黎 江

（中鐵第四勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，430063，武漢∥高級(jí)工程師）

隨著軌道交通建設(shè)的快速發(fā)展，軌道交通自動(dòng)售檢票（AFC）系統(tǒng)的建設(shè)也進(jìn)入高速發(fā)展階段。由于AFC系統(tǒng)是典型的機(jī)電一體化設(shè)備，涉及計(jì)算機(jī)、信息電子、軟件工程、數(shù)據(jù)加密、機(jī)械制造、IC芯片、網(wǎng)絡(luò)等多學(xué)科和多種技術(shù)，其可靠性技術(shù)復(fù)雜。提高AFC系統(tǒng)可靠性需要運(yùn)營、建設(shè)、設(shè)計(jì)、制造和施工等各方面密切配合。可靠性工作重點(diǎn)在設(shè)計(jì)階段，采用可靠性工程的理念，通過對(duì)AFC系統(tǒng)的固有可靠性和使用可靠性進(jìn)行詳細(xì)分析和研究，提出合適的可靠性指標(biāo)，生產(chǎn)出高品質(zhì)的產(chǎn)品，構(gòu)建安全可靠的系統(tǒng)，并在各個(gè)階段進(jìn)行相關(guān)驗(yàn)證。

隨著各方對(duì)AFC系統(tǒng)可靠性的重視，在可靠性設(shè)計(jì)方面的工作逐步系統(tǒng)化和深化。AFC系統(tǒng)可靠性方面的文章也多了起來，但是對(duì)于可靠性計(jì)算及測(cè)試方面的描述還不夠深入。本文嘗試對(duì)AFC系統(tǒng)可靠性進(jìn)行定量分析，采用可靠性的基本計(jì)算方法分析5層結(jié)構(gòu)中各部分的可靠性指標(biāo)。同時(shí)分析和總結(jié)了AFC系統(tǒng)的可靠性測(cè)試方法。

1 AFC系統(tǒng)可靠性設(shè)計(jì)

1.1 AFC可靠性影響因素

對(duì)于AFC系統(tǒng)的可靠性影響因素（見表1），應(yīng)根據(jù)AFC系統(tǒng)的特點(diǎn)進(jìn)行考慮。AFC系統(tǒng)一般采用標(biāo)準(zhǔn)5層架構(gòu)，主要分為清分及線路中央計(jì)算機(jī)系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)及車站現(xiàn)場(chǎng)終端設(shè)備。由于車站現(xiàn)場(chǎng)終端設(shè)備是乘客直接操作使用的，需要特別注意可靠性的特性，即分為固有可靠性和使用可靠性。固有可靠性是AFC產(chǎn)品在設(shè)計(jì)、制造中賦予的可靠性；使用可靠性，表示AFC產(chǎn)品在使用中表現(xiàn)出的一種能力特性，它與固有可靠性、安裝、操作、維修等有關(guān)。

表1 可靠性影響因素

1.2 AFC系統(tǒng)可靠性設(shè)計(jì)方法

主要包含以下幾種設(shè)計(jì)方法。

（1）可靠性概率設(shè)計(jì)法。先規(guī)定系統(tǒng)可靠度，再按機(jī)械設(shè)備零部件的失效概率大小來衡量零件的可靠性。

（2）預(yù)防故障設(shè)計(jì)法。有如下6個(gè)原則：① 技術(shù)上成熟。選用可靠的硬件和軟件方案，有效利用過去的經(jīng)驗(yàn)與實(shí)驗(yàn)結(jié)果。② 簡單化。要求結(jié)構(gòu)簡單、工藝簡單、使用方便和維修簡單。③ 標(biāo)準(zhǔn)化、通用化和系列化。對(duì)AFC系統(tǒng)級(jí)設(shè)備采用標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)，減少備品備件種類，提高運(yùn)營維修效率。④ 考慮使用性和維修性。⑤ 優(yōu)化材料及關(guān)鍵零部件的可靠性。⑥ 充分運(yùn)用故障分析的成果，反饋給設(shè)計(jì)。

（3）冗余設(shè)計(jì)法。在AFC系統(tǒng)中，主要在中央級(jí)采用冗余設(shè)計(jì)法，對(duì)可靠性要求高的環(huán)節(jié)，如通信服務(wù)器及核心交換機(jī)采用1＋1熱備，數(shù)據(jù)庫服務(wù)器采用1＋1熱備或群集（Cluster）結(jié)構(gòu)。也可采用具有硬件容錯(cuò)結(jié)構(gòu)的服務(wù)器。

