上官偉,胡福威,袁 敏,蔡伯根,3,王 劍
(1.北京交通大學(xué) 電子信息工程學(xué)院,北京 100044;2.北京交通大學(xué) 軌道交通控制與安全國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 100044;3.北京市電磁兼容與衛(wèi)星導(dǎo)航工程技術(shù)研究中心,北京 100044)
高速鐵路系統(tǒng)作為我國(guó)綜合運(yùn)輸網(wǎng)絡(luò)中的重要組成部分,該系統(tǒng)能否正常運(yùn)行關(guān)系著乘客的生命及財(cái)產(chǎn)安全。排除人為因素、自然環(huán)境影響以外,由于系統(tǒng)本身不可避免地存在一些安全隱患,所以當(dāng)列車在極端惡劣的條件下運(yùn)行時(shí),可能會(huì)導(dǎo)致一些重大事故發(fā)生。因此,為了確保列車安全、可靠的運(yùn)行,針對(duì)列車運(yùn)行過(guò)程中的可靠性分析方法以及故障恢復(fù)策略的研究,對(duì)于杜絕和減少重大鐵路行車安全事故的發(fā)生具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。
列車運(yùn)行控制系統(tǒng)(以下簡(jiǎn)稱列控系統(tǒng))是保證我國(guó)高速鐵路系統(tǒng)安全運(yùn)行的核心設(shè)備之一,由于系統(tǒng)自身具有復(fù)雜性和不確定性等特點(diǎn),所以在運(yùn)行時(shí)對(duì)其內(nèi)部運(yùn)行狀態(tài)及外界環(huán)境的變化都具有較強(qiáng)的敏感性。因此,在行車時(shí)應(yīng)及時(shí)診斷出系統(tǒng)中出現(xiàn)的故障或安全漏洞,并對(duì)其加以處理,否則將有可能引發(fā)一系列的設(shè)備單元故障,甚至造成重大的經(jīng)濟(jì)損失和人員傷亡。極端條件下,列車在運(yùn)行過(guò)程中因受到某些干擾而造成設(shè)備的故障依舊不可避免,所以如何對(duì)系統(tǒng)的運(yùn)行可靠性進(jìn)行實(shí)時(shí)分析是研究的一個(gè)難點(diǎn)。針對(duì)列控系統(tǒng)的可靠性分析,國(guó)內(nèi)外的一些專家學(xué)者已經(jīng)采用了很多較為成熟的理論方法進(jìn)行研究,但仍有一些不足之處。
彈復(fù)力的概念來(lái)源于物理學(xué)領(lǐng)域,其物理特性參照彈簧因彈性形變所儲(chǔ)存的彈性勢(shì)能。當(dāng)前彈復(fù)力的研究工作已經(jīng)逐步成為分析和評(píng)估交通系統(tǒng)可靠性和安全性的一個(gè)重要方面。文獻(xiàn)[1]對(duì)運(yùn)輸系統(tǒng)的彈復(fù)能力進(jìn)行分析,并確定了系統(tǒng)的彈性參數(shù)及關(guān)鍵變量,以確定系統(tǒng)在動(dòng)態(tài)環(huán)境中受到損害時(shí)的恢復(fù)能力。文獻(xiàn)[2]提出了一個(gè)用于計(jì)算社區(qū)災(zāi)后恢復(fù)能力的概念框架,該框架提升社區(qū)彈復(fù)能力的依據(jù)是降低故障率、減少故障損失以及降低復(fù)原時(shí)間。文獻(xiàn)[3]認(rèn)為系統(tǒng)的彈復(fù)力工程表示了一種新的安全思維方式,與傳統(tǒng)的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估方法不同,彈復(fù)力可用于評(píng)估系統(tǒng)應(yīng)對(duì)風(fēng)險(xiǎn)的能力。文獻(xiàn)[4]根據(jù)常規(guī)的風(fēng)險(xiǎn)管理方法并結(jié)合彈復(fù)力的概念,重新對(duì)不確定性、脆弱性和風(fēng)險(xiǎn)等概念進(jìn)行了定義。文獻(xiàn)[5]將研究對(duì)象映射到一個(gè)網(wǎng)絡(luò)中,并附加線性方法的約束,通過(guò)關(guān)鍵路徑算法對(duì)網(wǎng)絡(luò)中的路徑結(jié)構(gòu)加以調(diào)整,最終實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)彈復(fù)力大小的評(píng)估。對(duì)比傳統(tǒng)的可靠性評(píng)估方法,彈復(fù)力將系統(tǒng)在運(yùn)行時(shí)對(duì)外部環(huán)境刺激的響應(yīng)以及系統(tǒng)內(nèi)部單元模塊之間的信息交互考慮在內(nèi),可以比較全面地分析大型復(fù)雜系統(tǒng)在功能失效過(guò)程中的性能變化。
