李梅，孔維杰，南楠，劉曉

基于車車通信技術的信號系統(tǒng)的特征是以車載為控制核心,由車載設備基于自身的運行任務和當前位置,主動與相鄰列車直接進行信息交互,并根據(jù)交互信息自主計算與更新移動授權、控車曲線及所需的軌旁資源,控制列車安全可靠運行。與傳統(tǒng)的車地通信信號系統(tǒng)相比,車車通信信號系統(tǒng)無需通過軌旁設備獲知其他列車的信息,減少了軌旁設備的使用數(shù)量,使得系統(tǒng)接口簡約化,數(shù)據(jù)信息傳輸路徑減少,操作方式更靈活,提高了系統(tǒng)的運行效率,大幅降低了信號系統(tǒng)的投入成本,同時便于后期維護［1-3］。

考慮到信號系統(tǒng)的運行服務可用性水平是評價城市軌道交通運行服務能力的一個重要指標,如何有效分析系統(tǒng)故障對運行延誤的影響越來越受到客戶關注。常用的故障模式、影響及危害性分析（FMECA）方法是一種單點故障分析方法,對于復雜場景下系統(tǒng)故障后的操作過程及對應的時間分析顯得比較困難。故本文結合公理化思想,從車車通信信號系統(tǒng)運行延誤角度出發(fā),探討影響信號系統(tǒng)服務可用性的因素,分析車車通信信號系統(tǒng)在運行服務可用性上的提升,并給出改善建議。

1 基于公理化思想的運行服務可用性分析

1.1 公理化思想概念

在科學設計準則缺失的推動下,Suh［4-5］提出了將公理用作設計的科學基礎。公理化思想可以幫助設計者迅速了解系統(tǒng)內部各層級之間的關系和解決問題的方法,減少隨機探索時間。在可靠性工程領域,如故障模式、影響分析（FMEA）、故障樹分析（FTA）等,文獻［6-7］也嘗試結合公理化思想研究可靠性。

公理化思想中的域是不同設計活動的界限線,即用戶域、功能域、物理域和過程域［8］。域的結構以及域間的關系見圖1。本文利用公理化思想指導可用性分析,將可用性相關的需求定義為需求域（對應圖1中的用戶域）,利用域與映射的關系,分析產(chǎn)品的可用性與失效原因之間的映射關系,從而確定是哪些功能因素影響了產(chǎn)品的可用性水平,以及影響的程度大小。

圖1 域與映射

1.2 基于公理化思想的運行服務可用性分析過程

在可用性分析中,可以轉換思想,巧妙使用映射之間的矩陣形式來實現(xiàn)對運行服務可用性的分析。

1.2.1 構建可用性需求域—功能失效域

產(chǎn)品可用性需求域—功能失效域之間的映射關系為

式中:{FR}m×1為需求域向量；{FF}n×1為功能失效域向量；[A]m×n為映射矩陣。

1.2.2 構建功能失效域—子系統(tǒng)故障域功能失效域—子系統(tǒng)故障域之間的映射關系為

式中:{EF}p×1為子系統(tǒng)故障域向量；{FF}n×1為功能失效域向量；[B]n×p為映射矩陣。某一功能失效與子系統(tǒng)故障之間的關聯(lián)關系可以通過映射矩陣[B]n×p中的元素Bn×1…Bn×p等表示,而Bn×p的值可以用子系統(tǒng)故障的失效率來表示,這樣映射矩陣中每一行元素的和即為第一個功能的失效率,依次類推,可以評估出每個功能失效的失效率。

1.2.3 構建子系統(tǒng)故障域—故障后操作域

子系統(tǒng)故障域—故障后操作域之間的映射關系為

式中:{MP}f×1為故障后操作域向量；{EF}p×1為子系統(tǒng)故障域向量；[C]p×f為映射矩陣。

這里假定公式（3）中的矩陣元素[C]p×f是相應的操作步驟所使用的時間（單位為min）,則映射矩陣[C]p×f中的每一行元素和即是某個子系統(tǒng)故障后操作所使用的時間總和,tfailure=再根據(jù)操作規(guī)程查詢對應功能無故障時的正常時間tnormal,進而可得到該子系統(tǒng)故障后對運行的延遲時間,即

再根據(jù)圖1,從右往左分析,結合公式（1）、（2）、（3）可以得到可用性需求的失效率,并通過文獻［9］中公式可以評估出系統(tǒng)的運行服務可用性。整體分析流程見圖2。

圖2 分析流程圖

2 車車通信信號系統(tǒng)可用性分析

2.1 車車通信信號系統(tǒng)

車車通信信號系統(tǒng)主要包含列車自動監(jiān)控系統(tǒng)、目標控制器、車載子系統(tǒng)、軌旁列車管理器、軌旁資源管理器、數(shù)據(jù)通信系統(tǒng),以及信標等其他軌旁設備。其中,列車自動監(jiān)控系統(tǒng)主要負責監(jiān)督和控制列車的運營,如運行調整、操作控制等功能；目標控制器負責軌旁設備的驅動與狀態(tài)采集等功能；車載子系統(tǒng)負責列車位置計算、路徑規(guī)劃及資源申請與釋放等功能；軌旁列車管理器主要管理臨時限速和非通信列車等；軌旁資源管理器負責軌旁資源分配與回收等功能；數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)負責軌旁設備間、列車與地面設備間、車與車間的雙向實時通信等；其他軌旁設備負責定位或人員防護等功能。

本文以某一特定應用的車車通信信號系統(tǒng)為工程案例,分析其可用性水平。

2.2 子系統(tǒng)故障域—故障后操作域

考慮到子系統(tǒng)故障域-故障后操作域涉及較多場景,本文僅以列車在兩站中間時連續(xù)2個信標故障為例,展示具體實施過程,見表1。車載子系統(tǒng)、道岔、目標控制器、通信等其他子系統(tǒng)的實施過程與表1相同,這里不贅述。

