淺析自動售檢票系統設備可靠性指標的計算方法

楊 姝

（廣州市地下鐵道總公司，廣東廣州 510380）

0 引言

可靠性是衡量產品質量的一項重要指標，可靠性分析的一個重要任務是保證所設計的設備能夠在規定的工作時間內、在給定的條件下完成規定的功能。目前可靠性分析方法已滲透到機械設計的各個領域，為工程設計提供行之有效的分析方法和選用依據。

隨著設備向結構復雜化、功能多樣化方向發展，對設備可靠性的要求也越來越高，可靠性是一項綜合技術指標，涉及到設備的設計、制造、安裝、使用、維護、更新等各個環節，并受到設備的結構、性能、成本及市場需求等諸多方面的影響。其中，設計和制造對設備可靠性的影響最大。在這兩個環節，要采取各種有效措施來提高設備的可靠程度，諸如充分考慮到設備的工作環境和使用條件，采用簡單的結構形式，選用可靠的零部件，制定可靠的方案。

自動售檢票系統（AFC 系統）是一個覆蓋廣州地鐵全線網的計程計時的全自動收費系統，一旦出現故障，可能會導致嚴重的后果。在分析AFC 系統中各單項設備的組成、功能和原理的基礎上，對系統的主要設備閘機（Gate）、自動售票機（TVM）、自動驗票機（TCM）、票房售票機（BOM）、車站計算機（SC）和線路中央計算機（LCC）的各項可靠性指標進行建模分析。預先估計這些產品的可靠性參數，發現影響可靠性的主要因素。在設備系統的選型、開發、實施過程中高度關注可靠性問題，在硬件設計、制造、生產的各個環節采用既有的可靠性工程技術，提高系統的可靠性。

1 可靠性指標計算方法

1.1 術語定義與基本計算公式[1-2]

系統的可靠性，廣義上稱為RAMS，即可靠性、可用性、可維護性和安全性（Reliability，Availability，Maintainability and Safety）。RAMS 是系統服務質量衡量的一個重要特征。RAMS 的指標主要包括：MTBF （平均故障間隔時間）、MCBF（平均無故障使用次數）、MTTR（平均修復時間）和可用性（Availability）等。

（1）MTBF（Mean time between failures）：平均故障間隔時間，可修產品基本可靠性的度量參數。其度量方法為：在規定的條件下和規定的時間內，產品的壽命單位總數與故障次數之比。

一個可修產品在使用過程中發生了N0次故障，每次故障修復后又重新投入使用，測得其每次工作持續時間為t1，t2，…，tN。其平均故障間隔時間（用符號MTBF 表示）為：

其中，T為產品總的工作時間。

（2）MTTR（Mean time to repair）：平均修復時間，是產品維修性的一種基本參數。其度量方法為：在規定條件下和規定時間內，產品在任一規定的維修級別上，修復性維修總時間與在該級別上被修復的故障總數之比。

（3）MCBF（Mean cycle between failures）：平均無故障使用次數。其度量方法為：在規定的條件下和規定的時間內，產品的使用次數與故障次數之比。MCBF與MTBF的關系：

其中，C 為設備使用一次的平均時間。

（4）MTBSF （Mean time between significant failures）：平均嚴重故障間隔時間。MTBSF與MTBF度量的區別為，MTBSF度量忽略非關鍵模塊的故障。

（5）故障率（用λ 表示）：即failure rate。指設備或部件在規定條件下，規定期限內發生故障的次數。故障率與MTBF關系：

（6）MDT （Mean down time）：平均停機時間。是將平均修復時間（MTTR）擴展至包括運營及維護員工到達現場前的響應時間及運營員工在現場的診斷時間。即：

