楊 姝

（廣州市地下鐵道總公司，廣東廣州 510380）

0 引言

可靠性是衡量產(chǎn)品質(zhì)量的一項重要指標(biāo)，可靠性分析的一個重要任務(wù)是保證所設(shè)計的設(shè)備能夠在規(guī)定的工作時間內(nèi)、在給定的條件下完成規(guī)定的功能。目前可靠性分析方法已滲透到機械設(shè)計的各個領(lǐng)域，為工程設(shè)計提供行之有效的分析方法和選用依據(jù)。

隨著設(shè)備向結(jié)構(gòu)復(fù)雜化、功能多樣化方向發(fā)展，對設(shè)備可靠性的要求也越來越高，可靠性是一項綜合技術(shù)指標(biāo)，涉及到設(shè)備的設(shè)計、制造、安裝、使用、維護(hù)、更新等各個環(huán)節(jié)，并受到設(shè)備的結(jié)構(gòu)、性能、成本及市場需求等諸多方面的影響。其中，設(shè)計和制造對設(shè)備可靠性的影響最大。在這兩個環(huán)節(jié)，要采取各種有效措施來提高設(shè)備的可靠程度，諸如充分考慮到設(shè)備的工作環(huán)境和使用條件，采用簡單的結(jié)構(gòu)形式，選用可靠的零部件，制定可靠的方案。

自動售檢票系統(tǒng)（AFC 系統(tǒng)）是一個覆蓋廣州地鐵全線網(wǎng)的計程計時的全自動收費系統(tǒng)，一旦出現(xiàn)故障，可能會導(dǎo)致嚴(yán)重的后果。在分析AFC 系統(tǒng)中各單項設(shè)備的組成、功能和原理的基礎(chǔ)上，對系統(tǒng)的主要設(shè)備閘機（Gate）、自動售票機（TVM）、自動驗票機（TCM）、票房售票機（BOM）、車站計算機（SC）和線路中央計算機（LCC）的各項可靠性指標(biāo)進(jìn)行建模分析。預(yù)先估計這些產(chǎn)品的可靠性參數(shù)，發(fā)現(xiàn)影響可靠性的主要因素。在設(shè)備系統(tǒng)的選型、開發(fā)、實施過程中高度關(guān)注可靠性問題，在硬件設(shè)計、制造、生產(chǎn)的各個環(huán)節(jié)采用既有的可靠性工程技術(shù)，提高系統(tǒng)的可靠性。

1 可靠性指標(biāo)計算方法

1.1 術(shù)語定義與基本計算公式[1-2]

系統(tǒng)的可靠性，廣義上稱為RAMS，即可靠性、可用性、可維護(hù)性和安全性（Reliability，Availability，Maintainability and Safety）。RAMS 是系統(tǒng)服務(wù)質(zhì)量衡量的一個重要特征。RAMS 的指標(biāo)主要包括：MTBF （平均故障間隔時間）、MCBF（平均無故障使用次數(shù)）、MTTR（平均修復(fù)時間）和可用性（Availability）等。

（1）MTBF（Mean time between failures）：平均故障間隔時間，可修產(chǎn)品基本可靠性的度量參數(shù)。其度量方法為：在規(guī)定的條件下和規(guī)定的時間內(nèi)，產(chǎn)品的壽命單位總數(shù)與故障次數(shù)之比。

一個可修產(chǎn)品在使用過程中發(fā)生了N0次故障，每次故障修復(fù)后又重新投入使用，測得其每次工作持續(xù)時間為t1，t2，…，tN。其平均故障間隔時間（用符號MTBF 表示）為：

其中，T為產(chǎn)品總的工作時間。

（2）MTTR（Mean time to repair）：平均修復(fù)時間，是產(chǎn)品維修性的一種基本參數(shù)。其度量方法為：在規(guī)定條件下和規(guī)定時間內(nèi)，產(chǎn)品在任一規(guī)定的維修級別上，修復(fù)性維修總時間與在該級別上被修復(fù)的故障總數(shù)之比。

