朱鵬舉+董 凱 胡彩鳳 吳能峰 楊北輝

?

RAMS在城市軌道交通牽引系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

朱鵬舉+董 凱 胡彩鳳 吳能峰 楊北輝

摘 要：城市軌道交通牽引系統(tǒng)的RAMS（可靠性、可用性、可維護(hù)性和安全性）特性，在牽引系統(tǒng)的設(shè)計(jì)開發(fā)中具有非常重要的作用。介紹牽引系統(tǒng)的基本組成以及影響系統(tǒng)RAMS的因素，從需求定義、系統(tǒng)設(shè)計(jì)、設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)、實(shí)施與制造、測(cè)試與驗(yàn)證、安全證據(jù)及交付這6個(gè)階段簡(jiǎn)單描述了 RAMS 實(shí)施的過(guò)程。

關(guān)鍵詞：地鐵車輛；牽引系統(tǒng)；設(shè)計(jì)；RAMS

朱鵬舉：廣州市地下鐵道總公司，工程師，廣東廣州660431

最近十余年來(lái)，中國(guó)的城市軌道交通建設(shè)已經(jīng)逐步進(jìn)入到了高速有序發(fā)展的階段，產(chǎn)品的RAMS（可靠性、可用性、可維護(hù)性和安全性）越來(lái)越受到大家的關(guān)注，同時(shí)RAMS作為產(chǎn)品非常重要的屬性，在衡量牽引系統(tǒng)綜合性能的時(shí)候，已經(jīng)越來(lái)越重要。本文從系統(tǒng)設(shè)計(jì)開發(fā)的角度，介紹了將RAMS需求引入到產(chǎn)品設(shè)計(jì)中的過(guò)程，提高產(chǎn)品的可靠性、可用性、可維護(hù)性和安全性。

1　RAMS定義

RAMS：Reliability（可靠性）、Availiability（可用性）、Maintainability（可維修性）、Safety（安全性）。RAMS是城市軌道交通牽引系統(tǒng)的長(zhǎng)期工作特性，在系統(tǒng)的整個(gè)生命周期內(nèi)，它通過(guò)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，運(yùn)用各種技術(shù)方法和工具而實(shí)現(xiàn)。

2　牽引系統(tǒng)RAMS標(biāo)準(zhǔn)與要素

2.1牽引系統(tǒng)RAMS標(biāo)準(zhǔn)

城市軌道交通牽引系統(tǒng)，參照GB/T21562-2008《軌道交通 可靠性、可用性、可維修性和安全性規(guī)范及示例》、EN50128:2011《鐵路應(yīng)用—通信、信號(hào)和處理系統(tǒng)—鐵路控制和防護(hù)系統(tǒng)軟件》、EN50129:2003《鐵路應(yīng)用—通信、信號(hào)和過(guò)程控制系統(tǒng)—信號(hào)的安全相關(guān)電子系統(tǒng)》等標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行系統(tǒng)的 RAMS 設(shè)計(jì)，具體標(biāo)準(zhǔn)對(duì)照如圖1所示。

圖1　牽引系統(tǒng) RAMS 標(biāo)準(zhǔn)對(duì)照

2.2牽引系統(tǒng) RAMS 要素

影響牽引系統(tǒng)的 RAMS 要素，主要來(lái)自3個(gè)方面：來(lái)源于在系統(tǒng)生命周期中任何階段系統(tǒng)內(nèi)部的失效（系統(tǒng)環(huán)境）、運(yùn)營(yíng)過(guò)程中強(qiáng)加給系統(tǒng)的失效（運(yùn)營(yíng)環(huán)境）以及在系統(tǒng)維修工作中強(qiáng)加給系統(tǒng)的失效（維修環(huán)境），這些失效能夠相互作用，其關(guān)系見(jiàn)圖2。

