車-車通信與車-地通信信號(hào)系統(tǒng)方案可靠性分析對(duì)比

李 梅

（卡斯柯信號(hào)有限公司，上海 200435）

1 概述

為減少信號(hào)系統(tǒng)的子系統(tǒng)或者設(shè)備的潛在失效，提高信號(hào)系統(tǒng)的運(yùn)行服務(wù)能力，對(duì)信號(hào)系統(tǒng)的可靠性水平開展評(píng)估。對(duì)早期發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)和設(shè)備選型中可能存在的薄弱環(huán)節(jié)，采取有效的預(yù)防措施，減少系統(tǒng)故障對(duì)運(yùn)行服務(wù)的影響?？煽啃钥驁D建模作為一種可靠性分析模型，形式簡(jiǎn)單且直觀，被其他行業(yè)廣泛使用，如文獻(xiàn)[1-4]中使用的可靠性框圖開展的可靠性分析。故本文以某一線路的配置分別對(duì)車-車通信信號(hào)系統(tǒng)與車-地通信信號(hào)系統(tǒng)開展可靠性評(píng)估。

2 可靠性框圖概念

可靠性框圖是從系統(tǒng)故障規(guī)律認(rèn)知的角度，對(duì)系統(tǒng)及其組成部件進(jìn)行建模，反應(yīng)系統(tǒng)主要故障特征[5]，用來(lái)描述系統(tǒng)與其組成單元之間的可靠性邏輯關(guān)系，用于預(yù)計(jì)或估算系統(tǒng)的可靠性與可用性。可靠性模型是開展可靠性設(shè)計(jì)分析的基礎(chǔ)，也是進(jìn)行系統(tǒng)維修性和可用性設(shè)計(jì)分析的前提。在繪制可靠性框圖時(shí)本文有以下假設(shè)條件。

1）假設(shè)系統(tǒng)或系統(tǒng)單元是兩態(tài)的，即假設(shè)系統(tǒng)的組成單元或者可靠性框圖代表的單元只存在兩個(gè)狀態(tài)：工作和不工作兩個(gè)狀態(tài)。

2）可靠性框圖繪制時(shí)暫不考慮維修問(wèn)題；為簡(jiǎn)化問(wèn)題，通常假設(shè)，修復(fù)后的系統(tǒng)其可靠性水平與首次故障前相同。

3）本文的可靠性框圖不包含軟件，假設(shè)軟件完全可靠。

4）假設(shè)所有單元的壽命均服從指數(shù)分布，單元內(nèi)的所有故障都能導(dǎo)致本單元功能故障。

根據(jù)工作經(jīng)驗(yàn)總結(jié)，梳理了可靠性框圖的繪制流程，如圖1 所示。

圖1 可靠性框圖繪制流程Fig.1 Flowchart of reliability block diagram drawing

1）確定系統(tǒng)任務(wù)與功能：系統(tǒng)的不同功能可能完成不同的任務(wù)，對(duì)不同的任務(wù)其可靠性框圖可能是不同的，故應(yīng)通過(guò)確定系統(tǒng)任務(wù)和功能分析，建立一個(gè)能包括所有功能的系統(tǒng)可靠性框圖。

2）確定系統(tǒng)組成：根據(jù)系統(tǒng)架構(gòu)描述可以簡(jiǎn)單繪制出系統(tǒng)的“組成方框圖”，圖中的每一個(gè)方框代表一個(gè)獨(dú)立的功能單元，還應(yīng)明確本系統(tǒng)的對(duì)外接口關(guān)系。

3）確定系統(tǒng)工作模式：確定系統(tǒng)中的單元是否存在可替換的工作模式。

4）確定故障判據(jù)：確定任務(wù)失敗的條件，對(duì)于能夠?qū)е氯蝿?wù)失敗的性能參數(shù)，必須對(duì)其做出全面的描述，并明確這些性能參數(shù)允許的上下限。

5）明確建模層級(jí)與單元：根據(jù)1）和2）確定系統(tǒng)的單元組成及功能，并結(jié)合系統(tǒng)的維修級(jí)別確定可靠性框圖繪制的深度，一般是從系統(tǒng)級(jí)開始，自上而下逐層展開，分解到電路板卡級(jí)即可，因?yàn)殡娐钒宓南乱患?jí)組成單元時(shí)元器件，不適合也不能再分。

6）建立并標(biāo)識(shí)可靠性單元方框：可以借助工具繪制代表功能單元的可靠性單方框，并將功能單元名稱直接標(biāo)在對(duì)應(yīng)的方框中。

7）連線單元方框：在可靠性框圖中，方框之間的連線無(wú)可靠性值，但系統(tǒng)中的導(dǎo)線、電纜具有可靠性值，可將其合并在一個(gè)單獨(dú)的方框中，或者并入所在的單元方框。

