趙 強(qiáng)

(中車(chē)長(zhǎng)春軌道客車(chē)股份有限公司，吉林 長(zhǎng)春 130062)

列車(chē)網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)(TCMS)是動(dòng)車(chē)組、城市軌道車(chē)輛的重要系統(tǒng)之一，對(duì)全車(chē)的關(guān)鍵設(shè)備進(jìn)行控制、監(jiān)視、故障診斷，其可靠性是保證車(chē)輛安全運(yùn)行的決定性因素。作為涵蓋固有化硬件(如中央控制單元、網(wǎng)關(guān)、顯示器、中繼器及輸入輸出模塊等)及關(guān)鍵性軟件(如系統(tǒng)軟件、應(yīng)用軟件、調(diào)試測(cè)試軟件及PC機(jī)工具軟件等)的復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)信息傳輸系統(tǒng)，其系統(tǒng)故障可能是由于任何軟件、硬件或傳輸介質(zhì)故障所造成的，因此其可靠性分析應(yīng)綜合考慮所有軟件和硬件故障模式的影響，通過(guò)一個(gè)統(tǒng)一的數(shù)學(xué)模型進(jìn)行綜合計(jì)算。

蒙特卡羅算法以概率論及數(shù)理統(tǒng)計(jì)為理論基礎(chǔ)，利用重復(fù)的抽樣、統(tǒng)計(jì)試驗(yàn)直接或間接針對(duì)數(shù)學(xué)模型進(jìn)行大量統(tǒng)計(jì)模擬試驗(yàn)，用以有效解決很多用傳統(tǒng)數(shù)理統(tǒng)計(jì)或物理試驗(yàn)難以處理的問(wèn)題[1]。本文以北京地鐵6號(hào)線(xiàn)列車(chē)網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)為例，在說(shuō)明其系統(tǒng)組成、規(guī)定條件及任務(wù)的基礎(chǔ)上，建立了系統(tǒng)可靠性綜合模型，說(shuō)明了應(yīng)用VB語(yǔ)言開(kāi)發(fā)TCMS可靠性數(shù)字仿真程序的使用方法，采用蒙特卡羅仿真法計(jì)算了TCMS的可靠性指標(biāo)，對(duì)于進(jìn)行復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)(涵蓋硬件、軟件及網(wǎng)絡(luò)通信)的可靠性預(yù)計(jì)分析具有借鑒意義。

1 TCMS規(guī)定條件和任務(wù)要求

北京地鐵6號(hào)線(xiàn)TCMS的設(shè)計(jì)符合IEC 61375-1：1999《鐵路電氣設(shè)備列車(chē)總線(xiàn)國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)》的要求，TCMS主要通過(guò)中央控制單元(CCU)與各子系統(tǒng)的控制單元間的信息傳輸實(shí)現(xiàn)對(duì)車(chē)輛子系統(tǒng)設(shè)備的控制、監(jiān)視及故障診斷功能。圖1為北京地鐵6號(hào)線(xiàn)列車(chē)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D，該圖說(shuō)明了TCMS系統(tǒng)與各子系統(tǒng)控制單元之間的信息傳輸關(guān)系。

ERM.列車(chē)數(shù)據(jù)記錄儀；RIOM.遠(yuǎn)程輸入/輸出模塊；HMI.人機(jī)接口單元；BCU.制動(dòng)控制單元；PA.列車(chē)廣播系統(tǒng)；FAS.煙火報(bào)警系統(tǒng)； ATC.列車(chē)自動(dòng)控制系統(tǒng)；HUB.集線(xiàn)器；RPT.中繼器；HVAC.空調(diào)系統(tǒng)；TCU.牽引控制單元；DCU.門(mén)控單元； ACU.輔助控制單元；MC.主控器；EMD.電氣中距離。

