蘇宏升,王文斌

ZPW
——2000A無絕緣移頻軌道電路的RAM評(píng)估研究

蘇宏升,王文斌

(蘭州交通大學(xué)自動(dòng)化與電氣工程學(xué)院,蘭州 730070)

為了評(píng)估ZPW-2000A無絕緣移頻軌道電路的可靠性、可用性和維修性(RAM),對(duì)其進(jìn)行逐層向下分解并建立ZPW-2000A無絕緣移頻軌道電路的可靠性框圖。通過使用可靠性預(yù)計(jì)和維修性預(yù)計(jì)求出最小可更換模塊或部件的故障率與維修率,然后使用馬爾可夫模型和可靠性框圖求解出ZPW-2000A無絕緣移頻軌道電路的可靠性指標(biāo)與可維護(hù)性指標(biāo),并根據(jù)所得到的可靠性指標(biāo)與可維護(hù)性指標(biāo)求解出ZPW-2000A無絕緣移頻軌道電路的可用性指標(biāo)。最后根據(jù)所得到的指標(biāo),判斷其是否達(dá)到系統(tǒng)需求。

無絕緣移頻軌道電路;RAM;評(píng)估研究

1 概述

隨著我國鐵路向高速、重載和高密度的發(fā)展,軌道電路設(shè)備對(duì)與保障列車高速、安全運(yùn)行的作用變得尤為突出。ZPW-2000A無絕緣移頻軌道電路是在法國UM71無絕緣軌道電路技術(shù)引進(jìn)、國產(chǎn)化基礎(chǔ)上,結(jié)合國情進(jìn)行提高系統(tǒng)安全性、系統(tǒng)傳輸性能及系統(tǒng)可靠性的技術(shù)再開發(fā)升級(jí)而來的[1]。目前,該軌道電路是我國鐵路上廣泛應(yīng)用的軌道電路設(shè)備。結(jié)合ZPW-2000A無絕緣移頻軌道電路的實(shí)際情況,從設(shè)計(jì)角度研究其可靠性、可用性和可維護(hù)性(RAM),提出了ZPW-2000A無絕緣移頻軌道電路的RAM評(píng)估方法。

2 RAM簡介

RAM是可靠性(Reliability)、可用性(Availability)和維修性(Maintainability)英文第一個(gè)字母的組合。RAM是IRIS(International Railway Industry Standard)國際鐵路行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)之一,是系統(tǒng)長期工作的特性,它貫穿產(chǎn)品整個(gè)生命周期,從對(duì)產(chǎn)品的可行性分析研究到產(chǎn)品報(bào)廢的整個(gè)生命周期過程中,需要建立可靠性、可用性和可維修性的RAM論證過程,通過RAM論證建立RAM要求,并將RAM參數(shù)綜合到要求形成過程中。

可靠性是指在給定的條件下和給定的時(shí)間間隔內(nèi),某一部件能完成指定功能的概率。

可用性是指在要求的外部資源得到保證的前提下,產(chǎn)品在規(guī)定的條件下和規(guī)定的時(shí)刻或時(shí)間間隔內(nèi)處于可執(zhí)行規(guī)定功能狀態(tài)的能力。

維修性是指產(chǎn)品在規(guī)定的條件下和規(guī)定的時(shí)間內(nèi),按規(guī)定的程序和方法進(jìn)行維修時(shí),保持和恢復(fù)到規(guī)定狀態(tài)的能力。

3 馬爾可夫分析

馬爾可夫過程是一種重要的隨機(jī)過程,它具有如下特性:當(dāng)隨機(jī)過程在時(shí)刻ti所處的狀態(tài)已知時(shí),過程在時(shí)刻t(t＞ti)所處的狀態(tài)僅與過程在ti時(shí)刻的狀態(tài)有關(guān),而與過程在ti時(shí)刻以前所處的狀態(tài)無關(guān)。

馬爾可夫模型是一種基于馬爾可夫過程建立起來的采用狀態(tài)圖的可靠性和安全性建模方法,它將系統(tǒng)歸于若干不同的狀態(tài),系統(tǒng)所處的狀態(tài)會(huì)以某種概率轉(zhuǎn)移到另一個(gè)狀態(tài)網(wǎng)。馬爾可夫模型可以表達(dá)不可維修系統(tǒng)、部分可維修系統(tǒng)以及完全可維修系統(tǒng)[2]。由于ZPW-2000A無絕緣移頻軌道電路是一個(gè)復(fù)雜的可維修系統(tǒng),所以本文僅寫出了馬爾可夫可維修系統(tǒng)的一般模型。