（3）MCBF（Mean cycle between failures）：平均無故障使用次數(shù)。其度量方法為：在規(guī)定的條件下和規(guī)定的時間內(nèi)，產(chǎn)品的使用次數(shù)與故障次數(shù)之比。MCBF與MTBF的關(guān)系：

其中，C 為設(shè)備使用一次的平均時間。

（4）MTBSF （Mean time between significant failures）：平均嚴(yán)重故障間隔時間。MTBSF與MTBF度量的區(qū)別為，MTBSF度量忽略非關(guān)鍵模塊的故障。

（5）故障率（用λ 表示）：即failure rate。指設(shè)備或部件在規(guī)定條件下，規(guī)定期限內(nèi)發(fā)生故障的次數(shù)。故障率與MTBF關(guān)系：

（6）MDT （Mean down time）：平均停機時間。是將平均修復(fù)時間（MTTR）擴展至包括運營及維護(hù)員工到達(dá)現(xiàn)場前的響應(yīng)時間及運營員工在現(xiàn)場的診斷時間。即：

MDT=MTTR＋故障響應(yīng)時間＋故障診斷時間。

1.2 MTBF/MCBF計算方法[3]

根據(jù)GJB813－90《可靠性模型的建立和可靠性預(yù)計》中提到的可靠性框圖模型的方法進(jìn)行可靠性建模及計算。

可靠性建模及計算中采用以下假設(shè)：

設(shè)備及組成單元只有故障與正常兩種狀態(tài)，不存在第三種狀態(tài)；

設(shè)備單個模塊的故障會造成整個設(shè)備的故障，特別說明的除外；

設(shè)備各個模塊的故障概率是相互獨立的；

當(dāng)人員可靠性沒有納入到設(shè)備可靠性模型時，假設(shè)人員是完全可靠，而且人員與設(shè)備之間沒有相互作用。

基于以上假設(shè)，設(shè)備可靠性計算的數(shù)學(xué)模型為：

其中，Rs（t）為設(shè)備的可靠度，Ri（t）為第i個模塊的可靠度，λi（t）為第i個模塊的故障率，n為組成設(shè)備的模塊數(shù)。

進(jìn)一步推導(dǎo)，得到設(shè)備故障率計算公式：

其中，λs為系統(tǒng)的故障率，λi為第i 個模塊的故障率，n為組成設(shè)備的模塊數(shù)。

根據(jù)公式（2）、公式（3）與公式（5），得到MTBF計算公式：

式（6）中，MTBFs為系統(tǒng)的MTBF，λi為第i個模塊的故障率，n為組成設(shè)備的模塊數(shù)。

MCBF計算公式：

式（7）中，MCBFs為系統(tǒng)的MCBF，MTBFs為系統(tǒng)的MTBF，C 為設(shè)備使用一次的平均時間。

1.3 MTTR計算方法[4-5]

采用GJB/Z57-94 《維修性分配與預(yù)計手冊》中方法205 時間累計預(yù)計法進(jìn)行維修性預(yù)計，該方法用于預(yù)計航空、地面及艦載電子設(shè)備在各級維修的維修性參數(shù)，也可用于任何使用環(huán)境的其它各種設(shè)備的維修性預(yù)計。

時間累計法是根據(jù)歷史經(jīng)驗或現(xiàn)成的數(shù)據(jù)、圖表，對照設(shè)備的設(shè)計或設(shè)計方案和維修保障條件，一次對一個可維修單元維修活動的時間進(jìn)行分解，分別收集，累加成該可更換單元的維修時間，再依據(jù)可更換單元的故障率，經(jīng)過累加或求均值，預(yù)計設(shè)備或系統(tǒng)的維修性參數(shù)。