從可靠性冗余設(shè)計(jì)角度考慮，在列車(chē)網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)中，CCU是主要的控制部件，其主要功能是完成底層MVB通信數(shù)據(jù)的收發(fā)和控制邏輯的運(yùn)算[2]。因此，TCMS設(shè)有2個(gè)CCU，這2個(gè)CCU在運(yùn)行中互為熱備份，如果主CCU故障，另一個(gè)CCU會(huì)接替主CCU進(jìn)行工作。RPT和RIOM都采用冗余的技術(shù)方案，任何一個(gè)單點(diǎn)故障都不會(huì)影響列車(chē)的正常運(yùn)行。HMI用于在施加列車(chē)運(yùn)行控制指令的同時(shí)進(jìn)行各子系統(tǒng)故障狀態(tài)信息的顯示，顯示屏通過(guò)MVB總線(xiàn)、以太網(wǎng)總線(xiàn)與CCU接口，對(duì)于實(shí)時(shí)性要求高的控制指令、狀態(tài)數(shù)據(jù)通過(guò)MVB總線(xiàn)進(jìn)行傳輸，其他數(shù)據(jù)通過(guò)以太網(wǎng)總線(xiàn)進(jìn)行傳輸，可有效減輕網(wǎng)絡(luò)負(fù)載率。為防止車(chē)輛在運(yùn)行過(guò)程中因車(chē)間線(xiàn)纜斷裂引起列車(chē)網(wǎng)絡(luò)故障，在車(chē)間增加了車(chē)間分線(xiàn)器，提高了車(chē)輛運(yùn)行的安全可靠性。

TCMS可靠性任務(wù)要求由地鐵運(yùn)營(yíng)商與TCMS供應(yīng)商在設(shè)計(jì)階段進(jìn)行確認(rèn)，并在車(chē)輛交付后進(jìn)行驗(yàn)證。對(duì)TCMS故障按照其對(duì)列車(chē)營(yíng)運(yùn)的影響進(jìn)行分類(lèi)及定義，即在列車(chē)正常運(yùn)行期間，對(duì)由于TCMS故障直接或間接導(dǎo)致的列車(chē)故障(包括運(yùn)營(yíng)服務(wù)故障、晚點(diǎn)故障及維護(hù)故障)進(jìn)行分類(lèi)及定義。北京地鐵6號(hào)線(xiàn)TCMS可靠性的任務(wù)要求是服務(wù)故障平均無(wú)故障時(shí)間為48 400 h，晚點(diǎn)故障和維護(hù)故障時(shí)間分別為22 400 h和1 000 h。

2 TCMS的可靠性綜合模型

TCMS的可靠性綜合模型是綜合考慮系統(tǒng)的軟硬件故障給出的系統(tǒng)可靠性模型，體現(xiàn)為系統(tǒng)構(gòu)件層和拓?fù)鋵涌煽啃阅Ｐ偷娜诤?。建模過(guò)程中考慮到融合的復(fù)雜程度，采用將軟件拓?fù)淇煽啃阅Ｐ腿谌氲接布負(fù)淇煽啃阅Ｐ椭械姆绞?，即在硬件的故障?shù)模型中加入軟件的故障。硬件拓?fù)淇煽啃阅Ｐ透鶕?jù)底層設(shè)備的失效分布抽取故障時(shí)間；而在軟件拓?fù)淠Ｐ椭校瑯?gòu)件的故障判據(jù)根據(jù)概率抽樣得出首次故障時(shí)軟件模塊執(zhí)行周期數(shù)的正態(tài)分布參數(shù)，然后根據(jù)軟件模塊的執(zhí)行周期轉(zhuǎn)化為軟件模塊首次故障的時(shí)間，最后綜合軟件與硬件的故障時(shí)間進(jìn)行故障樹(shù)的蒙特卡羅仿真，給出TCMS整體的可靠性指標(biāo)值。

復(fù)雜系統(tǒng)可靠性分析應(yīng)符合其自身的特點(diǎn)，越復(fù)雜的系統(tǒng)和結(jié)構(gòu)越會(huì)導(dǎo)致多種失效模式共存，多種失效模式之間相互作用、彼此影響，往往存在競(jìng)爭(zhēng)失效問(wèn)題[3]。TCMS軟件和硬件的故障模式多樣，單純建立系統(tǒng)常規(guī)的可靠性框圖，僅應(yīng)用串聯(lián)、并聯(lián)等邏輯關(guān)系難以全部包容軟件和硬件故障模式的影響，因此考慮從功能結(jié)構(gòu)角度進(jìn)行故障模式影響分析(FMEA)。FMEA分析過(guò)程中，由于受系統(tǒng)軟件應(yīng)用開(kāi)放性限制，除CCU以外的軟件系統(tǒng)(如HMI,RIOM)在建模過(guò)程中均作為黑盒處理，而對(duì)于TCMS重要設(shè)備RIOM的軟件故障在明確其軟件構(gòu)成的前提下，可以采用與CCU同樣的方式進(jìn)行軟件故障建模分析，最終通過(guò)FMEA找出所有軟件和硬件故障模式對(duì)TCMS功能的直接影響。利用故障樹(shù)的邏輯關(guān)系(包括時(shí)序關(guān)系的影響)建立TCMS可靠性綜合模型，如圖2所示。

