营的城市轨道交通线路，总里程达9 3 9 6 k m。另有1 5 个城市正在建设，在建里程近1 4 0 0 k m，将要开工的新的轨道交通线路达到2 6 1 0 公里。5 0 余个城市制定并在实施城市轨道交通规划，规划里程超过7 5 0 0 k m。根据国家发展和改革委员会的轨道交通建设规划数据，以及国家主管部门对上海、广州、天津、深圳等十几个城市批复情况的综合统计，2 0 1 0至2 0 1 5 年间，中国规划建设的城市快速轨道交通项目总长度将达1 7 0 0 公里【l】。城市轨道交通的运输速度快、客流量大、运行时刻表紧凑、空间有限，一旦发生事故将造
24、成巨大的生命财产损失，因此必须尽可能的保证其运营的安全性。城市轨道交通车辆作为运输的载体，它的良好运行是确保城市轨道交通运营安全的关键1 2 川。虽然城市轨道交通车辆类型各异，但是大体都由车体、转向架、制动系统、牵引系统、采暖及空调系统、照明系统、自动监控系统等组成。由于车辆是乘客乘车的载体，一旦发生故障危害性极大，在地下城市轨道交通中尤为突出。而且由于城市轨道交通列车在复杂的环境下长期动态运行，导致车辆很容易发生故障1 3 4 1。表1 1 广州地铁运营故障统计T a b l e l 一1V e h i c l ef a u l ts t a t i s t i c so f G u a n
25、 g z h o uu r b a nr a i lt r a n s i t故障转向辅助高压供电牵引照明其他总计部位架系统主电路接口制动百分比3 3 3 8 7 1 3 0 7 1 6 7 2 3 3 1 6 1 0 0(上述数据米源于广州地铁故障统计)从表1 1 中可以看出，在城市轨道交通车辆产生的众多故障中，转向架和牵引lpN 动故障频率最高，是车辆故障的最重要因素，而转向架上的闸瓦、制动缸、防滑装置等基础装置，以及牵引转制动等都与制动系统有密切的联系【5】o 由于制动系统的复杂性和分布性，相关故障数据并未从系统的角度按照整个制动系统的结构来进行统计，这对制动系统的安全分析来说也是不足之
26、处。制动系统作为车辆的关键装备，一旦发生故障，直接影响车辆运行，严重时会造成车辆事故，危害旅客的生命安全。随着城市轨道交通车辆运行的不断提速，使得车辆下部的部件运行品质受到严重影响，经常出现各种故障，如“车辆运行中的轮对故障、“制动和空气弹簧系统故障”等。这些故障会影响车辆制动系统的运行状态，给车辆制动系统的安全性带来严重的威胁。为了提高机车运行的安全性，及时对车辆制动系统进行安全评估，发现安全隐患，有必要对车辆制动系统进行安全评估方法的研究。1 2研究目的及意义城市轨道交通车辆制动系统作为列车车辆装备中技术含量最高、安全要求最高、最复杂的系统之一，对列车的安全可靠运行来说至关重要。在列车运行
27、过程中，到站刹车、站上停车、离站等多种工况下制动系统都会频繁工作，并且与其他系统如牵引系统、信号系统等协同工作保障列车正常运行。其设备及子系统比较容易发生故障，从而引起制动系统功能的部分或全部故障。这时候往往会打乱运营秩序甚至造成严重事故，造成重大经济损失，危及人身安全。目前，针对城市轨道交通车辆制动系统进行运营中的安全分析评估研究并不多见，仅有的研究大多照搬其它领域内的一般性方法如故障树分析法等做一些简单的局部分析，缺乏系统化的适用于城市轨道交通车辆运营现状的综合分析评估方法。为此，国家科技部在“十一五 期间专门立项国家高技术研究发展计划(8 6 3计划)课题城市轨道交通车辆关键装备监控预警
28、与应急技术，对车辆关键装备进行安全研究。该课题对车辆车门系统、牵引系统、制动系统等进行了深入研究。本文在课题研究的基础上，对其中的制动系统安全评估方法进行了探索研究。在制动系统的长期运行过程中，如果通过历史累积的故障记录信息统计分析，发现元部件、设备装置及系统的故障发生规律，结合可获知的各种信息对系统目前的安全状况作概率风险评价，就可以在一定程度上揭示系统的发生故障的可能性；另一方面，深入研究系统的故障机理和检测情况，就可以对系统在发生故障后，对故障的详细情况有更进一步的了解，从而更有利于尽快排除故障或者尽早采取相关措施避免造成事故，此外对于如何利用更多的先进技术手段保障制动系统的安全运行也具
