高速鐵路大風(fēng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)可靠性分析

王 楠，史 宏，張德強(qiáng)，李曉宇

（1.中國(guó)鐵道科學(xué)研究院 電子計(jì)算技術(shù)研究所， 北京100081；2. 中國(guó)鐵道科學(xué)研究院 鐵道科學(xué)技術(shù)研究發(fā)展中心， 北京100081）

為保障高速鐵路運(yùn)營(yíng)安全，減少或消除因大風(fēng)天氣條件下導(dǎo)致鐵路行車(chē)事故，高速鐵路大風(fēng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)已成為高速鐵路重要的應(yīng)用系統(tǒng)之一。

在我國(guó)新建的高速鐵路上，依據(jù)線(xiàn)路所處的自然環(huán)境、地理?xiàng)l件以及防災(zāi)安全監(jiān)控技術(shù)，不同程度地建立了防災(zāi)安全監(jiān)控系統(tǒng)。例如，京滬（北京—上海）高速鐵路建立的防災(zāi)安全監(jiān)控系統(tǒng)，包括了大風(fēng)監(jiān)測(cè)、雨量監(jiān)測(cè)、地震監(jiān)控和異物侵限監(jiān)控。這些防災(zāi)安全監(jiān)控系統(tǒng)投入使用的時(shí)間并不長(zhǎng)，但為保證高速鐵路安全運(yùn)營(yíng)發(fā)揮了重要作用。

1 大風(fēng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)邏輯結(jié)構(gòu)

部分以串聯(lián)方式構(gòu)成，其中，傳感器、監(jiān)控單元、數(shù)據(jù)處理設(shè)備、網(wǎng)絡(luò)傳輸及供電系統(tǒng)采用了二級(jí)冗余，邏輯結(jié)構(gòu)如圖1。

圖1 大風(fēng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)邏輯結(jié)構(gòu)圖

大風(fēng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)具有大風(fēng)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和大風(fēng)報(bào)警兩項(xiàng)功能，主要是對(duì)危及列車(chē)運(yùn)行安全的大風(fēng)進(jìn)行監(jiān)測(cè)報(bào)警，將災(zāi)害報(bào)警、限速、停運(yùn)等信息提供給運(yùn)營(yíng)調(diào)度所，為列車(chē)運(yùn)行計(jì)劃調(diào)整、下達(dá)搶險(xiǎn)救援、行車(chē)管制和維修管理等命令提供依據(jù)，當(dāng)風(fēng)速超過(guò)報(bào)警閾值時(shí)，自動(dòng)產(chǎn)生大風(fēng)報(bào)警信息（報(bào)警等

高速鐵路大風(fēng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)包含風(fēng)傳感器，監(jiān)控單元，監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)處理中心，調(diào)度終端，工務(wù)終端，網(wǎng)絡(luò)傳輸及供電系統(tǒng)。系統(tǒng)的邏輯結(jié)構(gòu)由各組成級(jí)、限速區(qū)段、臨時(shí)限速值），并傳送到調(diào)度所防災(zāi)終端。

2 大風(fēng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的可靠性分析

2.1 FMEA分析

采用失效模式及影響分析法（FMEA）對(duì)大風(fēng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)進(jìn)行歸納，分析可能存在的失效模式及其產(chǎn)生的后果和影響，找出薄弱環(huán)節(jié)，并實(shí)施重點(diǎn)改進(jìn)和控制。

對(duì)幾個(gè)鐵路局現(xiàn)有大風(fēng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)研，截至到2012年4月，對(duì)發(fā)現(xiàn)的問(wèn)題作失效模式及影響分析（FMEA），歸納為6種失效模式，如表1。

表1 失效模式分析表

各失效模式按比率排序如圖2。

圖2 各失效模式所占比率排序

這6種失效模式不可能通過(guò)簡(jiǎn)單的落實(shí)管理制度來(lái)完全避免，需要對(duì)其可靠性作進(jìn)一步分析。

2.2 可靠性分析

大風(fēng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)屬于可修復(fù)性系統(tǒng)，系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中，正常情況與故障情況交替出現(xiàn)，如圖3。

圖3 大風(fēng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)運(yùn)行進(jìn)程圖

其中，Xi和Yi分別表示第i個(gè)周期的開(kāi)工時(shí)間和停工時(shí)間，i=1,2,…,n，在開(kāi)工時(shí)間內(nèi)系統(tǒng)屬于正常狀態(tài)， 在停工時(shí)間內(nèi)系統(tǒng)屬于故障狀態(tài)。

