城市軌道交通信號(hào)產(chǎn)品可靠性指標(biāo)的動(dòng)態(tài)監(jiān)控

馬秋艷

摘 要：本文在對(duì)我國(guó)有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行參考的前提上，對(duì)基本可靠性以及任務(wù)可靠性看成是我國(guó)信號(hào)系統(tǒng)可靠性基本要求的指標(biāo)參數(shù)，并且分析了兩類參數(shù)建模和測(cè)定，進(jìn)而給制定滿足用戶基本需求，同時(shí)也在技術(shù)方面實(shí)現(xiàn)可靠性指標(biāo)值、可操作驗(yàn)證方法打下牢固的基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞：城市軌道;交通信號(hào);可靠性指標(biāo);動(dòng)態(tài)監(jiān)控

城市軌道交通的特點(diǎn)是行車密度大、正點(diǎn)要求高，信號(hào)系統(tǒng)作為城市軌道交通的重要組成部分，對(duì)保證運(yùn)營(yíng)安全和列車高效率正點(diǎn)運(yùn)行起著重要的作用，因此要求其具有很高的可靠性[1]。由于我國(guó)的現(xiàn)代信號(hào)系統(tǒng)技術(shù)起步較晚，近十幾年來許多線路大量引入國(guó)外先進(jìn)的信號(hào)系統(tǒng)，而國(guó)內(nèi)又缺乏對(duì)其系統(tǒng)可靠性要求的相關(guān)研究，使得面臨大量新線集中建設(shè)、運(yùn)營(yíng)建設(shè)部門必須對(duì)信號(hào)系統(tǒng)提出可靠性要求時(shí)，只能參照其他相關(guān)系統(tǒng)的可靠性標(biāo)準(zhǔn)，憑經(jīng)驗(yàn)提出。由于缺乏成熟、量化的可靠性指標(biāo)和驗(yàn)收體系，使得系統(tǒng)可靠性的驗(yàn)收工作往往處于表面化;實(shí)際信號(hào)系統(tǒng)的運(yùn)營(yíng)也表明，某些系統(tǒng)的可靠性并不盡人意。因此，迫切需要對(duì)信號(hào)系統(tǒng)的可靠性要求進(jìn)行研究，建立科學(xué)規(guī)范的可靠性指標(biāo)和管理驗(yàn)收體系。

1 城市軌道交通信號(hào)系統(tǒng)可靠性指標(biāo)現(xiàn)狀

從各城市地鐵和輕軌信號(hào)系統(tǒng)的文件中可以看出，目前可靠性指標(biāo)提法和等級(jí)相差較大，對(duì)于可靠性指標(biāo)的規(guī)定各不相同，加上國(guó)內(nèi)外文化差異，造成對(duì)標(biāo)準(zhǔn)條件的理解也不同。例如，對(duì)于有人提出了平均故障間隔時(shí)間（MeanTmieBetweenFailure，MTBF）和平均故障運(yùn)行間隔時(shí)間（MeanTmieBetweenServiceFailure，MTBSF）兩個(gè)可靠性指標(biāo)參數(shù)，但信號(hào)系統(tǒng)中具體使用MTBF和MTBSF考核系統(tǒng)的可靠性仍存在一些問題。

首先，MTBF僅表示平均無故障時(shí)間，也稱可修復(fù)產(chǎn)品的平均壽命，是描述可靠性的一種特征量。可靠性可以分為固有可靠性和使用可靠性，也可分為基本可靠性和任務(wù)可靠性。如果不加以說明，就會(huì)對(duì)可靠性產(chǎn)生不同的理解，無法進(jìn)行指標(biāo)的驗(yàn)收，使指標(biāo)缺乏實(shí)際的操作意義。

其次，可靠性指標(biāo)的量值依據(jù)還需要探討。就MTBF的指標(biāo)量值，有的要求提出與行車安全相關(guān)的可靠性指標(biāo)應(yīng)不小于106h、總的系統(tǒng)不小于105h，該量值主要是參考國(guó)內(nèi)外相關(guān)系統(tǒng)的可靠性標(biāo)準(zhǔn)提出的。

