利用可靠性框图对武汉地铁6号线综合监控系统RAM分析

卢小军张逸楠黄睿

摘要：结合武汉地铁6号线，利用可靠性框图对地铁综合监控系统RAM（可靠性、可用性、可维修性）分析。

关键词：地铁；综合监控系统；RAM

1RAM评估

1）故障

系统或设备在运营期间出现故障，导致系统不能执行其应有功能（不包括外部输入失效所致的情况）。

2）平均无故障时间（MTBF）

平均无故障时间是指任何需要运营或维护人员提供特别协助（即非正常模式）以维特或恢复设备运作故障（包括所有引至系统的假警报或指示错误）所需要的时间，外来因素引起的事故不纳入计算。因此，系统故障率λ=1／MTBF。

3）平均修复时间（MTTR）

平均修复时间包括诊断时间、组件修理及替换时间、以及在现场的调整及测试时间。因此，系统修复率口μ=1／MTTR。

4）系统固有可用性（IA）

5）平均停机时间（MDT）

将MTTR的定义扩展至包括运营及／或维护员工到达现场前的反应时间（RT），即

2可靠性框图

可靠性框图是利用互相连接的方框来显示系统的失效逻辑，分析系统中每一个成分的失效率对系统的影响，以帮助评估系统的整体可靠性。RBD软件是一个功能较强的系统可靠性分析工具。该软件通过产生最小割集可以完成对大和复杂的可靠性框图（包括可靠性网络框图）的分析。

可靠性框图的结构代表了系统中故障的逻辑作用关系，单个单元代表单个部件的故障或子系统的故障或是其它的对整个系统故障有影响的事件，对于子系统又可以用更低层次的框图来表达。可靠性框图的逻辑流程是始于框图左边的Input节点，终止于右边的output节点。依据系统的特性，在系统的输入节点和输出节点之间排列着一些串联或并联的单元。常用的可靠性方框图有并联和串联两种计算模型。

串联模型

模型如图2-1所示。系统的可靠性R=RA•RB。该模型下，两个部件中有一个故障将导致系统故障。

图2-1串联模型

模型如图2-2所示。系统的可靠性R=1一（1一RA）（1一RB）。该模型下，单一部件故障不引起系统故障，只有当两个部件全部故障才会导致系统故障。该模型是冗余设计的基础。

图2-2并联模型

3RAM评估范围

武汉地铁6号线一期工程线路长35.938km，全部为地下线，设站27座，全部为地下车站，设置控制中心、车辆段、停车场各一处。本RAM评估范围为综合监控系统，包括中央级综合监控系统和车站级综合监控系统。分析设备为综合监控系统中的关键设备包括：FEP，车站级网络，车站级服务器，工作站，中心级网络，中心级服务器。

3.1RAM评估的假设和约束

本项目RAM评估的假定和约束条件如表格31所示。

表格31综合监控系统RAM评估假设和约束

3.2RAM需求

综合监控系统RAM需求如下：

表格32综合监控系统RAM需求

注：MTBF指标针对引发服务失效的故障。

4综合监控系统RAM预计

4.1可靠性预计方法

通用系统的可靠性预计，分为两部分完成：模块级（板级）可靠性预计和系统级可靠性预计。可靠性预计是自底向上的计算方法，具体计算步骤如下：

a、先对构成系统的各硬件电路模块进行可靠性预计，得出模块级的可靠性参数：失效率λ（假定电路板的失效率服从指数分布，MTBF=1/l）。

b、通过模块级的失效率或MTBF，通过建立系统的RBD模型进行系统级的可靠性预计。

c、计算出系统的可靠性指标。

综合监控系统一般分为2级：中央级和车站级（含车辆段）。其中中央级主要由以太网交换机、历史服务器、操作站、实时服务器、打印机、前端通信级（FEP）等组成；车站级主要由以太网交换机、实时服务器、工作站、打印机、前端通信级（FEP）、综合模拟盘（IBP）组成；2级之间利用冗余光纤主干网进行连接。

1）将系统图抽象为可靠性逻辑框图。对系统图进行抽象简化，仅保留主要功能设备，得出可靠性逻辑框图如图4-1～图4-2所示。

图4-1中央级综合监控系统可靠性

图4-2车站级综合监控系统可靠性

2）收集整理生产商提供的设备参数（MTBF、MTTR、RT），计算各设备的故障率λ=1／MTBF，和修复率μ=1／MTTR。形成表格，并核对综合监控系统单体设备的RAM指标是否满足目标要求。

3）根据可靠性模型逐级计算ISCS主系统的设备级、系统级（车站、中央、全系统）的MTBF，并核对RAM指标是否满足目标要求。

4.2控制中心综合监控系统RAM预计

中央级综合监控系统控制中心配置如表格41所示：

表格41控制中心综合监控系统关键设备配置表

可靠性框图为：

图43控制中心综合监控系统可靠性框图

计算结果为：

图44控制中心综合监控系统可靠性预计结果

根据ISOGRAPH计算结果，控制中心MTBF=29300h，MTTR=0.5h。

可用性指标通过下式进行计算：

=99.998%

4.3车站级综合监控系统RAM预计

车站级综合监控系统控制中心配置如表格42所示：

表格42车站级综合监控系统关键设备配置表

每座车站综合监控系统可靠性框图为：

图45车站级综合监控系统可靠性框图

计算结果为：

图46车站级综合监控系统可靠性预计结果

根据ISOGRAPH计算结果，临时控制中心MTBF=1.39e+9h，MTTR=0.25h。

可用性指标通过下式进行计算：

=99.999%

4.4RAM目标符合性判断

4.4.1中央级综合监控系统

控制中心RAM目标符合性判断结果如所示：

表格43控制中心综合监控系统RAM目标符合性

4.4.2车站级综合监控系统

表格44车站级综合监控系统RAM目标符合性

5结束语

轨道交通综合监控系统一般有1个中心系统及多个车站级系统（车辆段和停车场等也为车站级系统）组成。在利用可靠性模型进行RAM定量分析时，根据中心和车站的集中分布式控制方式，从1个车站和1个中心构成1个完整功能系统的角度来考虑整体系统的可用性，既体现了系统的结构特点，也简化的计算过程，同时也满足了定量分析的需求。

参考文献

[1]魏晓东.城市轨道交通自动化系统与技术[M].2版.北京：电子工业出版社，2011.

[2]住建部.GB50157-2013地铁设计规范[S].北京：中国计划出版社，2013.

[3]章扬，刘思宁.系统保证管理在成都地铁机电系统建设中的应用[J].城市轨道交通研究，2008（11）:4.