1.3 AFC系統(tǒng)可維修性設(shè)計(jì)

可維修性設(shè)計(jì)應(yīng)密切結(jié)合可靠性、安全性、可使用性、可測(cè)試性、零配件總量設(shè)計(jì)等進(jìn)行。提高AFC系統(tǒng)可維修性可以從設(shè)備、維修人員及維修體制3個(gè)層面入手。

（1）對(duì)于AFC設(shè)備，設(shè)備具有完善的自診斷措施，有故障指示；設(shè)備模塊化設(shè)計(jì)，支持熱插拔；部件設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)化，可互換性、可修復(fù)性高。

（2）不斷提高維修人員的維修水平，設(shè)立AFC模擬仿真和培訓(xùn)系統(tǒng)，經(jīng)常進(jìn)行維修演練。較為復(fù)雜的維修項(xiàng)目也可委托專業(yè)廠家完成。

（3）通過設(shè)置維修機(jī)構(gòu)和科學(xué)合理的維修方式來保障AFC系統(tǒng)的可維修性；通過及時(shí)準(zhǔn)確的故障檢測(cè)與報(bào)警，可以保證維修人員及時(shí)有效地處理設(shè)備故障，縮短維修時(shí)間。

隨著線網(wǎng)化運(yùn)營的需求，對(duì)維修管理體制提出新的需求。應(yīng)盡快建立完善的線網(wǎng)維修管理系統(tǒng)，在運(yùn)營期有長期穩(wěn)定的故障維修記錄和統(tǒng)計(jì)，就能及時(shí)分析AFC系統(tǒng)及設(shè)備的使用可靠性，并對(duì)設(shè)計(jì)可靠性指標(biāo)做出合理的評(píng)估。

2 AFC系統(tǒng)可靠性分析

2.1 概述

AFC系統(tǒng)的可靠性設(shè)計(jì)需要進(jìn)行定量分析，即可靠性預(yù)計(jì)及分配。可靠性預(yù)計(jì)是對(duì)AFC系統(tǒng)及設(shè)備的可靠性進(jìn)行定量的估計(jì)，推測(cè)其可能達(dá)到的可靠性水平，尋找設(shè)計(jì)中可能存在的可靠性薄弱環(huán)節(jié)，進(jìn)行適當(dāng)?shù)脑O(shè)計(jì)調(diào)整?？煽啃苑峙涫前呀?jīng)過論證的可靠性目標(biāo)值或可靠性預(yù)計(jì)值，從系統(tǒng)開始，自上而下地分配給各個(gè)子系統(tǒng)、部件，以滿足系統(tǒng)的可靠性設(shè)計(jì)要求。

2.2 可靠性計(jì)算方法

（1）串聯(lián)系統(tǒng)可靠性計(jì)算。設(shè)組成串聯(lián)系統(tǒng)的第i個(gè)元件的可靠度為Ri，而全系統(tǒng)的可靠度為R，則有：R＝R1，R2，…，Rn，系統(tǒng)的可靠度取決于最低的一環(huán)。

設(shè)組成串聯(lián)系統(tǒng)的第i個(gè)元件的故障率為λi，則全系統(tǒng)的故障率λ為：λ＝λ1＋λ2＋…＋λi＋…＋λn。

（2）并聯(lián)系統(tǒng)可靠性計(jì)算。如果n個(gè)元件是相互獨(dú)立的，即一個(gè)元件發(fā)生故障與否與另一元件無關(guān)，則系統(tǒng)的故障率則為；λ＝λ1λ2…λi…λn。

可靠度R：R＝1－λ＝1－λ1λ2…λi…λn＝1－（1－R1）×（1－R2）×（1－R3）×…×（1－Rn）。

AFC系統(tǒng)設(shè)備大多是串、并聯(lián)混合系統(tǒng)，應(yīng)通過建立適當(dāng)?shù)臄?shù)學(xué)模型，把大系統(tǒng)分割成若干子系統(tǒng)，可以簡化其分析過程。

2.3 AFC系統(tǒng)可靠性計(jì)算

2.3.1 中央及車站系統(tǒng)

以AFC系統(tǒng)的線路中央計(jì)算機(jī)（LCC）為例。LCC是AFC系統(tǒng)的線路級(jí)控制核心，實(shí)現(xiàn)對(duì)線路各站AFC系統(tǒng)所有設(shè)備的監(jiān)控，定時(shí)從各車站計(jì)算機(jī)系統(tǒng)（SC）收集全線的票務(wù)交易及設(shè)備狀況信息，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)運(yùn)作、收益及清分審核、設(shè)備維護(hù)集中管理功能，實(shí)現(xiàn)與清分中心（ACC）的數(shù)據(jù)接口。