這些文件中的可靠性指標(biāo)大多是針對(duì)產(chǎn)品固有可靠性的預(yù)計(jì)值，而實(shí)際系統(tǒng)的驗(yàn)收指標(biāo)應(yīng)考核在現(xiàn)場(chǎng)安裝條件和使用環(huán)境下的系統(tǒng)和設(shè)備的使用可靠性，因而只有通過對(duì)實(shí)際系統(tǒng)的使用可靠性水平進(jìn)行考察，才能制定出科學(xué)的指標(biāo)值。

第三，現(xiàn)有指標(biāo)主要針對(duì)硬件，而對(duì)軟件可靠性的定量要求較少，使得系統(tǒng)可靠性要求不很全面。使用方往往在系統(tǒng)投入運(yùn)營(yíng)后才發(fā)現(xiàn)軟件的缺陷，要求供貨方修改時(shí)，供貨方會(huì)以已經(jīng)滿足合同需求而拒絕修改缺陷，使用方陷于被動(dòng)。

2 信號(hào)系統(tǒng)的可靠性指標(biāo)

1999年，IEEE針對(duì)城市軌道交通信號(hào)系統(tǒng)的性能與功能要求制定了相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)1474.1—1999。其中對(duì)于系統(tǒng)可靠性要求，提出將平均功能故障間隔時(shí)間（MeanTmieBetweenFunctionalFailure，MTBFF）和平均故障間隔時(shí)間（MeantmieBetweenFailure，MTBF）兩個(gè)參數(shù)，規(guī)定系統(tǒng)的MTBFF應(yīng)考慮影響系統(tǒng)完成規(guī)定功能的所有故障，系統(tǒng)的MTBF則既包括影響系統(tǒng)功能的故障，也包括不影響系統(tǒng)功能完成（例如由于設(shè)備冗余）的所有故障;并且指出，雖然系統(tǒng)MTBFF和系統(tǒng)MTBF預(yù)計(jì)在傳統(tǒng)上僅考慮硬件故障，但在實(shí)際測(cè)定時(shí)，故障應(yīng)包含軟件錯(cuò)誤和硬件故障。

國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)中提出對(duì)可靠性的要求值得我們借鑒，它明確規(guī)定MTBFF是考察系統(tǒng)任務(wù)可靠性、MTBF是考察系統(tǒng)基本可靠性，并且強(qiáng)調(diào)可靠性的預(yù)計(jì)與測(cè)定不同。但是，對(duì)標(biāo)準(zhǔn)中提出的測(cè)定系統(tǒng)MTBF和MTBFF時(shí)都應(yīng)考慮軟、硬件故障，我們認(rèn)為還應(yīng)該具體考慮實(shí)際應(yīng)用系統(tǒng)的特點(diǎn)。

在對(duì)現(xiàn)場(chǎng)的城市軌道交通信號(hào)系統(tǒng)評(píng)估時(shí)，MTBF作為基本可靠性的特征量，應(yīng)反映出系統(tǒng)對(duì)維修人力、費(fèi)用及備品備件的需求。如果一個(gè)系統(tǒng)基本可靠度低，即便任務(wù)可靠度滿足要求，也會(huì)導(dǎo)致該系統(tǒng)維護(hù)成本太高，不能說該系統(tǒng)是一個(gè)可靠的系統(tǒng)。因?yàn)椋灰性O(shè)備故障，即使由于設(shè)備采用冗余并沒有影響系統(tǒng)功能的完成，卻仍馬上需要有維修人員進(jìn)行診斷、維修或更換備件。而軟件故障是指軟件設(shè)計(jì)的缺陷在一定的運(yùn)行條件下，導(dǎo)致系統(tǒng)運(yùn)行中出現(xiàn)可感知的不正常、不正確和不按規(guī)范執(zhí)行的狀態(tài)。任何軟件內(nèi)部缺陷引起的錯(cuò)誤，不在用戶維修范疇內(nèi)，并且用戶也無法維修，因而考慮軟件故障，并不能考察出系統(tǒng)對(duì)維修人力、費(fèi)用和備品備件的需求。因此筆者認(rèn)為，針對(duì)城市軌道交通信號(hào)系統(tǒng)，MTBF應(yīng)主要考慮硬件故障。

