故障树分析法在地铁班组管理中的应用

毛永文，杨伦军，肖 理

(四川铁道职业学院 机车车辆系，四川 成都 611732)

地铁是一个由车辆段、停车场、车站等组成的复杂系统，其中信号楼班组在车辆段、停车场组织行车、施工管理方面起着很重要的作用。信号楼值班员的工作状态、方法等直接或者间接影响地铁行车和施工作业。信号楼班组管理人员可以利用故障树分析法科学准确地分析班组安全事故，引导员工正确认识安全事故发生的原因，有针对性地采取有效的安全管理和防范措施，大大降低事故发生的概率，保证地铁车辆的安全运行。

1 故障树分析法

故障树分析法(fault tree analysis)是将系统故障的各种原因(包括硬件、环境、人为等因素)，由总体至部分，按照树型结构自上而下按层细化的分析方法[1]。这种方法把系统可能发生的事故与导致事故发生的各种原因之间的逻辑关系用一种被称为故障树的树形图表示，通过对故障树的定性与定量分析，找出事故发生的主要原因，为确定安全对策提供可靠依据，以达到预测与预防事故发生或者事后整改的目的。

在故障树中，基本事件(basic event)通过一些逻辑符号(与门、或门等)连接到一个或多个顶事件(top event)。顶事件一般是人们所不期望发生的事件，也是所要分析的对象事件。基本事件通常为导致顶事件发生的设备故障或者人员的错误操作。故障树分析法的基本步骤如下：

(1)定义事故类型或系统故障，确定系统故障事件，即顶事件；

(2)建立故障树；

(3)进行定性或定量分析；

(4)根据分析结果制定事故预防对策。

2 故障树分析理论

建立故障树需要基于一定的事故致因理论。随着社会的发展与科学技术的进步，人们在各种事故中不断总结经验，探索事故发生的规律，相继提出了各种不同的事故致因理论[2]。可根据地铁信号楼班组事故特点，选择合理的事故致因理论，演绎推理事故原因并建立故障树。班组事故分析应以班组管理缺陷为主要事故致因质点，设备、环境缺陷为辅。笔者选择海因里希事故致因理论，该理论指出“事故发生的主要原因是人的不安全行为，并从因果发生的角度阐明了导致伤亡事故的各种因素之间及这些因素与伤害之间的关系”[3]。对于从事车辆段、停车场行车调度指挥的信号楼班组发生的事故，在分析时要按照严格的逻辑关系，从顶事件开始自上而下逐级找出基本事件，每个下部事件都是上部事件形成的原因，上部事件是下部事件发生的结果[4]。

3 故障树分析法在地铁信号楼班组管理中的应用

案例背景：2014年12月27日，天津地铁某号线信号楼班组发生停车场内接触轨漏送电事故。当日21：52第一列下线列车运行至转换2轨，列车司机向信号楼值班员申请入场，信号楼值班员回复同意入场。当列车运行至场内接触轨时司机发现列车网压为零，列车出现逐渐减速现象。最终确定，事故是由停车场内接触轨漏送电引起的。

3.1 根据发生事件确定顶事件，建立故障树

故障树建立时，假定停车场内接触轨漏送电事故与公司行车调度、综合调度无关。根据事件背景，确定顶事件T为“停车场内接触轨漏送电”，然后根据海因里希事故致因理论演绎推理建立故障树，具体见图1。

图1 停车场内接触轨漏送电事故故障树Fig.1 The fault tree of contact rail leakage transmission accident of the parking lot

图1中：T表示停车场内接触轨漏送电；M1表示未发出送电申请；M2表示当班人员未发接触轨送电口头申请指令；M3表示发送接触轨送电口头申请指令当班人员缺勤；M4表示当班人员忘记发送接触轨送电口头申请指令；x1表示送电设备坏(如送电闸刀故障、接触轨本身故障等)；x2表示发送申请设备坏(如信号楼调度台出现问题)，且没有其他备用申请送电的通信设备；x3表示信号楼当班人员缺勤；x4表示当班人员对发送口头送电申请职责分工不明确，不知道由谁负责发送送电口头申请指令；x5表示监护人员监护不到位(未有效监护送电人员发送送电口头申请指令)；x6表示申请送电人员做其他事忘记发送送电口头申请指令；x7表示申请送电人员业务能力差，不知道如何发送送电口头申请指令；x8表示申请送电人员由于疲劳等原因精神状态差或是情绪较差，没有发送送电口头申请指令。