LCC系統(tǒng)一般由中央數(shù)據(jù)服務(wù)器、通信服務(wù)器、報(bào)表服務(wù)器、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)設(shè)備、各種監(jiān)控管理操作工作站及其他外圍設(shè)備等組成。

從任務(wù)流程的角度分析，LCC整體上是一個(gè)串、并聯(lián)復(fù)雜系統(tǒng)（見圖1）。

圖1 LCC系統(tǒng)構(gòu)成示意圖

設(shè)LCC系統(tǒng)的每個(gè)部分可靠度為Ri，分別為UPS電源、防火墻、交換機(jī)、數(shù)據(jù)庫服務(wù)器及各種應(yīng)用服務(wù)器、操作員工作站等。

LCC全系統(tǒng)的可靠度為R，則有：R＝R1，R2，…，Rn，系統(tǒng)的可靠度取決于最低的一環(huán)。

根據(jù)AFC系統(tǒng)的基本需求，一般要求中央計(jì)算機(jī)層達(dá)到99.9%的可用度?？梢缘贸雒總€(gè)環(huán)節(jié)的大致可靠性指標(biāo)，一般不小于99.99%，按照每年停機(jī)時(shí)間推算應(yīng)不多于53 min。

LCC系統(tǒng)的可靠度取決于最薄弱的環(huán)節(jié)，即數(shù)據(jù)庫服務(wù)器。為提高該部分的可靠性，AFC系統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫服務(wù)器系統(tǒng)一般采用冗余設(shè)計(jì)，由2臺(tái)小型機(jī)、2臺(tái)SAN交換機(jī)以及磁盤陣列和磁帶庫組成群集系統(tǒng)。由于其最薄弱的環(huán)節(jié)是磁帶庫，需要通過提高其可維修性以達(dá)到較高的可靠性（見圖2）。

圖2 LCC數(shù)據(jù)庫服務(wù)器系統(tǒng)構(gòu)成示意圖

2.3.2 車站終端設(shè)備

AFC系統(tǒng)的主要特點(diǎn)之一是它的現(xiàn)場(chǎng)終端設(shè)備，自動(dòng)售票機(jī)（TV M）和自動(dòng)檢票機(jī)（AGM）都是乘客直接操作使用的。TV M及AGM是典型的機(jī)電一體化復(fù)雜設(shè)備，由智能控制單元（ECU）控制對(duì)車票、現(xiàn)金的機(jī)械操作。TV M及AGM可根據(jù)機(jī)電一體化系統(tǒng)的故障特點(diǎn)進(jìn)行可靠性分析及研究。其基本組成也符合復(fù)雜串、并聯(lián)系統(tǒng)的特點(diǎn)。

機(jī)電一體化系統(tǒng)主要由電子系統(tǒng)、機(jī)械系統(tǒng)級(jí)接口組成，假設(shè)各部分可靠度分別為R1、R2及R3。根據(jù)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，串行系統(tǒng)總可靠度R為各部分可靠度之積：R＝R1R2R3。

下面以TV M為例進(jìn)行說明。TV M主要完成單程票的發(fā)售，可選擇儲(chǔ)值票充值、驗(yàn)票功能。TV M從任務(wù)流程的角度分析整體上是一個(gè)串、并聯(lián)復(fù)雜系統(tǒng)，總體上可視為串聯(lián)系統(tǒng)。TV M的電子系統(tǒng)部分包括ECU、交換機(jī)、電源系統(tǒng)、乘客顯示器、維修顯示器、狀態(tài)顯示器；機(jī)械部分包括硬幣處理模塊、紙幣處理及找零模塊、車票發(fā)售模塊等部件。在ECU的統(tǒng)一控制下實(shí)現(xiàn)相關(guān)功能。機(jī)電接口部分除了電源接口外，基本都采用數(shù)字通信接口，如RS232、USB、以太網(wǎng)接口實(shí)現(xiàn)，并集成在ECU上（見圖3）。

設(shè)TVM的每個(gè)部分可靠度為Ri，分別為電源、交換機(jī)、主控單元、維修單元、乘客顯示器及狀態(tài)顯示器，硬幣處理模塊、紙幣處理及找零模塊、車票發(fā)售模塊等。假設(shè)TVM的可靠度為R，則有：R＝R1，R2，…，Rn，系統(tǒng)的可靠度取決于最低的一環(huán)。TVM可靠度取決于硬幣、紙幣處理器以及車票處理機(jī)構(gòu)，這些機(jī)構(gòu)本身也是復(fù)雜的機(jī)械電子一體化部件。