本文以CTCS3-300H型車載設(shè)備為研究對(duì)象,引入了彈復(fù)力的概念,結(jié)合歷史故障數(shù)據(jù),選用離散時(shí)間貝葉斯網(wǎng)絡(luò)DTBN(Discrete Time Bayesian Network)方法,對(duì)車載設(shè)備在運(yùn)行過(guò)程中的可靠性進(jìn)行定量分析,計(jì)算出車載設(shè)備在不同工作模式下隨著工作時(shí)間的增加,車載設(shè)備可靠度的變化情況;基于車載設(shè)備在運(yùn)行過(guò)程中的可靠度結(jié)果,依據(jù)彈性三角模型,假設(shè)車載設(shè)備在某個(gè)時(shí)刻發(fā)生故障時(shí),對(duì)系統(tǒng)的彈復(fù)能力進(jìn)行評(píng)估;根據(jù)分析結(jié)果提出了基于彈復(fù)力效應(yīng)的視情維修策略,從而提高系統(tǒng)在運(yùn)行過(guò)程中的可靠性。CTCS3-300H型車載設(shè)備的結(jié)構(gòu)組成示意圖如圖1所示[6]。
圖1 CTCS3-300H型車載設(shè)備組成
其中,應(yīng)答器傳輸模塊BTM(Balise Transmission Module)通過(guò)與應(yīng)答器天線的連接,可以完成地面應(yīng)答器報(bào)文信息的接收;安全計(jì)算機(jī)VC(Vital Computer)根據(jù)與地面系統(tǒng)交換的信息,生成實(shí)時(shí)運(yùn)行控制曲線;無(wú)線傳輸模塊RTM(Radio Transmission Module)、車載電臺(tái)和GSM-R實(shí)現(xiàn)車載與地面連續(xù)且雙向的信息通信;繼電器邏輯單元RLU(Relay Logic Unit)用于輸出車載設(shè)備的控制命令,同時(shí)將采集到的繼電器信息傳輸給安全計(jì)算機(jī);人機(jī)界面DMI(Driver Machine Interface Unit)一方面對(duì)司機(jī)輸出操作列車的相關(guān)信息,另一方面司機(jī)可通過(guò)人機(jī)界面輸入相關(guān)的操作命令,從而實(shí)現(xiàn)車載設(shè)備與列車司機(jī)之間的信息交互;軌道電路信息接收單元TCR(Track Circuit Reader Unit)通過(guò)與軌道電路接收天線連接,接收軌道電路傳輸?shù)男畔⒉?duì)其進(jìn)行解碼。
車載設(shè)備中的測(cè)速測(cè)距單元SDU(Speed Distance Unit)、VC、DMI、TCR、BTM等模塊都采用冗余設(shè)計(jì),其中,SDU設(shè)計(jì)為二取二結(jié)構(gòu),VC和TCR采用雙系熱備的配置方式,BTM和DMI則采用雙系冷備的配置方式。除此之外,還包含司法記錄單元JRU(Juridical Recording Unit)等其他模塊單元。