表1 連續(xù)2個信標故障的延遲時間分析

2.3 功能失效域—子系統(tǒng)故障域

本文主要考慮關鍵子系統(tǒng)的故障與系統(tǒng)功能失效之間的關系,見式（5）。

矩陣中的失效率指標依據(jù)IEC標準理論計算,僅供參考。

2.4 運行服務可用性需求域—功能失效域

根據(jù)各子系統(tǒng)故障域—故障后操作域以及公式（5）,可得到系統(tǒng)的運行服務可用性需求域與功能失效域之間的關系,矩陣中的失效率是某功能失效對運行延誤的影響,不會造成延誤的矩陣元素為0,見公式（6）。

式中[A ]m×n為

矩陣[A]m×n中的元素可根據(jù)表1的方法分析各子系統(tǒng)故障對運行服務的延誤影響,以及公式（5）中子系統(tǒng)故障造成功能失效的失效率綜合得出,即表示功能失效對運行服務可用性是否有影響,以及影響程度。

3 車車通信與車地通信信號系統(tǒng)運行服務可用性對比

本文分別從運行服務延誤、維修與可用性定量評估的角度對車車通信與車地通信信號系統(tǒng)進行對比分析。

3.1 運行服務延誤對比

本文選取列車運行至兩站中間時車載子系統(tǒng)故障以及列車剛剛離站時地面控制器（車車通信信號系統(tǒng)的軌旁列車管理器和車地通信系統(tǒng)的線路控制器）故障2個場景,對車車通信與車地通信信號系統(tǒng)的延誤時間進行對比分析,分別見表2和表3。

從表2可知,若車載子系統(tǒng)在兩站之間故障時,對于車地通信系統(tǒng)需要在緊急制動后等待調度員授權,而車車通信信號系統(tǒng)不需要等待調度員授權即可切換模式運行到下一站,在該場景下,車車通信信號系統(tǒng)能減少故障對運行服務延誤的影響。

表2 車載子系統(tǒng)故障時車車通信與車地通信延誤時間對比分析

從表3可知,車車通信信號系統(tǒng)的軌旁列車管理器與車地通信的線路控制器功能相似,在列車剛剛離站時,軌旁列車管理器故障后,無需觸發(fā)緊急制動,可直接控制列車低速運行；而線路控制器故障后則需觸發(fā)緊急制動,等待授權后切換模式運行,在該場景下,車車通信信號系統(tǒng)對運行服務延誤的影響更小。

表3 地面控制器故障時車車通信與車地通信延誤時間對比分析

3.2 運行服務鏈路與維修對比

與傳統(tǒng)的車地通信信號系統(tǒng)相比,車車通信信號系統(tǒng)減少了聯(lián)鎖機柜及機柜間的接口、線纜、繼電器等軌旁設備數(shù)量,而繼電器易受環(huán)境影響且有電氣壽命限制,極大地增加了系統(tǒng)故障率與維修成本。車車通信信號系統(tǒng)因為減少了這些軌旁設備與接口數(shù)量,從而降低了備品備件的數(shù)量以及人工維修成本。另外,傳統(tǒng)的車地通信信號系統(tǒng)中移動授權信息傳輸需要經(jīng)過區(qū)域控制器,而車車通信信號系統(tǒng)可通過車車之間直接交互信息自行計算移動授權信息［10］,極大地縮短了移動授權更新時間。

3.3 運行服務可用性定量指標對比

本文以某項目的線路配置為例,利用公式（6）中車車通信的自動監(jiān)控系統(tǒng)、目標控制器、車載子系統(tǒng)、數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)與軌旁資源管理器等子系統(tǒng)的失效率,結合維修時間及可用性計算公式［9］,定量分析了車車通信信號系統(tǒng)運行服務可用性水平；同理,按照此車車通信項目的線路配置,配置車地通信信號系統(tǒng)的線路,參照車車通信信號系統(tǒng)運行服務可用性定量分析的方法,根據(jù)車地信號系統(tǒng)中的車載子系統(tǒng)、線路控制器、聯(lián)鎖系統(tǒng)、繼電器等子系統(tǒng)的失效率與維修時間,利用可用性計算公式［9］可得車地通信信號系統(tǒng)的運行服務可用性水平,其對比見表4。

表4 某工程案例同配置下的運行服務可用性評估結果%

4 結論及建議

1）本文通過對車車通信信號系統(tǒng)的車載設備、軌旁設備等各個系統(tǒng)故障的延誤影響分析,為信號系統(tǒng)的故障延誤影響分析提供了一種分析思路和方法,并為其運行服務可用性水平評估提供了指導依據(jù)。

2）從運行延誤、運行服務鏈路與維修,及運行服務可用性的定量分析角度,可知車車通信信號系統(tǒng)的運行服務可用性水平相比車地通信信號系統(tǒng)有較大的提升。

3）車車通信技術用于信號系統(tǒng),其運行服務的可用性水平仍是未來系統(tǒng)設計和實現(xiàn)關注的重點。根據(jù)研究分析過程提出以下建議:①由于軌旁驅動與狀態(tài)采集、軌旁設備間數(shù)據(jù)通信等功能失效導致的運行延誤時間大于15 min,系統(tǒng)設計時應著重提高其可靠性,且可考慮在線路上配置備用的軌旁資源管理器；②設備的失效率會影響系統(tǒng)的可用性,故應選擇可靠性高的設備；③建議設計人員關注故障在線檢測與模式切換方式,考慮檢測到故障并成功切換模式所需的時間與授權的時間,從而縮短延誤時間。