29、有辅助分析的作用。2对城市轨道交通列车进行上述安全分析就必须研究适用于专业技术人员及现场工作人员的系统的安全分析方法，这样的一些方法应当是通用的、易于理解、易于建模的结构化模块化的分析方法。针对目前城市轨道交通列车制动系统安全分析领域分析方法无法满足上述需求，难以得到有效的评价结果的情况，在引进其它领域广泛应用的先进方法基础上，研究面向城市轨道交通列车制动系统安全分析的综合应用方法无疑具有重要的意义。1 3国内外研究现状安全评价技术源于2 0 世纪3 0 年代，而在6 0 年代美国军工领域系统安全理论及工程应用的需求使得安全评价分析技术得到迅猛发展。随着人们对安全的认识不断提高，以及系统安全工
30、程的兴起，系统安全工程方法陆续推广到航空、核工业、石油、化工、制造业等领域，并不断产生新的理论和方法。我国安全系统工程的引入是在2 0 世纪8 0 年代，航空航天、机械、化工等制造行业开始利用安全检查表和安全分析评价方法，不仅在生产经营性内外部多种环境风险分析中广泛运用，而且在设备运转的自身故障危险方面也进行了相关研究，如概率安全分析方法以系统可靠性为基础，评价对象的元部件、子系统及整个系统的故障或事故可能性以及后果的严重程度1 6 。至今国内外已相继提出了数十种系统安全分析技术方法，主要包括：(1)安全检查表、预先危险性分析等定性分析方法(2)事件树、故障树等概率危险评价技术(3)蒙德评价法
31、、六阶段安全评价法等危险指数评价法(4)基于人一机一环一管四因素的系统综合评价法(5)人工神经网络等人工智能分析技术。上述这些安全分析评价技术可以从不同角度和层次进行对比研究，时间上从系统的设计、运行、寿命终结三个阶段，空间上从对工艺过程和生产装置危险度评价、对系统安全性和可靠性分析两大体系，性质上从定性分析、定量计算两类考虑，见文献 6 1，各种方法之间相互联系相互区别，具有各自的优缺点和适用性，根据具体的情况选择运用。在对轨道交通的安全评估研究领域上，国内外展开了大量的工作。目前由国际电工委员会(I E C)颁发的国际标准I E C 6 1 5 0 8 已成为世界各国认可和普遍采用的轨道交
32、通安全评估标准之一，并为各个国家所广泛采用。欧洲标准化组织最早应用I E C6 1 5 0 8 标准，并且在其随后推出的相关标准中又作了进一步的细化。在相关的E N 5 0 1 2 6 标准中，标准定义了系统的R A M S(r e l i a b i l i t y、a v a i l a b i l i t y、m a i n t a i n a b i l i t y和s a f e t y)，即可靠性、可用性、可维护性和安全性，并且将R A M S 的管理和要求与I E C 6 1 5 0 8 标准的安全生命周期内各个阶段相对应。日本将I E C 6 1 5 0 8 国际标准3转化为J
33、 I S C 0 5 0 8 国家标准，然后再由具有丰富安全技术实践经验的轨道交通专家所组成的列车保安控制安全技术研讨委员会，对标准进行具体研讨，最终制定了列车保安控制系统的安全性技术指南。我国于2 0 0 6 年直接将其转化成了G B T2 0 4 3 8 标准并等同采用【-1 2 1。2 0 世纪6 0 年代英国规定了机车的安全分析定量指标，并针对1 7 种2 5 0 0 台内燃机车的故障进行统计。2 0 世纪7 0 年代日本原国铁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【4 J。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