通过建立故障树，信号楼班组管理人员可以全面掌握引起顶事件发生的所有可能原因(基本事件x1～x8)，但是还不清楚这些基本事件间的逻辑关系，所以需要进行下一步的故障树分析。

3.2 故障树定性分析

故障树分析的目的是判别基本事件对顶事件影响的重要程度，即诱发事故(顶事件)发生的众多因素(基本事件)中，哪些是重要的、哪些是次要的，以便采取对策。

割集是故障树若干事件的集合，如果这些基本事件都发生,则顶事件必然发生。最小割集是基本事件数目不能再减少的割集，一个最小割集代表引起故障树顶事件发生的一种故障模式。

用上行法求最小割集：

M3=x3+x4，

(1)

M4=x5x6+x5x7+x5x8，

(2)

M2=M3+M4=x3+x4+x5x6+x5x7+x5x8，

(3)

M1=x2+M2=x2+x3+x4+x5x6+x5x7+x5x8，

(4)

T=x1+M1=x1+x2+x3+x4+x5x6+x5x7+x5x8。

(5)

式(5)共有7个集项，共得到7个最小割集：

G1={x1}，G2={x2}，G3={x3}，G4={x4}，G5={x5，x6}，G6={x5，x7}，G7={x5，x8}。

通过对顶事件最小割集的分析，信号楼班组管理人员明白了引起顶事件发生的所有基本事件之间的逻辑组合关系。

3.3 故障树定量分析

故障树中的基本事件并非同等重要，有的基本事件或其组合一发生，就会引起顶事件，有的则不然。对故障树中每个基本事件的重要程度给予定性、定量分析，对班组管理者制定有效的管理策略很有价值。

对该班组2012—2014年的上班情况记录进行统计分析，分别计算出各基本事件发生的概率，具体如表1所示。

表1 基本事件发生的概率Tab.1 Probability of the occurrence of basic events

数据来源：天津地铁某号线信号楼班组出勤、设备故障

维修等记录

3.3.1基本事件结构重要度分析

故障树的最小割集中所含基本数目不相等，各基本事件结构重要度可以采用式(6)近似判别比较：

(6)

式中：Iφ(j)为基本事件xj结构重要度的近似判别值，Iφ(j)值大者，则重要度大；xj∈Gr为基本事件xj属于最小割集Gr；nj为基本事件xj所在的最小割集中包含的基本事件数目。

各事件结构重要度判断如下：

(7)

同理可得

Iφ(2)=Iφ(3)=Iφ(4)=1；Iφ(5)=1.5；Iφ(6)=Iφ(7)=Iφ(8)=0.5。

根据计算结果，各基本事件结构重要度系数排列如下：

Iφ(5)>Iφ(1)=Iφ(2)=Iφ(3)=Iφ(4)>Iφ(6)=Iφ(7)=Iφ(8)。

也就是说，在故障树结构上，基本事件x5的位置对顶事件的影响最大，其次是基本事件x1、x2、x3、x4，再次是基本事件x6、x7、x8。

3.3.2基本事件概率重要度分析

由于顶事件的发生概率函数g是一个多重线性函数，只要对自变量qi求一次偏导，就可以得到基本事件的概率重要度系数，即

(8)

顶事件发生的概率可以近似使用公式(9)来计算，即

(9)

式中：NG为最小割集数；r为最小割集序数；i为基本事件序数；qi为第i个基本事件的发生概率。

结合表1中的基本事件概率，通过公式(9)可以得出顶事件的发生概率为

g=q1+q2+q3+q4+q5q6+q5q7+q5q8≈0.014。

利用公式(8)计算基本事件的概率重要度系数

同理可得

Ig(2)=Ig(3)=Ig(4)=Ig(1)=1，Ig(5)=q6+q7+q8=0.011，Ig(6)=Ig(7)=Ig(8)=0.048。

根据计算结果，各基本事件的概率重要度系数排列如下：

Ig(1)=Ig(2)=Ig(3)=Ig(4)>Ig(6)=Ig(7)=Ig(8)>Ig(5)。

也就是说，减少基本事件x1、x2、x3、x4的发生概率能使顶事件发生概率快速下降，其次是基本事件x6、x7、x8，最不敏感的是基本事件x5。

3.3.3基本事件临界重要度分析

临界重要度从敏感度和发生概率的双重角度衡量基本事件的重要度标准，它与概率重要度的关系为

(10)