以貝葉斯網(wǎng)絡(luò)BN(Bayesian Network)為基礎(chǔ),引入時(shí)間參數(shù),得到離散時(shí)間貝葉斯網(wǎng)絡(luò)方法,該方法可以有效地對(duì)動(dòng)態(tài)失效和順序失效等網(wǎng)絡(luò)問(wèn)題進(jìn)行處理。具有N個(gè)節(jié)點(diǎn)的DTBN可用N=〈〈V,Tn,E〉,P〉來(lái)表示。DTBN為一個(gè)有向無(wú)環(huán)圖,該網(wǎng)絡(luò)的邊和變量的表示方式與含義和BN相同。DTBN算法中引入的時(shí)間特性Tn={[t0,t1),…,[ti-1,ti),…,[tn-1,tn),[tn,∞)}是針對(duì)時(shí)間的一個(gè)分割,分割的每一個(gè)區(qū)間表示變量發(fā)生時(shí)所處的時(shí)間段;DTBN中節(jié)點(diǎn)的狀態(tài)空間都是Tn,即模塊或系統(tǒng)的失效是發(fā)生在Tn中某一個(gè)時(shí)間區(qū)間內(nèi)[7]。為了確定離散時(shí)間貝葉斯網(wǎng)絡(luò)中各節(jié)點(diǎn)的條件概率分布,需要明確節(jié)點(diǎn)之間的邏輯關(guān)系。
(1)單節(jié)點(diǎn)
若系統(tǒng)的運(yùn)行時(shí)間為T,將時(shí)間T分割為n個(gè)區(qū)間,則區(qū)間的大小為Δ=T/n。X=[(x-1)Δ,xΔ)表示X在[(x-1)Δ,xΔ)內(nèi)失效,其中0 0 ( 1 ) ( 2 ) (2)“與”關(guān)系 兩個(gè)節(jié)點(diǎn)之間若存在“與”的關(guān)系,則使用“and”連接兩節(jié)點(diǎn),相應(yīng)的DTBN如圖2(a)所示(本節(jié)中的示例均假設(shè)n=2)。 圖2 離散時(shí)間貝葉斯網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)的邏輯關(guān)系 其中節(jié)點(diǎn)C的條件概率分布為 Px,y,z=P(C=[(z-1)Δ,zΔ)|A= [x-1)Δ,xΔ),B=[y-1)Δ,yΔ))= ( 3 ) (3)“或”關(guān)系 兩個(gè)節(jié)點(diǎn)之間若存在“或”的關(guān)系,則使用“or”連接兩個(gè)節(jié)點(diǎn),相應(yīng)的DTBN如圖2(b)所示,節(jié)點(diǎn)C的條件概率分布可表示為 Px,y,z=P(C=[(z-1)Δ,zΔ)|A= [(x-1)Δ,xΔ),B=[(y-1)Δ,yΔ))= ( 4 ) (4)“備用”關(guān)系 備用是指系統(tǒng)中某一單元包含多個(gè)相同的部件,其中一個(gè)為主部件,其余的為備用部件,且同一時(shí)刻保障系統(tǒng)的正常運(yùn)行部件只有一個(gè)。當(dāng)主部件在工作過(guò)程中發(fā)生失效時(shí),系統(tǒng)自動(dòng)或人工切換至一個(gè)備用部件,若第一個(gè)備用部件此時(shí)也發(fā)生失效,則切換至第二個(gè)備用部件,直至該單元所有部件都失效,則單元失效[8]。 休眠因子α被定義為部件備用時(shí)的失效率與工作時(shí)的失效率之比,備用部件可分為冷備(α=0)、溫備(0<α<1)和熱備(α=1)三種類型。以溫備為例,“備用”關(guān)系所構(gòu)建的DTBN如圖2(c)所示。假設(shè)主部件A和備用部件B的失效率都是λ,B的休眠因子為α(0<α<1),則B的條件概率分布為 Px,y=P(B=[(y-1)Δ,yΔ)|A=[(x-1)Δ,xΔ))= ( 5 ) Px,∞=P(B=[T,∞)|A=[(x-1)Δ,xΔ))= ( 6 ) P∞,y=P(B=[(y-1)Δ,yΔ)|A=[T,∞))= ( 7 ) P∞,∞=P(B=[T,∞)|A=[T,∞))= ( 8 ) Px,y,z=P(C=[(z-1)Δ,zΔ)|A= [(x-1)Δ,xΔ),B=[(y-1)Δ,yΔ))= ( 9 ) 除了前面所描述的4種節(jié)點(diǎn)之間的邏輯關(guān)系,還存在其他的邏輯關(guān)系[9]。在確定網(wǎng)絡(luò)中各個(gè)節(jié)點(diǎn)之間的關(guān)系后,依據(jù)相關(guān)歷史數(shù)據(jù)和專家經(jīng)驗(yàn),得到節(jié)點(diǎn)的條件概率分布;之后,通過(guò)輸入對(duì)應(yīng)的先驗(yàn)信息來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)時(shí)序系統(tǒng)相關(guān)概率的評(píng)估與分析。