基于層次分析法的CTCS3-300T型列控車載設備可靠性分析

尹洪志

(南京電務段，南京 210011)

基于層次分析法的CTCS3-300T型列控車載設備可靠性分析

尹洪志

(南京電務段，南京 210011)

300T型列控車載設備作為CTCS-3級列控系統的重要組成部分，在目前上線運用的車載設備中占有較重比例，其運用可靠性對于CTCS-3級列控系統整體可靠性有著至關重要的影響。通過對列控系統工作原理及故障的分析總結，運用層次分析法理論，得出影響整個列控系統運用可靠性因素的權重及排序，明確在提高列控車載系統可靠性應注意的主要方面，為優化系統結構設計以及設備日常維護管理提供參考。

CTCS3-300T；列控車載設備；可靠性；層次分析法

中國列車控制系統（Chinese Train Control System，CTCS）的主要功能是有效的保證列車安全運行，并以分級形式滿足不同線路、不同列車的運營需求。根據不同的線路條件和功能、不同的信息傳輸方式和閉塞技術，可以將CTCS系統劃分為5個等級，依次為CTCS-0～CTCS-4級。CTCS-3級是基于無線傳輸信息并采用軌道電路等方式檢查列車占用的列車運行控制系統，主要面向提速干線、高速線路或特殊線路。

本文所要完成的目標是：以300T型列控車載設備為例，統籌考慮CTCS-3級列控系統各個環節，運用層次分析法理論，量化計算得出影響整個列控系統運用可靠性因素的權重及排序，明確在提高列控車載系統可靠性應注意的主要方面，為優化系統結構設計以及設備日常維護管理提供參考。

1 CTCS3-300T型列控車載設備構成

CTCS3-300T型設備（以下簡稱300T）由北京全路通信信號研究設計院集團有限公司開發研制，基于瑞典龐巴迪公司的產品原型，結合我國CTCS-3級系統需求加以優化，目前裝備于CRH2C、CRH3、CRH380A/B/D等車型,適應于時速300 km線路。在裝備300T車載設備的動車組中，ATP設備與動車組的通信接口采用繼電器或MVB總線方式，CRH2C及CRH380A/AL動車組采用繼電器接口，ATP通過繼電器采集車輛駕駛室激活、手柄位置、制動反饋信號等信息，并通過繼電器向車輛輸出切牽引、常用制動、緊急制動等命令。300T型列控車載設備采用分布式結構,結構框如圖1所示。

2 層次分析法原理介紹

20世紀70年代中期，美國著名運籌學T.L. Saaty教授提出層次分析法（Analytic Hierarchy Process，簡稱AHP）的基本架構和原理，其主要特征是合理的將定性與定量的決策結合起來，具有系統性、層次性、實用簡潔性等優點，特別適用于一些難于完全定量分析的問題。運用層次分析法建立模型時，一般遵循以下4個步驟。

圖1 CTCS3-300T設備C2/C3通用結構框圖

1）建立遞階層次結構模型

應用AHP分析決策問題時，基本思路是先分解、后綜合，將問題層次化、條理化，根據總目標，分解成不同組成因素，依據相互隸屬關系，形成層次聚集組合，進而構建層次結構模型。層次分析法結構如圖2所示。

圖2 層次分析法結構

2）構造層次判斷矩陣

采用兩兩比較的方法來建立判斷矩陣，層次結構反映各因素之間的相互關系。如圖2所示，設目標任務分解為V={v1，v2,…，vn}，vn={vn1，vn2，…vnk}，對目標V進行分解，經兩兩比較評價因素中的元素，建立判斷矩陣為

元素Vi和Vj的比較結果記作bij，一般情況下采用的比例標度用1-9標度進行衡量，其具體含義如表1所示。

3）一致性檢驗及層次單排序

所謂層次單排序是指，對于上一層某因素而言，本層次各因素之間的重要性排序。在單一準則下，計算各因素的相對權重，可以通過求解特征根和特征向量得出，對于BnW＝λmaxW；其中Bn的最大特征根記為λmax，對應λmax的特征向量記為W 。

表1 層次分析法比例標度

對矩陣Bn的各個行向量進行幾何平均，然后進行歸一化處理，

即求得單一準則下各因素的相對權重，記作W=[w1，w2，…wn]T。對判斷矩陣進行一致性檢驗，

定義C.R.為隨機一致性比率，R.I.為平均隨機一致性指標，其中，R.I.取判斷矩陣特征值的算術平均數，而矩陣特征值是基于超過500次以上重復計算隨機得出的。本文R.I.的取值是基于重復計算1 000次得出的結果，如表2所示。