A.MVB2 A/B路故障；B.MVB1 A/B路故障；C.RPT1 A/B路故障；D.任意A/B路故障；E1.MVB4 A路故障；E2.MVB4 B路故障；F1.MVB5 A路故障；F2.MVB5 B路故障；G1.RPT2 A路故障；G2.RPT2 B路故障；H1.RPT3 A路故障；H2.RPT3 B路故障；I.MVB3 A/B路故障；J.RPT4 A/B路故障；K1.HMI1故障；K2.HMI2故障；L1.CCU1軟件故障；L2.CCU1硬件故障；M1.CCU2軟件故障；M2.CCU2硬件故障；N1.RIOM1硬件故障；N2.RIOM1軟件故障；>N3.RIOM2硬件故障；N4.RIOM2軟件故障；N15.RIOM8硬件故障；N16.RIOM8軟件故障。

3 TCMS可靠性蒙特卡羅仿真

3.1 仿真邏輯設(shè)計(jì)

常規(guī)的故障樹(shù)定量計(jì)算中，無(wú)法對(duì)邏輯時(shí)序關(guān)系、非指數(shù)分布情況及維修情況等進(jìn)行解析計(jì)算[4]，因此本項(xiàng)目采用蒙特卡羅方法對(duì)上述故障樹(shù)邏輯模型進(jìn)行仿真分析和計(jì)算。根據(jù)蒙特卡羅仿真思想，TCMS可靠性仿真的邏輯設(shè)計(jì)圖如圖3所示。TCMS系統(tǒng)可靠性數(shù)字仿真采用離散事件驅(qū)動(dòng)的模擬方法，仿真核心是對(duì)一個(gè)事件隊(duì)列的處理，該隊(duì)列按照事件發(fā)生的時(shí)間先后進(jìn)行排序，每一個(gè)事件將會(huì)產(chǎn)生一個(gè)中斷等待處理，隨著仿真時(shí)鐘推進(jìn)，設(shè)備故障及設(shè)備維修等不同事件會(huì)進(jìn)入隊(duì)列中驅(qū)動(dòng)仿真推進(jìn)。

圖3 TCMS可靠性仿真邏輯設(shè)計(jì)圖

3.2 數(shù)字仿真程序

為實(shí)現(xiàn)對(duì)上述模型的計(jì)算，項(xiàng)目采用VB語(yǔ)言開(kāi)發(fā)了一個(gè)可靠性數(shù)字仿真程序，其界面設(shè)計(jì)如圖4所示,該程序?qū)?yīng)蒙特卡羅可靠性仿真的邏輯，在故障樹(shù)的基礎(chǔ)上同時(shí)考慮了部件的維修問(wèn)題。通過(guò)仿真軟件在TCMS可靠性模型上建立節(jié)點(diǎn)設(shè)備及節(jié)點(diǎn)間的連線(xiàn)物理連接關(guān)系，完成TCMS的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，對(duì)TCMS組成單元的屬性進(jìn)行設(shè)置，包括設(shè)備信息、可靠性參數(shù)和維修性參數(shù)，也包括TCMS相應(yīng)單元中的軟件模塊的可靠性參數(shù)。

圖4 TCMS可靠性數(shù)字仿真程序

在仿真過(guò)程中各種事件可以實(shí)時(shí)顯示，故障設(shè)備的狀態(tài)同時(shí)會(huì)在TCMS拓?fù)鋱D中顯示出來(lái)，對(duì)于喪失功能的設(shè)備用紅色標(biāo)示，對(duì)于只有1個(gè)通道故障時(shí)用黃色標(biāo)示，主CCU故障以粉色標(biāo)示；仿真結(jié)果顯示框顯示的數(shù)據(jù)是本次仿真的結(jié)果，多次仿真結(jié)束后，仿真結(jié)果顯示框中顯示的信息是多次仿真的平均值。

TCMS可靠性數(shù)字仿真程序采用離散事件驅(qū)動(dòng)的模擬機(jī)理(“事件”是指TCMS狀態(tài)的變化)，仿真過(guò)程中仿真核心維護(hù)著1個(gè)故障事件隊(duì)列，該隊(duì)列按照事件發(fā)生的時(shí)間先后進(jìn)行排序，隊(duì)列的第1個(gè)事件將產(chǎn)生1個(gè)中斷，處理完該故障事件后該事件被刪除，隨著仿真時(shí)鐘的推進(jìn)，不斷有設(shè)備故障，故障設(shè)備維修后又會(huì)有新的故障事件插入到故障事件隊(duì)列中形成仿真推進(jìn)的動(dòng)力，當(dāng)滿(mǎn)足退出條件時(shí)則仿真終止[5]。