在構(gòu)建離散時(shí)間貝葉斯網(wǎng)絡(luò)之后,通過(guò)輸入節(jié)點(diǎn)的先驗(yàn)概率分布和聯(lián)合概率分布,可以計(jì)算出各個(gè)結(jié)果在時(shí)間區(qū)間T內(nèi)發(fā)生的概率。 列車在正常運(yùn)行過(guò)程中,車載設(shè)備有兩種控車模式:C3控制模式(X1)和C2控制模式(X2)。通過(guò)對(duì)CTCS-300H型車載設(shè)備結(jié)構(gòu)和工作原理的深入分析,構(gòu)建車載設(shè)備在兩種工作模式下的DTBN,如圖3所示。其中貝葉斯網(wǎng)絡(luò)中的符號(hào)含義見表1。 圖3 基于不同模式下的DTBN 符號(hào)含義符號(hào)含義R車載設(shè)備故障RLU繼電器邏輯單元X1C3模式故障X2C2模式故障TCR1軌道電路信息接收單元1系TCR2軌道電路信息接收單元2系RTM1無(wú)線傳輸模塊1系RTM2無(wú)線傳輸模塊2系SDU1測(cè)速測(cè)距單元1系SDU2測(cè)速測(cè)距單元2系BTM1應(yīng)答器傳輸模塊1系BTM2應(yīng)答器傳輸模塊2系C3CU1CTCS-3控制單元1系C3CU2CTCS-3控制單元2系DMI1人機(jī)界面1系DMI1人機(jī)界面2系C2CU1CTCS-2控制單元1系C2CU2CTCS-2控制單元2系 無(wú)線傳輸模塊包括RTM主板、GSM-R天線和車載無(wú)線電臺(tái);應(yīng)答器傳輸模塊則包括BTM主板和BTM天線。 假設(shè)模塊的硬件故障概率分布符合指數(shù)分布,則失效率λ[10-13]見表2。 表2 車載設(shè)備子模塊的故障率 在20 h內(nèi)進(jìn)行貝葉斯網(wǎng)絡(luò)正向推理得到不同工作模式下車載設(shè)備的可靠度變化曲線如圖4所示。 圖4 T=20 h的事件X1和X2的可靠度比較 隨著工作運(yùn)行時(shí)間的增加,事件X1和事件X2的可靠性逐漸下降,兩個(gè)事件的可靠度曲線變化相似,但實(shí)際上兩者在各個(gè)時(shí)間點(diǎn)的可靠度卻不相同。通過(guò)仿真結(jié)果可以發(fā)現(xiàn),設(shè)備在運(yùn)行20 h后X1的可靠度開始小于X2,即車載設(shè)備在C3狀態(tài)下運(yùn)行的可靠度下降速度大于在C2狀態(tài)下的下降速度。 假設(shè)車載設(shè)備的可靠性下降到一定程度時(shí),采用貝葉斯網(wǎng)絡(luò)的反向推理特性,推導(dǎo)出當(dāng)整個(gè)系統(tǒng)失效時(shí)各個(gè)單元模塊故障的概率,參照故障率的大小,為車載設(shè)備制定后續(xù)維修策略提供參考依據(jù)。 在C3模式下,若車載設(shè)備發(fā)生失效,則各個(gè)單元發(fā)生故障的概率見表3。 表3 C3級(jí)模式失效情況下各個(gè)模塊單元的故障概率 根據(jù)表3可知,當(dāng)車載設(shè)備失效時(shí),RLU模塊故障的可能性最大,因此在后續(xù)過(guò)程中,應(yīng)加強(qiáng)對(duì)RLU的檢修;然后依次是SDU、RTM、C3CU。DMI和BTM是雙系冷備結(jié)構(gòu),即當(dāng)模塊的1系發(fā)生失效時(shí),系統(tǒng)可切換至2系工作,因此整個(gè)模塊可以正常工作。 同理,若車載設(shè)備運(yùn)行在C2模式下時(shí),則各個(gè)子模塊可能失效的概率見表4。 表4 C2級(jí)模式失效情況下各個(gè)模塊單元的故障概率 根據(jù)表4可知,車載設(shè)備在C2模式下,RLU失效的可能性最高,其次是SDU。 綜上所述,從車載設(shè)備失效的角度出發(fā),各個(gè)單元模塊的重要度排序:RLU、SDU、RTM、C3CU、C2CU、TCR、BTM、DMI。所以在日常檢測(cè)過(guò)程中應(yīng)加強(qiáng)對(duì)RLU、SDU等模塊的檢測(cè)。 建立基于模塊失效的車載設(shè)備DTBN如圖5所示,其中E表示車載設(shè)備。 