34、走行公里或运行时间的变化进行分析，用故障树和故障模式及影响分析对机车车辆故障及其影响进行分析，找出系统薄弱环节，改进设计提高机车车辆及其主要零件的可靠性和安全性。美国各大铁路公司广泛开展了安全工程的研究，如美国联合太平洋铁路公司(U P)建立了完善的可靠性系统，利用安全工程理论对数据进行处理分析，从而使机车及其零部件的安全评价由定性分析提高到定量分析阶段，并制定出定量指标。德国联邦铁路对于机车车辆运用工程研究也非常重视，在法兰克福设立了数据处理中心，建立了数据库，对来自全路各机务段和修理工厂的数据进行处理、分析和公布【1 3 以4 J。2 0 世纪9 0 年代初开始，我国铁路开始系统地开展车辆
35、制动系统故障分析及安全评估工作1 5 刎，由于城市轨道交通的发展相对较晚，虽然对大铁路车辆的研究比较丰富，但是对于城市轨道交通车辆制动系统的研究尤其是安全评估还非常有限。文献【2 1-2 2 对广州地铁列车E P 2 0 0 2 带U 动控制系统特点进行了简要描述，详细介绍列车E P 2 0 0 2 锖I 动系统各项功能，对E P 2 0 0 2 阀之间的通讯，以及E P 2 0 0 2 阀同列车线、T M S 和v w F 之间的通讯进行了介绍，结合列车在运营中出现的故障进行了分析。文献 2 3 之4 1 分析了广州地铁5 号线列车制动系统频繁出现的“制动检测继电器状态错误”严重故障的现象和
36、原因，介绍了针对性的改进方案。文献【2 5 l 介绍上海地铁车辆一号线延长线的制动系统的结构原理，对这种结构的制动系统故障原因进行分析。采用F T A 方法对制动系统的可靠性进行了分析，得出导致制动故障的所有可能因素和薄弱环节，为制动系统维修和今后购车选型提供依据。文献【2 6】介绍北京地铁1 3 号线列车制动系统故障对车辆运营的影响，对制动系统故障的原因进行了分析，并提出了预防措施。目前，城市轨道交通车辆制动系统安全评估主要采用的是一些传统的分析方法 2 7。3 3 1，如表1 2 所示。4表1 2 制动系统常用安全评估方法T a b l e1-2 S a f e t ya n a l y
37、s i sm e t h o d o l o g i e so f v e h i c l eb r a k es y s t e m方法名称方法简述在对制动系统风险源系统分析的基础上，将其分成若干单元或层次，列安全检查表法出所有的危险因素，确定检查项目，编制成表，并按此表进行检查。预先危险性(P H A)在系统设计或运营方案初期阶段，对系统存在的危险类别、危险生产条分析件、事故后果等进行分析。故障模式和后果分对制动系统系统内每个部件的每种可能的故障模式或不正常运行模式进行详细分析，推断其对整个系统的影响、可能产生的后果以及如何才能析(F M E A)法避免或减少损失。是一种从原因推论结果的(
38、归纳的)系统安全分析方法，它在给定一个事件树分析(E T A)制动系统初因事件的前提下分析此事件可能导致的后续事件的结果，进行制动系统安全评估，整个事件序列成树状。故障树分析(F T A)从制动系统特定事故或故障开始层层分析其发生原因，将制动系统故障和各层之间用逻辑门符号连接起来，得到表达逻辑关系的逻辑树图形，法从而进行安全评估。从研究范围上看，针对我国城市轨道交通安全评估，尤其是城市轨道交通车辆制动系统安全评估上还存在很多问题，主要表现为：(1)对城市轨道交通车辆制动系统的安全评估研究相对较晚，成果有限。从目前的研究现状来看，相关研究机构和学者开展的研究以及形成的成果还很有限。(2)理论和方
39、法论上创新尚显不足。从目前国内外所采用的安全评估方法上看，仍然是传统的定性、定量以及相结合的方法。目前安全评估在其它领域已经有了广泛的应用并拓展出很多新的理论和方法，值得借鉴和研究。(3)在城市轨道交通车辆系统安全评估领域已有的应用研究，传统的方法如故障模式及后果分析、故障树等，仅仅局限在较为简单的事实描述及统计归纳层面，难以从系统结构和信息化层面去实现综合的安全评估。(4)国内城市轨道交通车辆装备的集成化比较严重，尤其是制动系统类型较多，性能参数大不相同，缺乏通用的结构化分析方法能够有效地对不同种类的设备系统进行安全分析。同时随着设备管理的信息化，设备及零部件的故障数据信息和状态信息的海量增