圖3 TV M系統(tǒng)構(gòu)成示意圖

根據(jù)AFC系統(tǒng)的特點(diǎn)，TV M為高可用性（99.9%）設(shè)備，各環(huán)節(jié)的可用性需不小于99.99%，包括以上核心模塊。根據(jù)可用性定義，由于TV M的MTTR（平均維修時(shí)間）為0.5 h，則各部分的MTTR不高于0.5 h，MTBF（平均無故障時(shí)間）為不小于5 000 h。

2.3.3 核心部件

核心部件主要包括TV M的硬幣、紙幣處理器以及車票發(fā)售機(jī)構(gòu)；AGM的扇門機(jī)構(gòu)及車票回收機(jī)構(gòu)。

由于部件本身的關(guān)鍵性和復(fù)雜性，可采用可靠性分析軟件對(duì)其進(jìn)行可靠性預(yù)測(cè)，再通過可靠性測(cè)試來驗(yàn)證其可靠性指標(biāo)。

一般采用美國軍方發(fā)布的MIL－HDBK－217F表框中的零件數(shù)量（PART COUNT METHOD）方法進(jìn)行電子及機(jī)械部件壽命預(yù)測(cè)。其基本步驟如下：

（1）編制相關(guān)核心部件的構(gòu)成模塊目錄；

（2）編制各構(gòu)成模塊的配件單；

（3）把各模塊的構(gòu)成配件按 MIL－HDBK－217F／NPRD－95的分類標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行分類；

（4）對(duì)各構(gòu)成模塊，利用 MIL－HDBK－217F／NPRD－95的故障率數(shù)據(jù)，算出構(gòu)成零件的故障率；

（5）對(duì)各構(gòu)成模塊，利用MIL－HDBK－217F／NPRD－95的故障率數(shù)據(jù)，把算出的構(gòu)成配件的故障率相加；

（6）把上一步驟故障率相加的值取逆數(shù)，算出構(gòu)成模塊的MTBF。

由于可靠性預(yù)測(cè)的復(fù)雜性，現(xiàn)在有較多成熟的計(jì)算軟件產(chǎn)品進(jìn)行系統(tǒng)分析，如Relex Studio、Isograph等。AFC系統(tǒng)生產(chǎn)廠商可采用合適的可靠性預(yù)測(cè)工具完成對(duì)設(shè)備及部件的可靠性分析、預(yù)測(cè)及評(píng)估。

3 AFC系統(tǒng)環(huán)境及可靠性測(cè)試

3.1 概述

由于AFC系統(tǒng)設(shè)備的特殊性，除了其較高的可靠性要求，也必須提高產(chǎn)品的環(huán)境適應(yīng)性。兩者相輔相成。在產(chǎn)品研制階段，主要是通過測(cè)試試驗(yàn)來發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)缺陷且加以改進(jìn)，并通過進(jìn)一步的試驗(yàn)來發(fā)現(xiàn)新的問題。經(jīng)驗(yàn)表明，70%左右的設(shè)計(jì)缺陷要靠對(duì)樣機(jī)進(jìn)行試驗(yàn)才能發(fā)現(xiàn)。

為達(dá)到產(chǎn)品可靠性的要求，試驗(yàn)、評(píng)價(jià)和改進(jìn)貫穿整個(gè)產(chǎn)品研制和生產(chǎn)過程，主要包括研制試驗(yàn)、鑒定試驗(yàn)、驗(yàn)收試驗(yàn)和例行試驗(yàn)。

3.2 AFC系統(tǒng)環(huán)境及安全測(cè)試

環(huán)境試驗(yàn)主要是考核產(chǎn)品對(duì)預(yù)期工作環(huán)境的適應(yīng)性，包括耐受最惡劣的儲(chǔ)存與運(yùn)輸環(huán)境而不致?lián)p壞和在合理極值環(huán)境條件下正常工作的能力。一般要求對(duì)AFC系統(tǒng)的現(xiàn)場(chǎng)終端設(shè)備TV M與AGM在樣機(jī)階段進(jìn)行型式試驗(yàn)。對(duì)TV M與AGM樣機(jī)進(jìn)行包括安全試驗(yàn)、電磁兼容性測(cè)試、環(huán)境試驗(yàn)、防塵、防水特性以及機(jī)械振動(dòng)等破壞性試驗(yàn)。終端設(shè)備的型式試驗(yàn)一般委托給具有計(jì)量認(rèn)證合格資質(zhì)的第三方檢測(cè)單位完成。