圖5 基于模塊失效的DTBN 車載設(shè)備的很多硬件模塊采用了冗余結(jié)構(gòu),當(dāng)設(shè)備的1系發(fā)生故障時(shí),通過(guò)倒系的手段切換到2系,以保證系統(tǒng)的正常運(yùn)行。以BTM為例,假設(shè)當(dāng)T=10 h時(shí),BTM的1系故障,車載設(shè)備實(shí)時(shí)可靠性的變化趨勢(shì)如圖6所示。 圖6 BTM1系失效對(duì)車載設(shè)備的可靠性影響 由仿真結(jié)果可以發(fā)現(xiàn),系統(tǒng)可靠性的下降速度在BTM的1系發(fā)生故障后加快;在1系發(fā)生故障的狀態(tài)下連續(xù)運(yùn)行10 h之后,系統(tǒng)的可靠度下降至0.9以下。因此,在現(xiàn)實(shí)情況下需要盡量提高該模塊的可靠性。 在運(yùn)行過(guò)程中,系統(tǒng)不可避免地會(huì)發(fā)生故障,故障發(fā)生的原因大部分是由于系統(tǒng)內(nèi)部自身的結(jié)構(gòu)因素以及外界環(huán)境的干擾。外界環(huán)境的干擾主要是運(yùn)行環(huán)境方面,如極端的天氣情況(降雪、大風(fēng)、霧霾、雷擊等)。內(nèi)部因素主要是由于系統(tǒng)連續(xù)不間斷的運(yùn)行,內(nèi)部硬件經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間的運(yùn)行會(huì)出現(xiàn)零器件的磨損,線路表面老化等問(wèn)題;除硬件故障外,車載設(shè)備的軟件也會(huì)發(fā)生信息丟失、程序死機(jī)等問(wèn)題,這些稱為系統(tǒng)的不利干擾。從系統(tǒng)可靠性的角度來(lái)看,當(dāng)系統(tǒng)受到不利干擾后,設(shè)備無(wú)法正常工作,從而引發(fā)系統(tǒng)的可靠性下降;當(dāng)系統(tǒng)的可靠性降低到一定程度時(shí),系統(tǒng)的彈性恢復(fù)能力(簡(jiǎn)稱彈復(fù)力)開始發(fā)揮作用,通過(guò)恢復(fù)系統(tǒng)的基本功能來(lái)提升系統(tǒng)的可靠性。對(duì)于一個(gè)可靠的系統(tǒng)來(lái)說(shuō),當(dāng)系統(tǒng)的某個(gè)單元發(fā)生故障時(shí),存在備用模塊或者備用方案來(lái)恢復(fù)系統(tǒng)的基本功能,以保障系統(tǒng)的正常運(yùn)行,這一過(guò)程稱為系統(tǒng)的彈復(fù)過(guò)程。在彈復(fù)過(guò)程中系統(tǒng)可靠性的變化趨勢(shì)如圖7所示。 圖7 系統(tǒng)彈復(fù)過(guò)程的可靠性變化 彈復(fù)力是對(duì)系統(tǒng)響應(yīng)故障失效能力的一個(gè)量化,也是側(cè)面表征系統(tǒng)可靠性大小的一個(gè)參數(shù)指標(biāo),即系統(tǒng)的彈復(fù)能力越大,說(shuō)明系統(tǒng)的可靠性程度越強(qiáng)。系統(tǒng)的彈復(fù)力與可靠性的結(jié)構(gòu)關(guān)系如圖8所示。 圖8 彈復(fù)力與可靠性的關(guān)系 本文將列控系統(tǒng)的彈復(fù)力定義為:系統(tǒng)在正常運(yùn)行狀態(tài)過(guò)程中,由于系統(tǒng)內(nèi)部潛在故障或外部突發(fā)干擾引起系統(tǒng)功能中斷的情況下,系統(tǒng)內(nèi)部被動(dòng)或由外部主動(dòng)因素進(jìn)行系統(tǒng)狀態(tài)修復(fù),再恢復(fù)到正常運(yùn)行狀態(tài)的響應(yīng)能力。 系統(tǒng)的彈復(fù)過(guò)程可以大致分為3個(gè)過(guò)程:(1)運(yùn)行前期:正常運(yùn)行階段,此階段是系統(tǒng)功能全部正常的時(shí)期。(2)調(diào)整期:此階段由于不利干擾的存在,導(dǎo)致系統(tǒng)的部分功能或是大分部功能失效,此時(shí),系統(tǒng)自發(fā)地采取如切換至備用部件或進(jìn)行系統(tǒng)重啟等措施,以保證系統(tǒng)的正常運(yùn)行。