3.3 仿真分析計(jì)算

數(shù)字仿真程序應(yīng)用的輸出結(jié)果包括列車(chē)的平均運(yùn)行時(shí)間、運(yùn)行期間發(fā)生的平均故障次數(shù)、發(fā)生的平均掉線(xiàn)故障次數(shù)、平均檢修故障間隔時(shí)間、平均掉線(xiàn)故障間隔時(shí)間和TCMS系統(tǒng)使用可用度，之后的應(yīng)用中可以根據(jù)需求統(tǒng)計(jì)其他需要的可靠性、維修性和可信性等參數(shù)。

列車(chē)的平均運(yùn)行時(shí)間TOP是多次TCMS仿真中列車(chē)運(yùn)行時(shí)間的平均值，列車(chē)運(yùn)行期間發(fā)生的平均故障次數(shù)FN是多次TCMS仿真中列車(chē)發(fā)生的所有故障次數(shù)之和的平均值，發(fā)生的平均掉線(xiàn)故障次數(shù)CFN是多次TCMS仿真中列車(chē)發(fā)生的所有掉線(xiàn)故障次數(shù)之和的平均值。

單次TCMS仿真和多次TCMS仿真后的平均檢修故障間隔時(shí)間分別為MTBFi和MTBF，計(jì)算公式為：

(1)

(2)

式中：TOPi——每次TCMS仿真時(shí)的列車(chē)運(yùn)行時(shí)間；

N——仿真次數(shù)。

單次TCMS仿真和多次TCMS仿真后的平均掉線(xiàn)故障間隔時(shí)間分別為MTBCFi和MTBCF，計(jì)算公式為:

(3)

(4)

系統(tǒng)的使用可用度Ao是指系統(tǒng)當(dāng)需要時(shí)能夠正常工作的程度，其計(jì)算公式為:

(5)

式中：TT——TCMS的任務(wù)時(shí)間；

DT——TCMS不能工作的時(shí)間。

3.4 仿真數(shù)據(jù)輸入

仿真數(shù)據(jù)輸入包括對(duì)列車(chē)運(yùn)行任務(wù)剖面數(shù)據(jù)的設(shè)置以及TCMS組成單元參數(shù)的設(shè)置。

3.4.1 仿真任務(wù)設(shè)置

假設(shè)列車(chē)的任務(wù)時(shí)間為6年，每月有1天的時(shí)間需對(duì)列車(chē)進(jìn)行檢查，檢查當(dāng)天列車(chē)不運(yùn)行，每年按365天計(jì)算，則6年內(nèi)列車(chē)總的任務(wù)時(shí)間為(365-12)×6=2 118(天)，其余任務(wù)參數(shù)設(shè)置如下：每日出車(chē)時(shí)間為5:00 a.m.，每日返回時(shí)間為11:00 p.m.，單程運(yùn)行時(shí)間為90 min，仿真運(yùn)行次數(shù)為20次。

3.4.2 設(shè)備參數(shù)設(shè)置

依據(jù)可靠性理論和大量工程實(shí)踐，復(fù)雜系統(tǒng)故障規(guī)律一般服從指數(shù)分布[6]。列車(chē)各系統(tǒng)及其子系統(tǒng)均屬于復(fù)雜系統(tǒng)，且在正常運(yùn)行期間的故障率是基本恒定的，其基本部件的故障規(guī)律基本服從指數(shù)分布?？紤]到項(xiàng)目設(shè)計(jì)階段無(wú)法確定TCMS組成單元的可靠性和維修性參數(shù)，硬件的可靠性參數(shù)按照可靠性分配的結(jié)果取值，軟件的可靠性和設(shè)備的維修性參數(shù)則初步給一個(gè)參考值，軟件可靠度和維修時(shí)間分布參數(shù)分別設(shè)為0.99和1 h計(jì)算分析中采用的設(shè)定仿真輸入數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 仿真輸入數(shù)據(jù)設(shè)置

3.5 仿真運(yùn)行及結(jié)果分析

在數(shù)字仿真程序開(kāi)發(fā)完成的基礎(chǔ)上，對(duì)TCMS的硬件組成可靠性以及TCMS軟硬件綜合的可靠性水平進(jìn)行仿真分析，仿真運(yùn)行在假設(shè)條件下進(jìn)行，獲得更詳細(xì)車(chē)輛實(shí)際運(yùn)營(yíng)數(shù)據(jù)后進(jìn)行仿真時(shí)仿真結(jié)果會(huì)更加準(zhǔn)確。

