RAMS在城市軌道交通牽引系統設計中的應用

朱鵬舉+董 凱 胡彩鳳 吳能峰 楊北輝

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RAMS在城市軌道交通牽引系統設計中的應用

朱鵬舉+董 凱 胡彩鳳 吳能峰 楊北輝

摘 要：城市軌道交通牽引系統的RAMS（可靠性、可用性、可維護性和安全性）特性，在牽引系統的設計開發中具有非常重要的作用。介紹牽引系統的基本組成以及影響系統RAMS的因素，從需求定義、系統設計、設計與實現、實施與制造、測試與驗證、安全證據及交付這6個階段簡單描述了 RAMS 實施的過程。

關鍵詞：地鐵車輛；牽引系統；設計；RAMS

朱鵬舉：廣州市地下鐵道總公司，工程師，廣東廣州660431

最近十余年來，中國的城市軌道交通建設已經逐步進入到了高速有序發展的階段，產品的RAMS（可靠性、可用性、可維護性和安全性）越來越受到大家的關注，同時RAMS作為產品非常重要的屬性，在衡量牽引系統綜合性能的時候，已經越來越重要。本文從系統設計開發的角度，介紹了將RAMS需求引入到產品設計中的過程，提高產品的可靠性、可用性、可維護性和安全性。

1　RAMS定義

RAMS：Reliability（可靠性）、Availiability（可用性）、Maintainability（可維修性）、Safety（安全性）。RAMS是城市軌道交通牽引系統的長期工作特性，在系統的整個生命周期內，它通過系統的設計，運用各種技術方法和工具而實現。

2　牽引系統RAMS標準與要素

2.1牽引系統RAMS標準

城市軌道交通牽引系統，參照GB/T21562-2008《軌道交通 可靠性、可用性、可維修性和安全性規范及示例》、EN50128:2011《鐵路應用—通信、信號和處理系統—鐵路控制和防護系統軟件》、EN50129:2003《鐵路應用—通信、信號和過程控制系統—信號的安全相關電子系統》等標準進行系統的 RAMS 設計，具體標準對照如圖1所示。

圖1　牽引系統 RAMS 標準對照

2.2牽引系統 RAMS 要素

影響牽引系統的 RAMS 要素，主要來自3個方面：來源于在系統生命周期中任何階段系統內部的失效（系統環境）、運營過程中強加給系統的失效（運營環境）以及在系統維修工作中強加給系統的失效（維修環境），這些失效能夠相互作用，其關系見圖2。

圖2　影響牽引系統的 RAMS 因素

3　牽引系統概要

牽引系統是地鐵車輛的核心，完整的牽引系統如圖3所示，包括牽引變流器、輔助電源、牽引電機。

圖3　牽引系統功能結構圖

牽引變流器主要由高壓輸入電路、濾波電路、逆變單元、制動斬波電路、制動電阻、牽引控制單元、信號檢測電路等組成。它的基本功能是，把地鐵車輛從直流電源獲取的高壓直流電變換成幅值和頻率都可調的三相交流電，并給異步牽引電機供電，實現了直流側和交流側的能量傳輸。

輔助電源由輔助變流器主回路、充電機主回路、強迫風冷單元、緊急啟動單元和低壓控制單元共5個部分組成，用于向地鐵車輛上輔助負載提供三相交流電源，同時還為蓄電池和控制負載提供直流110 V 電源。

牽引電機是地鐵列車牽引的動力傳動裝置，是車輛運行的動力源泉。

4　牽引系統功能實現

4.1牽引變流器結構設計

牽引變流器及異步牽引電機構成交流電傳動系統，是列車的重要控制和動力系統，牽引變流器將地鐵車輛由直流電源獲取的高壓直流電變換為幅值和頻率可調的三相交流電，并給異步牽引電機供電，實現列車的牽引及制動；同時牽引系統具備網絡通信、故障保護、自診斷及監控功能。牽引變流器結構如圖4所示。

4.2輔助電源結構設計

輔助電源由輔助變流器主回路、充電機主回路、強迫風冷單元、緊急啟動單元和低壓控制單元共5個部分組成，實現三相交流380 V 和直流110 V 的輸出。系統結構如圖5所示。

牽引變流器由受電弓受流供電，然后轉入輔助電源，直流電經輔助變流器主回路單元逆變后輸出三相380 V 交流電，交流電經充電機主回路整流后輸出110 V直流電。其中，低壓控制單元控制系統運行，強迫風冷單元為系統通風，緊急啟動單元實現輔助電源的自激啟動。

