文｜華北電力大學能源動力與機械工程學院 劉燕平河北軟件職業(yè)技術(shù)學院 劉媛媛

1 前言

當前我國城市軌道交通處于高速發(fā)展建設(shè)期，當車站發(fā)生災情時，閉路電視監(jiān)視系統(tǒng)（Closed Circuit Television：CCTV）可作為防災調(diào)度員指揮搶險的指揮工具。同時，目前國際防恐形勢嚴峻，它已經(jīng)成為防恐的重要手段，所以在地鐵電視監(jiān)視系統(tǒng)招標時就要定出合適的可靠性指標，投標方通過技術(shù)方案滿足招標要求，但國內(nèi)研究系統(tǒng)集成的可靠性分析工作還不夠深入，基本上也不知如何進行分析計算，下面就以常見地鐵閉路電視監(jiān)視系統(tǒng)實際為例，分析它的可靠性和可維護性，以期對類似工程有指導意義。

所謂可靠性，是指產(chǎn)品（系統(tǒng)）在規(guī)定條件下（使用條件=工作條件+環(huán)境條件）和規(guī)定時間內(nèi)完成規(guī)定功能的能力。在可靠性特征中，常用平均壽命與可靠壽命來表示可靠性水平。平均壽命以t表示，對于可維修產(chǎn)品而言，t就是平均無故障時間MTBF（Mean Time Between Failure）。例如以計算機系統(tǒng)為例，具體就是用計算機系統(tǒng)的有效使用時間（小時）除以故障發(fā)生的次數(shù)，所以其單位是“小時”，例如一臺計算機系統(tǒng)使用了50000小時，其間發(fā)生了5次故障，那么其MTBF為50000小時/5=10000小時。定量表示可靠性的數(shù)學特征量很多，工程采用其最常用的特征量是平均無故障時間MTBF作為衡量系統(tǒng)（產(chǎn)品）可靠性的技術(shù)指標。可維護性根據(jù)以往類似系統(tǒng)出現(xiàn)故障，維修人員到達現(xiàn)場開始維修到故障排除時間的記錄，取多次排除故障時間平均值就是可維修性MTTR（Mean Time to Repair），它須包括診斷時間、組件修理及替換時間、現(xiàn)場的調(diào)整及測試時間。常見地鐵閉路電視監(jiān)視系統(tǒng)招標中的可靠性和可維護性目標有：平均無故障時間（MTBF）大于等于5000小時，可維護性（MTTR）小于等于4小時。

2 地鐵閉路電視監(jiān)視系統(tǒng)構(gòu)成

舉例說明，現(xiàn)在常見地鐵電視監(jiān)控系統(tǒng)構(gòu)成如圖1所示，地鐵監(jiān)控方案采用模擬視頻+數(shù)字視頻混合搭建模式，前端攝像機采用模擬高清攝像機，經(jīng)視頻分配為兩路，一路通過視頻矩陣切換到車站綜合控制室監(jiān)視器，圖像沒有延時，另一路通過視頻編碼器采用H.264壓縮格式，以4CIF@25fps，IP SAN（Internet Protocol Storage Area Network）存儲和上傳本站和線路控制中心數(shù)字監(jiān)控控制終端，為了減少存儲空間，可采用雙碼流，磁盤陣列采用2Mbps碼流存儲，上傳控制終端和大屏系統(tǒng)采用6～8Mbps碼流，視頻管理服務器是將前端攝像機發(fā)送過來的視頻流進行封裝和轉(zhuǎn)發(fā)到磁盤陣列存儲，同時要響應線路控制終端的實時和錄像的請求，從磁盤陣列存儲中取出對應攝像機的視頻流，選用開放式智能化視頻管理平臺軟件，中心采用IP SAN備份集中存儲，當某一車站IP SAN發(fā)生故障，中心IP SAN備份集中存儲接管，控制中心設(shè)置網(wǎng)管服務器來監(jiān)控全線設(shè)備，當在線設(shè)備發(fā)生故障時及時告警通知維護人員，控制中心設(shè)置對外系統(tǒng)接口協(xié)議轉(zhuǎn)換服務器，負責接收時鐘信號對全線設(shè)備校時，負責將設(shè)備告警信息上傳集中告警平臺，負責調(diào)用車載監(jiān)控圖像上傳中心，負責其他系統(tǒng)調(diào)用本系統(tǒng)的監(jiān)控圖像。

3 數(shù)學模型

一般而言，電子元件在使用壽命則服從指數(shù)分布，其電子產(chǎn)品組成串并聯(lián)系統(tǒng)的可靠性概率也服從指數(shù)分布，失效率（故障率）λ也是產(chǎn)品可靠性的一種基本參數(shù)，MTBF和λ互為倒數(shù)。

圖1

4 可靠性、可維護性計算

故障定義：故障是指在任何情況下，導致系統(tǒng)或設(shè)備不能執(zhí)行其應有功能。但是不包括那些因為外部輸入失效所引起的情況，例如外部的電力供應中斷等。

第一步：需將系統(tǒng)圖變成可靠性方框圖（如圖2所示），對系統(tǒng)圖進行可靠性方圖簡化，有些輔助設(shè)備發(fā)生故障不會對系統(tǒng)的主要功能如視頻傳輸、控制切換、顯示、錄像主流信息產(chǎn)生影響。

