陳紅霞

*南京鐵道職業(yè)技術(shù)學(xué)院 講師,210015 南京

為了確保鐵路各部門(mén)協(xié)調(diào)工作,保證鐵路運(yùn)輸高速、安全、正點(diǎn),許多涉及到列車(chē)調(diào)度、控制、監(jiān)測(cè)的信息,都需要通過(guò)通信系統(tǒng)進(jìn)行遠(yuǎn)距離、快速傳送,通信和信號(hào)信息相互滲透結(jié)合,形成一個(gè)包括通信、調(diào)度指揮、自動(dòng)控制和信息處理在內(nèi)的智能化綜合系統(tǒng)。

鐵路信號(hào)綜合系統(tǒng)的可靠性由硬件和軟件共同決定,本文主要分析其硬件可靠性。以主、備設(shè)備為例,實(shí)行 1+l熱備份,在主、備用之間設(shè)有切換裝置。為了保證信息傳輸?shù)目煽啃?傳輸通道也是采用冗余方式。這幾個(gè)因素在實(shí)際系統(tǒng)中是以動(dòng)態(tài)行為來(lái)保證系統(tǒng)的可靠運(yùn)行。利用目前分析動(dòng)態(tài)并發(fā)系統(tǒng)最有效的 Petri網(wǎng)分析方法,并以主、備用光纖處在不同光纜中統(tǒng)一路由的光纖通信系統(tǒng)為傳輸通道,來(lái)進(jìn)行系統(tǒng)建模,對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行如下可靠性分析。

1 建立系統(tǒng)模型

Petri網(wǎng)用于描述異步并發(fā)能力,并將動(dòng)態(tài)行為同構(gòu)于連續(xù)時(shí)間馬爾可夫鏈的離散動(dòng)態(tài)系統(tǒng),可以方便地對(duì)離散動(dòng)態(tài)系統(tǒng)進(jìn)行建模,并對(duì)其性能和可靠性進(jìn)行分析。圖 1所示為利用 Petri網(wǎng)對(duì)于基于光纖通信的鐵路信號(hào)系統(tǒng)的建模模型。

圖1 系統(tǒng)模型

圖1中 A、B兩個(gè)終端之間的信息傳輸需要信號(hào)設(shè)備和路由設(shè)備 2個(gè)子系統(tǒng),信號(hào)設(shè)備子系統(tǒng)包括主機(jī)、備機(jī)和切換裝置,路由設(shè)備子系統(tǒng)由統(tǒng)一路由構(gòu)成。由于是串聯(lián)連接,因此整個(gè)信號(hào)系統(tǒng)的可靠性由信號(hào)設(shè)備子系統(tǒng)和路由設(shè)備子系統(tǒng)可靠性的乘積決定。

2 系統(tǒng)可靠性建模

2.1 信號(hào)設(shè)備子系統(tǒng)建模

信號(hào)設(shè)備子系統(tǒng)為雙機(jī)熱備,主機(jī)與備機(jī)同時(shí)處于工作狀態(tài),并且備機(jī)同主機(jī)一樣具有特定的失效率。在切換裝置正常時(shí),當(dāng)主機(jī)故障,備機(jī)會(huì)升級(jí)為主機(jī)。通常熱備份狀態(tài)下的主、備機(jī)切換時(shí)間很短,假設(shè)轉(zhuǎn)換時(shí)間為零。圖 2是處于雙機(jī)熱備保護(hù)的可維修信號(hào)設(shè)備子系統(tǒng)的模型。

