苏宏升,王文斌

ZPW
——2000A无绝缘移频轨道电路的RAM评估研究

苏宏升,王文斌

(兰州交通大学自动化与电气工程学院,兰州 730070)

为了评估ZPW-2000A无绝缘移频轨道电路的可靠性、可用性和维修性(RAM),对其进行逐层向下分解并建立ZPW-2000A无绝缘移频轨道电路的可靠性框图。通过使用可靠性预计和维修性预计求出最小可更换模块或部件的故障率与维修率,然后使用马尔可夫模型和可靠性框图求解出ZPW-2000A无绝缘移频轨道电路的可靠性指标与可维护性指标,并根据所得到的可靠性指标与可维护性指标求解出ZPW-2000A无绝缘移频轨道电路的可用性指标。最后根据所得到的指标,判断其是否达到系统需求。

无绝缘移频轨道电路;RAM;评估研究

1 概述

随着我国铁路向高速、重载和高密度的发展,轨道电路设备对与保障列车高速、安全运行的作用变得尤为突出。ZPW-2000A无绝缘移频轨道电路是在法国UM71无绝缘轨道电路技术引进、国产化基础上,结合国情进行提高系统安全性、系统传输性能及系统可靠性的技术再开发升级而来的[1]。目前,该轨道电路是我国铁路上广泛应用的轨道电路设备。结合ZPW-2000A无绝缘移频轨道电路的实际情况,从设计角度研究其可靠性、可用性和可维护性(RAM),提出了ZPW-2000A无绝缘移频轨道电路的RAM评估方法。

2 RAM简介

RAM是可靠性(Reliability)、可用性(Availability)和维修性(Maintainability)英文第一个字母的组合。RAM是IRIS(International Railway Industry Standard)国际铁路行业标准之一,是系统长期工作的特性,它贯穿产品整个生命周期,从对产品的可行性分析研究到产品报废的整个生命周期过程中,需要建立可靠性、可用性和可维修性的RAM论证过程,通过RAM论证建立RAM要求,并将RAM参数综合到要求形成过程中。

可靠性是指在给定的条件下和给定的时间间隔内,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资源得到保证的前提下,产品在规定的条件下和规定的时刻或时间间隔内处于可执行规定功能状态的能力。

维修性是指产品在规定的条件下和规定的时间内,按规定的程序和方法进行维修时,保持和恢复到规定状态的能力。

3 马尔可夫分析

马尔可夫过程是一种重要的随机过程,它具有如下特性:当随机过程在时刻ti所处的状态已知时,过程在时刻t(t＞ti)所处的状态仅与过程在ti时刻的状态有关,而与过程在ti时刻以前所处的状态无关。

马尔可夫模型是一种基于马尔可夫过程建立起来的采用状态图的可靠性和安全性建模方法,它将系统归于若干不同的状态,系统所处的状态会以某种概率转移到另一个状态网。马尔可夫模型可以表达不可维修系统、部分可维修系统以及完全可维修系统[2]。由于ZPW-2000A无绝缘移频轨道电路是一个复杂的可维修系统,所以本文仅写出了马尔可夫可维修系统的一般模型。

假定一个可维修系统有N+1个状态,其中状态0, 1,…,K是系统的工作状态;K+1,…,N是系统的故障状态。记E={0,1,…,N},W={0,1,…,K}和F={K+ 1,K+2,…,N}。令X(t)表示时刻t系统所处的状态。

若{X(t),t≥0}是一个时齐马尔可夫过程,满足连续性条件,且在充分小的时间Δt内的转移概率函数满足

其中aij(i,j=0,1,…,N)是给定的,且aij≥0。从而

综上可得

式(4)称为可维修系统的Markov模型。利用可维修系统的Markov模型可以求出可维修系统的各种可靠性指标。

4 RAM评估

ZPW-2000A无绝缘移频轨道电路是由室内设备和室外设备组成的复杂系统。为更好的计算整个系统的RAM指标,首先对系统进行逐层向下分解,建立可靠性框图,然后根据最底层的可靠性数据,计算ZPW-2000A无绝缘移频轨道电路的RAM指标。

ZPW-2000A无绝缘移频轨道电路属于可修复系统,为了有效的计算系统RAM指标,本文对系统作出如下假设:

(1)系统各模块或部件单元的寿命分布与修复时间分布均是指数分布;

(2)在时间Δt内不会出现2次及以上的故障或者修复;

(3)故障事件和修复事件均属于独立事件。

4.1 可靠性指标计算

4.1.1 可靠性框图

可靠性框图是系统单元及其可靠性意义下连接关系的图形表达,表示单元的正常或失效状态对系统状态的影响。在一些情况下,它不同于结构连接图。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[3]。

由于ZPW-2000A无绝缘移频轨道电路是由各个子系统有机组合而来,所以在建立可靠性框图的过程中应充分考虑子系统与子系统之间的联系以及子系统对系统正常运行的影响。

对ZPW-2000A无绝缘移频轨道电路进行逐层分解时,要综合考虑系统结构层次和功能层次的关系。然后将ZPW-2000A无绝缘移频轨道电路系统按基本结构作出其可靠性框图,以表明系统与子系统之间、子系统与组部件之间在功能上的依从关系。