8）明確未列入可靠性模型的單元：為簡(jiǎn)化系統(tǒng)可靠性模型，對(duì)于功能次要的單元，即使失效，也不會(huì)危及任務(wù)成功的單元可以不反映在可靠性框圖中，也可以用“未列入模型單元清單”的形式附在可靠性框圖下面，給出未繪制進(jìn)去的理由即可。

3 車-地通信信號(hào)系統(tǒng)與車-車通信信號(hào)系統(tǒng)的架構(gòu)差異分析

車-地通信信號(hào)系統(tǒng)主要由列車自動(dòng)監(jiān)控子系統(tǒng)、車載子系統(tǒng)、聯(lián)鎖子系統(tǒng)、數(shù)據(jù)通信、線路控制器、區(qū)域控制器、軌旁電子單元、有源信標(biāo)、無(wú)源信標(biāo)、計(jì)軸和信號(hào)機(jī)等其他軌旁設(shè)備組成。

車-車通信信號(hào)系統(tǒng)主要有列車自動(dòng)監(jiān)控子系統(tǒng)、車載子系統(tǒng)、目標(biāo)控制器、軌旁資源管理器、無(wú)源信標(biāo)、以及數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)。

車-車通信信號(hào)系統(tǒng)相比于傳統(tǒng)的車-地通信信號(hào)系統(tǒng)首先在架構(gòu)上縮減了軌旁設(shè)備。如有源信標(biāo)、軌旁電子單元等不再設(shè)置，信號(hào)機(jī)的應(yīng)用數(shù)量大幅縮減，計(jì)軸目前已發(fā)布的方案也只在邊界處設(shè)置，線路內(nèi)部不再設(shè)置計(jì)軸，未來(lái)方案不再設(shè)置計(jì)軸；其次，目前應(yīng)用的目標(biāo)控制器替代聯(lián)鎖子系統(tǒng)，可根據(jù)線路靈活配置板卡，縮減了應(yīng)用機(jī)柜與繼電器的數(shù)量。

4 車-地通信信號(hào)系統(tǒng)可靠性分析

車-地通信信號(hào)系統(tǒng)需要地面設(shè)備通過(guò)車-地通信交互來(lái)告知車載設(shè)備其他列車的信息，其主要設(shè)備有列車自動(dòng)保護(hù)子系統(tǒng)、列車自動(dòng)駕駛子系統(tǒng)、列車自動(dòng)監(jiān)控子系統(tǒng)、聯(lián)鎖子系統(tǒng)、數(shù)據(jù)通信、線路控制器與區(qū)域控制器及其他軌旁設(shè)備等。本文通過(guò)對(duì)某一線路的車-地通信信號(hào)系統(tǒng)的架構(gòu)、功能故障分析及設(shè)備數(shù)量配置情況繪制其可靠性模型。單元故障會(huì)導(dǎo)致2 min 以上晚點(diǎn)的系統(tǒng)可靠性模型如圖2 所示，單元故障會(huì)導(dǎo)致運(yùn)行晚點(diǎn)5 min 以上的系統(tǒng)可靠性模型如圖3 所示。

圖3 基于車-地通信導(dǎo)致5 min以上晚點(diǎn)的信號(hào)系統(tǒng)可靠性模型Fig.3 CBTC system reliability model in which faults cause delays of more than 5 minutes

5 車-車通信信號(hào)系統(tǒng)可靠性分析

基于車-車通信技術(shù)的信號(hào)系統(tǒng)在軌道交通已先行開展研究多年。車-車通信系統(tǒng)的特征為車載設(shè)備自行計(jì)算本車輛的行車授權(quán)信息，通過(guò)車與車之間直接通信和協(xié)同控制，實(shí)現(xiàn)以車輛為中心的雙向無(wú)線通信。軌旁設(shè)備數(shù)量減少，使得系統(tǒng)接口簡(jiǎn)約化，數(shù)據(jù)信息傳輸路徑減少，操作方式更靈活，提高了系統(tǒng)運(yùn)行效率，大幅降低信號(hào)系統(tǒng)投入成本和方便后期維護(hù)[6]。

由文獻(xiàn)[6-7]可知，車-車通信信號(hào)系統(tǒng)主要包含列車自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)、目標(biāo)控制器、車載子系統(tǒng)、軌旁資源管理器、應(yīng)答器以及數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)。列車自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)與車載子系統(tǒng)連接，相鄰列車的車載子系統(tǒng)相互通信連接。此外在列車發(fā)生故障時(shí)，由軌旁資源管理器負(fù)責(zé)故障列車的接管，繼續(xù)維護(hù)故障列車的位置信息及對(duì)外接口，不會(huì)造成通信列車降級(jí)運(yùn)行，減少故障對(duì)運(yùn)營(yíng)的影響。本文通過(guò)對(duì)某一線路的車-車通信信號(hào)系統(tǒng)的架構(gòu)、功能故障分析及設(shè)備數(shù)量配置情況繪制其可靠性模型。單元故障導(dǎo)致2 min 以上晚點(diǎn)的系統(tǒng)可靠性模型如圖4 所示，單元故障導(dǎo)致運(yùn)行晚點(diǎn)5 min 以上的系統(tǒng)可靠性模型如圖5 所示。