圖2 信號(hào)設(shè)備子系統(tǒng) Petri網(wǎng)模型

圖2中 p1表示主機(jī)工作正常;p2表示切換裝置工作正常;p3表示備機(jī)工作正常;p4表示主機(jī)失效待修;p5表示切換裝置失效待修;P6表示備機(jī)失效待修;p7表示主機(jī)故障、切換裝置故障下的信號(hào)設(shè)備失效狀態(tài);p8表示主機(jī)、備機(jī)均失效情況下的信號(hào)設(shè)備失效狀態(tài),有標(biāo)記表示失效發(fā)生;t1表示模擬主機(jī)失效過(guò)程;t2表示模擬切換裝置失效過(guò)程;t3表示模擬備機(jī)失效過(guò)程;t4表示主機(jī)、切換裝置均故障下的信號(hào)設(shè)備失效;t5表示模擬設(shè)備子系統(tǒng)未失效情況下,對(duì)切換單元進(jìn)行維修的過(guò)程;t6表示主機(jī)、備機(jī)均故障情況下的信號(hào)設(shè)備失效;t7表示模擬設(shè)備子系統(tǒng)未失效情況下,對(duì)備用單元進(jìn)行維修的過(guò)程;t8表示模擬 p7失效情況下,對(duì)故障單元進(jìn)行集中搶修的過(guò)程;t9表示模擬 p8失效情況下,對(duì)故障單元進(jìn)行集中搶修的過(guò)程;t10表示模擬主機(jī)故障、備機(jī)正常、切換裝置正常情況下的主備機(jī)切換。

2.2 路由設(shè)備子系統(tǒng)建模

路由設(shè)備子系統(tǒng)采用冗余技術(shù),即并聯(lián)使用。因此只有在路由設(shè)備都故障的情況下路由設(shè)備子系統(tǒng)才失效。但是信號(hào)系統(tǒng)要求冗余系統(tǒng)不能影響整個(gè)系統(tǒng)的工作,只能在降級(jí)狀態(tài)下運(yùn)行,所以維修人員要在路由設(shè)備子系統(tǒng)失效,造成整個(gè)系統(tǒng)不可用時(shí)對(duì)其進(jìn)行緊急搶修。路由設(shè)備子系統(tǒng)的模型如圖3所示。

圖 3中,p1表示有標(biāo)記表示路由系統(tǒng) A工作正常;p2表示有標(biāo)記表示路由系統(tǒng) B工作正常;p3表示路由系統(tǒng)A故障;p4表示路由系統(tǒng)B故障;p5表示路由子系統(tǒng)故障;t1表示模擬路由系統(tǒng) A失效過(guò)程;t2表示模擬路由系統(tǒng) B失效過(guò)程;t3表示路由系統(tǒng) A失效待修;t4表示路由系統(tǒng) B失效待修;t5表示對(duì)路由進(jìn)行搶修過(guò)程。

3 系統(tǒng)可靠性分析及計(jì)算

對(duì)圖 2的模型建立可達(dá)樹(shù),如圖4所示。其初始狀態(tài)按照 [p1,p2,p3,p4,p5,p6,p7,p8,p9,]的順序,為 (11100000)。

一般電子設(shè)備都服從指數(shù)分布,假設(shè)主備機(jī)的失效率 λ1=0.001,切換裝置的失效率為 λ2=0.0005,對(duì)設(shè)備的日常維修率 μ1=0.01,搶修維修率 μ2=0.05,根據(jù)隨機(jī)過(guò)程的相關(guān)知識(shí)和馬爾可夫過(guò)程可得出圖 4實(shí)存狀態(tài)的穩(wěn)定概率分布 Y,Y=(0.80736, 0.14525, 0.03833, 0.00528,0.00289,0.00076,0.00007,0.00006),即對(duì)應(yīng)圖 4中每個(gè)狀態(tài)。當(dāng)位置有標(biāo)記時(shí)信號(hào)設(shè)備子系統(tǒng)可用,根據(jù)串聯(lián)可靠度的計(jì)算方法可得到信號(hào)設(shè)備子系統(tǒng)可靠度為 0.99622(即前 4個(gè)狀態(tài)的和)。同樣可以計(jì)算出路由設(shè)備子系統(tǒng)的可靠度。設(shè)其失效率為0.001,維修率為 0.1,則路由設(shè)備子系統(tǒng)可靠度為 0.999902。整個(gè)信號(hào)系統(tǒng)的可靠性為信號(hào)設(shè)備可靠度與路由設(shè)備可靠度的乘積,即為 0.995902。

4 結(jié)論

在傳輸通道采用光纜的情況下,分析鐵路綜合信號(hào)系統(tǒng)的可靠性,對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行了建模,并考慮了系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)可變性和實(shí)際情況的對(duì)應(yīng),最后采用馬爾可夫過(guò)程進(jìn)行了計(jì)算分析,計(jì)算了其可靠度,一方面說(shuō)明了 Petri網(wǎng)分析動(dòng)態(tài)系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì),另一方面對(duì)于信號(hào)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提供了一定的參考價(jià)值。

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