第二步：需產(chǎn)品供應商提供產(chǎn)品平均無故障時間MTBFi，求出失效率λi,并根據(jù)維修經(jīng)驗和水平估算出每個單元發(fā)生故障時平均修復時間MTTRi。

地鐵閉路電視監(jiān)視系統(tǒng)設(shè)備可靠性MTBF、MTTR統(tǒng)計及失效率λ換算表，如表1所示。

第三步：以可靠性方框圖進行串并聯(lián)MTBF計算。

（1）車站閉路電視監(jiān)視系統(tǒng)MTBF計算

節(jié)點1到節(jié)點2，是40個相同固定攝像機并聯(lián)，都取λ1，以下為了文章簡潔直接將各設(shè)備失效率λi代入公式，得出結(jié)果，減去計算過程。

40個攝像機至少一個攝像機正常工作，系統(tǒng)就能正常工作，即為并聯(lián)系統(tǒng)，并聯(lián)可靠性概率：

節(jié)點1到節(jié)點2系統(tǒng)的平均無故障時間是：

節(jié)點3到節(jié)點4，是40路視頻編碼器并聯(lián)系統(tǒng)，取λ3-4：

節(jié)點5到節(jié)點6，是視頻管理服務器和磁盤陣列2個不同的設(shè)備串聯(lián)，取λ5-6：

節(jié)點5到節(jié)點7，可以看成是2個不同的系統(tǒng)并聯(lián)，取λ5-7：

圖2 全線閉路電視監(jiān)控系統(tǒng)可靠性方框圖

表1

節(jié)點3到節(jié)點7，是3個不同的設(shè)備串聯(lián)，取λ3-7：

節(jié)點8到節(jié)點9，可以看成是3個不同的系統(tǒng)并聯(lián)，取λ8-9：

節(jié)點3到節(jié)點9，是2個不同的設(shè)備串聯(lián)，取λ3-9：

節(jié)點3到節(jié)點10，可以看成是2個不同的系統(tǒng)并聯(lián)，取λ3-10：

車站閉路電視監(jiān)視系統(tǒng)可以看成是3個不相同的設(shè)備串聯(lián)，所以系統(tǒng)失效率λ車站是：

（2）控制中心閉路電視監(jiān)視系統(tǒng)MTBF計算

節(jié)點3到節(jié)點4，是視頻管理服務器和磁盤陣列2個不同的設(shè)備串聯(lián)，取λ3-4：

節(jié)點3到節(jié)點5，可以看成是2個不同的系統(tǒng)并聯(lián)，取λ3-5：

節(jié)點2到節(jié)點6，是12個相同的視頻解碼器并聯(lián)，都取λ2-6：

節(jié)點7到節(jié)點8，是12個相同的46″監(jiān)視器并聯(lián)，都取λ7-8：

節(jié)點2到節(jié)點8，是3個不同的設(shè)備串聯(lián)，取λ2-8：

節(jié)點9到節(jié)點10，是4個相同的控制終端并聯(lián)，都取λ9-10：

節(jié)點2到節(jié)點11，可以看成是3個不相同的設(shè)備并聯(lián)，取λ2-11：

控制中心閉路電視監(jiān)視系統(tǒng)可以看成是2個不相同的設(shè)備串聯(lián)，所以系統(tǒng)失效率λ中心是：

（3）地鐵閉路電視監(jiān)視系統(tǒng)MTBF計算

整條線閉路電視監(jiān)視系統(tǒng)可以看成是20個車站并聯(lián)再和控制中心系統(tǒng)串聯(lián)，但從業(yè)主角度考慮系統(tǒng)可靠性問題，應該是對整條地鐵線閉路電視監(jiān)控系統(tǒng)只要有1個車站和控制中心閉路電視監(jiān)控系統(tǒng)同時癱瘓，確定整條地鐵線閉路電視監(jiān)控系統(tǒng)監(jiān)控功能癱瘓，所以系統(tǒng)失效率λ系統(tǒng)是1個車站和控制中心閉路電視監(jiān)控系統(tǒng)串聯(lián)。

系統(tǒng)的平均無故障時間是：

第四步：系統(tǒng)可維修性MTTR計算，可根據(jù)以往類似系統(tǒng)出現(xiàn)故障，維修人員到達現(xiàn)場開始維修到故障排除時間記錄，取多次排除故障時間平均值就是可維修性MTTRi（小時），它須包括診斷時間、組件修理及替換時間、現(xiàn)場的調(diào)整及測試時間。

在根據(jù)上述表格和公式計算出系統(tǒng)可維修性MTTR。

式中：MTTRi是某單元平均排除故障時間；λi是某單元的失效率。

結(jié)論：通過建立與實際相符可靠性數(shù)學模型，計算得出地鐵閉路電視監(jiān)視系統(tǒng)平均無故障時間MTBF為12380小時，系統(tǒng)可維修性MTTR為0.4小時，滿足招標文件閉路電視監(jiān)視系統(tǒng)的平均無故障時間（MTBF）大于等于5000小時、閉路電視監(jiān)視系統(tǒng)的平均維護時間（MTTR）小于等于4小時的要求，此可靠性分析模型在國內(nèi)多條新建地鐵的投標可靠性應答和中標后深化可靠性設(shè)計中得到應用，也得到業(yè)主、設(shè)計和專家的認可。