城市軌道交通綜合監控系統的可靠性

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摘要：介紹了一種城市軌道交通綜合監控系統可靠性框圖分析方法，說明了可靠性框圖分析的相關概念，列出了基礎可靠性公式，詳細闡述了串行和并行兩個模式下的可靠性計算方法。在此基礎上，結合綜合監控系統的架構及可靠性計算的相關假設，論述了可靠性框圖分析方法在綜合監控系統的可靠性和可用性計算方面的具體應用，給出了可靠性及可用性計算的詳細分析流程及計算過程。

關鍵詞：城市軌道交通；綜合監控系統；可靠性框圖分析；故障率計算；可用性計算

城市軌道交通的自動化系統通常以分散方式獨立運行，綜合監控系統逐步發展起來之后，將各個自動化系統以系統化的方法有機整合為一個整體，使得原來封閉運行的各個自動化系統能夠實現資源、信息等方面的協調運作、共享互通，實現了不同系統間的協同聯動及高效運轉，提高了城市軌道交通對各類事故及突發事件的響應速度、應變及抵御能力。隨著城市軌道交通的高速發展，綜合監控系統正在發揮著越來越重要的作用，已成為提高軌道交通運營管理和服務質量水平的重要支撐。正是基于上述重要作用，城市軌道交通對綜合監控系統的可靠性及可用性要求越來越高，在系統設計階段，要以可靠性框圖分析作為工具，對綜合監控系統的可靠性及可用性進行詳細的分析與設計，為后期系統的可靠性建設提供堅實保證。

1可靠性框圖分析方法

可靠性框圖以綜合監控系統要素的形式清晰地展示了整個系統架構，以串行或并行的方式為系統的不同層次生成單獨的框圖?？煽啃钥驁D只顯示硬件部分，包括實現系統整體功能所必須的所有硬件?？煽啃钥驁D分析將組成整個系統的各個部件的系統故障率（failurerate，FR）、平均故障間隔時間（MeanTimeBetweenFailure，MTBF）、平均修復時間（MeanTimetoRe-pair，MTTR）、固有可用性（InherentAvailability，Ai）等基礎可靠性指標以串行或并行的方式進行計算，從而獲得整個系統的可靠性指標數據。

1．1基礎可靠性公式

（1）系統故障率（λ）系統故障率（λ）的定義是單位時間內系統失敗的次數。（2）平均故障間隔時間（MTBF）在規定的工作環境條件下系統或產品開始工作到出現第一個故障的時間的平均值，也即是系統故障率的倒數。MTBF數值越大，則反映出系統或產品越可靠穩定，反映了系統或產品的時間質量，是系統或產品在規定時間內保持功能的一種體現。需要注意的是，一些意外情況導致系統或產品工作被打斷，比如斷電、水災、人為失誤等，不能計入到MTBF。（3）平均修復時間（MTTR）描述系統或產品由故障狀態轉為工作狀態時修理時間的平均值。MTTR的數值由系統或產品的特性而決定，比如計算機自檢或修復機制等。MTTR可以對系統或產品的可維修性加以定量的衡量。需要注意的是，維修正式開始之前必要的一些到場及現場診斷時間不能包含在MTTR當中。系統或產品MTTR計算主要分為以下幾類典型的維護時間，比如系統或產品的故障診斷、故障隔離、拆解、更換、組裝、調整、校驗、啟動等。（4）固有可用性（Ai）當只考慮正確的系統停機時間時，也就是平均修復時間（MTTR）時，固有可用性（Ai）就是穩定狀態可用性。固有可用性Ai為平均故障間隔時間（MTBF）與平均故障間隔時間（MTBF）和平均修復時間（MTTR）之和的比值。

1．2可靠性串行計算

串聯系統是組成系統的所有子系統中任一子系統失效就會導致整個系統失效的系統，或者說當且僅當所有的子系統都能正常工作時，系統才能正常工作?？梢杂每煽啃钥驁D進行說明。（1）串行系統故障率（λseries）對單個子系統而言，故障率就是λ1。對兩個子系統，系統故障率就是λ1＋λ2，若是n個子系統則為λ1＋λ2＋…＋λn。（2）串行系統平均故障間隔時間（MTBF）串行關系的系統MTBF為串行系統故障率λseries的倒數。（3）串行系統固有可用性（Aseries）對于可用系統，每個子系統在串行計算中都是可用的。因此系統可用性的串行計算為Aseries＝A1*A2*…*An。