圖4　牽引變流器結構圖

圖5　輔助電源結構圖

4.3牽引電機結構設計

牽引電機是完整的牽引系統驅動裝置的一部分，是牽引驅動的動力設備，將牽引變流器送過來的電能轉化為車輛行駛的機械能。電機采用鼠籠銅條轉子，定子繞組采取防電暈的絕緣結構，且要采取特殊措施，防止水對電機絕緣的損傷；軸承采取絕緣結構，防止變頻電源對軸承造成電腐蝕。

5　牽引系統RAMS實施關鍵階段

牽引系統 RAMS 的實施主要有6個關鍵階段，包括需求定義、系統設計、設計與實現、實施和制造、測試和驗證、安全證據及交付等。

5.1需求定義階段

需求定義階段是牽引系統設計開發的早期階段，其重要活動包括如下幾點。

（1）定義系統。確定系統的任務、范圍和應用條件。

（2）建立項目 RAMS 組織，依據系統定義的功能等相關需求進行危害分析，識別安全需求，完善系統需求。

（3）建立系統保證計劃、安全計劃、驗證和確認計劃。

在這幾個任務中，對牽引系統安全性起到重要作用的工作是危害分析。危害分析是一個系統工程，完整的危害分析包括初步危害分析、系統危害分析、子系統危害分析、部件/單元危害分析、接口危害分析、操作危害分析等，危害分析貫穿與整個牽引系統的設計開發，具體過程如圖6所示（其中：ALARP 即最低合理可行）。

5.2系統設計階段

經過系統定義階段之后，系統的需求以及RAMS需求都已經明確。在這個基礎上，系統設計階段主要的工作是明確系統硬件、軟件、結構要求，確定系統的硬件、軟件、結構需求以及安全需求，確定系統的安全設計原則，指導硬件、軟件、結構的具體設計工作開展。

牽引系統采用故障導向安全的機制，主要安全設計原則有系統設備器件冗余、故障診斷及狀態監控、性能余量設計。

（1）關鍵列車信號采用硬線和網絡冗余的設計。列車牽引控制采用網絡優先的控制方式，硬線緊急牽引控制作為備用。在列車控制網絡正常時，牽引和制動的控制通過列車控制網絡來實現；當列車控制網絡故障時，采用備用模式，由繼電器邏輯電路和列車硬線來實現列車的牽引和制動控制。

（2）牽引系統實時動態監控設備部件運行的狀態。系統及設備與列車控制和診斷系統（TCMS）通過多功能車輛總線（MVB）交換數據，完成地鐵車輛的通信管理、功能控制、故障診斷、信息顯示和事件記錄等主要功能。

（3）牽引系統與列車級網絡的通信時，系統自動檢測牽引控制單元（DCU）與中央控制單元（CCU）之間的MVB網絡是否完整，校驗信息是否一致，有無網絡生命信號，以保證車輛級和列車級網絡通信的安全。

（4）牽引系統故障診斷和保護策略，主要體現為反作用故障安全條件下。即牽引系統及設備發生故障時，在系統安全的條件下，對故障做出相應的反應。

圖6　危害分析過程圖

5.3設計與實現階段

系統的設計與實現階段，主要活動是將系統設計定義好的意見、軟件、結構等設計要求以及 RAMS 要求，落實到具體的硬件、軟件、結構設計中，具體包括如下幾點。

（1）將系統硬件、軟件、結構需求通過設計開發，依照安全設計原則，將需求轉換成相應的技術圖紙，最終轉換成顧客所需要的產品。

（2）通過安全設計、分析、評估來實施安全計劃，論證安全相關的設計決策，開展安全管理，準備安全論據。

（3）進行系統 RAMS 的預計，確保系統 RAMS 在設計中符合要求，其中 RAMS 的設計包括可靠性分析、可維護性分析以及可用性分析。下面舉例簡要說明可靠性分析和可維護性分析。