3.5.1 TCMS硬件可靠性仿真結(jié)果

將含有軟件單元的軟件可靠度數(shù)值設(shè)為1，即認(rèn)為軟件不發(fā)生故障，其他參數(shù)按表1中所列數(shù)值進(jìn)行設(shè)置。TCMS硬件組成可靠性仿真結(jié)果如表2所示。

表2 TCMS硬件組成可靠性仿真結(jié)果

3.5.2 TCMS軟硬件綜合可靠性仿真結(jié)果

在TCMS可靠性數(shù)字仿真程序中輸入表1中參數(shù)，在綜合考慮軟硬件故障的情況下，TCMS軟硬件綜合可靠性仿真結(jié)果如表3所示。

表3 TCMS軟硬件綜合可靠性仿真結(jié)果

3.5.3 仿真結(jié)果對(duì)比分析

將TCMS硬件組成可靠性仿真結(jié)果及軟硬件綜合可靠性仿真結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析，可以得到以下結(jié)論：

(1) 不考慮軟件故障的情況下，列車(chē)運(yùn)行2 118天平均發(fā)生的故障次數(shù)為36.2次(不考慮硬線(xiàn))和37.2次(考慮硬線(xiàn))。TCMS硬件的平均故障間隔時(shí)間為1 052.39 h(不考慮硬線(xiàn))和1 024.20 h(考慮硬線(xiàn))，與可靠性分配的指標(biāo)(1 000 h)基本相符。

對(duì)于TCMS的硬件組成，考慮硬線(xiàn)備份后，列車(chē)運(yùn)行2 118天平均發(fā)生的掉線(xiàn)次數(shù)由22.6次降為17.07次，列車(chē)的平均掉線(xiàn)故障間隔時(shí)間由1 685.69 h提高到2 232.43 h，提高了32.43%。

(2) 綜合考慮軟件和硬件故障，列車(chē)運(yùn)行2 118天平均發(fā)生的故障次數(shù)為1 440次左右，通過(guò)與硬件組成的仿真結(jié)果進(jìn)行對(duì)比可知，其中軟件故障有1 400次左右。TCMS的平均故障間隔時(shí)間為26.4 h 左右，由于軟件故障后可恢復(fù)的特性，由TCMS故障導(dǎo)致的列車(chē)掉線(xiàn)次數(shù)較少，但是比硬件組成多9次左右。

(3) 綜合考慮軟件和硬件故障，在加入硬線(xiàn)備份后，TCMS的平均掉線(xiàn)故障間隔時(shí)間由1 220.58 h 提高到1 426.52 h，提高了近16.87%。由于硬線(xiàn)只是對(duì)MVB網(wǎng)絡(luò)(MVB總線(xiàn)、中繼器、分線(xiàn)器)連通性的備份，對(duì)軟件故障沒(méi)有備份功能，硬線(xiàn)備份后TCMS的平均掉線(xiàn)故障間隔時(shí)間的提高主要是硬線(xiàn)設(shè)計(jì)對(duì)網(wǎng)絡(luò)連通可靠性的提升。

4 結(jié)束語(yǔ)

國(guó)產(chǎn)化列車(chē)網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)開(kāi)發(fā)及應(yīng)用對(duì)硬件、軟件及系統(tǒng)集成可靠性指標(biāo)要求不斷提高，產(chǎn)品開(kāi)發(fā)過(guò)程中如何針對(duì)具有硬件、軟件、網(wǎng)絡(luò)通信的復(fù)雜系統(tǒng)進(jìn)行可靠性指標(biāo)預(yù)計(jì)并進(jìn)行工程化應(yīng)用一直是車(chē)輛系統(tǒng)集成需要面對(duì)和解決的問(wèn)題。本文以列車(chē)網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)這一復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)為分析對(duì)象，建立了基于蒙特卡羅算法的可靠性仿真預(yù)計(jì)分析模型，應(yīng)用開(kāi)發(fā)的數(shù)字仿真程序進(jìn)行了仿真預(yù)計(jì)分析，根據(jù)仿真分析結(jié)果協(xié)調(diào)設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行方案比較，以發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的薄弱環(huán)節(jié)，對(duì)復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的可靠性及維修性設(shè)計(jì)工程化具有一定的借鑒意義。