地鐵閉路電視監(jiān)視系統(tǒng)的可靠性和可維護性分析

文｜華北電力大學能源動力與機械工程學院 劉燕平河北軟件職業(yè)技術學院 劉媛媛

1 前言

當前我國城市軌道交通處于高速發(fā)展建設期，當車站發(fā)生災情時，閉路電視監(jiān)視系統(tǒng)（Closed Circuit Television：CCTV）可作為防災調(diào)度員指揮搶險的指揮工具。同時，目前國際防恐形勢嚴峻，它已經(jīng)成為防恐的重要手段，所以在地鐵電視監(jiān)視系統(tǒng)招標時就要定出合適的可靠性指標，投標方通過技術方案滿足招標要求，但國內(nèi)研究系統(tǒng)集成的可靠性分析工作還不夠深入，基本上也不知如何進行分析計算，下面就以常見地鐵閉路電視監(jiān)視系統(tǒng)實際為例，分析它的可靠性和可維護性，以期對類似工程有指導意義。

所謂可靠性，是指產(chǎn)品（系統(tǒng)）在規(guī)定條件下（使用條件=工作條件+環(huán)境條件）和規(guī)定時間內(nèi)完成規(guī)定功能的能力。在可靠性特征中，常用平均壽命與可靠壽命來表示可靠性水平。平均壽命以t表示，對于可維修產(chǎn)品而言，t就是平均無故障時間MTBF（Mean Time Between Failure）。例如以計算機系統(tǒng)為例，具體就是用計算機系統(tǒng)的有效使用時間（小時）除以故障發(fā)生的次數(shù)，所以其單位是“小時”，例如一臺計算機系統(tǒng)使用了50000小時，其間發(fā)生了5次故障，那么其MTBF為50000小時/5=10000小時。定量表示可靠性的數(shù)學特征量很多，工程采用其最常用的特征量是平均無故障時間MTBF作為衡量系統(tǒng)（產(chǎn)品）可靠性的技術指標。可維護性根據(jù)以往類似系統(tǒng)出現(xiàn)故障，維修人員到達現(xiàn)場開始維修到故障排除時間的記錄，取多次排除故障時間平均值就是可維修性MTTR（Mean Time to Repair），它須包括診斷時間、組件修理及替換時間、現(xiàn)場的調(diào)整及測試時間。常見地鐵閉路電視監(jiān)視系統(tǒng)招標中的可靠性和可維護性目標有：平均無故障時間（MTBF）大于等于5000小時，可維護性（MTTR）小于等于4小時。

2 地鐵閉路電視監(jiān)視系統(tǒng)構成

舉例說明，現(xiàn)在常見地鐵電視監(jiān)控系統(tǒng)構成如圖1所示，地鐵監(jiān)控方案采用模擬視頻+數(shù)字視頻混合搭建模式，前端攝像機采用模擬高清攝像機，經(jīng)視頻分配為兩路，一路通過視頻矩陣切換到車站綜合控制室監(jiān)視器，圖像沒有延時，另一路通過視頻編碼器采用H.264壓縮格式，以4CIF@25fps，IP SAN（Internet Protocol Storage Area Network）存儲和上傳本站和線路控制中心數(shù)字監(jiān)控控制終端，為了減少存儲空間，可采用雙碼流，磁盤陣列采用2Mbps碼流存儲，上傳控制終端和大屏系統(tǒng)采用6～8Mbps碼流，視頻管理服務器是將前端攝像機發(fā)送過來的視頻流進行封裝和轉(zhuǎn)發(fā)到磁盤陣列存儲，同時要響應線路控制終端的實時和錄像的請求，從磁盤陣列存儲中取出對應攝像機的視頻流，選用開放式智能化視頻管理平臺軟件，中心采用IP SAN備份集中存儲，當某一車站IP SAN發(fā)生故障，中心IP SAN備份集中存儲接管，控制中心設置網(wǎng)管服務器來監(jiān)控全線設備，當在線設備發(fā)生故障時及時告警通知維護人員，控制中心設置對外系統(tǒng)接口協(xié)議轉(zhuǎn)換服務器，負責接收時鐘信號對全線設備校時，負責將設備告警信息上傳集中告警平臺，負責調(diào)用車載監(jiān)控圖像上傳中心，負責其他系統(tǒng)調(diào)用本系統(tǒng)的監(jiān)控圖像。

3 數(shù)學模型

一般而言，電子元件在使用壽命則服從指數(shù)分布，其電子產(chǎn)品組成串并聯(lián)系統(tǒng)的可靠性概率也服從指數(shù)分布，失效率（故障率）λ也是產(chǎn)品可靠性的一種基本參數(shù)，MTBF和λ互為倒數(shù)。

圖1

4 可靠性、可維護性計算

故障定義：故障是指在任何情況下，導致系統(tǒng)或設備不能執(zhí)行其應有功能。但是不包括那些因為外部輸入失效所引起的情況，例如外部的電力供應中斷等。

第一步：需將系統(tǒng)圖變成可靠性方框圖（如圖2所示），對系統(tǒng)圖進行可靠性方圖簡化，有些輔助設備發(fā)生故障不會對系統(tǒng)的主要功能如視頻傳輸、控制切換、顯示、錄像主流信息產(chǎn)生影響。

