王 楠，史 宏，張德強，李曉宇

（1.中國鐵道科學研究院 電子計算技術(shù)研究所， 北京100081；2. 中國鐵道科學研究院 鐵道科學技術(shù)研究發(fā)展中心， 北京100081）

為保障高速鐵路運營安全，減少或消除因大風天氣條件下導致鐵路行車事故，高速鐵路大風監(jiān)測系統(tǒng)已成為高速鐵路重要的應用系統(tǒng)之一。

在我國新建的高速鐵路上，依據(jù)線路所處的自然環(huán)境、地理條件以及防災安全監(jiān)控技術(shù)，不同程度地建立了防災安全監(jiān)控系統(tǒng)。例如，京滬（北京—上海）高速鐵路建立的防災安全監(jiān)控系統(tǒng)，包括了大風監(jiān)測、雨量監(jiān)測、地震監(jiān)控和異物侵限監(jiān)控。這些防災安全監(jiān)控系統(tǒng)投入使用的時間并不長，但為保證高速鐵路安全運營發(fā)揮了重要作用。

1 大風監(jiān)測系統(tǒng)邏輯結(jié)構(gòu)

部分以串聯(lián)方式構(gòu)成，其中，傳感器、監(jiān)控單元、數(shù)據(jù)處理設(shè)備、網(wǎng)絡(luò)傳輸及供電系統(tǒng)采用了二級冗余，邏輯結(jié)構(gòu)如圖1。

圖1 大風監(jiān)測系統(tǒng)邏輯結(jié)構(gòu)圖

大風監(jiān)測系統(tǒng)具有大風實時監(jiān)測和大風報警兩項功能，主要是對危及列車運行安全的大風進行監(jiān)測報警，將災害報警、限速、停運等信息提供給運營調(diào)度所，為列車運行計劃調(diào)整、下達搶險救援、行車管制和維修管理等命令提供依據(jù)，當風速超過報警閾值時，自動產(chǎn)生大風報警信息（報警等

高速鐵路大風監(jiān)測系統(tǒng)包含風傳感器，監(jiān)控單元，監(jiān)控數(shù)據(jù)處理中心，調(diào)度終端，工務(wù)終端，網(wǎng)絡(luò)傳輸及供電系統(tǒng)。系統(tǒng)的邏輯結(jié)構(gòu)由各組成級、限速區(qū)段、臨時限速值），并傳送到調(diào)度所防災終端。

2 大風監(jiān)測系統(tǒng)的可靠性分析

2.1 FMEA分析

采用失效模式及影響分析法（FMEA）對大風監(jiān)測系統(tǒng)中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)進行歸納，分析可能存在的失效模式及其產(chǎn)生的后果和影響，找出薄弱環(huán)節(jié)，并實施重點改進和控制。

對幾個鐵路局現(xiàn)有大風監(jiān)測系統(tǒng)進行調(diào)研，截至到2012年4月，對發(fā)現(xiàn)的問題作失效模式及影響分析（FMEA），歸納為6種失效模式，如表1。

表1 失效模式分析表

各失效模式按比率排序如圖2。

圖2 各失效模式所占比率排序

這6種失效模式不可能通過簡單的落實管理制度來完全避免，需要對其可靠性作進一步分析。

2.2 可靠性分析

大風監(jiān)測系統(tǒng)屬于可修復性系統(tǒng)，系統(tǒng)運行過程中，正常情況與故障情況交替出現(xiàn)，如圖3。

圖3 大風監(jiān)測系統(tǒng)運行進程圖

其中，Xi和Yi分別表示第i個周期的開工時間和停工時間，i=1,2,…,n，在開工時間內(nèi)系統(tǒng)屬于正常狀態(tài)， 在停工時間內(nèi)系統(tǒng)屬于故障狀態(tài)。

2.2.1 大風監(jiān)測系統(tǒng)的隨機過程模型

考慮到大風監(jiān)測系統(tǒng)的運行及維修特點，系統(tǒng)的維修和調(diào)試只能在天窗點進行，因此可以不考慮維修時間，于是系統(tǒng)故障發(fā)生的時刻可以看成時間軸上的一些隨機點，因而能夠用隨機過程來描述。

不考慮系統(tǒng)老化帶來的系統(tǒng)性能降低和系統(tǒng)升級帶來的系統(tǒng)性能增加，我們假定系統(tǒng)故障時間服從指數(shù)分布，從而可以用時齊普阿松過程（HP模型）來描述系統(tǒng)故障時間。

針對以上假定，搜集大風監(jiān)測系統(tǒng)故障數(shù)據(jù)并對其進行驗證。

武廣高速鐵路2012年2月8日—4月16日故障統(tǒng)計如表2。

利用以上數(shù)據(jù)，對大風監(jiān)測系統(tǒng)的運行規(guī)律為時齊普阿松過程（HP模型）的假定進行非參數(shù)檢驗，使用柯爾莫哥洛夫-斯米洛夫檢驗（Kolmo-gorov-Smirnov Test），計算得P值為0.1189>0.05，即大風監(jiān)測系統(tǒng)的運行規(guī)律為時齊普阿松過程（HP模型）的置信度為95%以上。

