基于 Petri網的鐵路信號綜合系統可靠性分析

陳紅霞

*南京鐵道職業技術學院 講師,210015 南京

為了確保鐵路各部門協調工作,保證鐵路運輸高速、安全、正點,許多涉及到列車調度、控制、監測的信息,都需要通過通信系統進行遠距離、快速傳送,通信和信號信息相互滲透結合,形成一個包括通信、調度指揮、自動控制和信息處理在內的智能化綜合系統。

鐵路信號綜合系統的可靠性由硬件和軟件共同決定,本文主要分析其硬件可靠性。以主、備設備為例,實行 1+l熱備份,在主、備用之間設有切換裝置。為了保證信息傳輸的可靠性,傳輸通道也是采用冗余方式。這幾個因素在實際系統中是以動態行為來保證系統的可靠運行。利用目前分析動態并發系統最有效的 Petri網分析方法,并以主、備用光纖處在不同光纜中統一路由的光纖通信系統為傳輸通道,來進行系統建模,對整個系統進行如下可靠性分析。

1 建立系統模型

Petri網用于描述異步并發能力,并將動態行為同構于連續時間馬爾可夫鏈的離散動態系統,可以方便地對離散動態系統進行建模,并對其性能和可靠性進行分析。圖 1所示為利用 Petri網對于基于光纖通信的鐵路信號系統的建模模型。

圖1 系統模型

圖1中 A、B兩個終端之間的信息傳輸需要信號設備和路由設備 2個子系統,信號設備子系統包括主機、備機和切換裝置,路由設備子系統由統一路由構成。由于是串聯連接,因此整個信號系統的可靠性由信號設備子系統和路由設備子系統可靠性的乘積決定。

2 系統可靠性建模

2.1 信號設備子系統建模

信號設備子系統為雙機熱備,主機與備機同時處于工作狀態,并且備機同主機一樣具有特定的失效率。在切換裝置正常時,當主機故障,備機會升級為主機。通常熱備份狀態下的主、備機切換時間很短,假設轉換時間為零。圖 2是處于雙機熱備保護的可維修信號設備子系統的模型。

圖2 信號設備子系統 Petri網模型

圖2中 p1表示主機工作正常;p2表示切換裝置工作正常;p3表示備機工作正常;p4表示主機失效待修;p5表示切換裝置失效待修;P6表示備機失效待修;p7表示主機故障、切換裝置故障下的信號設備失效狀態;p8表示主機、備機均失效情況下的信號設備失效狀態,有標記表示失效發生;t1表示模擬主機失效過程;t2表示模擬切換裝置失效過程;t3表示模擬備機失效過程;t4表示主機、切換裝置均故障下的信號設備失效;t5表示模擬設備子系統未失效情況下,對切換單元進行維修的過程;t6表示主機、備機均故障情況下的信號設備失效;t7表示模擬設備子系統未失效情況下,對備用單元進行維修的過程;t8表示模擬 p7失效情況下,對故障單元進行集中搶修的過程;t9表示模擬 p8失效情況下,對故障單元進行集中搶修的過程;t10表示模擬主機故障、備機正常、切換裝置正常情況下的主備機切換。

2.2 路由設備子系統建模

路由設備子系統采用冗余技術,即并聯使用。因此只有在路由設備都故障的情況下路由設備子系統才失效。但是信號系統要求冗余系統不能影響整個系統的工作,只能在降級狀態下運行,所以維修人員要在路由設備子系統失效,造成整個系統不可用時對其進行緊急搶修。路由設備子系統的模型如圖3所示。

圖 3中,p1表示有標記表示路由系統 A工作正常;p2表示有標記表示路由系統 B工作正常;p3表示路由系統A故障;p4表示路由系統B故障;p5表示路由子系統故障;t1表示模擬路由系統 A失效過程;t2表示模擬路由系統 B失效過程;t3表示路由系統 A失效待修;t4表示路由系統 B失效待修;t5表示對路由進行搶修過程。

3 系統可靠性分析及計算

對圖 2的模型建立可達樹,如圖4所示。其初始狀態按照 [p1,p2,p3,p4,p5,p6,p7,p8,p9,]的順序,為 (11100000)。

一般電子設備都服從指數分布,假設主備機的失效率 λ1=0.001,切換裝置的失效率為 λ2=0.0005,對設備的日常維修率 μ1=0.01,搶修維修率 μ2=0.05,根據隨機過程的相關知識和馬爾可夫過程可得出圖 4實存狀態的穩定概率分布 Y,Y=(0.80736, 0.14525, 0.03833, 0.00528,0.00289,0.00076,0.00007,0.00006),即對應圖 4中每個狀態。當位置有標記時信號設備子系統可用,根據串聯可靠度的計算方法可得到信號設備子系統可靠度為 0.99622(即前 4個狀態的和)。同樣可以計算出路由設備子系統的可靠度。設其失效率為0.001,維修率為 0.1,則路由設備子系統可靠度為 0.999902。整個信號系統的可靠性為信號設備可靠度與路由設備可靠度的乘積,即為 0.995902。

4 結論

在傳輸通道采用光纜的情況下,分析鐵路綜合信號系統的可靠性,對系統進行了建模,并考慮了系統的動態可變性和實際情況的對應,最后采用馬爾可夫過程進行了計算分析,計算了其可靠度,一方面說明了 Petri網分析動態系統的優勢,另一方面對于信號系統的設計提供了一定的參考價值。

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