40、加，需要一种系统化的能够实现信息融合、数据驱动的综合安全分析方法，以实现更有效的安全评估。1 4论文的研究思路及章节安排针对城市轨道交通车辆制动系统安全分析中存在的问题，本文在引入可靠性分析方法G O 法基础上，结合B a y e s 推理理论提出一种综合的系统安全概率评估方5法，简称为“G O B a y e s 法，该方法将继承了G O 法的特点，即结构化、模块化建模，并通过B a y e s 理论有效结合系统内部的故障信息，并实现系统结构中的故障概率推理，同时结合系统中存在的检测信息对系统实时状态进行综合评估。论文利用G O B a y e s 法对车辆制动系统进行了应用分析和仿真研究，
41、通过分析过程表明G O B a y e s 法不仅同样能够实现故障树等传统方法具有定性和定量分析功能，而且融入了信息融合和故障推理等方法，在结构化和信息利用方面具有更强的分析特点和应用优势。论文的章节安排如下：第一章绪论。简要介绍了论文的研究背景，着重介绍了我国城市轨道交通的发展现状，分析了车辆制动系统在其安全保障领域的重要性，总结了现阶段制动系统安全分析评估方面存在的主要问题以及研究新方法的必要性，最后介绍本文的主要章节安排。第二章相关理论介绍。主要介绍了本文研究内容相关理论方法的基本概念和基本原理。首先简要描述了论文研究系统安全分析评估方法所涉及到的基本参数和分析特征量，也包括论文提出的反
42、推概率的定义说明；然后对本文研究相关的基础理论方法分别进行了概述，为后面章节内容研究奠定了基础。第三章基于可靠性和故障推理的系统安全综合分析方法。首先系统阐述了综合分析方法G O B a y e s 法的基本构思；接着归纳并推导了G O B a y e s 法建模的基本单元模型计算法，基于这些基本单元可以方便的进行系统建模，对系统建模过程中可能出现的共有信号进行了阐述，此外考虑系统中可能存在的检测信息进行系统安全分析的处理方法；最后总结了G O B a y e s 法的系统建模基本步骤。第四章城市轨道交通车辆制动系统安全评估分析。基于G O B a y e s 法对城市轨道交通车辆制动系统安全
43、状态综合分析评估进行了应用研究。首先概述了制动系统基本构成及工作原理，简要介绍了系统的故障的基本模式及现场的故障记录统计方式；其次根据其工作原理基于系统模型和基本模块的算法对系统结构进行了静态的定量和定性的分析；然后考虑检测信息对系统在运行过程中的综合安全状态评估进行了研究探索。第五章G O B a y e s 法的应用仿真。基于G O B a y e s 法的基本模型以及定量定性分析结果，利用M o n t eC a r l o 计算机仿真进一步研究城市轨道交通车辆制动系统安全评估应用方法。首先根据G O B a y e s 法的基本单元和系统模型，建立制动系统安全概率计算的M o n t
44、eC a r l o 仿真模型，通过仿真验证G O B a y e s 法解析法的结果；其次基于系统各部件的可靠性演变规律仿真分析系统可靠性安全状态变化趋势，对系统长期运行过程中的状态概率预测评估进行了探索研究。第六章结论。全面总结了本文所做的工作和创新点，并对下一步工作进行了展望。6但没有引起事故即系统仍处安全状态；此时系统虽然是安全的，但是可靠性却严重恶化，对未来一段时间系统安全工作的状态产生影响。安全性和可靠性从不同的角度反映系统安全状态，两者密切相关。论文从相关概率统计数据角度出发，对制动系统的综合分析评价，分析的过程和结果都会涉及到相应的安全分析特征量，这些特征量从不同的角度反映了系