(3)運(yùn)行后期:系統(tǒng)恢復(fù)基本功能,該階段是系統(tǒng)通過(guò)自身的恢復(fù)措施進(jìn)行調(diào)整后,恢復(fù)到基本正常狀態(tài)的階段。在運(yùn)行前期,系統(tǒng)的各個(gè)部件正常運(yùn)行。在調(diào)整期間,由于不利干擾的出現(xiàn),致使系統(tǒng)功能部分失效而無(wú)法保證其正常運(yùn)行,故障發(fā)生的原因可能是系統(tǒng)的硬件設(shè)備發(fā)生故障或是軟件運(yùn)行錯(cuò)誤等。運(yùn)行后期,系統(tǒng)通過(guò)自身的調(diào)整基本恢復(fù)至正常狀態(tài)。在彈復(fù)過(guò)程中系統(tǒng)功能變化如圖9所示。 圖9 彈復(fù)過(guò)程中系統(tǒng)功能的變化 為了能夠有效地測(cè)量系統(tǒng)的彈復(fù)力大小,文獻(xiàn)[1]提出了一種用于評(píng)估社區(qū)應(yīng)對(duì)地震發(fā)生的彈復(fù)能力的概念模型,之后文獻(xiàn)[14]又提出了“彈性三角”的概念,如圖10所示。 圖10 彈性三角模型 三角形的縱軸表示系統(tǒng)在遭遇干擾后系統(tǒng)功能的減少百分比,橫軸表示恢復(fù)所需要時(shí)間。圖10中橫坐標(biāo)表示系統(tǒng)工作時(shí)間,td表示干擾發(fā)生的時(shí)間;tr表示系統(tǒng)功能恢復(fù)到正常狀態(tài)的時(shí)間;縱坐標(biāo)表示系統(tǒng)完成正常功能的能力,定義P0為發(fā)生干擾時(shí)系統(tǒng)的可靠度大小。 文獻(xiàn)[15]在文獻(xiàn)[1]的基礎(chǔ)上提出了一種更為精確的用于評(píng)估系統(tǒng)彈復(fù)能力的綜合模型,該模型被用于評(píng)估醫(yī)院網(wǎng)絡(luò)的彈復(fù)力水平,最終的評(píng)估結(jié)果被作為提高醫(yī)院彈復(fù)能力水平的決策依據(jù)。 在用于評(píng)估基礎(chǔ)設(shè)施的彈復(fù)能力時(shí),文獻(xiàn)[2]定義了彈復(fù)力的計(jì)算公式為 (10) 式中:TRE=tr-td表示系統(tǒng)從干擾造成的中斷恢復(fù)到正常狀態(tài)所需要的時(shí)間;Q(t)表示完成正常功能的能力,規(guī)定系統(tǒng)正常狀態(tài)下Q(t)=1。Q(t)定義為[16-17] Q(t)=1-L[H(t-td)-H(t- (td+TRE))]frec(t) (11) 式中:L為系統(tǒng)在發(fā)生干擾時(shí),可靠度降低的差值。 L=1-R(td) (12) frec為系統(tǒng)的恢復(fù)函數(shù),文獻(xiàn)[18]針對(duì)不同的系統(tǒng)提出了3種類型的恢復(fù)方程,分別是線性恢復(fù)方程、三角函數(shù)恢復(fù)方程和指數(shù)函數(shù)恢復(fù)方程。其中,線性恢復(fù)方程一般應(yīng)用于結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的系統(tǒng);三角函數(shù)恢復(fù)方程一般應(yīng)用于結(jié)構(gòu)較復(fù)雜且應(yīng)急防護(hù)資源有限的系統(tǒng);指數(shù)恢復(fù)方程一般應(yīng)用于結(jié)構(gòu)復(fù)雜且應(yīng)急恢復(fù)體系比較完善的系統(tǒng)。本文采用指數(shù)方程來(lái)計(jì)算車載設(shè)備的彈復(fù)能力,定義恢復(fù)方程為 frec(t)=exp[-(t-td)(ln200)/TRE] (13) 本文采用DTBN對(duì)車載設(shè)備在運(yùn)行過(guò)程中的可靠性進(jìn)行分析,針對(duì)車載設(shè)備在兩種工作模式下的可靠性大小進(jìn)行定量計(jì)算,并以BTM模塊為例,分析了車載設(shè)備中冷備模塊的1系發(fā)生故障時(shí),系統(tǒng)可靠度的整體變化趨勢(shì)。