3 信號(hào)系統(tǒng)可靠性指標(biāo)的動(dòng)態(tài)監(jiān)控

3.1 可靠性監(jiān)控的方法

基于對(duì)基本可靠性和任務(wù)可靠性的定義，本文將采用指數(shù)分布的點(diǎn)估計(jì)方法，說明系統(tǒng)基本可靠性MTBF和任務(wù)可靠性MTBFF的測(cè)定方法。可靠性測(cè)定是用規(guī)定的統(tǒng)計(jì)方法，分析已得到的可靠性數(shù)據(jù)，以便估計(jì)出所關(guān)心的可靠性特征量，這些特征量可以用一個(gè)點(diǎn)估計(jì)值或一個(gè)置信區(qū)間的范圍來表示。鑒于所考察的設(shè)備和系統(tǒng)均工作在故障率近似為常數(shù)的偶然失效期（軟件未經(jīng)修改時(shí)也可認(rèn)為服從指數(shù)分布），依據(jù)《設(shè)備可靠性試驗(yàn)，可靠性測(cè)定試驗(yàn)的點(diǎn)估計(jì)和區(qū)間估計(jì)的方法（指數(shù)分布）》（GB5080.4）中的點(diǎn)估計(jì)方法進(jìn)行評(píng)估。

3.2 MTBF和MTBFF點(diǎn)估計(jì)

假設(shè)試驗(yàn)時(shí)間t內(nèi)，根據(jù)故障統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，主機(jī)A、S1和C各出現(xiàn)1次硬件故障，接口電路出現(xiàn)3次硬件故障，主機(jī)A出現(xiàn)10次軟件錯(cuò)誤。

3.3 舉例說明

城市軌道交通信號(hào)系統(tǒng)主要由與行車安全相關(guān)的列車超速防護(hù)（AutomaticTrainProtection，ATP）系統(tǒng)、聯(lián)鎖系統(tǒng)，與行車效率密切相關(guān)的列車自動(dòng)監(jiān)控（AutomaticTrainSupervision，ATS）系統(tǒng)和列車自動(dòng)駕駛（AutomaticTrainOperation，ATO）系統(tǒng)組成。下面以某條已通過驗(yàn)收、實(shí)際運(yùn)營(yíng)線路的ATS系統(tǒng)為例，按照上述方法建立相應(yīng)的分析模型，根據(jù)故障統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)來進(jìn)行指標(biāo)的點(diǎn)估計(jì)測(cè)定。

ATS系統(tǒng)功能主要包括制訂列車時(shí)刻表、列車運(yùn)行追蹤控制、自動(dòng)排列進(jìn)路及列車運(yùn)行自動(dòng)調(diào)整等功能。通過調(diào)度集中設(shè)備與相關(guān)設(shè)備交互通信，站臺(tái)設(shè)置的旅客向?qū)到y(tǒng)還向旅客提供乘車有關(guān)的信息，發(fā)車指示器向司機(jī)提供顯示早晚點(diǎn)發(fā)車的倒計(jì)時(shí)信息等。

鑒于旅客信息系統(tǒng)與中央和本地的ATS設(shè)備相比，在完成信號(hào)系統(tǒng)功能方面有不同等級(jí)的可靠性要求，因而分別對(duì)其進(jìn)行可靠性指標(biāo)的評(píng)估。綜合考慮軟、硬件故障的任務(wù)可靠度與僅考慮硬件故障的任務(wù)可靠度計(jì)算結(jié)果相差很大，因此在考核系統(tǒng)任務(wù)可靠度時(shí)，必須要考慮軟件故障。對(duì)于旅客信息系統(tǒng)，由于沒有采用冗余結(jié)構(gòu)且不涉及軟件，因而其任務(wù)可靠度與基本可靠度相同。

4 結(jié)語

本文作為對(duì)城市軌道交通信號(hào)系統(tǒng)可靠性指標(biāo)的初步探討，在參考國(guó)際相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上，提出了用MTBF和MTBFF分別指代系統(tǒng)的基本可靠度和任務(wù)可靠度，作為我國(guó)城市軌道交通信號(hào)系統(tǒng)可靠性指標(biāo)的參數(shù)，同時(shí)指出基本可靠性應(yīng)主要考慮硬件故障，任務(wù)可靠性應(yīng)綜合考慮硬件故障和軟件故障，進(jìn)而闡述了兩種參數(shù)的建模與監(jiān)控，為下一步既能滿足用戶需求而又能在技術(shù)上達(dá)到的可靠性指標(biāo)值奠定了基礎(chǔ)。

參考文獻(xiàn)

[1]牛英明.城市軌道交通信號(hào)系統(tǒng)運(yùn)用可靠性的驗(yàn)證方法探討[J].世界軌道交通，2005（6）：3940.