结合前面已经计算出的基本事件概率重要度系数，基本事件的重要度系数

同理可得

IG(2)≈0.343；IG(3)≈0.379；IG(4)≈0.150；IG(5)≈0.372；IG(6)≈0.026；IG(7)≈0.004；IG(8)≈0.008。

根据计算结果，各基本事件临界重要度系数排列如下：

IG(3)>IG(5)>IG(2)>IG(4)>IG(1)>IG(6)>IG(8)>IG(7)。

与概率重要度相比，基本事件x3的重要性上升了，这不仅是因为它的敏感度值大，而且因为它的概率值也大。

表2 基本事件重要度Tab.2 The importance of the basic events

3.3.4基本事件重要度汇总分析

各基本事件的结构重要度、概率重要度和临界重要度如表2所示。

由表2可知：从结构重要度分析，基本事件x5在故障树结构上最重要，班组管理人员在制度建设上要予以重点关注；从概率重要度分析，基本事件x1、x2、x3、x4对顶事件发生概率的影响最大，对班组管理人员要加强监督检查，尽量降低事件x1、x2、x3、x4的发生概率；从临界重要度分析，基本事件x3是最可能造成顶事件发生的事件，其次是基本事件x5，班组管理人员尤其要重视对这两个事件的把控。

3.4 根据故障树分析结果制定信号楼班组管理策略

从以上分析可以看出，在导致顶事件发生的8个基本事件中，x1、x2、x3、x4、x5相对比较重要，所以班组管理人员要重点把控。下面从班组管理的角度，针对重要基本事件提出防范措施。

针对基本事件“送电设备坏(如送电闸刀故障、接触轨本身故障等)、发送申请设备坏(如信号楼调度台出现问题)且没有其他申请送电的通信设备”，防范措施为制定定期设备巡查制度，将区域设备安全责任落实到人，并明确责任处罚方式[5]。

针对基本事件“信号楼当班人员缺勤”，防范措施为从制度方面严格要求信号楼当班人员24 h在岗，要特别重视交接班作业，防止交班人员早退、接班人员迟到造成的空窗期，制定严格的管理制度严禁当班人员在当班期间做与工作无关的事情(如玩游戏、看电影、睡觉等)，影响申请送电作业。

针对基本事件“当班人员对发送送电申请职责分工不明确，不知道谁负责发送送电申请”，防范措施为将信号楼当班人员的职责以书面形式明确，让员工明白接触轨送电作业归谁负责。

针对基本事件“监护人员监护不到位(未有效监护送电人员发送送电口头申请指令)”，防范措施为制定严格的管理制度要求当班人员作业时严格执行“一人操作、一人监护、呼唤应答”制度，班组平日管理工作中要重视监护人的作用。

另外，信号楼班组管理人员(技术管理、工长)还要重视员工的个人素质和业务能力，定期对员工进行培训，使员工不仅能够完全胜任接触轨送电作业任务，而且能在潜意识里形成按时间点送电的习惯，要多关注员工的精神状态和情绪变化，若发现员工精神状态或情绪不适合在岗当班，即刻采取有效措施，如为防止员工疲劳当班，严禁员工私自调班。

3.5 结果验证

自2014年12月该班组发生停车场接触轨漏送电事故后，班组管理人员引导班组员工正确且深入分析事故原因，进一步强化了班组管理制度，着重将故障树分析的主要致因在制度中加以明确，并在平时的监督检查中重点关注、重点盯控。据统计，该班组之后再没有发生类似事件，充分验证了故障树分析法在现场班组管理中的有效性和实用性。

4 结语

直观、易懂的故障树分析法为企业班组预防安全事故发生和事故发生后进行整改提供了一种科学有效的方法。企业班组管理人员可以通过这种方法高效分析导致安全事故发生的管理缺陷，将影响顶事件发生的重要度较高的基本事件作为工作重点，尽快从安全管理角度建立健全安全规章制度来防范班组人员的不安全行为，加强监督检查力度，进一步保障设备的可靠性，尽可能降低事故发生的概率。