圖4 基于車-車通信導(dǎo)致2 min以上晚點(diǎn)的信號(hào)系統(tǒng)可靠性模型Fig.4 TACS system reliability model in which faults cause delays of more than 2 minutes

圖5 基于車-車通信導(dǎo)致5 min以上晚點(diǎn)的信號(hào)系統(tǒng)可靠性模型Fig.5 TACS system reliability model in which faults cause delays of more than 5 minutes

6 兩種信號(hào)系統(tǒng)的可靠性分析與比較

根據(jù)第4、5 章節(jié)的可靠性模型，結(jié)合某具體項(xiàng)目的線路配置、子系統(tǒng)的故障率及可靠性計(jì)算公式[8]，可得某特定應(yīng)用項(xiàng)目延遲2 min 以上的車-地通信信號(hào)系統(tǒng)的各子系統(tǒng)故障率結(jié)果如表1 所示，車-車通信信號(hào)系統(tǒng)的各子系統(tǒng)故障率結(jié)果如表2所示。某特定應(yīng)用項(xiàng)目的車-車通信信號(hào)系統(tǒng)與車-地通信信號(hào)系統(tǒng)的可靠性比較結(jié)果如表3 所示。

表1 某特定應(yīng)用項(xiàng)目的車-地通信信號(hào)系統(tǒng)的各子系統(tǒng)故障率Tab.1 Failure rate of subsystems of CBTC system for a specific application project

表2 某特定應(yīng)用項(xiàng)目的車-車通信信號(hào)系統(tǒng)的各子系統(tǒng)故障率Tab.2 Failure rate of subsystems of TACS system for a specific application project

表3 配置近似情況下車-車通信信號(hào)系統(tǒng)與車-地通信信號(hào)系統(tǒng)可靠性對(duì)比結(jié)果Tab.3 Results of reliability comparison between TACS system and CBTC system with similar configurations

表1 ～3 中的數(shù)據(jù)是考慮線路上子系統(tǒng)設(shè)備數(shù)量的，非單套子系統(tǒng)數(shù)據(jù)，且只考慮硬件故障率。

從表3 可知，線路配置近似情況下，車-車通信信號(hào)系統(tǒng)導(dǎo)致延誤2 min 以上的故障率與車-地通信信號(hào)系統(tǒng)相比降低了71.33%，導(dǎo)致延誤5 min 以上的故障率降低了38.30%。

7 結(jié)論及建議

本文通過(guò)繪制車-車通信信號(hào)系統(tǒng)與車-地通信信號(hào)系統(tǒng)的可靠性框圖與模型，評(píng)價(jià)與比較了兩種系統(tǒng)架構(gòu)下的可靠性水平。通過(guò)對(duì)某一特定應(yīng)用項(xiàng)目的分析可知，在線路配置近似的情況下，車-車通信信號(hào)系統(tǒng)的故障率略低于車-地通信信號(hào)系統(tǒng)的故障率，進(jìn)而說(shuō)明車-車通信信號(hào)系統(tǒng)的可靠性水平相較于車-地通信信號(hào)系統(tǒng)有提升。

車-車通信技術(shù)用于信號(hào)系統(tǒng)，其可靠性水平仍是未來(lái)系統(tǒng)設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)關(guān)注的重點(diǎn)。不管是車-車通信信號(hào)系統(tǒng)還是車-地通信信號(hào)系統(tǒng)中涉及到的設(shè)備：目標(biāo)控制器、冗余骨干網(wǎng)的設(shè)備、軌旁資源管理器、車載子系統(tǒng)及聯(lián)鎖子系統(tǒng)等故障會(huì)導(dǎo)致運(yùn)行晚點(diǎn)5 min 以上，故在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)著重考慮其可靠性設(shè)計(jì)；且外購(gòu)的設(shè)備應(yīng)在選型時(shí)，選擇可靠性水平高的設(shè)備；應(yīng)對(duì)故障會(huì)導(dǎo)致5 min 以上的子系統(tǒng)或設(shè)備加強(qiáng)故障可檢測(cè)性設(shè)計(jì)與故障隔離設(shè)計(jì)，提高在線故障隔離率與故障檢測(cè)覆蓋率，避免線網(wǎng)級(jí)運(yùn)行服務(wù)能力下降發(fā)生。