ZPW
——2000A無絕緣移頻軌道電路的RAM評估研究

蘇宏升,王文斌

ZPW
——2000A無絕緣移頻軌道電路的RAM評估研究

蘇宏升,王文斌

(蘭州交通大學自動化與電氣工程學院,蘭州 730070)

為了評估ZPW-2000A無絕緣移頻軌道電路的可靠性、可用性和維修性(RAM),對其進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。通過使用可靠性預計和維修性預計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與可維護性指標,并根據所得到的可靠性指標與可維護性指標求解出ZPW-2000A無絕緣移頻軌道電路的可用性指標。最后根據所得到的指標,判斷其是否達到系統需求。

無絕緣移頻軌道電路;RAM;評估研究

1 概述

隨著我國鐵路向高速、重載和高密度的發展,軌道電路設備對與保障列車高速、安全運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引進、國產化基礎上,結合國情進行提高系統安全性、系統傳輸性能及系統可靠性的技術再開發升級而來的[1]。目前,該軌道電路是我國鐵路上廣泛應用的軌道電路設備。結合ZPW-2000A無絕緣移頻軌道電路的實際情況,從設計角度研究其可靠性、可用性和可維護性(RAM),提出了ZPW-2000A無絕緣移頻軌道電路的RAM評估方法。

2 RAM簡介

RAM是可靠性(Reliability)、可用性(Availability)和維修性(Maintainability)英文第一個字母的組合。RAM是IRIS(International Railway Industry Standard)國際鐵路行業標準之一,是系統長期工作的特性,它貫穿產品整個生命周期,從對產品的可行性分析研究到產品報廢的整個生命周期過程中,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間間隔內,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,產品在規定的條件下和規定的時刻或時間間隔內處于可執行規定功能狀態的能力。

維修性是指產品在規定的條件下和規定的時間內,按規定的程序和方法進行維修時,保持和恢復到規定狀態的能力。

3 馬爾可夫分析

馬爾可夫過程是一種重要的隨機過程,它具有如下特性:當隨機過程在時刻ti所處的狀態已知時,過程在時刻t(t＞ti)所處的狀態僅與過程在ti時刻的狀態有關,而與過程在ti時刻以前所處的狀態無關。

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圖的可靠性和安全性建模方法,它將系統歸于若干不同的狀態,系統所處的狀態會以某種概率轉移到另一個狀態網。馬爾可夫模型可以表達不可維修系統、部分可維修系統以及完全可維修系統[2]。由于ZPW-2000A無絕緣移頻軌道電路是一個復雜的可維修系統,所以本文僅寫出了馬爾可夫可維修系統的一般模型。

假定一個可維修系統有N+1個狀態,其中狀態0, 1,…,K是系統的工作狀態;K+1,…,N是系統的故障狀態。記E={0,1,…,N},W={0,1,…,K}和F={K+ 1,K+2,…,N}。令X(t)表示時刻t系統所處的狀態。

若{X(t),t≥0}是一個時齊馬爾可夫過程,滿足連續性條件,且在充分小的時間Δt內的轉移概率函數滿足

其中aij(i,j=0,1,…,N)是給定的,且aij≥0。從而

綜上可得

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

4 RAM評估

ZPW-2000A無絕緣移頻軌道電路是由室內設備和室外設備組成的復雜系統。為更好的計算整個系統的RAM指標,首先對系統進行逐層向下分解,建立可靠性框圖,然后根據最底層的可靠性數據,計算ZPW-2000A無絕緣移頻軌道電路的RAM指標。

ZPW-2000A無絕緣移頻軌道電路屬于可修復系統,為了有效的計算系統RAM指標,本文對系統作出如下假設:

(1)系統各模塊或部件單元的壽命分布與修復時間分布均是指數分布;

(2)在時間Δt內不會出現2次及以上的故障或者修復;

(3)故障事件和修復事件均屬于獨立事件。

4.1 可靠性指標計算

4.1.1 可靠性框圖

可靠性框圖是系統單元及其可靠性意義下連接關系的圖形表達,表示單元的正?；蚴顟B對系統狀態的影響。在一些情況下,它不同于結構連接圖?？煽啃钥驁D是利用互相連接的方框來顯示系統的失效邏輯,分析系統中每一個成分的失效率對系統的影響,以幫助評估系統的整體可靠性[3]。

由于ZPW-2000A無絕緣移頻軌道電路是由各個子系統有機組合而來,所以在建立可靠性框圖的過程中應充分考慮子系統與子系統之間的聯系以及子系統對系統正常運行的影響。

對ZPW-2000A無絕緣移頻軌道電路進行逐層分解時,要綜合考慮系統結構層次和功能層次的關系。然后將ZPW-2000A無絕緣移頻軌道電路系統按基本結構作出其可靠性框圖,以表明系統與子系統之間、子系統與組部件之間在功能上的依從關系。