假定一個(gè)可維修系統(tǒng)有N+1個(gè)狀態(tài),其中狀態(tài)0, 1,…,K是系統(tǒng)的工作狀態(tài);K+1,…,N是系統(tǒng)的故障狀態(tài)。記E={0,1,…,N},W={0,1,…,K}和F={K+ 1,K+2,…,N}。令X(t)表示時(shí)刻t系統(tǒng)所處的狀態(tài)。

若{X(t),t≥0}是一個(gè)時(shí)齊馬爾可夫過程,滿足連續(xù)性條件,且在充分小的時(shí)間Δt內(nèi)的轉(zhuǎn)移概率函數(shù)滿足

其中aij(i,j=0,1,…,N)是給定的,且aij≥0。從而

綜上可得

式(4)稱為可維修系統(tǒng)的Markov模型。利用可維修系統(tǒng)的Markov模型可以求出可維修系統(tǒng)的各種可靠性指標(biāo)。

4 RAM評(píng)估

ZPW-2000A無絕緣移頻軌道電路是由室內(nèi)設(shè)備和室外設(shè)備組成的復(fù)雜系統(tǒng)。為更好的計(jì)算整個(gè)系統(tǒng)的RAM指標(biāo),首先對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行逐層向下分解,建立可靠性框圖,然后根據(jù)最底層的可靠性數(shù)據(jù),計(jì)算ZPW-2000A無絕緣移頻軌道電路的RAM指標(biāo)。

ZPW-2000A無絕緣移頻軌道電路屬于可修復(fù)系統(tǒng),為了有效的計(jì)算系統(tǒng)RAM指標(biāo),本文對(duì)系統(tǒng)作出如下假設(shè):

(1)系統(tǒng)各模塊或部件單元的壽命分布與修復(fù)時(shí)間分布均是指數(shù)分布;

(2)在時(shí)間Δt內(nèi)不會(huì)出現(xiàn)2次及以上的故障或者修復(fù);

(3)故障事件和修復(fù)事件均屬于獨(dú)立事件。

4.1 可靠性指標(biāo)計(jì)算

4.1.1 可靠性框圖

可靠性框圖是系統(tǒng)單元及其可靠性意義下連接關(guān)系的圖形表達(dá),表示單元的正?；蚴顟B(tài)對(duì)系統(tǒng)狀態(tài)的影響。在一些情況下,它不同于結(jié)構(gòu)連接圖?？煽啃钥驁D是利用互相連接的方框來顯示系統(tǒng)的失效邏輯,分析系統(tǒng)中每一個(gè)成分的失效率對(duì)系統(tǒng)的影響,以幫助評(píng)估系統(tǒng)的整體可靠性[3]。

由于ZPW-2000A無絕緣移頻軌道電路是由各個(gè)子系統(tǒng)有機(jī)組合而來,所以在建立可靠性框圖的過程中應(yīng)充分考慮子系統(tǒng)與子系統(tǒng)之間的聯(lián)系以及子系統(tǒng)對(duì)系統(tǒng)正常運(yùn)行的影響。

對(duì)ZPW-2000A無絕緣移頻軌道電路進(jìn)行逐層分解時(shí),要綜合考慮系統(tǒng)結(jié)構(gòu)層次和功能層次的關(guān)系。然后將ZPW-2000A無絕緣移頻軌道電路系統(tǒng)按基本結(jié)構(gòu)作出其可靠性框圖,以表明系統(tǒng)與子系統(tǒng)之間、子系統(tǒng)與組部件之間在功能上的依從關(guān)系。

系統(tǒng)第一層可靠性框圖可以將ZPW-2000A無絕緣移頻軌道電路看做室內(nèi)子系統(tǒng)和室外子系統(tǒng)串聯(lián)的模型系統(tǒng),如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)第一層可靠性框圖

第二層可靠性框圖是針對(duì)室內(nèi)子系統(tǒng)和室外子系統(tǒng)逐層建立的,如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)第二層可靠性框圖

第三層可靠性框圖是在上一層的基礎(chǔ)上向下分解到最小可更換模塊或部件而來的,以發(fā)送器為例,如圖3所示。

一般可靠性框圖分解到模塊或部件級(jí),如果有其他需要,也可以向下分解到元件級(jí)。以發(fā)送器的母版為例,可以分解到元件層,如圖4所示。

圖3 第三層發(fā)送器可靠性框圖

圖4 母版可靠性框圖

4.1.2 可靠性預(yù)計(jì)