圖2　影響牽引系統(tǒng)的 RAMS 因素

3　牽引系統(tǒng)概要

牽引系統(tǒng)是地鐵車輛的核心，完整的牽引系統(tǒng)如圖3所示，包括牽引變流器、輔助電源、牽引電機(jī)。

圖3　牽引系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)圖

牽引變流器主要由高壓輸入電路、濾波電路、逆變單元、制動(dòng)斬波電路、制動(dòng)電阻、牽引控制單元、信號(hào)檢測(cè)電路等組成。它的基本功能是，把地鐵車輛從直流電源獲取的高壓直流電變換成幅值和頻率都可調(diào)的三相交流電，并給異步牽引電機(jī)供電，實(shí)現(xiàn)了直流側(cè)和交流側(cè)的能量傳輸。

輔助電源由輔助變流器主回路、充電機(jī)主回路、強(qiáng)迫風(fēng)冷單元、緊急啟動(dòng)單元和低壓控制單元共5個(gè)部分組成，用于向地鐵車輛上輔助負(fù)載提供三相交流電源，同時(shí)還為蓄電池和控制負(fù)載提供直流110 V 電源。

牽引電機(jī)是地鐵列車牽引的動(dòng)力傳動(dòng)裝置，是車輛運(yùn)行的動(dòng)力源泉。

4　牽引系統(tǒng)功能實(shí)現(xiàn)

4.1牽引變流器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

牽引變流器及異步牽引電機(jī)構(gòu)成交流電傳動(dòng)系統(tǒng)，是列車的重要控制和動(dòng)力系統(tǒng)，牽引變流器將地鐵車輛由直流電源獲取的高壓直流電變換為幅值和頻率可調(diào)的三相交流電，并給異步牽引電機(jī)供電，實(shí)現(xiàn)列車的牽引及制動(dòng)；同時(shí)牽引系統(tǒng)具備網(wǎng)絡(luò)通信、故障保護(hù)、自診斷及監(jiān)控功能。牽引變流器結(jié)構(gòu)如圖4所示。

4.2輔助電源結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

輔助電源由輔助變流器主回路、充電機(jī)主回路、強(qiáng)迫風(fēng)冷單元、緊急啟動(dòng)單元和低壓控制單元共5個(gè)部分組成，實(shí)現(xiàn)三相交流380 V 和直流110 V 的輸出。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖5所示。

牽引變流器由受電弓受流供電，然后轉(zhuǎn)入輔助電源，直流電經(jīng)輔助變流器主回路單元逆變后輸出三相380 V 交流電，交流電經(jīng)充電機(jī)主回路整流后輸出110 V直流電。其中，低壓控制單元控制系統(tǒng)運(yùn)行，強(qiáng)迫風(fēng)冷單元為系統(tǒng)通風(fēng)，緊急啟動(dòng)單元實(shí)現(xiàn)輔助電源的自激啟動(dòng)。

圖4　牽引變流器結(jié)構(gòu)圖

圖5　輔助電源結(jié)構(gòu)圖

4.3牽引電機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

牽引電機(jī)是完整的牽引系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)裝置的一部分，是牽引驅(qū)動(dòng)的動(dòng)力設(shè)備，將牽引變流器送過(guò)來(lái)的電能轉(zhuǎn)化為車輛行駛的機(jī)械能。電機(jī)采用鼠籠銅條轉(zhuǎn)子，定子繞組采取防電暈的絕緣結(jié)構(gòu)，且要采取特殊措施，防止水對(duì)電機(jī)絕緣的損傷；軸承采取絕緣結(jié)構(gòu)，防止變頻電源對(duì)軸承造成電腐蝕。

5　牽引系統(tǒng)RAMS實(shí)施關(guān)鍵階段

牽引系統(tǒng) RAMS 的實(shí)施主要有6個(gè)關(guān)鍵階段，包括需求定義、系統(tǒng)設(shè)計(jì)、設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)、實(shí)施和制造、測(cè)試和驗(yàn)證、安全證據(jù)及交付等。

5.1需求定義階段

需求定義階段是牽引系統(tǒng)設(shè)計(jì)開發(fā)的早期階段，其重要活動(dòng)包括如下幾點(diǎn)。

（1）定義系統(tǒng)。確定系統(tǒng)的任務(wù)、范圍和應(yīng)用條件。

（2）建立項(xiàng)目 RAMS 組織，依據(jù)系統(tǒng)定義的功能等相關(guān)需求進(jìn)行危害分析，識(shí)別安全需求，完善系統(tǒng)需求。