3.3 AFC系統(tǒng)可靠性測(cè)試

可靠性試驗(yàn)基本上采用實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)方法，由設(shè)備供貨商或集成商組織實(shí)施。可靠性試驗(yàn)在典型環(huán)境條件下進(jìn)行，按可靠性要求設(shè)計(jì)和進(jìn)行，以驗(yàn)證AFC產(chǎn)品在規(guī)定條件下和規(guī)定時(shí)間內(nèi)能否實(shí)現(xiàn)預(yù)定可靠性功能，達(dá)到設(shè)計(jì)的可靠性指標(biāo)。一般是對(duì)固有可靠性指標(biāo)進(jìn)行測(cè)試和驗(yàn)證。

對(duì)于AFC系統(tǒng)（如LCC及SC系統(tǒng)）的可靠性試驗(yàn)，一般以軟件功能性測(cè)試及網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)測(cè)試為主，以驗(yàn)證功能和大數(shù)據(jù)量傳輸處理為主要目標(biāo)。由于軌道交通AFC系統(tǒng)的規(guī)模較大，組織全線級(jí)別的系統(tǒng)測(cè)試較為復(fù)雜和不便，一般建立模擬仿真測(cè)試平臺(tái)；在AFC系統(tǒng)樣機(jī)完成之前也可以采用AFC終端模擬器作為測(cè)試手段。

對(duì)于AFC終端設(shè)備（如TV M、AGM）的可靠性試驗(yàn)，以MTBF、MCBF（平均無故障次數(shù)）的固有可靠性測(cè)試為主。對(duì)已定型的批量生產(chǎn)產(chǎn)品進(jìn)行抽樣試驗(yàn)，以考核材料和工藝的穩(wěn)定性，大多數(shù)情況都在模擬環(huán)境下進(jìn)行。對(duì)于TV M，主要以機(jī)械次數(shù)測(cè)試方式為主，反復(fù)用現(xiàn)金購買單程票，以驗(yàn)證其可靠性指標(biāo)。對(duì)于AGM則反復(fù)測(cè)試進(jìn)、出閘機(jī)，同時(shí)進(jìn)行車票檢查及回收操作。

對(duì)于AFC核心模塊，主要包括現(xiàn)金模塊、車票處理（發(fā)售及回收模塊）及扇門門芯機(jī)構(gòu)的可靠性試驗(yàn)，以MCBF的可靠性測(cè)試為主。如硬幣、紙幣模塊進(jìn)行2萬次投幣測(cè)試，扇門的100萬次開關(guān)測(cè)試等。由于可靠性測(cè)試費(fèi)時(shí)費(fèi)人力，需要設(shè)計(jì)和應(yīng)用可靠性測(cè)試設(shè)備進(jìn)行長時(shí)間、大數(shù)據(jù)量的重復(fù)試驗(yàn)。如日本高見澤公司的硬幣模塊可靠性測(cè)試平臺(tái)，可以對(duì)硬幣模塊進(jìn)行多幣種重復(fù)測(cè)試，最后自動(dòng)給出測(cè)試分析報(bào)告和計(jì)算結(jié)果。

4 結(jié)語

AFC系統(tǒng)作為軌道交通運(yùn)營公司的準(zhǔn)財(cái)務(wù)系統(tǒng)，是乘客直接操作使用的系統(tǒng)，與維修運(yùn)營、票務(wù)管理密切相關(guān)，體現(xiàn)了運(yùn)營質(zhì)量的高低。隨著各地網(wǎng)絡(luò)化運(yùn)營體系的形成，以及金融卡、移動(dòng)支付技術(shù)的應(yīng)用，對(duì)AFC系統(tǒng)的可靠性及安全體系提出越來越高的要求。

為有效提高AFC系統(tǒng)的可靠性，必須在方案設(shè)計(jì)階段即對(duì)可靠性進(jìn)行過程控制，在系統(tǒng)生命周期全過程制定具體的實(shí)施細(xì)則和控制目標(biāo)。在設(shè)計(jì)階段需要細(xì)化可靠性指標(biāo)的分析，做好可靠性的預(yù)測(cè)和分配；根據(jù)可靠性指標(biāo)要求生產(chǎn)相關(guān)設(shè)備，在各個(gè)實(shí)施階段通過詳細(xì)的測(cè)試手段進(jìn)行驗(yàn)證；應(yīng)高度關(guān)注可靠性測(cè)試技術(shù)，促進(jìn)相關(guān)可靠性檢測(cè)手段的完善和檢測(cè)設(shè)備的研制生產(chǎn)。在運(yùn)營階段則通過維修管理系統(tǒng)收集整理AFC系統(tǒng)的可靠性數(shù)據(jù)，進(jìn)行長期分析和評(píng)估，并指導(dǎo)AFC系統(tǒng)可靠性設(shè)計(jì)和生產(chǎn)。

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