可靠性預(yù)計(jì)是根據(jù)組成系統(tǒng)的元器件、部件和分系統(tǒng)的可靠性來推測(cè)系統(tǒng)的可靠性,是一個(gè)由局部到整體、由小到大、由下到上的過程[4]。

ZPW-2000A無絕緣移頻軌道電路的可靠性預(yù)計(jì)可以首先使用模塊或部件的可靠性預(yù)計(jì),得到模塊或部件的可靠性參數(shù)(故障率λ),然后在此基礎(chǔ)上,通過可靠性框圖自底向上逐層計(jì)算,最后得到系統(tǒng)的可靠性參數(shù)。

(1)模塊或部件的可靠性預(yù)計(jì)

據(jù)調(diào)查,我國鐵路信號(hào)廠生產(chǎn)的ZPW-2000A無絕緣移頻軌道電路的元器件均使用的是質(zhì)量較高的元器件,而且ZPW-2000A無絕緣移頻軌道電路使用環(huán)境也符合GJB299C—2006中GF1標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定。故可以使用元件計(jì)數(shù)法,通過GJB299C—2006標(biāo)準(zhǔn)獲取相應(yīng)元器件的參數(shù),進(jìn)而求出模塊或部件的故障率。

(2)系統(tǒng)的可靠性預(yù)計(jì)

因?yàn)檐壍离娐穼?duì)于保障行車安全的重要性,這就決定了系統(tǒng)在某一時(shí)刻,可能處于正常工作狀態(tài)、故障狀態(tài)或是維修狀態(tài),而且這些狀態(tài)是隨機(jī)的離散的。由于ZPW-2000A無絕緣移頻軌道電路屬于可修復(fù)系統(tǒng),在工作期間,系統(tǒng)各模塊或部件單元的壽命分布與修復(fù)時(shí)間分布均服從指數(shù)分布,可以使用馬爾可夫模型來計(jì)算系統(tǒng)的可靠性指標(biāo)。

①串聯(lián)可維修系統(tǒng)

系統(tǒng)由n個(gè)相互獨(dú)立的不同子系統(tǒng)串聯(lián)而成。若n個(gè)子系統(tǒng)工作正常,則系統(tǒng)正常;若至少有一個(gè)子系統(tǒng)出現(xiàn)故障,則系統(tǒng)故障。因此串聯(lián)系統(tǒng)的可靠性預(yù)計(jì)計(jì)算與子系統(tǒng)的維修時(shí)間無關(guān),其可靠性框圖和狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖分別如圖5和圖6所示。從而串聯(lián)可維修系統(tǒng)的故障率為

圖5 串聯(lián)系統(tǒng)的可靠性框圖

圖6 串聯(lián)系統(tǒng)的狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖

串聯(lián)可維修系統(tǒng)的平均故障間隔時(shí)間為

②并聯(lián)可維修系統(tǒng)

系統(tǒng)由2個(gè)或2個(gè)以上子系統(tǒng)組成的并聯(lián)(冗余)系統(tǒng),只有當(dāng)系統(tǒng)中所有子系統(tǒng)都發(fā)生故障時(shí)系統(tǒng)才會(huì)發(fā)生故障。結(jié)合ZPW-2000A無絕緣移頻軌道電路的情況,以接收器為例,接收器為雙機(jī)并聯(lián)熱備的子系統(tǒng),可取n=2,其可靠性框圖如圖7所示?？紤]到并聯(lián)系統(tǒng)的可維修性,其狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖如圖8所示。

圖7 接收器可靠性框圖

圖8 接收器狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖

由式(1)～式(4)可得接收器的狀態(tài)轉(zhuǎn)移矩陣

狀態(tài)2為故障狀態(tài),令其為馬爾可夫過程的吸收態(tài),則有

此時(shí)狀態(tài)方程組滿足

通過以上分析,可以得到ZPW-2000A無絕緣移頻軌道電路各子系統(tǒng)的平均故障間隔時(shí)間。

4.2 可維護(hù)性指標(biāo)計(jì)算

系統(tǒng)的平均修復(fù)時(shí)間MTTR可以通過計(jì)算子系統(tǒng)或部件MTTR的加權(quán)平均值得到[5]。

式中,qi為子系統(tǒng)i的數(shù)量;λi為第i個(gè)子系統(tǒng)的故障率;MTTRi為第i個(gè)子系統(tǒng)的平均修復(fù)時(shí)間。