（3）建立系統(tǒng)保證計(jì)劃、安全計(jì)劃、驗(yàn)證和確認(rèn)計(jì)劃。

在這幾個(gè)任務(wù)中，對(duì)牽引系統(tǒng)安全性起到重要作用的工作是危害分析。危害分析是一個(gè)系統(tǒng)工程，完整的危害分析包括初步危害分析、系統(tǒng)危害分析、子系統(tǒng)危害分析、部件/單元危害分析、接口危害分析、操作危害分析等，危害分析貫穿與整個(gè)牽引系統(tǒng)的設(shè)計(jì)開發(fā)，具體過(guò)程如圖6所示（其中：ALARP 即最低合理可行）。

5.2系統(tǒng)設(shè)計(jì)階段

經(jīng)過(guò)系統(tǒng)定義階段之后，系統(tǒng)的需求以及RAMS需求都已經(jīng)明確。在這個(gè)基礎(chǔ)上，系統(tǒng)設(shè)計(jì)階段主要的工作是明確系統(tǒng)硬件、軟件、結(jié)構(gòu)要求，確定系統(tǒng)的硬件、軟件、結(jié)構(gòu)需求以及安全需求，確定系統(tǒng)的安全設(shè)計(jì)原則，指導(dǎo)硬件、軟件、結(jié)構(gòu)的具體設(shè)計(jì)工作開展。

牽引系統(tǒng)采用故障導(dǎo)向安全的機(jī)制，主要安全設(shè)計(jì)原則有系統(tǒng)設(shè)備器件冗余、故障診斷及狀態(tài)監(jiān)控、性能余量設(shè)計(jì)。

（1）關(guān)鍵列車信號(hào)采用硬線和網(wǎng)絡(luò)冗余的設(shè)計(jì)。列車牽引控制采用網(wǎng)絡(luò)優(yōu)先的控制方式，硬線緊急牽引控制作為備用。在列車控制網(wǎng)絡(luò)正常時(shí)，牽引和制動(dòng)的控制通過(guò)列車控制網(wǎng)絡(luò)來(lái)實(shí)現(xiàn)；當(dāng)列車控制網(wǎng)絡(luò)故障時(shí)，采用備用模式，由繼電器邏輯電路和列車硬線來(lái)實(shí)現(xiàn)列車的牽引和制動(dòng)控制。

（2）牽引系統(tǒng)實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)監(jiān)控設(shè)備部件運(yùn)行的狀態(tài)。系統(tǒng)及設(shè)備與列車控制和診斷系統(tǒng)（TCMS）通過(guò)多功能車輛總線（MVB）交換數(shù)據(jù)，完成地鐵車輛的通信管理、功能控制、故障診斷、信息顯示和事件記錄等主要功能。

（3）牽引系統(tǒng)與列車級(jí)網(wǎng)絡(luò)的通信時(shí)，系統(tǒng)自動(dòng)檢測(cè)牽引控制單元（DCU）與中央控制單元（CCU）之間的MVB網(wǎng)絡(luò)是否完整，校驗(yàn)信息是否一致，有無(wú)網(wǎng)絡(luò)生命信號(hào)，以保證車輛級(jí)和列車級(jí)網(wǎng)絡(luò)通信的安全。

（4）牽引系統(tǒng)故障診斷和保護(hù)策略，主要體現(xiàn)為反作用故障安全條件下。即牽引系統(tǒng)及設(shè)備發(fā)生故障時(shí)，在系統(tǒng)安全的條件下，對(duì)故障做出相應(yīng)的反應(yīng)。

圖6　危害分析過(guò)程圖

5.3設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)階段

系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)階段，主要活動(dòng)是將系統(tǒng)設(shè)計(jì)定義好的意見(jiàn)、軟件、結(jié)構(gòu)等設(shè)計(jì)要求以及 RAMS 要求，落實(shí)到具體的硬件、軟件、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，具體包括如下幾點(diǎn)。

（1）將系統(tǒng)硬件、軟件、結(jié)構(gòu)需求通過(guò)設(shè)計(jì)開發(fā)，依照安全設(shè)計(jì)原則，將需求轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的技術(shù)圖紙，最終轉(zhuǎn)換成顧客所需要的產(chǎn)品。