系统第一层可靠性框图可以将ZPW-2000A无绝缘移频轨道电路看做室内子系统和室外子系统串联的模型系统,如图1所示。

图1 系统第一层可靠性框图

第二层可靠性框图是针对室内子系统和室外子系统逐层建立的,如图2所示。

图2 系统第二层可靠性框图

第三层可靠性框图是在上一层的基础上向下分解到最小可更换模块或部件而来的,以发送器为例,如图3所示。

一般可靠性框图分解到模块或部件级,如果有其他需要,也可以向下分解到元件级。以发送器的母版为例,可以分解到元件层,如图4所示。

图3 第三层发送器可靠性框图

图4 母版可靠性框图

4.1.2 可靠性预计

可靠性预计是根据组成系统的元器件、部件和分系统的可靠性来推测系统的可靠性,是一个由局部到整体、由小到大、由下到上的过程[4]。

ZPW-2000A无绝缘移频轨道电路的可靠性预计可以首先使用模块或部件的可靠性预计,得到模块或部件的可靠性参数(故障率λ),然后在此基础上,通过可靠性框图自底向上逐层计算,最后得到系统的可靠性参数。

(1)模块或部件的可靠性预计

据调查,我国铁路信号厂生产的ZPW-2000A无绝缘移频轨道电路的元器件均使用的是质量较高的元器件,而且ZPW-2000A无绝缘移频轨道电路使用环境也符合GJB299C—2006中GF1标准规定。故可以使用元件计数法,通过GJB299C—2006标准获取相应元器件的参数,进而求出模块或部件的故障率。

(2)系统的可靠性预计

因为轨道电路对于保障行车安全的重要性,这就决定了系统在某一时刻,可能处于正常工作状态、故障状态或是维修状态,而且这些状态是随机的离散的。由于ZPW-2000A无绝缘移频轨道电路属于可修复系统,在工作期间,系统各模块或部件单元的寿命分布与修复时间分布均服从指数分布,可以使用马尔可夫模型来计算系统的可靠性指标。

①串联可维修系统

系统由n个相互独立的不同子系统串联而成。若n个子系统工作正常,则系统正常;若至少有一个子系统出现故障,则系统故障。因此串联系统的可靠性预计计算与子系统的维修时间无关,其可靠性框图和状态转移图分别如图5和图6所示。从而串联可维修系统的故障率为

图5 串联系统的可靠性框图

图6 串联系统的状态转移图

串联可维修系统的平均故障间隔时间为

②并联可维修系统

系统由2个或2个以上子系统组成的并联(冗余)系统,只有当系统中所有子系统都发生故障时系统才会发生故障。结合ZPW-2000A无绝缘移频轨道电路的情况,以接收器为例,接收器为双机并联热备的子系统,可取n=2,其可靠性框图如图7所示。考虑到并联系统的可维修性,其状态转移图如图8所示。

图7 接收器可靠性框图

图8 接收器状态转移图

由式(1)～式(4)可得接收器的状态转移矩阵

状态2为故障状态,令其为马尔可夫过程的吸收态,则有

此时状态方程组满足

通过以上分析,可以得到ZPW-2000A无绝缘移频轨道电路各子系统的平均故障间隔时间。

4.2 可维护性指标计算

系统的平均修复时间MTTR可以通过计算子系统或部件MTTR的加权平均值得到[5]。

式中,qi为子系统i的数量;λi为第i个子系统的故障率;MTTRi为第i个子系统的平均修复时间。

由于ZPW-2000A无绝缘移频轨道电路运行的实时性要求,当系统出现子系统、模块或部件的故障时,一般是用现场的备件进行更换,所以修复时间可近似等于更换备件所用的时间。ZPW-2000A无绝缘移频轨道电路各子系统的平均修复时间如表1所示。

表1 各子系统可靠性和维修性参数

4.3 可用性指标计算

可用性是产品、设备可靠性与维修性的综合反映,可用度是可靠性和维修性参数的函数,本文的可用度可以通过可靠性预计和维修性预计的结果得出,即

4.4 系统RAM评估

4.4.1 RAM指标需求

根据ZPW-2000A轨道电路技术条件得出以下RAM指标[6]。

(1)ZPW-2000A无绝缘移频轨道电路的可靠性指标:MTBF≥104h;

(2)ZPW-2000A无绝缘移频轨道电路的可用性指标:A≥99.9%;

(3)根据上述(1)和(2)的指标,由式(13)可以推出ZPW-2000A无绝缘移频轨道电路的平均修复时间: MTTR≤10 h。

4.4.2 系统RAM指标

依据4.1～4.2节的内容,可以得到ZPW-2000A无绝缘移频轨道电路各子系统的故障率、平均故障间隔时间和平均修复时间,如表1所示。

通过表1中ZPW-2000A无绝缘移频轨道电路各子系统的相关参数,然后计算得出ZPW-2000A无绝缘移频轨道电路的RAM指标为

MTBFS=4.76×104h;

MTTRS=0.214 h;

A=99.999 6%。

从上述结果可以看出,ZPW-2000A无绝缘移频轨道RAM指标的电路的RAM指标符合4.4.1节的RAM指标需求。

5 结论

ZPW-2000A无绝缘移频轨道电路由多个相互关联且工作状态互相独立的子系统串联而成,其工作状况直接影响到铁路运输的效率和安全。对ZPW-2000A无绝缘移频轨道电路的RAM进行研究,是提高其设计制造和运营水平的重要理论基础也是进行轨道电路维护的重要依据。通过对ZPW-2000A无绝缘移频轨道电路RAM指标的计算,可以得出本文的评估方法是可行的,有效的。该评估方法同样适用于对铁路信号系统的其他设备的RAM评估。

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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

铁道部科技研究开发计划项目(2012X003-B)

苏宏升(1969—),男,教授,博士生导师,博士,E-mail:shsen @163.com。