朱鵬舉+董 凱 胡彩鳳 吳能峰 楊北輝

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RAMS在城市軌道交通牽引系統(tǒng)設(shè)計中的應(yīng)用

朱鵬舉+董 凱 胡彩鳳 吳能峰 楊北輝

摘 要：城市軌道交通牽引系統(tǒng)的RAMS（可靠性、可用性、可維護性和安全性）特性，在牽引系統(tǒng)的設(shè)計開發(fā)中具有非常重要的作用。介紹牽引系統(tǒng)的基本組成以及影響系統(tǒng)RAMS的因素，從需求定義、系統(tǒng)設(shè)計、設(shè)計與實現(xiàn)、實施與制造、測試與驗證、安全證據(jù)及交付這6個階段簡單描述了 RAMS 實施的過程。

關(guān)鍵詞：地鐵車輛；牽引系統(tǒng)；設(shè)計；RAMS

朱鵬舉：廣州市地下鐵道總公司，工程師，廣東廣州660431

最近十余年來，中國的城市軌道交通建設(shè)已經(jīng)逐步進入到了高速有序發(fā)展的階段，產(chǎn)品的RAMS（可靠性、可用性、可維護性和安全性）越來越受到大家的關(guān)注，同時RAMS作為產(chǎn)品非常重要的屬性，在衡量牽引系統(tǒng)綜合性能的時候，已經(jīng)越來越重要。本文從系統(tǒng)設(shè)計開發(fā)的角度，介紹了將RAMS需求引入到產(chǎn)品設(shè)計中的過程，提高產(chǎn)品的可靠性、可用性、可維護性和安全性。

1　RAMS定義

RAMS：Reliability（可靠性）、Availiability（可用性）、Maintainability（可維修性）、Safety（安全性）。RAMS是城市軌道交通牽引系統(tǒng)的長期工作特性，在系統(tǒng)的整個生命周期內(nèi)，它通過系統(tǒng)的設(shè)計，運用各種技術(shù)方法和工具而實現(xiàn)。

2　牽引系統(tǒng)RAMS標準與要素

2.1牽引系統(tǒng)RAMS標準

城市軌道交通牽引系統(tǒng)，參照GB/T21562-2008《軌道交通 可靠性、可用性、可維修性和安全性規(guī)范及示例》、EN50128:2011《鐵路應(yīng)用—通信、信號和處理系統(tǒng)—鐵路控制和防護系統(tǒng)軟件》、EN50129:2003《鐵路應(yīng)用—通信、信號和過程控制系統(tǒng)—信號的安全相關(guān)電子系統(tǒng)》等標準進行系統(tǒng)的 RAMS 設(shè)計，具體標準對照如圖1所示。

圖1　牽引系統(tǒng) RAMS 標準對照

2.2牽引系統(tǒng) RAMS 要素

影響牽引系統(tǒng)的 RAMS 要素，主要來自3個方面：來源于在系統(tǒng)生命周期中任何階段系統(tǒng)內(nèi)部的失效（系統(tǒng)環(huán)境）、運營過程中強加給系統(tǒng)的失效（運營環(huán)境）以及在系統(tǒng)維修工作中強加給系統(tǒng)的失效（維修環(huán)境），這些失效能夠相互作用，其關(guān)系見圖2。

圖2　影響牽引系統(tǒng)的 RAMS 因素

3　牽引系統(tǒng)概要

牽引系統(tǒng)是地鐵車輛的核心，完整的牽引系統(tǒng)如圖3所示，包括牽引變流器、輔助電源、牽引電機。

圖3　牽引系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)圖

牽引變流器主要由高壓輸入電路、濾波電路、逆變單元、制動斬波電路、制動電阻、牽引控制單元、信號檢測電路等組成。它的基本功能是，把地鐵車輛從直流電源獲取的高壓直流電變換成幅值和頻率都可調(diào)的三相交流電，并給異步牽引電機供電，實現(xiàn)了直流側(cè)和交流側(cè)的能量傳輸。

輔助電源由輔助變流器主回路、充電機主回路、強迫風冷單元、緊急啟動單元和低壓控制單元共5個部分組成，用于向地鐵車輛上輔助負載提供三相交流電源，同時還為蓄電池和控制負載提供直流110 V 電源。

牽引電機是地鐵列車牽引的動力傳動裝置，是車輛運行的動力源泉。

4　牽引系統(tǒng)功能實現(xiàn)