（2）通過(guò)安全設(shè)計(jì)、分析、評(píng)估來(lái)實(shí)施安全計(jì)劃，論證安全相關(guān)的設(shè)計(jì)決策，開展安全管理，準(zhǔn)備安全論據(jù)。

（3）進(jìn)行系統(tǒng) RAMS 的預(yù)計(jì)，確保系統(tǒng) RAMS 在設(shè)計(jì)中符合要求，其中 RAMS 的設(shè)計(jì)包括可靠性分析、可維護(hù)性分析以及可用性分析。下面舉例簡(jiǎn)要說(shuō)明可靠性分析和可維護(hù)性分析。

5.3.1可靠性分析

典型的牽引系統(tǒng)針對(duì)的是4動(dòng)2拖（即4輛動(dòng)車和2輛拖車）的列車編組模式，系統(tǒng)基本可靠性模型為串聯(lián)，系統(tǒng)所有部件均為串聯(lián)結(jié)構(gòu)。

牽引系統(tǒng)采用普通概率法，用普通的概率公式擬定可靠性模型，假定各單元壽命服從指數(shù)分布，即具有恒定的失效率，計(jì)算過(guò)程如下。

可靠度函數(shù)為：

系統(tǒng)可靠度為：

系統(tǒng)失效率為：

系統(tǒng)平均無(wú)故障時(shí)間為：

5.3.2可維護(hù)性分析

可維護(hù)性分析的目的是分析系統(tǒng)是否達(dá)到了用戶要求的平均維修時(shí)間（MTTR）目標(biāo)。我們采用按系統(tǒng)各個(gè)元件失效率進(jìn)行加權(quán)平均的平均值的方法來(lái)計(jì)算MTTR，如下所示：

5.4實(shí)施和制造階段

經(jīng)過(guò)系統(tǒng)定義、系統(tǒng)設(shè)計(jì)、設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)這幾個(gè)階段以后，牽引系統(tǒng)的需求以及 RAMS 需求，都具體落實(shí)在了設(shè)計(jì)中。在實(shí)施和制造階段，除了依據(jù)設(shè)計(jì)圖紙、技術(shù)要求等進(jìn)行硬件制造、單元測(cè)試外，還需要確認(rèn)制造出來(lái)的產(chǎn)品或系統(tǒng)是否與設(shè)計(jì)相符合，確保 RAMS 要求落實(shí)在系統(tǒng)或產(chǎn)品的實(shí)施制造中，同時(shí)在這個(gè)階段中需要不斷地維護(hù)危害日志，把影響系統(tǒng)安全的因素都進(jìn)行指第 i 個(gè)單元的失效率，有效的管控與處理。

5.5測(cè)試和驗(yàn)證階段

系統(tǒng)或產(chǎn)品實(shí)施制造完成后，為了確保實(shí)施和制造的結(jié)果符合要求，需要根據(jù)系統(tǒng)安全計(jì)劃、系統(tǒng)質(zhì)量保證計(jì)劃、系統(tǒng)驗(yàn)證和確認(rèn)計(jì)劃、系統(tǒng)測(cè)試規(guī)范以及相關(guān)測(cè)試案例，對(duì)牽引系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)試，驗(yàn)證系統(tǒng)需求包括 RAMS 需求是否都已經(jīng)實(shí)現(xiàn)，系統(tǒng)安全可靠；同時(shí)維護(hù)并更新危害日志，確保安全相關(guān)措施均已落實(shí)，經(jīng)過(guò)測(cè)試驗(yàn)證有效。在這個(gè)階段，主要的驗(yàn)證措施如下。

（1）需求檢查。采用需求跟蹤矩陣檢查的方式，確保需求實(shí)現(xiàn)無(wú)遺漏。

（2）文檔檢查。檢查系統(tǒng)或產(chǎn)品設(shè)計(jì)開發(fā)過(guò)程中的所有文檔，依此反應(yīng)過(guò)程的有序、規(guī)范，各過(guò)程活動(dòng)嚴(yán)謹(jǐn)。