根據(jù)系統(tǒng)彈復(fù)能力計(jì)算公式可知,在計(jì)算車載設(shè)備的彈復(fù)能力時(shí),需確定車載設(shè)備發(fā)生故障時(shí)刻的可靠度大??;基于前一部分對(duì)車載設(shè)備可靠性分析的基礎(chǔ)上,計(jì)算行車過(guò)程中車載設(shè)備發(fā)生故障后系統(tǒng)的彈復(fù)能力。 由于系統(tǒng)受到不利干擾而引發(fā)的設(shè)備故障,按照維修所需的時(shí)間可分為短期維修和長(zhǎng)期維修兩種類型。本文對(duì)運(yùn)行過(guò)程中的車載設(shè)備進(jìn)行分析,實(shí)時(shí)性要求較高,所以重點(diǎn)對(duì)短期維修性故障進(jìn)行分析,該故障類型可分為短期可恢復(fù)故障和短期不可恢復(fù)故障兩種。本文針對(duì)這兩種故障對(duì)車載子系統(tǒng)的彈復(fù)能力進(jìn)行評(píng)估。 短期可恢復(fù)故障是指當(dāng)車載設(shè)備的某個(gè)模塊發(fā)生故障時(shí),存在備用部件或后備方案來(lái)保證車載設(shè)備的正常運(yùn)行。 對(duì)于BTM模塊,由于采用了冗余結(jié)構(gòu),每套CTCS-300H型列控車載設(shè)備包含兩個(gè)BTM。在運(yùn)行過(guò)程中,一個(gè)工作,一個(gè)處于冷備狀態(tài)。因此,當(dāng)1系發(fā)生失效時(shí),可以通過(guò)司機(jī)手動(dòng)切換BTM的手段使系統(tǒng)切換到2系,從而保證系統(tǒng)可以在短時(shí)間內(nèi)恢復(fù)到正常狀態(tài)。在列車運(yùn)行過(guò)程中,假設(shè)在T=30 h時(shí),由于干擾導(dǎo)致BTM的1系狀態(tài)異常進(jìn)而發(fā)生失效,則系統(tǒng)的功能恢復(fù)曲線如圖11所示。 圖11 BTM1系故障時(shí)車載設(shè)備的功能恢復(fù)曲線 其中,當(dāng)T=30 h時(shí),通過(guò)建立的離散時(shí)間貝葉斯網(wǎng)絡(luò),以及在C3工作模式下各個(gè)模塊的失效率,計(jì)算出此時(shí)系統(tǒng)的可靠度為0.801 5,因此計(jì)算出L的值為0.198 5。根據(jù)式(10),計(jì)算當(dāng)發(fā)生該類型故障時(shí),車載系統(tǒng)的彈復(fù)能力為96.32%。 對(duì)于制定了后備方案的短期可恢復(fù)故障,如RTM模塊失效。已知車載設(shè)備的無(wú)線傳輸模塊由RTM、無(wú)線電臺(tái)和電臺(tái)天線組成。當(dāng)車載設(shè)備報(bào)無(wú)線電臺(tái)連接超時(shí),會(huì)引起RTM模塊發(fā)生失效,此時(shí)系統(tǒng)無(wú)法在C3控車模式下運(yùn)行,列車會(huì)采用不停車降級(jí)運(yùn)行的措施,即由C3控車模式降至C2控車模式,從而在保證列車運(yùn)行安全的情況下,提高行車效率。假設(shè)在T=30 h時(shí),車載設(shè)備報(bào)無(wú)線連接超時(shí),即RTM模塊失效,則車載設(shè)備的功能恢復(fù)曲線如圖12所示。 圖12 無(wú)線連接超時(shí)情況下車載設(shè)備的功能恢復(fù)曲線 根據(jù)式(10),計(jì)算出此時(shí)車載系統(tǒng)的彈復(fù)能力為96.32%。綜上所述,當(dāng)發(fā)生短期可恢復(fù)故障時(shí),系統(tǒng)可以較好地恢復(fù)到原正常狀態(tài)。 對(duì)于短期不可恢復(fù)故障,如車載設(shè)備的RLU模塊發(fā)生失效,此時(shí)車載設(shè)備的系統(tǒng)功能曲線如圖13所示。 圖13 短期不可恢復(fù)故障 如圖13所示,當(dāng)車載子系統(tǒng)發(fā)生不可恢復(fù)的故障時(shí),其恢復(fù)時(shí)間可近似為無(wú)窮大,即TRE=∞,則frec的值取1,同時(shí)L也取值為1。