4.1牽引變流器結(jié)構(gòu)設(shè)計

牽引變流器及異步牽引電機構(gòu)成交流電傳動系統(tǒng)，是列車的重要控制和動力系統(tǒng)，牽引變流器將地鐵車輛由直流電源獲取的高壓直流電變換為幅值和頻率可調(diào)的三相交流電，并給異步牽引電機供電，實現(xiàn)列車的牽引及制動；同時牽引系統(tǒng)具備網(wǎng)絡(luò)通信、故障保護、自診斷及監(jiān)控功能。牽引變流器結(jié)構(gòu)如圖4所示。

4.2輔助電源結(jié)構(gòu)設(shè)計

輔助電源由輔助變流器主回路、充電機主回路、強迫風冷單元、緊急啟動單元和低壓控制單元共5個部分組成，實現(xiàn)三相交流380 V 和直流110 V 的輸出。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖5所示。

牽引變流器由受電弓受流供電，然后轉(zhuǎn)入輔助電源，直流電經(jīng)輔助變流器主回路單元逆變后輸出三相380 V 交流電，交流電經(jīng)充電機主回路整流后輸出110 V直流電。其中，低壓控制單元控制系統(tǒng)運行，強迫風冷單元為系統(tǒng)通風，緊急啟動單元實現(xiàn)輔助電源的自激啟動。

圖4　牽引變流器結(jié)構(gòu)圖

圖5　輔助電源結(jié)構(gòu)圖

4.3牽引電機結(jié)構(gòu)設(shè)計

牽引電機是完整的牽引系統(tǒng)驅(qū)動裝置的一部分，是牽引驅(qū)動的動力設(shè)備，將牽引變流器送過來的電能轉(zhuǎn)化為車輛行駛的機械能。電機采用鼠籠銅條轉(zhuǎn)子，定子繞組采取防電暈的絕緣結(jié)構(gòu)，且要采取特殊措施，防止水對電機絕緣的損傷；軸承采取絕緣結(jié)構(gòu)，防止變頻電源對軸承造成電腐蝕。

5　牽引系統(tǒng)RAMS實施關(guān)鍵階段

牽引系統(tǒng) RAMS 的實施主要有6個關(guān)鍵階段，包括需求定義、系統(tǒng)設(shè)計、設(shè)計與實現(xiàn)、實施和制造、測試和驗證、安全證據(jù)及交付等。

5.1需求定義階段

需求定義階段是牽引系統(tǒng)設(shè)計開發(fā)的早期階段，其重要活動包括如下幾點。

（1）定義系統(tǒng)。確定系統(tǒng)的任務(wù)、范圍和應(yīng)用條件。

（2）建立項目 RAMS 組織，依據(jù)系統(tǒng)定義的功能等相關(guān)需求進行危害分析，識別安全需求，完善系統(tǒng)需求。

（3）建立系統(tǒng)保證計劃、安全計劃、驗證和確認計劃。

在這幾個任務(wù)中，對牽引系統(tǒng)安全性起到重要作用的工作是危害分析。危害分析是一個系統(tǒng)工程，完整的危害分析包括初步危害分析、系統(tǒng)危害分析、子系統(tǒng)危害分析、部件/單元危害分析、接口危害分析、操作危害分析等，危害分析貫穿與整個牽引系統(tǒng)的設(shè)計開發(fā)，具體過程如圖6所示（其中：ALARP 即最低合理可行）。

5.2系統(tǒng)設(shè)計階段

經(jīng)過系統(tǒng)定義階段之后，系統(tǒng)的需求以及RAMS需求都已經(jīng)明確。在這個基礎(chǔ)上，系統(tǒng)設(shè)計階段主要的工作是明確系統(tǒng)硬件、軟件、結(jié)構(gòu)要求，確定系統(tǒng)的硬件、軟件、結(jié)構(gòu)需求以及安全需求，確定系統(tǒng)的安全設(shè)計原則，指導(dǎo)硬件、軟件、結(jié)構(gòu)的具體設(shè)計工作開展。

牽引系統(tǒng)采用故障導(dǎo)向安全的機制，主要安全設(shè)計原則有系統(tǒng)設(shè)備器件冗余、故障診斷及狀態(tài)監(jiān)控、性能余量設(shè)計。