MDT=MTTR＋故障響應時間＋故障診斷時間。

1.2 MTBF/MCBF計算方法[3]

根據GJB813－90《可靠性模型的建立和可靠性預計》中提到的可靠性框圖模型的方法進行可靠性建模及計算。

可靠性建模及計算中采用以下假設：

設備及組成單元只有故障與正常兩種狀態，不存在第三種狀態；

設備單個模塊的故障會造成整個設備的故障，特別說明的除外；

設備各個模塊的故障概率是相互獨立的；

當人員可靠性沒有納入到設備可靠性模型時，假設人員是完全可靠，而且人員與設備之間沒有相互作用。

基于以上假設，設備可靠性計算的數學模型為：

其中，Rs（t）為設備的可靠度，Ri（t）為第i個模塊的可靠度，λi（t）為第i個模塊的故障率，n為組成設備的模塊數。

進一步推導，得到設備故障率計算公式：

其中，λs為系統的故障率，λi為第i 個模塊的故障率，n為組成設備的模塊數。

根據公式（2）、公式（3）與公式（5），得到MTBF計算公式：

式（6）中，MTBFs為系統的MTBF，λi為第i個模塊的故障率，n為組成設備的模塊數。

MCBF計算公式：

式（7）中，MCBFs為系統的MCBF，MTBFs為系統的MTBF，C 為設備使用一次的平均時間。

1.3 MTTR計算方法[4-5]

采用GJB/Z57-94 《維修性分配與預計手冊》中方法205 時間累計預計法進行維修性預計，該方法用于預計航空、地面及艦載電子設備在各級維修的維修性參數，也可用于任何使用環境的其它各種設備的維修性預計。

時間累計法是根據歷史經驗或現成的數據、圖表，對照設備的設計或設計方案和維修保障條件，一次對一個可維修單元維修活動的時間進行分解，分別收集，累加成該可更換單元的維修時間，再依據可更換單元的故障率，經過累加或求均值，預計設備或系統的維修性參數。

其中，MTTR 為系統的MTTR，λi為第i個模塊的故障率，Ri為第i個模塊的維修時間，n為組成設備的模塊數。

1.4 設備可用性（Availability）計算方法

通過分析設備的平均修復時間（MTTR），維修響應時間和故障診斷時間，可以計算得到設備的平均停機時間（MDT）。設備可用性計算公式：

式（9）中，As為系統的可用性，MTBF 為系統的平均故障間隔時間，MDT 為系統的平均停機時間。

在不考慮維修響應時間和故障診斷時間的情況下，該公式也可以簡化成：

2 AFC系統設備可靠性設計目標

根據地鐵運行多年經驗，對AFC 系統設備可靠性設計目標做了如表1所示要求。

表1 廣州地鐵AFC系統設備可靠性設計目標

3 AFC系統設備的可靠性計算及說明[6-7]

通過上述推導，可知計算AFC 系統設備可靠性流程如下：

（1）篩選各設備的關鍵模塊；

（2）收集這些關鍵模塊的MTBF/MCBF數據；

（3）根據公式（2）和（3）計算出這些模塊的故障率λ；

（4）根據公式（6）和（7），計算出設備的MTBF和MCBF；

（5）統計設備關鍵模塊的分解、更換、結合和上電檢測等作業時間，得到各模塊的維修時間R；

（6）根據公式（8）和（9），計算出設備的MTTR和可用性As。

因此，篩選設備的關鍵模塊尤為重要，這些模塊的性能，直接影響了設備的可靠性。根據廣州地鐵AFC 系統運行經驗，各設備的關鍵模塊如表2～表7 所示。

表2 閘機設備的主要模塊單元

表3 TVM設備的主要模塊單元

表4 TCM設備的主要模塊單元

表5 BOM設備的主要模塊單元

表6 SC主要設備模塊單元

4 結束語

以上探討，對AFC 系統設備可靠性指標的計算方法提供了一定參考。但地鐵客流量的大小對設備可靠性影響不可忽視：閘機的平均無故障間隔時間，和客流量成反比；而TVM每天發售單程票數量、TCM 和BOM 的使用次數、SC 和LCC 處理的交易數都和客流量成正比。因此，在進行設備選型時，要充分考慮客流預測，選取能滿足工程需求的設備型號，更好地為地鐵服務。

表7 LCC系統主要設備模塊單元

［1］EN 50126-1999.Railway Applications-The Specification and Demonstration of Reliability，Availability，Maintainability and Safety（RAMS）［S］.

［2］GB 7289-1987.可靠性、維修性與有效性預計報告編寫指南［S］.

［3］GJB813-90.可靠性模型的建立和可靠性預計［S］.

［4］GJB451-90.可靠性維修性術語［S］.

［5］GJB/Z 57-1994.維修性分配與預計手冊［S］.

［6］GJB/Z 299B-1998.電子設備可靠性預計手冊［S］.

［7］GB 5081-1985.電子產品現場工作可靠性、有效性和維修性數據收集指南［S］.