其中，MTTR 為系統(tǒng)的MTTR，λi為第i個模塊的故障率，Ri為第i個模塊的維修時間，n為組成設(shè)備的模塊數(shù)。

1.4 設(shè)備可用性（Availability）計算方法

通過分析設(shè)備的平均修復(fù)時間（MTTR），維修響應(yīng)時間和故障診斷時間，可以計算得到設(shè)備的平均停機時間（MDT）。設(shè)備可用性計算公式：

式（9）中，As為系統(tǒng)的可用性，MTBF 為系統(tǒng)的平均故障間隔時間，MDT 為系統(tǒng)的平均停機時間。

在不考慮維修響應(yīng)時間和故障診斷時間的情況下，該公式也可以簡化成：

2 AFC系統(tǒng)設(shè)備可靠性設(shè)計目標(biāo)

根據(jù)地鐵運行多年經(jīng)驗，對AFC 系統(tǒng)設(shè)備可靠性設(shè)計目標(biāo)做了如表1所示要求。

表1 廣州地鐵AFC系統(tǒng)設(shè)備可靠性設(shè)計目標(biāo)

3 AFC系統(tǒng)設(shè)備的可靠性計算及說明[6-7]

通過上述推導(dǎo)，可知計算AFC 系統(tǒng)設(shè)備可靠性流程如下：

（1）篩選各設(shè)備的關(guān)鍵模塊；

（2）收集這些關(guān)鍵模塊的MTBF/MCBF數(shù)據(jù)；

（3）根據(jù)公式（2）和（3）計算出這些模塊的故障率λ；

（4）根據(jù)公式（6）和（7），計算出設(shè)備的MTBF和MCBF；

（5）統(tǒng)計設(shè)備關(guān)鍵模塊的分解、更換、結(jié)合和上電檢測等作業(yè)時間，得到各模塊的維修時間R；

（6）根據(jù)公式（8）和（9），計算出設(shè)備的MTTR和可用性As。

因此，篩選設(shè)備的關(guān)鍵模塊尤為重要，這些模塊的性能，直接影響了設(shè)備的可靠性。根據(jù)廣州地鐵AFC 系統(tǒng)運行經(jīng)驗，各設(shè)備的關(guān)鍵模塊如表2～表7 所示。

表2 閘機設(shè)備的主要模塊單元

表3 TVM設(shè)備的主要模塊單元

表4 TCM設(shè)備的主要模塊單元

表5 BOM設(shè)備的主要模塊單元

表6 SC主要設(shè)備模塊單元

4 結(jié)束語

以上探討，對AFC 系統(tǒng)設(shè)備可靠性指標(biāo)的計算方法提供了一定參考。但地鐵客流量的大小對設(shè)備可靠性影響不可忽視：閘機的平均無故障間隔時間，和客流量成反比；而TVM每天發(fā)售單程票數(shù)量、TCM 和BOM 的使用次數(shù)、SC 和LCC 處理的交易數(shù)都和客流量成正比。因此，在進(jìn)行設(shè)備選型時，要充分考慮客流預(yù)測，選取能滿足工程需求的設(shè)備型號，更好地為地鐵服務(wù)。

表7 LCC系統(tǒng)主要設(shè)備模塊單元

［1］EN 50126-1999.Railway Applications-The Specification and Demonstration of Reliability，Availability，Maintainability and Safety（RAMS）［S］.

［2］GB 7289-1987.可靠性、維修性與有效性預(yù)計報告編寫指南［S］.

［3］GJB813-90.可靠性模型的建立和可靠性預(yù)計［S］.

［4］GJB451-90.可靠性維修性術(shù)語［S］.

［5］GJB/Z 57-1994.維修性分配與預(yù)計手冊［S］.

［6］GJB/Z 299B-1998.電子設(shè)備可靠性預(yù)計手冊［S］.

［7］GB 5081-1985.電子產(chǎn)品現(xiàn)場工作可靠性、有效性和維修性數(shù)據(jù)收集指南［S］.