（1）關(guān)鍵列車信號采用硬線和網(wǎng)絡(luò)冗余的設(shè)計。列車牽引控制采用網(wǎng)絡(luò)優(yōu)先的控制方式，硬線緊急牽引控制作為備用。在列車控制網(wǎng)絡(luò)正常時，牽引和制動的控制通過列車控制網(wǎng)絡(luò)來實現(xiàn)；當列車控制網(wǎng)絡(luò)故障時，采用備用模式，由繼電器邏輯電路和列車硬線來實現(xiàn)列車的牽引和制動控制。

（2）牽引系統(tǒng)實時動態(tài)監(jiān)控設(shè)備部件運行的狀態(tài)。系統(tǒng)及設(shè)備與列車控制和診斷系統(tǒng)（TCMS）通過多功能車輛總線（MVB）交換數(shù)據(jù)，完成地鐵車輛的通信管理、功能控制、故障診斷、信息顯示和事件記錄等主要功能。

（3）牽引系統(tǒng)與列車級網(wǎng)絡(luò)的通信時，系統(tǒng)自動檢測牽引控制單元（DCU）與中央控制單元（CCU）之間的MVB網(wǎng)絡(luò)是否完整，校驗信息是否一致，有無網(wǎng)絡(luò)生命信號，以保證車輛級和列車級網(wǎng)絡(luò)通信的安全。

（4）牽引系統(tǒng)故障診斷和保護策略，主要體現(xiàn)為反作用故障安全條件下。即牽引系統(tǒng)及設(shè)備發(fā)生故障時，在系統(tǒng)安全的條件下，對故障做出相應(yīng)的反應(yīng)。

圖6　危害分析過程圖

5.3設(shè)計與實現(xiàn)階段

系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)階段，主要活動是將系統(tǒng)設(shè)計定義好的意見、軟件、結(jié)構(gòu)等設(shè)計要求以及 RAMS 要求，落實到具體的硬件、軟件、結(jié)構(gòu)設(shè)計中，具體包括如下幾點。

（1）將系統(tǒng)硬件、軟件、結(jié)構(gòu)需求通過設(shè)計開發(fā)，依照安全設(shè)計原則，將需求轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的技術(shù)圖紙，最終轉(zhuǎn)換成顧客所需要的產(chǎn)品。

（2）通過安全設(shè)計、分析、評估來實施安全計劃，論證安全相關(guān)的設(shè)計決策，開展安全管理，準備安全論據(jù)。

（3）進行系統(tǒng) RAMS 的預(yù)計，確保系統(tǒng) RAMS 在設(shè)計中符合要求，其中 RAMS 的設(shè)計包括可靠性分析、可維護性分析以及可用性分析。下面舉例簡要說明可靠性分析和可維護性分析。

5.3.1可靠性分析

典型的牽引系統(tǒng)針對的是4動2拖（即4輛動車和2輛拖車）的列車編組模式，系統(tǒng)基本可靠性模型為串聯(lián)，系統(tǒng)所有部件均為串聯(lián)結(jié)構(gòu)。

牽引系統(tǒng)采用普通概率法，用普通的概率公式擬定可靠性模型，假定各單元壽命服從指數(shù)分布，即具有恒定的失效率，計算過程如下。

可靠度函數(shù)為：

系統(tǒng)可靠度為：

系統(tǒng)失效率為：

系統(tǒng)平均無故障時間為：

5.3.2可維護性分析

可維護性分析的目的是分析系統(tǒng)是否達到了用戶要求的平均維修時間（MTTR）目標。我們采用按系統(tǒng)各個元件失效率進行加權(quán)平均的平均值的方法來計算MTTR，如下所示：

5.4實施和制造階段

經(jīng)過系統(tǒng)定義、系統(tǒng)設(shè)計、設(shè)計與實現(xiàn)這幾個階段以后，牽引系統(tǒng)的需求以及 RAMS 需求，都具體落實在了設(shè)計中。在實施和制造階段，除了依據(jù)設(shè)計圖紙、技術(shù)要求等進行硬件制造、單元測試外，還需要確認制造出來的產(chǎn)品或系統(tǒng)是否與設(shè)計相符合，確保 RAMS 要求落實在系統(tǒng)或產(chǎn)品的實施制造中，同時在這個階段中需要不斷地維護危害日志，把影響系統(tǒng)安全的因素都進行指第 i 個單元的失效率，有效的管控與處理。