45、统的安全状况。本文在分析过程中提出了“反推概率 的定义，相关的安全分析特征量参数如下：(1)可靠度，是指产品在规定条件下，规定时间(或操作次数)内完成规定功能的概率，用R(f)表示，它是系统可靠性的度量指标之一阱】，相反的有不可靠度F(t)=1 一R(f)，即尺“)：j 尸(丁)o(2-1)尺(n=、7)一【lf 0，P(量)0，i=1，2，刀，则8 1吣=鬻2 舞器撕乩2，棚，这就是公式，式中的骂，垦i=lBayes，E 和彳之间存在关联性，即获知彳的概率可以帮助我们对蜀，垦，色的概率进行更准确的判断，而不是仅仅单方面的区寻求墨，垦，最的概率。B a y e s 定理应用到假说模型中时，有更
46、宽泛的解释，即针对实际应用模型的假说集旦，垦，色中，有且仅有一个为真；彳理解为实际观察结果，即样本数据；P(最)，O=1，2，刀)表示不同假说情况下的先验概率，它们是观察前就已经获得的信息；又知尸(彳I E)表示不同假说情况下的后验概率，解释为当忍为真时彳被观察到的概率。经过上述解释，B a y e s 定理不仅可以测定事件概率，也可以测定假说的概率1 5 5-5 s 。2 2 3M o n t eC a r l o 方法概述在第二次世界大战中，美国“曼哈顿计划”原子弹研制计划的成员S M 乌拉姆和J 冯诺伊曼首先提出该M o n t eC a r l o 方法。数学家冯诺伊曼用驰名世界的赌城
47、一摩纳哥(M o n t eC a r l o)来命名这种方法。1 7 7 7 年，法国数学家蒲丰提出用投针实验的方法求圆周率，这被认为是M o n t eC a r l o 方法的起源【5 9】。它的基本思想是，当所求解问题是某种随机事件出现的概率，或者是某个随机变量的期望值时，通过某种“实验”的方法，以这种事件出现的频率去估计这一随机事件的概率，或者得到这个随机变量的某些数字特征，并将其作为问题的解【5 9 1。M o n t eC a r l o 方法的应用主要包括以下三个步骤：(1)随机过程描述应用M o n t eC a r l o 分析的问题分为两种情况：一是问题本身具有随机性，如
48、超市排队问题，其分析的关键是如何准确的模拟整个随机运转过程；二是问题本身不具有随机性但可以利用随机过程求解，如定积分求解，这样就需要人为的构造一个特殊的随机过程，恰好使得过程中一些随机变量为该问题的目标解，即将非随机性问题转化为随机性问题【5 9 西引。(2)实现从已知概率分布抽样构造概率模型以后，由于各种概率模型都可以看作是由特定概率分布构成的，因此产生已知概率分布的随机变量，就成为实现M o n t eC a r l o 方法模拟实验的基本手段，因此M o n t eC a r l o 方法也被称为随机抽样。U 0，1】是最基本也最常用的概率分布，随机数就是符合该分布的随机变量，随机数序列
49、就是符合该分布的总体的简单子样，通过该分布进行抽样即可以产生随机数。计算机应用中通常采用数学递推公式产生随机数序列，该序列并不是真正的随机数序列，所以称为伪随机数序列。但是统计检验表明，该随机数序列与真正的随机数具有十分相近的性质，所以可将其视为真正的随机数来运用。由其他已知分布随机抽样一般都是基于该随机数序列通过转换来完成【5 9-6 l】。(3)建立各种估计量在构造概率模型并能从中抽样即实现模拟实验后，下一步即确定随机实验过程中某随机变量作为所求问题的解，该随机变量就称为无偏估计【6 0 l。1 22 3小结本章内容主要介绍了本文研究内容相关理论方法的基本概念和基本原理。首先简要描述了论文
50、研究系统安全分析评估方法所涉及到的相关特征量，也包括论文提出的反推概率的定义说明；然后对本文研究的G O B a y e s 法所涉及到的基础理论方法分别进行了概述，主要包括G O 法、B a y e s 理论和M o n t eC a r l o 方法等。本章内容为后面章节内容研究奠定了基础。3 基于可靠性和故障推理的系统安全综合分析方法本文针对传统方法在城市轨道交通车辆制动系统安全分析应用中的不足，结合制动系统实际运营过程中安全状态变化的概率统计规律，在可靠性分析方法G O法和B a y e s 概率推理理论的基础之上，研究提出一种基于可靠性和故障推理的系统安全综合分析方法，以下简称为G