5.3.1可靠性分析

典型的牽引系統針對的是4動2拖（即4輛動車和2輛拖車）的列車編組模式，系統基本可靠性模型為串聯，系統所有部件均為串聯結構。

牽引系統采用普通概率法，用普通的概率公式擬定可靠性模型，假定各單元壽命服從指數分布，即具有恒定的失效率，計算過程如下。

可靠度函數為：

系統可靠度為：

系統失效率為：

系統平均無故障時間為：

5.3.2可維護性分析

可維護性分析的目的是分析系統是否達到了用戶要求的平均維修時間（MTTR）目標。我們采用按系統各個元件失效率進行加權平均的平均值的方法來計算MTTR，如下所示：

5.4實施和制造階段

經過系統定義、系統設計、設計與實現這幾個階段以后，牽引系統的需求以及 RAMS 需求，都具體落實在了設計中。在實施和制造階段，除了依據設計圖紙、技術要求等進行硬件制造、單元測試外，還需要確認制造出來的產品或系統是否與設計相符合，確保 RAMS 要求落實在系統或產品的實施制造中，同時在這個階段中需要不斷地維護危害日志，把影響系統安全的因素都進行指第 i 個單元的失效率，有效的管控與處理。

5.5測試和驗證階段

系統或產品實施制造完成后，為了確保實施和制造的結果符合要求，需要根據系統安全計劃、系統質量保證計劃、系統驗證和確認計劃、系統測試規范以及相關測試案例，對牽引系統進行測試，驗證系統需求包括 RAMS 需求是否都已經實現，系統安全可靠；同時維護并更新危害日志，確保安全相關措施均已落實，經過測試驗證有效。在這個階段，主要的驗證措施如下。

（1）需求檢查。采用需求跟蹤矩陣檢查的方式，確保需求實現無遺漏。

（2）文檔檢查。檢查系統或產品設計開發過程中的所有文檔，依此反應過程的有序、規范，各過程活動嚴謹。

（3）系統功能測試。基于良好定義的測試用例進行全面功能測試，以證實達到了預定的特征和安全需求。

（4）環境條件下的功能測試。在指定環境條件下進行安全相關功能和其他功能的測試。

（5）浪涌抗擾度測試。進行比實際運行條件邊界值更高的浪涌抗擾度測試。

（6）評審。在生命周期的適當階段進行評審，以證實實現了指定的特征和安全性需求。

5.6安全證據及交付階段

隨著系統的測試和驗證環節結束，安全證據及交付階段主要活動是對整個產品開發過程中的質量管理、技術安全、安全管理活動進行整理，完成安全案例，并經過系統驗收，發布系統，主要評估包括以下內容。

（1）評估系統需求規范中的需求均已在系統設計中實現，對系統故障后果進行了安全分析，系統在設計過程中考慮了不同的功能模塊相互獨立，以消除內部功能相互影響。

（2）對牽引系統的結構、接口、軟硬件安全設計準則、故障影響、操作和外部影響以及正確功能性操作保證等方面進行全面綜合的評估，評估牽引系統的RAMS需求是否已經滿足。

（3）評估危害日志，確保所有的危害都有效控制與處理，滿足系統安全要求。

6　結語

隨著城市軌道交通行業的深入發展，牽引系統是否安全可靠越來越受到重視，而 RAMS 作為提高產品安全可靠性能的一種方法，正在逐步應用于產品設計中，已成必然趨勢。本文闡述了牽引系統采用的 RAMS 相關標準，以及影響牽引系統 RAMS 的要素，通過生命周期的各個階段活動，簡要闡述了 RAMS 工作在各階段中的活動過程，有效地預防、控制、減少各種不利因素對系統RAMS 的影響，從而最終提高產品的競爭力，為客戶提供滿意的產品。

參考文獻

［1］ CENELEC. EN50126-1999Railway applications —The specification and demonstration of Reliability，Availability，Maintainability and Safety （RAMS）［S］.

［2］ BS EN50129:2003Railway applications —Communications，signaling and processing systems —Safety related electronic systems for signaling［S］.

［3］ BS EN50128:2001Railway applications —Communications，signaling and processing systems —Software for railway control and protection systems［S］.

［4］ GB/T21562-2008軌道交通可靠性、可用性、可維修性和安全性規范及示例［S］.

責任編輯 冒一平

Application of RAMS in Transit Traction System Design

Zhu Pengju, Dong Kai, Hu Caifeng, et al.

Abstract:RAMS (reliability, availability, maintainability and safety) of urban rail transit traction system, plays a very important role in the design and development of traction system. Traction system of basic composition and effect of RAMS system factors are introduced and described, including the six stages from requirements definition, system design, design and implementation, implementation and manufacturing, testing and validation, and security evidence and delivery of RAMS in implement process.

Keywords:metro vehicle, traction system, design, RAMS

中圖分類號：U260.2

收稿日期2015-07-03