依據(jù)式(11),Q(t)的值為0,通過(guò)式(10)得出此時(shí)車載設(shè)備的彈復(fù)能力為0。 通過(guò)對(duì)車載設(shè)備的分析,從減少系統(tǒng)的彈性復(fù)原時(shí)間、降低系統(tǒng)的故障率等方面加以考慮,具體的改進(jìn)措施和維修策略如下: (1)在車載設(shè)備的設(shè)計(jì)初期,對(duì)于系統(tǒng)中的關(guān)鍵性模塊,應(yīng)提高其冗余程度,如在車載設(shè)備的運(yùn)行過(guò)程中,若某個(gè)主要模塊或單元失效時(shí),存在備用部件以保證系統(tǒng)的可靠運(yùn)行。 (2)選擇合適的冗余方案,在確保列車安全運(yùn)行的前提下,同時(shí)考慮運(yùn)行效率和生產(chǎn)成本,對(duì)不同的模塊采取合理的冗余方式,最大限度地提升系統(tǒng)的復(fù)原能力。 (3)結(jié)合歷史經(jīng)驗(yàn),設(shè)置消息報(bào)警機(jī)制,在車載設(shè)備的運(yùn)行過(guò)程中,對(duì)于可能遇到的干擾采取提前報(bào)警的措施。 (4)建立一整套故障響應(yīng)服務(wù)體系,在系統(tǒng)發(fā)生故障后可以快速地對(duì)故障進(jìn)行應(yīng)對(duì)處理,以保障系統(tǒng)的可靠運(yùn)行。 (5)當(dāng)多個(gè)模塊同時(shí)發(fā)生故障時(shí),優(yōu)先針對(duì)影響范圍大的模塊或單元進(jìn)行修復(fù),以降低故障對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的影響,從而盡可能保障系統(tǒng)的正常運(yùn)行。 相對(duì)于車載設(shè)備來(lái)說(shuō),關(guān)鍵的模塊或單元應(yīng)采用冗余的設(shè)計(jì)方式,對(duì)于車載設(shè)備功能影響程度較大的模塊采用熱備的冗余方式,而影響程度相對(duì)較小的則采用冷備的冗余方式。 本文在定義了彈復(fù)力概念的同時(shí),采用離散時(shí)間貝葉斯網(wǎng)絡(luò)方法,對(duì)列控系統(tǒng)的車載子系統(tǒng)展開了可靠性分析,并針對(duì)車載設(shè)備在運(yùn)行過(guò)程中發(fā)生不同類型故障時(shí)的彈復(fù)能力進(jìn)行定量計(jì)算。根據(jù)分析結(jié)果提出了基于彈復(fù)力效應(yīng)的故障恢復(fù)策略。本文為車載設(shè)備的彈復(fù)能力評(píng)估提供了參考,對(duì)后續(xù)的設(shè)備維修和日常管理提供了理論依據(jù),在降低系統(tǒng)故障率的同時(shí)也降低了系統(tǒng)發(fā)生故障所造成的損失。 本文只針對(duì)車載設(shè)備硬件的功能可靠性和彈復(fù)能力進(jìn)行分析,結(jié)果表明車載子系統(tǒng)在發(fā)生短期可恢復(fù)故障的情況下,能夠較好地恢復(fù)到系統(tǒng)的正常狀態(tài),從而保證車載設(shè)備的可靠運(yùn)行。 參考文獻(xiàn): [1]TAMVAKIS P,XENIDIS Y.Resilience in Transportation Systems[J].Procedia-Social and Behavioral Sciences,2012,48:3441-3450. 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1.3 車載設(shè)備的可靠性分析
1.4 子模塊的可靠性分析
1.5 車載設(shè)備的可靠性實(shí)時(shí)變化分析
2 基于彈復(fù)力的列控車載設(shè)備可靠性分析
2.1 系統(tǒng)彈復(fù)力的定義
2.2 系統(tǒng)的彈復(fù)力評(píng)估方法
2.3 系統(tǒng)彈復(fù)能力評(píng)估實(shí)例分析
2.4 基于彈復(fù)力效應(yīng)的故障恢復(fù)策略
3 結(jié)束語(yǔ)