2.2.2 系統(tǒng)無故障工作時間分布

系統(tǒng)無故障工作時間的分布為：

Fi(t)=P{xi≤t}

無故障工作平均時間（MTTFF）是：

對武廣高速鐵路2012年2月8日—4月16日的數(shù)據(jù)進行分析，得到無故障工作平均時間的估計值為：

MTTFF=2.65（天）

2.2.3 （0, t] 時間內(nèi)故障次數(shù)的分布

高速鐵路防災安全監(jiān)控系統(tǒng)隨時間運行的進程是正常情況與故障情況交替出現(xiàn)的過程，因此，在（0, t] 時間內(nèi)故障次數(shù)N(t)是一個取非負整數(shù)的隨機變量，系統(tǒng)在（0, t] 時間內(nèi)故障次數(shù)的分布是：

Pk(t)=P{N(t)=k}, k=0,1,2,…, n

表2 武廣高速鐵路12年2-4月大風監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)備故障統(tǒng)計表

系統(tǒng)在（0, t] 時間內(nèi)的平均故障次數(shù)為：

當()Mt可導時，瞬時故障頻度為：

系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)故障頻度為：

對武廣高速鐵路2012年2月8日—4月16日的數(shù)據(jù)進行分析，得到系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)故障頻度的估計值為：M=11.57次/月

3 提高大風監(jiān)測系統(tǒng)可靠性的措施

3.1 可靠性優(yōu)化原則

根據(jù)上述分析，對提高大風監(jiān)測系統(tǒng)可靠性應遵循以下原則：

（1）使系統(tǒng)保持簡單，模塊化的結(jié)構(gòu)，既能滿足性能要求，也能保證維修方便，增加系統(tǒng)的有效度。（2）對于可靠性低的關(guān)鍵環(huán)節(jié)重點關(guān)注，使用高級材料或更多的研究來提高可靠性。對于可靠性高的環(huán)節(jié)，在不致大幅降低可靠性的條件下可以適當降低材料費用，最終達到提高可靠性，降低系統(tǒng)成本的目的。（3）對可靠性低的部件或級，使用并聯(lián)冗余，但要保證冗余設(shè)計的合理性，不致降低系統(tǒng)的可用性。（4）使用預防性維修，在某一固定的時間間隔內(nèi)，不管欲替換的部件是否失效，均用一些新的部件來替換。

3.2 可靠性優(yōu)化措施

3.2.1 硬件問題

對線上使用的風速風向計，選取同型號設(shè)備進行檢測、標定，確定其可靠度，并對替換下來的故障風速風向計進行分析，查找其故障原因，以提高風速風向計的可靠性。

3.2.2 供電問題

（1）增設(shè)一套檢測設(shè)備，對防災監(jiān)測單元引出的防災電纜線進行監(jiān)測，及時發(fā)現(xiàn)故障，同時對電纜或設(shè)備性能劣化造成的指標變化提前掌握，以便及時采取措施。（2）UPS及電源開關(guān)故障引發(fā)的系統(tǒng)故障較多，更換可靠性高的產(chǎn)品。

3.2.3 網(wǎng)絡(luò)傳輸問題

定期檢測網(wǎng)絡(luò)及交換機，保障網(wǎng)絡(luò)通暢。

3.2.4 軟件問題

對于系統(tǒng)中軟件問題，廠家應及時升級，提高系統(tǒng)的可用性。

3.2.5 系統(tǒng)設(shè)計問題

（1）變更或優(yōu)化防雷設(shè)計，消除因雷擊而產(chǎn)生的系統(tǒng)運用故障。（2）分析現(xiàn)有大風監(jiān)測點分布、運用情況及歷史氣象資料，在合理地點增設(shè)大風監(jiān)測點。（3）研究大風預測模型，增加大風提前預警能力。

3.2.6 人員維護問題

建議增加高速鐵路防災安全監(jiān)控系統(tǒng)專業(yè)專職維護人員，以保障系統(tǒng)故障的及時解決，提高系統(tǒng)的可靠性。

4 結(jié)束語

本文應用失效模式及影響分析法（FMEA），對影響高速鐵路大風監(jiān)測系統(tǒng)可靠性的原因進行研究，歸納出6中故障模式。通過創(chuàng)建隨機模型，利用時齊普阿松過程（HP模型）檢驗大風監(jiān)測系統(tǒng)的運行規(guī)律，提出可靠性的優(yōu)化原則，并從系統(tǒng)硬件、供電、網(wǎng)絡(luò)傳輸及人員維護等方面提出優(yōu)化建議，從而提高系統(tǒng)可靠性。

[1] 王彤. 鐵路防災安全監(jiān)控系統(tǒng)[C] . 第五屆中國智能交通年會暨第六屆國際節(jié)能與新能源汽車創(chuàng)新發(fā)展論壇優(yōu)秀論文集（上冊），2009.

[2] 郭奇園，楊林，王小鐵. 客運專線綜合防災安全監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計[J] . 鐵路計算機應用，2007（9）.

[3] 趙廷弟. 系統(tǒng)可靠性設(shè)計分析教程[M] . 北京：航天航空大學出版社，2004.

[4] 程侃. 壽命分布類與可靠性數(shù)學理論[M] . 北京：科學出版社， 1999.

[5] 茆詩松. 可靠性統(tǒng)計[M] . 北京：高教出版社，2008.

[6] （美）F.A.蒂爾曼. 系統(tǒng)可靠性最優(yōu)化[M] . 北京：科學出版社，2011.