1．3可靠性并行計算

并聯系統是當組成系統的所有子系統都失效時才失效的系統，或者說只要有一個子系統正常工作，系統就能正常工作。（1）并行系統故障率（λparalel）系統故障率λ：對于第一個子系統，故障率就是λ1。當第二個子系統加入并行時，由于第二個子系統可能處于故障狀態，那么系統故障的概率就會按比例縮小，可以將λparalel表示為λ1*λ2（MTTR1＋MTTR2）。MTTR1和MTTR2分別代表子系統1和2。所有對象的MTTR都設為1小時。因此所有計算中MTTR都是1。如果兩個子系統相同，λ1＝λ2且MTTR1＝MTTR2，系統故障率λparalel將被簡化為2λ2。（2）并行系統平均故障間隔時間（MTBF）系統MTBF定義為并行系統故障率λparallel的倒數。如果2個子系統不可修復，那么并行MTBF就是2個MTBF的和。（3）并行系統固有可用性（Aparalel）可用系統的每個子系統均是可用的，Aparalel可以表示為：A1＋A2－A1*A2。如果2個子系統相同，λ1＝λ2且A1＝A2，系統可用性將被降低為：2A－A2。

2可靠性框圖分析在綜合監控系統中的應用

2．1綜合監控系統結構及相關假設

綜合監控系統通常采用三層結構形式，從上而下三個層級分別是控制中心、車、現場設備，形成了三級控制、兩級管理的系統運行模式。如圖3所示。由圖3可，由于綜合監控系統采用三層結構，需分別考慮控制中心和車站的兩個層級的可用性，并就其中的一些前提和條件予以合理的假設。（1）子系統數據準確性假設綜合監控各接口子系統的數據是準確的，是基于已驗證的來源，其故障率為0（也就是可用性為100％）。（2）平均修復時間為確保綜合監控系統正常運行，所有設備的平均修復時間（MTTR）都假設為1小時。（3）通訊骨干網（CBN）的可靠性模式中包含通訊骨干網（CBN）的可靠性和可用性。假設CBN故障率為0（也就是可用性為100％）。假設此分析的范圍不包括CBN可靠性分析。（4）硬件可靠性軌道交通綜合監控系統實現控制中心及車站對外部接口系統的監控功能，其關鍵環節為中心和車站的工作站、服務器、磁盤陣列、交換機及通信前置機等關鍵有源硬件設備，并假設打印機等一些非關鍵設備及底座、電纜等無源器件的故障率為0（也就是可用性為100％）。軟件可用性和操作員引發故障的影響不納入本文的分析。（5）固有可用性將可用性要求設為穩定狀態固有可用性（Ai），固有狀態Ai就是時間趨于無窮大時的可用性，只考慮修復時間（平均修復時間）正確的情況。運行可用性（Ao）不能確定，因為它取決于維修時間和平均邏輯停機時間（包括但是不限于管理延時，獲得備用時間、傳輸時間），由于不能準確預測平均邏輯停機時間，因此不能確定Ao。

2．2綜合監控可靠性框圖分析方法

綜合監控系統的可靠性框圖包括了中心和車站兩個層級的設備，如圖4所示。圖4中列出了各個設備的參考MTBF數值，在使用本文提供的方法計算系統可靠性時，可查詢相關設備的使用說明書以獲取此數值。2．2．1故障率計算從圖4可知，控制中心可靠性框圖包含了并行和串行兩種組織結構。由于綜合監控系統關鍵硬件設備均采用雙機或多機冗余的方式，因此首先需對服務器、工作站、交換機、前置機等設備計算并行可靠性，然后再按照圖4所示的順序計算串行可靠性，并最終得到整個系統的可靠性計算結果。根據上文的闡述可知：根據上文，圖4所示的整個串行系統的故障率計算λseries為occ實時服務器、occ歷史服務器－磁盤陣列、occ工作站、oc-cfep、occ交換機、車站交換機、車站實時服務器、車站工作站、車站fep故障率之和，即9*10－10。整個系統的平均無故障時間MTBFseries為串行系統的故障率λseries的倒數，即1．11*109hr。2．2．2可用性計算根據上文，圖4中各個部分的可用性為：根據上文，圖4所示的整個串行系統的可用性Aseries為occ服務器、occ歷史器－磁盤陣列、occ工作站、occfep、occ交換機、車站交換機、車站服務器、車站工作站、車站fep的可用性之積，即99．9999998％。

3結束語

根據計算，綜合監控系統的平均無故障時間MTBF為1．11×109小時，系統可用性為99．9999998％?？梢?，綜合監控系統關鍵設備采用冗余配置結構可以極大地提高整個系統的可靠性和可用性，一些安全要求非常高的場合要求自動化系統采用設備冗余方式的原因就在于此?？煽啃钥驁D分析提供了綜合監控系統可靠性和可用性計算的具體方法及可量化的指標，從而可確保綜合監控系統在安全性和可靠性方面能夠滿足相關規范的要求。本文提供的可靠性框圖分析計算方法已經在國內多條地鐵線路綜合監控系統中應用，可以為后續線路綜合監控系統的可靠性計算提供參考。

參考文獻

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作者：林曉偉 卜凡 許超 單位：國電南瑞科技股份有限公司