系統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子系統和室外子系統串聯的模型系統,如圖1所示。

圖1 系統第一層可靠性框圖

第二層可靠性框圖是針對室內子系統和室外子系統逐層建立的,如圖2所示。

圖2 系統第二層可靠性框圖

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

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

圖3 第三層發送器可靠性框圖

圖4 母版可靠性框圖

4.1.2 可靠性預計

可靠性預計是根據組成系統的元器件、部件和分系統的可靠性來推測系統的可靠性,是一個由局部到整體、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計可以首先使用模塊或部件的可靠性預計,得到模塊或部件的可靠性參數(故障率λ),然后在此基礎上,通過可靠性框圖自底向上逐層計算,最后得到系統的可靠性參數。

(1)模塊或部件的可靠性預計

據調查,我國鐵路信號廠生產的ZPW-2000A無絕緣移頻軌道電路的元器件均使用的是質量較高的元器件,而且ZPW-2000A無絕緣移頻軌道電路使用環境也符合GJB299C—2006中GF1標準規定。故可以使用元件計數法,通過GJB299C—2006標準獲取相應元器件的參數,進而求出模塊或部件的故障率。

(2)系統的可靠性預計

因為軌道電路對于保障行車安全的重要性,這就決定了系統在某一時刻,可能處于正常工作狀態、故障狀態或是維修狀態,而且這些狀態是隨機的離散的。由于ZPW-2000A無絕緣移頻軌道電路屬于可修復系統,在工作期間,系統各模塊或部件單元的壽命分布與修復時間分布均服從指數分布,可以使用馬爾可夫模型來計算系統的可靠性指標。

①串聯可維修系統

系統由n個相互獨立的不同子系統串聯而成。若n個子系統工作正常,則系統正常;若至少有一個子系統出現故障,則系統故障。因此串聯系統的可靠性預計計算與子系統的維修時間無關,其可靠性框圖和狀態轉移圖分別如圖5和圖6所示。從而串聯可維修系統的故障率為

圖5 串聯系統的可靠性框圖

圖6 串聯系統的狀態轉移圖

串聯可維修系統的平均故障間隔時間為

②并聯可維修系統

系統由2個或2個以上子系統組成的并聯(冗余)系統,只有當系統中所有子系統都發生故障時系統才會發生故障。結合ZPW-2000A無絕緣移頻軌道電路的情況,以接收器為例,接收器為雙機并聯熱備的子系統,可取n=2,其可靠性框圖如圖7所示?？紤]到并聯系統的可維修性,其狀態轉移圖如圖8所示。

圖7 接收器可靠性框圖

圖8 接收器狀態轉移圖

由式(1)～式(4)可得接收器的狀態轉移矩陣

狀態2為故障狀態,令其為馬爾可夫過程的吸收態,則有

此時狀態方程組滿足

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的平均故障間隔時間。

4.2 可維護性指標計算

系統的平均修復時間MTTR可以通過計算子系統或部件MTTR的加權平均值得到[5]。

式中,qi為子系統i的數量;λi為第i個子系統的故障率;MTTRi為第i個子系統的平均修復時間。

由于ZPW-2000A無絕緣移頻軌道電路運行的實時性要求,當系統出現子系統、模塊或部件的故障時,一般是用現場的備件進行更換,所以修復時間可近似等于更換備件所用的時間。ZPW-2000A無絕緣移頻軌道電路各子系統的平均修復時間如表1所示。

表1 各子系統可靠性和維修性參數

4.3 可用性指標計算

可用性是產品、設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的函數,本文的可用度可以通過可靠性預計和維修性預計的結果得出,即

4.4 系統RAM評估

4.4.1 RAM指標需求

根據ZPW-2000A軌道電路技術條件得出以下RAM指標[6]。

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

(2)ZPW-2000A無絕緣移頻軌道電路的可用性指標:A≥99.9%;

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

4.4.2 系統RAM指標

依據4.1～4.2節的內容,可以得到ZPW-2000A無絕緣移頻軌道電路各子系統的故障率、平均故障間隔時間和平均修復時間,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的相關參數,然后計算得出ZPW-2000A無絕緣移頻軌道電路的RAM指標為

MTBFS=4.76×104h;

MTTRS=0.214 h;

A=99.999 6%。

從上述結果可以看出,ZPW-2000A無絕緣移頻軌道RAM指標的電路的RAM指標符合4.4.1節的RAM指標需求。

5 結論

ZPW-2000A無絕緣移頻軌道電路由多個相互關聯且工作狀態互相獨立的子系統串聯而成,其工作狀況直接影響到鐵路運輸的效率和安全。對ZPW-2000A無絕緣移頻軌道電路的RAM進行研究,是提高其設計制造和運營水平的重要理論基礎也是進行軌道電路維護的重要依據。通過對ZPW-2000A無絕緣移頻軌道電路RAM指標的計算,可以得出本文的評估方法是可行的,有效的。該評估方法同樣適用于對鐵路信號系統的其他設備的RAM評估。

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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計劃項目(2012X003-B)

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