5.5測試和驗證階段

系統(tǒng)或產(chǎn)品實施制造完成后，為了確保實施和制造的結(jié)果符合要求，需要根據(jù)系統(tǒng)安全計劃、系統(tǒng)質(zhì)量保證計劃、系統(tǒng)驗證和確認計劃、系統(tǒng)測試規(guī)范以及相關(guān)測試案例，對牽引系統(tǒng)進行測試，驗證系統(tǒng)需求包括 RAMS 需求是否都已經(jīng)實現(xiàn)，系統(tǒng)安全可靠；同時維護并更新危害日志，確保安全相關(guān)措施均已落實，經(jīng)過測試驗證有效。在這個階段，主要的驗證措施如下。

（1）需求檢查。采用需求跟蹤矩陣檢查的方式，確保需求實現(xiàn)無遺漏。

（2）文檔檢查。檢查系統(tǒng)或產(chǎn)品設(shè)計開發(fā)過程中的所有文檔，依此反應(yīng)過程的有序、規(guī)范，各過程活動嚴謹。

（3）系統(tǒng)功能測試?；诹己枚x的測試用例進行全面功能測試，以證實達到了預(yù)定的特征和安全需求。

（4）環(huán)境條件下的功能測試。在指定環(huán)境條件下進行安全相關(guān)功能和其他功能的測試。

（5）浪涌抗擾度測試。進行比實際運行條件邊界值更高的浪涌抗擾度測試。

（6）評審。在生命周期的適當階段進行評審，以證實實現(xiàn)了指定的特征和安全性需求。

5.6安全證據(jù)及交付階段

隨著系統(tǒng)的測試和驗證環(huán)節(jié)結(jié)束，安全證據(jù)及交付階段主要活動是對整個產(chǎn)品開發(fā)過程中的質(zhì)量管理、技術(shù)安全、安全管理活動進行整理，完成安全案例，并經(jīng)過系統(tǒng)驗收，發(fā)布系統(tǒng)，主要評估包括以下內(nèi)容。

（1）評估系統(tǒng)需求規(guī)范中的需求均已在系統(tǒng)設(shè)計中實現(xiàn)，對系統(tǒng)故障后果進行了安全分析，系統(tǒng)在設(shè)計過程中考慮了不同的功能模塊相互獨立，以消除內(nèi)部功能相互影響。

（2）對牽引系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、接口、軟硬件安全設(shè)計準則、故障影響、操作和外部影響以及正確功能性操作保證等方面進行全面綜合的評估，評估牽引系統(tǒng)的RAMS需求是否已經(jīng)滿足。

（3）評估危害日志，確保所有的危害都有效控制與處理，滿足系統(tǒng)安全要求。

6　結(jié)語

隨著城市軌道交通行業(yè)的深入發(fā)展，牽引系統(tǒng)是否安全可靠越來越受到重視，而 RAMS 作為提高產(chǎn)品安全可靠性能的一種方法，正在逐步應(yīng)用于產(chǎn)品設(shè)計中，已成必然趨勢。本文闡述了牽引系統(tǒng)采用的 RAMS 相關(guān)標準，以及影響牽引系統(tǒng) RAMS 的要素，通過生命周期的各個階段活動，簡要闡述了 RAMS 工作在各階段中的活動過程，有效地預(yù)防、控制、減少各種不利因素對系統(tǒng)RAMS 的影響，從而最終提高產(chǎn)品的競爭力，為客戶提供滿意的產(chǎn)品。

參考文獻

［1］ CENELEC. EN50126-1999Railway applications —The specification and demonstration of Reliability，Availability，Maintainability and Safety （RAMS）［S］.

［2］ BS EN50129:2003Railway applications —Communications，signaling and processing systems —Safety related electronic systems for signaling［S］.

［3］ BS EN50128:2001Railway applications —Communications，signaling and processing systems —Software for railway control and protection systems［S］.

［4］ GB/T21562-2008軌道交通可靠性、可用性、可維修性和安全性規(guī)范及示例［S］.

責任編輯 冒一平

Application of RAMS in Transit Traction System Design

Zhu Pengju, Dong Kai, Hu Caifeng, et al.

Abstract:RAMS (reliability, availability, maintainability and safety) of urban rail transit traction system, plays a very important role in the design and development of traction system. Traction system of basic composition and effect of RAMS system factors are introduced and described, including the six stages from requirements definition, system design, design and implementation, implementation and manufacturing, testing and validation, and security evidence and delivery of RAMS in implement process.

Keywords:metro vehicle, traction system, design, RAMS

中圖分類號：U260.2

收稿日期2015-07-03