由于ZPW-2000A無絕緣移頻軌道電路運(yùn)行的實(shí)時(shí)性要求,當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)子系統(tǒng)、模塊或部件的故障時(shí),一般是用現(xiàn)場(chǎng)的備件進(jìn)行更換,所以修復(fù)時(shí)間可近似等于更換備件所用的時(shí)間。ZPW-2000A無絕緣移頻軌道電路各子系統(tǒng)的平均修復(fù)時(shí)間如表1所示。

表1 各子系統(tǒng)可靠性和維修性參數(shù)

4.3 可用性指標(biāo)計(jì)算

可用性是產(chǎn)品、設(shè)備可靠性與維修性的綜合反映,可用度是可靠性和維修性參數(shù)的函數(shù),本文的可用度可以通過可靠性預(yù)計(jì)和維修性預(yù)計(jì)的結(jié)果得出,即

4.4 系統(tǒng)RAM評(píng)估

4.4.1 RAM指標(biāo)需求

根據(jù)ZPW-2000A軌道電路技術(shù)條件得出以下RAM指標(biāo)[6]。

(1)ZPW-2000A無絕緣移頻軌道電路的可靠性指標(biāo):MTBF≥104h;

(2)ZPW-2000A無絕緣移頻軌道電路的可用性指標(biāo):A≥99.9%;

(3)根據(jù)上述(1)和(2)的指標(biāo),由式(13)可以推出ZPW-2000A無絕緣移頻軌道電路的平均修復(fù)時(shí)間: MTTR≤10 h。

4.4.2 系統(tǒng)RAM指標(biāo)

依據(jù)4.1～4.2節(jié)的內(nèi)容,可以得到ZPW-2000A無絕緣移頻軌道電路各子系統(tǒng)的故障率、平均故障間隔時(shí)間和平均修復(fù)時(shí)間,如表1所示。

通過表1中ZPW-2000A無絕緣移頻軌道電路各子系統(tǒng)的相關(guān)參數(shù),然后計(jì)算得出ZPW-2000A無絕緣移頻軌道電路的RAM指標(biāo)為

MTBFS=4.76×104h;

MTTRS=0.214 h;

A=99.999 6%。

從上述結(jié)果可以看出,ZPW-2000A無絕緣移頻軌道RAM指標(biāo)的電路的RAM指標(biāo)符合4.4.1節(jié)的RAM指標(biāo)需求。

5 結(jié)論

ZPW-2000A無絕緣移頻軌道電路由多個(gè)相互關(guān)聯(lián)且工作狀態(tài)互相獨(dú)立的子系統(tǒng)串聯(lián)而成,其工作狀況直接影響到鐵路運(yùn)輸?shù)男屎桶踩?duì)ZPW-2000A無絕緣移頻軌道電路的RAM進(jìn)行研究,是提高其設(shè)計(jì)制造和運(yùn)營水平的重要理論基礎(chǔ)也是進(jìn)行軌道電路維護(hù)的重要依據(jù)。通過對(duì)ZPW-2000A無絕緣移頻軌道電路RAM指標(biāo)的計(jì)算,可以得出本文的評(píng)估方法是可行的,有效的。該評(píng)估方法同樣適用于對(duì)鐵路信號(hào)系統(tǒng)的其他設(shè)備的RAM評(píng)估。

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Evaluation Research on the RAMof ZPW-2000A Jointless Audio Frequency-shift Modulated Track Circuit

SU Hong-sheng,WANGWen-bin
(School of Automation and Electrical Engineering,Lanzhou Jiaotong University,Lanzhou 730070,China)

In order to evaluate the reliability,availability and maintainability(RAM)of ZPW-2000A Jointless Audio Frequency-shift Modulated Track Circuit,the block diagram of ZPW-2000A Jointless Audio Frequency-shift Modulated Track Circuit was constructed by top-down layer decomposition.Then the failure rate and repair rate of the smallest replaceable module or unit can be gotten by using the reliability prediction and maintainability prediction.Next,by using Markovmodel and reliability block diagram,the reliability indexes and maintainability indexes of ZPW-2000A Jointless Audio Frequency-shift Modulated Track Circuit can be obtained.Also the availability indexes of ZPW-2000A Jointless Audio Frequency-shift Modulated Track Circuit can be calculated according to the obtained reliability indexes and maintainability indexes.Finally,according to the obtained indexes,determine whether it canmeet system requirements.

jointless audio frequency-shiftmodulated track circuit;RAM;evaluation research

U284.22

A

1004-2954(2013)07-0111-04

2013 01 12

鐵道部科技研究開發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目(2012X003-B)

蘇宏升(1969—),男,教授,博士生導(dǎo)師,博士,E-mail:shsen @163.com。