2.2.1 大風(fēng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的隨機(jī)過(guò)程模型

考慮到大風(fēng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的運(yùn)行及維修特點(diǎn)，系統(tǒng)的維修和調(diào)試只能在天窗點(diǎn)進(jìn)行，因此可以不考慮維修時(shí)間，于是系統(tǒng)故障發(fā)生的時(shí)刻可以看成時(shí)間軸上的一些隨機(jī)點(diǎn)，因而能夠用隨機(jī)過(guò)程來(lái)描述。

不考慮系統(tǒng)老化帶來(lái)的系統(tǒng)性能降低和系統(tǒng)升級(jí)帶來(lái)的系統(tǒng)性能增加，我們假定系統(tǒng)故障時(shí)間服從指數(shù)分布，從而可以用時(shí)齊普阿松過(guò)程（HP模型）來(lái)描述系統(tǒng)故障時(shí)間。

針對(duì)以上假定，搜集大風(fēng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)故障數(shù)據(jù)并對(duì)其進(jìn)行驗(yàn)證。

武廣高速鐵路2012年2月8日—4月16日故障統(tǒng)計(jì)如表2。

利用以上數(shù)據(jù)，對(duì)大風(fēng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的運(yùn)行規(guī)律為時(shí)齊普阿松過(guò)程（HP模型）的假定進(jìn)行非參數(shù)檢驗(yàn)，使用柯?tīng)柲缏宸?斯米洛夫檢驗(yàn)（Kolmo-gorov-Smirnov Test），計(jì)算得P值為0.1189>0.05，即大風(fēng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的運(yùn)行規(guī)律為時(shí)齊普阿松過(guò)程（HP模型）的置信度為95%以上。

2.2.2 系統(tǒng)無(wú)故障工作時(shí)間分布

系統(tǒng)無(wú)故障工作時(shí)間的分布為：

Fi(t)=P{xi≤t}

無(wú)故障工作平均時(shí)間（MTTFF）是：

對(duì)武廣高速鐵路2012年2月8日—4月16日的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，得到無(wú)故障工作平均時(shí)間的估計(jì)值為：

MTTFF=2.65（天）

2.2.3 （0, t] 時(shí)間內(nèi)故障次數(shù)的分布

高速鐵路防災(zāi)安全監(jiān)控系統(tǒng)隨時(shí)間運(yùn)行的進(jìn)程是正常情況與故障情況交替出現(xiàn)的過(guò)程，因此，在（0, t] 時(shí)間內(nèi)故障次數(shù)N(t)是一個(gè)取非負(fù)整數(shù)的隨機(jī)變量，系統(tǒng)在（0, t] 時(shí)間內(nèi)故障次數(shù)的分布是：

Pk(t)=P{N(t)=k}, k=0,1,2,…, n

表2 武廣高速鐵路12年2-4月大風(fēng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)備故障統(tǒng)計(jì)表

系統(tǒng)在（0, t] 時(shí)間內(nèi)的平均故障次數(shù)為：

當(dāng)()Mt可導(dǎo)時(shí)，瞬時(shí)故障頻度為：

系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)故障頻度為：

對(duì)武廣高速鐵路2012年2月8日—4月16日的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，得到系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)故障頻度的估計(jì)值為：M=11.57次/月

3 提高大風(fēng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)可靠性的措施

3.1 可靠性?xún)?yōu)化原則

根據(jù)上述分析，對(duì)提高大風(fēng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)可靠性應(yīng)遵循以下原則：

（1）使系統(tǒng)保持簡(jiǎn)單，模塊化的結(jié)構(gòu)，既能滿(mǎn)足性能要求，也能保證維修方便，增加系統(tǒng)的有效度。（2）對(duì)于可靠性低的關(guān)鍵環(huán)節(jié)重點(diǎn)關(guān)注，使用高級(jí)材料或更多的研究來(lái)提高可靠性。對(duì)于可靠性高的環(huán)節(jié)，在不致大幅降低可靠性的條件下可以適當(dāng)降低材料費(fèi)用，最終達(dá)到提高可靠性，降低系統(tǒng)成本的目的。（3）對(duì)可靠性低的部件或級(jí)，使用并聯(lián)冗余，但要保證冗余設(shè)計(jì)的合理性，不致降低系統(tǒng)的可用性。（4）使用預(yù)防性維修，在某一固定的時(shí)間間隔內(nèi)，不管欲替換的部件是否失效，均用一些新的部件來(lái)替換。