表2 基于1 000次計算下的平均隨機一致性指標

當指標C.R.＜0.1時，判斷認為矩陣一致性檢查可以接受。

4）層次總排序及一致性檢驗

組合權重是在單層次排序的基礎上，根據遞進層次結構，自上而下地將單準則下的權重進行合成。令二階評價因素V11，Vi2，…，Vnk相對于Vi的權重分別記為l1i，l2i，…，lmi，計算二階評價因素相對于總目標的權重，按表3所示方式進行，得出各因素的層次總權重排序。

總權重排序同層次單排序一樣，也應作一致性檢驗，其步驟從最高層開始、逐層進行。在單一準則下構建二階評價因素v11，vi2，…vnk關于Vn有關因素的比較判斷矩陣，且滿足一致性檢驗，計算得出一致性指標為C.I.（j），（j=1，2，…n），其對應的平均隨機一致性指標為R.I.（j），則該層元素相對于總目標的隨機一致性比率為：

當C.R.＜0.1時，則判定層次總權重的排序結果具有滿意的一致性。

表3 評價因素權重系數

3 基于層次分析法的300T型列控車載設備可靠性分析

300T型列控車載設備按照故障-安全原則進行設計，有2套獨立的工作系統，定義為A系、B系，硬件冗余為冷備。如若主用系統故障時，可由司機通過轉換冗余開關，倒向備用系統工作，單系獨立設備故障后，不影響整個系統的正常運用。車載設備主要由車載主機和車載外圍設備組成，并通過車載設備外部接口與動車組、動態監測設備等外部設備連接。300T設備系統框如圖3所示。

針對300T列控車載設備故障，一般可概括為兩種類型。

一種為ATP設備自身故障，體現在各部件未能正常工作或自身邏輯處理單元工作異常而導致的。可以分為軟件、硬件問題兩大類。軟件問題主要是因ATP設備處理邏輯可能存在的偶發計算問題，或ATP設備邏輯處理與地面信號設備之間可能存在一定的不匹配問題所導致的；另一種為結合部故障，體現在運用途中因設備軟件邏輯缺陷或外部信息的變化，使得ATP設備自身為確保列車運行安全而輸出的異常制動停車。

基于以上分析，引起300T型列控車載設備工作異常的原因可歸為3類。

1）主控設備側故障：主要包括硬件設備故障和軟件設備故障。硬件設備故障主要有車載計算機主控單元模塊故障、BTM、STM接收單元工作異常、Profibus總線異常等；軟件故障主要有A/B比較不一致等。

2）車輛接口側故障：此類故障主要是繼電器故障、車輛生命信號異常故障以及VDX安全輸入輸出異常等。

圖3 CTCS3-300T設備系統框圖

3）車地通信側故障：此類問題可能存在于RBC故障、無線通信故障、地面應答器及發碼異常以及CTC/聯鎖接口傳輸異常等方面。

3.1 建立可靠性影響因素層次結構模型

CTCS3-300T型列控車載系統可靠性影響因素層次結構如圖4所示。圖中最上層系統失效定義為A層，引起系統失效的3個方面原因定義為B層，具體故障因素定義為C層。

圖4 CTCS3-300T型列控車載系統可靠性影響因素層次結構

3.2 設備運用可靠性影響因素重要性排序

1）構造B層的元素對A層的判斷矩陣，并進行一致性檢驗。

將矩陣A按行歸一化

W=[0.122 0.230 0.648]T

因此

矩陣A一致性可接受。

2）構造C層的元素對B層的判斷矩陣，并進行一致性檢驗。

歸一化

根據表3，計算一致性比例，得：

由此可判斷矩陣B1、B2、B3一致性可接受。

3）計算C層相對與A層的總權重和排序，并進行一致性檢驗

根據前兩個步驟的計算結果，得出總權重和排序表，如表4所示。

表4 CTCS3-300T型列控車載系統可靠性因素影響權重系數

從表4中可以看出，CTCS3-300T型列控車載系統可靠性影響因素按權重排序依次為列車接口模塊故障、車輛生命信號異常、無線管理模塊故障、接口繼電器故障、Profibus總線異常、系統軟件異常、RBC無線閉塞中心故障、速傳設備故障、無線電臺故障、GSM-R天線故障、ATP主控單元故障、DMI故障以及BTM故障。

4 提高CTCS3-300T型列控車載設備的可靠性措施

基于層次分析法的運用，對影響300T型列控車載系統可靠性有關因素進行定性定量分析，得出各因素影響力權重排序，找出在提高列控車載系統可靠性時應重點關注的關鍵環節，進而作為日常設備維護的工作重點，制定有針對性地維修策略加以防范。

通過表4所示各影響因素的排序結果可以看出，車輛接口側和車地通信側設備故障對整個系統可靠性的影響相對較大，其中，設備硬件故障占較大比例。通過分析可知，在設備硬件故障率一定的條件下，設備冗余會給系統可靠性帶來關鍵影響。除此以外，車輛生命信號異常、Profibus總線異常、系統軟件異常帶來的影響也不可忽視。