第二步：需產(chǎn)品供應商提供產(chǎn)品平均無故障時間MTBFi，求出失效率λi,并根據(jù)維修經(jīng)驗和水平估算出每個單元發(fā)生故障時平均修復時間MTTRi。

地鐵閉路電視監(jiān)視系統(tǒng)設備可靠性MTBF、MTTR統(tǒng)計及失效率λ換算表，如表1所示。

第三步：以可靠性方框圖進行串并聯(lián)MTBF計算。

（1）車站閉路電視監(jiān)視系統(tǒng)MTBF計算

節(jié)點1到節(jié)點2，是40個相同固定攝像機并聯(lián)，都取λ1，以下為了文章簡潔直接將各設備失效率λi代入公式，得出結果，減去計算過程。

40個攝像機至少一個攝像機正常工作，系統(tǒng)就能正常工作，即為并聯(lián)系統(tǒng)，并聯(lián)可靠性概率：

節(jié)點1到節(jié)點2系統(tǒng)的平均無故障時間是：

節(jié)點3到節(jié)點4，是40路視頻編碼器并聯(lián)系統(tǒng)，取λ3-4：

節(jié)點5到節(jié)點6，是視頻管理服務器和磁盤陣列2個不同的設備串聯(lián)，取λ5-6：

節(jié)點5到節(jié)點7，可以看成是2個不同的系統(tǒng)并聯(lián)，取λ5-7：

圖2 全線閉路電視監(jiān)控系統(tǒng)可靠性方框圖

表1

節(jié)點3到節(jié)點7，是3個不同的設備串聯(lián)，取λ3-7：

節(jié)點8到節(jié)點9，可以看成是3個不同的系統(tǒng)并聯(lián)，取λ8-9：

節(jié)點3到節(jié)點9，是2個不同的設備串聯(lián)，取λ3-9：

節(jié)點3到節(jié)點10，可以看成是2個不同的系統(tǒng)并聯(lián)，取λ3-10：

車站閉路電視監(jiān)視系統(tǒng)可以看成是3個不相同的設備串聯(lián)，所以系統(tǒng)失效率λ車站是：

（2）控制中心閉路電視監(jiān)視系統(tǒng)MTBF計算

節(jié)點3到節(jié)點4，是視頻管理服務器和磁盤陣列2個不同的設備串聯(lián)，取λ3-4：

節(jié)點3到節(jié)點5，可以看成是2個不同的系統(tǒng)并聯(lián)，取λ3-5：

節(jié)點2到節(jié)點6，是12個相同的視頻解碼器并聯(lián)，都取λ2-6：

節(jié)點7到節(jié)點8，是12個相同的46″監(jiān)視器并聯(lián)，都取λ7-8：

節(jié)點2到節(jié)點8，是3個不同的設備串聯(lián)，取λ2-8：

節(jié)點9到節(jié)點10，是4個相同的控制終端并聯(lián)，都取λ9-10：

節(jié)點2到節(jié)點11，可以看成是3個不相同的設備并聯(lián)，取λ2-11：

控制中心閉路電視監(jiān)視系統(tǒng)可以看成是2個不相同的設備串聯(lián)，所以系統(tǒng)失效率λ中心是：

（3）地鐵閉路電視監(jiān)視系統(tǒng)MTBF計算

整條線閉路電視監(jiān)視系統(tǒng)可以看成是20個車站并聯(lián)再和控制中心系統(tǒng)串聯(lián)，但從業(yè)主角度考慮系統(tǒng)可靠性問題，應該是對整條地鐵線閉路電視監(jiān)控系統(tǒng)只要有1個車站和控制中心閉路電視監(jiān)控系統(tǒng)同時癱瘓，確定整條地鐵線閉路電視監(jiān)控系統(tǒng)監(jiān)控功能癱瘓，所以系統(tǒng)失效率λ系統(tǒng)是1個車站和控制中心閉路電視監(jiān)控系統(tǒng)串聯(lián)。

系統(tǒng)的平均無故障時間是：

第四步：系統(tǒng)可維修性MTTR計算，可根據(jù)以往類似系統(tǒng)出現(xiàn)故障，維修人員到達現(xiàn)場開始維修到故障排除時間記錄，取多次排除故障時間平均值就是可維修性MTTRi（小時），它須包括診斷時間、組件修理及替換時間、現(xiàn)場的調(diào)整及測試時間。

在根據(jù)上述表格和公式計算出系統(tǒng)可維修性MTTR。

式中：MTTRi是某單元平均排除故障時間；λi是某單元的失效率。

結論：通過建立與實際相符可靠性數(shù)學模型，計算得出地鐵閉路電視監(jiān)視系統(tǒng)平均無故障時間MTBF為12380小時，系統(tǒng)可維修性MTTR為0.4小時，滿足招標文件閉路電視監(jiān)視系統(tǒng)的平均無故障時間（MTBF）大于等于5000小時、閉路電視監(jiān)視系統(tǒng)的平均維護時間（MTTR）小于等于4小時的要求，此可靠性分析模型在國內(nèi)多條新建地鐵的投標可靠性應答和中標后深化可靠性設計中得到應用，也得到業(yè)主、設計和專家的認可。