3.2 可靠性?xún)?yōu)化措施

3.2.1 硬件問(wèn)題

對(duì)線(xiàn)上使用的風(fēng)速風(fēng)向計(jì)，選取同型號(hào)設(shè)備進(jìn)行檢測(cè)、標(biāo)定，確定其可靠度，并對(duì)替換下來(lái)的故障風(fēng)速風(fēng)向計(jì)進(jìn)行分析，查找其故障原因，以提高風(fēng)速風(fēng)向計(jì)的可靠性。

3.2.2 供電問(wèn)題

（1）增設(shè)一套檢測(cè)設(shè)備，對(duì)防災(zāi)監(jiān)測(cè)單元引出的防災(zāi)電纜線(xiàn)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)故障，同時(shí)對(duì)電纜或設(shè)備性能劣化造成的指標(biāo)變化提前掌握，以便及時(shí)采取措施。（2）UPS及電源開(kāi)關(guān)故障引發(fā)的系統(tǒng)故障較多，更換可靠性高的產(chǎn)品。

3.2.3 網(wǎng)絡(luò)傳輸問(wèn)題

定期檢測(cè)網(wǎng)絡(luò)及交換機(jī)，保障網(wǎng)絡(luò)通暢。

3.2.4 軟件問(wèn)題

對(duì)于系統(tǒng)中軟件問(wèn)題，廠(chǎng)家應(yīng)及時(shí)升級(jí)，提高系統(tǒng)的可用性。

3.2.5 系統(tǒng)設(shè)計(jì)問(wèn)題

（1）變更或優(yōu)化防雷設(shè)計(jì)，消除因雷擊而產(chǎn)生的系統(tǒng)運(yùn)用故障。（2）分析現(xiàn)有大風(fēng)監(jiān)測(cè)點(diǎn)分布、運(yùn)用情況及歷史氣象資料，在合理地點(diǎn)增設(shè)大風(fēng)監(jiān)測(cè)點(diǎn)。（3）研究大風(fēng)預(yù)測(cè)模型，增加大風(fēng)提前預(yù)警能力。

3.2.6 人員維護(hù)問(wèn)題

建議增加高速鐵路防災(zāi)安全監(jiān)控系統(tǒng)專(zhuān)業(yè)專(zhuān)職維護(hù)人員，以保障系統(tǒng)故障的及時(shí)解決，提高系統(tǒng)的可靠性。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文應(yīng)用失效模式及影響分析法（FMEA），對(duì)影響高速鐵路大風(fēng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)可靠性的原因進(jìn)行研究，歸納出6中故障模式。通過(guò)創(chuàng)建隨機(jī)模型，利用時(shí)齊普阿松過(guò)程（HP模型）檢驗(yàn)大風(fēng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的運(yùn)行規(guī)律，提出可靠性的優(yōu)化原則，并從系統(tǒng)硬件、供電、網(wǎng)絡(luò)傳輸及人員維護(hù)等方面提出優(yōu)化建議，從而提高系統(tǒng)可靠性。

[1] 王彤. 鐵路防災(zāi)安全監(jiān)控系統(tǒng)[C] . 第五屆中國(guó)智能交通年會(huì)暨第六屆國(guó)際節(jié)能與新能源汽車(chē)創(chuàng)新發(fā)展論壇優(yōu)秀論文集（上冊(cè)），2009.

[2] 郭奇園，楊林，王小鐵. 客運(yùn)專(zhuān)線(xiàn)綜合防災(zāi)安全監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J] . 鐵路計(jì)算機(jī)應(yīng)用，2007（9）.

[3] 趙廷弟. 系統(tǒng)可靠性設(shè)計(jì)分析教程[M] . 北京：航天航空大學(xué)出版社，2004.

[4] 程侃. 壽命分布類(lèi)與可靠性數(shù)學(xué)理論[M] . 北京：科學(xué)出版社， 1999.

[5] 茆詩(shī)松. 可靠性統(tǒng)計(jì)[M] . 北京：高教出版社，2008.

[6] （美）F.A.蒂爾曼. 系統(tǒng)可靠性最優(yōu)化[M] . 北京：科學(xué)出版社，2011.