1）提高系統硬件設備的可靠性：通過對CTCS3-300T型列控車載系統故障因素定位結果可以看出，硬件設備故障會給系統可靠性帶來較大的影響，尤其是車地通信側和列車接口側相關設備的可靠性。因此，在對硬件設備進行選擇時，應盡量提高篩選的標準和條件，嚴格控制篩選的實驗環境，加大元器件的篩選力度，盡可能選用高可靠性的硬件設備。

此外，為有效防止硬件偶然性和耗損性失效帶來的設備故障，提高列控硬件設備的可靠性，非常有效的手段主要有強化設備的日常維護以及嚴格落實修程修制等措施。

2）適當提高設備冗余度：由可靠性理論中混聯系統可靠性模型得知，系統部件的冗余度越高，系統的可靠性就越高。因此，在選取合理的系統架構情況下，適當增加硬件設備的冗余度，如列車接口模塊、無線管理模塊、C3主控單元、BTM以及測速設備等都采用雙套冗余，針對安全數字輸出單元相關環節無冗余問題，可采取增設冗余繼電器的方式，在系統中增設EB1等非冗余的繼電器，并增加選擇電路，由既有VDX單元判斷是否存在繼電器內部存在異常或動作超時情況，一旦發現則控制選擇電路切換VDX相關的端口，在較短時間內自動進行切換，這樣會大大提高系統的可靠性；針對與車輛通信接口的AG繼電器接點可靠性等問題，應在接點冗余方面加以改進，采取增加繼電器內部接觸點的方式，提高接點接觸穩定性，將既有的接點一分為二，確保接點接觸良好。

3）完善系統軟件功能：針對軟件存在的缺陷，通過增加數據檢測及錯誤診斷功能來進一步改善功能執行條件，同時在軟件因素上按照EN 50128開發達到安全等級要求的軟件、增加軟件誤差校正能力來提高整個系統運用的穩定性，進一步優化完善各類軟件的邏輯控制，減少由于軟件缺陷導致的各項控車功能異常。

5 總結及結束語

CTCS-3級列車控制系統是基于歐洲ETCS2的基礎上，結合中國鐵路實際，不斷改進創新發展起來的，是高速列車安全、可靠、高效運行重要控制系統。300T型列控車載設備作為CTCS-3級列車控制系統的重要組成部分，其運用可靠性將給CTCS-3級列控系統的運用可靠性和安全性帶來關鍵影響。因此，關于CTCS3-300T型列控車載設備運用可靠性的分析研究，對優化系統的可靠性設計及制定維修標準具有重要的現實意義。本文主要的研究成果有：一是對300T型列控車載設備的故障進行規范分類，運用層次分析法對各影響因素進行權重量化排序，找出關鍵環節以進行針對性防范；二是除了考慮300T型列控車載設備本身可靠性之外，綜合CTCS-3級列控系統整體運用所涉及的通信設備側和地面設備側的相關設備，從整體上分析系統的可靠性；論文也存在較多不足，如運用層次分析法進行定量分析時，只考慮了影響可靠性的關鍵因素，未能完全涵蓋影響CTCS3-300T型列控車載設備系統的各個環節，與實際結果間存在一定的誤差，還需要作進一步研究完善。

[1]吳書學.CTCS3-300T列控車載系統運行可靠性分析[J].鐵路通信信號工程技術, 2012（1）∶8-11.

[2]王馨.高速鐵路列控車載設備的發展[J].鐵路通信信號工程技術，2010（5）：29-31.

[3]高婷婷.CTCS-3級列控系統通信可靠性分析與研究[D].北京：北京交通大學，2010.

[4]王海瑛,徐明,宋奎博.列控（CTCS3-300T）車載設備常見故障及處理[J].鐵道通信信號, 2013（9）：34-36 .

[5]高雪峰.CTCS3-300T列控車載設備安全數字輸入輸出模塊可靠性研究[J].鐵路通信信號工程技術，2014（1）：15-19.

[6]張志華．可靠性理論及工程應用[M].北京：科學出版社，2012.

[7]劉孝凡，肖湘紅．高速鐵路列控車載設備[M].北京：中國鐵道出版社，2011.

[8]許樹柏.層次分析法原理「M].天津∶天津大學出版社，1988.

As an important part of the CTCS-3 train control system, 300T onboard train control device occupies a heavier proportion of current onboard equipment in services. The reliability of the CTCS-3 300T device has important signifi cance for the reliability of the whole CTCS-3 system. The paper concludes the weight and order of factors that affect the reliability of the whole system based on the system operation principles and fault analysis by using analytic hierarchy process (AHP) analysis method. At the same time, it puts forward main aspects for improving the reliability of CTCS-3 300T train control system, in order to provide reference for the system structure optimization design and routine maintenance management.

CTCS-3 300T device; onboard train control equipment; reliability; Analytic Hierarchy Process

10.3969/j.issn.1673-4440.2016.06.004

2016-07-19）