（3）系統(tǒng)功能測(cè)試?；诹己枚x的測(cè)試用例進(jìn)行全面功能測(cè)試，以證實(shí)達(dá)到了預(yù)定的特征和安全需求。

（4）環(huán)境條件下的功能測(cè)試。在指定環(huán)境條件下進(jìn)行安全相關(guān)功能和其他功能的測(cè)試。

（5）浪涌抗擾度測(cè)試。進(jìn)行比實(shí)際運(yùn)行條件邊界值更高的浪涌抗擾度測(cè)試。

（6）評(píng)審。在生命周期的適當(dāng)階段進(jìn)行評(píng)審，以證實(shí)實(shí)現(xiàn)了指定的特征和安全性需求。

5.6安全證據(jù)及交付階段

隨著系統(tǒng)的測(cè)試和驗(yàn)證環(huán)節(jié)結(jié)束，安全證據(jù)及交付階段主要活動(dòng)是對(duì)整個(gè)產(chǎn)品開發(fā)過(guò)程中的質(zhì)量管理、技術(shù)安全、安全管理活動(dòng)進(jìn)行整理，完成安全案例，并經(jīng)過(guò)系統(tǒng)驗(yàn)收，發(fā)布系統(tǒng)，主要評(píng)估包括以下內(nèi)容。

（1）評(píng)估系統(tǒng)需求規(guī)范中的需求均已在系統(tǒng)設(shè)計(jì)中實(shí)現(xiàn)，對(duì)系統(tǒng)故障后果進(jìn)行了安全分析，系統(tǒng)在設(shè)計(jì)過(guò)程中考慮了不同的功能模塊相互獨(dú)立，以消除內(nèi)部功能相互影響。

（2）對(duì)牽引系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、接口、軟硬件安全設(shè)計(jì)準(zhǔn)則、故障影響、操作和外部影響以及正確功能性操作保證等方面進(jìn)行全面綜合的評(píng)估，評(píng)估牽引系統(tǒng)的RAMS需求是否已經(jīng)滿足。

（3）評(píng)估危害日志，確保所有的危害都有效控制與處理，滿足系統(tǒng)安全要求。

6　結(jié)語(yǔ)

隨著城市軌道交通行業(yè)的深入發(fā)展，牽引系統(tǒng)是否安全可靠越來(lái)越受到重視，而 RAMS 作為提高產(chǎn)品安全可靠性能的一種方法，正在逐步應(yīng)用于產(chǎn)品設(shè)計(jì)中，已成必然趨勢(shì)。本文闡述了牽引系統(tǒng)采用的 RAMS 相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，以及影響牽引系統(tǒng) RAMS 的要素，通過(guò)生命周期的各個(gè)階段活動(dòng)，簡(jiǎn)要闡述了 RAMS 工作在各階段中的活動(dòng)過(guò)程，有效地預(yù)防、控制、減少各種不利因素對(duì)系統(tǒng)RAMS 的影響，從而最終提高產(chǎn)品的競(jìng)爭(zhēng)力，為客戶提供滿意的產(chǎn)品。

參考文獻(xiàn)

［1］ CENELEC. EN50126-1999Railway applications —The specification and demonstration of Reliability，Availability，Maintainability and Safety （RAMS）［S］.

［2］ BS EN50129:2003Railway applications —Communications，signaling and processing systems —Safety related electronic systems for signaling［S］.

［3］ BS EN50128:2001Railway applications —Communications，signaling and processing systems —Software for railway control and protection systems［S］.

［4］ GB/T21562-2008軌道交通可靠性、可用性、可維修性和安全性規(guī)范及示例［S］.

責(zé)任編輯 冒一平

Application of RAMS in Transit Traction System Design

Zhu Pengju, Dong Kai, Hu Caifeng, et al.

Abstract:RAMS (reliability, availability, maintainability and safety) of urban rail transit traction system, plays a very important role in the design and development of traction system. Traction system of basic composition and effect of RAMS system factors are introduced and described, including the six stages from requirements definition, system design, design and implementation, implementation and manufacturing, testing and validation, and security evidence and delivery of RAMS in implement process.

Keywords:metro vehicle, traction system, design, RAMS

中圖分類號(hào)：U260.2

收稿日期2015-07-03