軌道交通自動售檢票系統可靠性設計探討

黎 江

（中鐵第四勘察設計院集團有限公司，430063，武漢∥高級工程師）

隨著軌道交通建設的快速發展，軌道交通自動售檢票（AFC）系統的建設也進入高速發展階段。由于AFC系統是典型的機電一體化設備，涉及計算機、信息電子、軟件工程、數據加密、機械制造、IC芯片、網絡等多學科和多種技術，其可靠性技術復雜。提高AFC系統可靠性需要運營、建設、設計、制造和施工等各方面密切配合。可靠性工作重點在設計階段，采用可靠性工程的理念，通過對AFC系統的固有可靠性和使用可靠性進行詳細分析和研究，提出合適的可靠性指標，生產出高品質的產品，構建安全可靠的系統，并在各個階段進行相關驗證。

隨著各方對AFC系統可靠性的重視，在可靠性設計方面的工作逐步系統化和深化。AFC系統可靠性方面的文章也多了起來，但是對于可靠性計算及測試方面的描述還不夠深入。本文嘗試對AFC系統可靠性進行定量分析，采用可靠性的基本計算方法分析5層結構中各部分的可靠性指標。同時分析和總結了AFC系統的可靠性測試方法。

1 AFC系統可靠性設計

1.1 AFC可靠性影響因素

對于AFC系統的可靠性影響因素（見表1），應根據AFC系統的特點進行考慮。AFC系統一般采用標準5層架構，主要分為清分及線路中央計算機系統、網絡及車站現場終端設備。由于車站現場終端設備是乘客直接操作使用的，需要特別注意可靠性的特性，即分為固有可靠性和使用可靠性。固有可靠性是AFC產品在設計、制造中賦予的可靠性；使用可靠性，表示AFC產品在使用中表現出的一種能力特性，它與固有可靠性、安裝、操作、維修等有關。

表1 可靠性影響因素

1.2 AFC系統可靠性設計方法

主要包含以下幾種設計方法。

（1）可靠性概率設計法。先規定系統可靠度，再按機械設備零部件的失效概率大小來衡量零件的可靠性。

（2）預防故障設計法。有如下6個原則：① 技術上成熟。選用可靠的硬件和軟件方案，有效利用過去的經驗與實驗結果。② 簡單化。要求結構簡單、工藝簡單、使用方便和維修簡單。③ 標準化、通用化和系列化。對AFC系統級設備采用標準化設計，減少備品備件種類，提高運營維修效率。④ 考慮使用性和維修性。⑤ 優化材料及關鍵零部件的可靠性。⑥ 充分運用故障分析的成果，反饋給設計。

（3）冗余設計法。在AFC系統中，主要在中央級采用冗余設計法，對可靠性要求高的環節，如通信服務器及核心交換機采用1＋1熱備，數據庫服務器采用1＋1熱備或群集（Cluster）結構。也可采用具有硬件容錯結構的服務器。

1.3 AFC系統可維修性設計

可維修性設計應密切結合可靠性、安全性、可使用性、可測試性、零配件總量設計等進行。提高AFC系統可維修性可以從設備、維修人員及維修體制3個層面入手。

（1）對于AFC設備，設備具有完善的自診斷措施，有故障指示；設備模塊化設計，支持熱插拔；部件設計標準化，可互換性、可修復性高。

（2）不斷提高維修人員的維修水平，設立AFC模擬仿真和培訓系統，經常進行維修演練。較為復雜的維修項目也可委托專業廠家完成。

（3）通過設置維修機構和科學合理的維修方式來保障AFC系統的可維修性；通過及時準確的故障檢測與報警，可以保證維修人員及時有效地處理設備故障，縮短維修時間。

隨著線網化運營的需求，對維修管理體制提出新的需求。應盡快建立完善的線網維修管理系統，在運營期有長期穩定的故障維修記錄和統計，就能及時分析AFC系統及設備的使用可靠性，并對設計可靠性指標做出合理的評估。

2 AFC系統可靠性分析

2.1 概述

AFC系統的可靠性設計需要進行定量分析，即可靠性預計及分配。可靠性預計是對AFC系統及設備的可靠性進行定量的估計，推測其可能達到的可靠性水平，尋找設計中可能存在的可靠性薄弱環節，進行適當的設計調整。可靠性分配是把經過論證的可靠性目標值或可靠性預計值，從系統開始，自上而下地分配給各個子系統、部件，以滿足系統的可靠性設計要求。

2.2 可靠性計算方法

（1）串聯系統可靠性計算。設組成串聯系統的第i個元件的可靠度為Ri，而全系統的可靠度為R，則有：R＝R1，R2，…，Rn，系統的可靠度取決于最低的一環。

設組成串聯系統的第i個元件的故障率為λi，則全系統的故障率λ為：λ＝λ1＋λ2＋…＋λi＋…＋λn。

（2）并聯系統可靠性計算。如果n個元件是相互獨立的，即一個元件發生故障與否與另一元件無關，則系統的故障率則為；λ＝λ1λ2…λi…λn。

可靠度R：R＝1－λ＝1－λ1λ2…λi…λn＝1－（1－R1）×（1－R2）×（1－R3）×…×（1－Rn）。

AFC系統設備大多是串、并聯混合系統，應通過建立適當的數學模型，把大系統分割成若干子系統，可以簡化其分析過程。

2.3 AFC系統可靠性計算

2.3.1 中央及車站系統

以AFC系統的線路中央計算機（LCC）為例。LCC是AFC系統的線路級控制核心，實現對線路各站AFC系統所有設備的監控，定時從各車站計算機系統（SC）收集全線的票務交易及設備狀況信息，實現系統運作、收益及清分審核、設備維護集中管理功能，實現與清分中心（ACC）的數據接口。

LCC系統一般由中央數據服務器、通信服務器、報表服務器、數據存儲設備、各種監控管理操作工作站及其他外圍設備等組成。

從任務流程的角度分析，LCC整體上是一個串、并聯復雜系統（見圖1）。

圖1 LCC系統構成示意圖

設LCC系統的每個部分可靠度為Ri，分別為UPS電源、防火墻、交換機、數據庫服務器及各種應用服務器、操作員工作站等。

LCC全系統的可靠度為R，則有：R＝R1，R2，…，Rn，系統的可靠度取決于最低的一環。

根據AFC系統的基本需求，一般要求中央計算機層達到99.9%的可用度。可以得出每個環節的大致可靠性指標，一般不小于99.99%，按照每年停機時間推算應不多于53 min。

LCC系統的可靠度取決于最薄弱的環節，即數據庫服務器。為提高該部分的可靠性，AFC系統的數據庫服務器系統一般采用冗余設計，由2臺小型機、2臺SAN交換機以及磁盤陣列和磁帶庫組成群集系統。由于其最薄弱的環節是磁帶庫，需要通過提高其可維修性以達到較高的可靠性（見圖2）。

圖2 LCC數據庫服務器系統構成示意圖

2.3.2 車站終端設備

AFC系統的主要特點之一是它的現場終端設備，自動售票機（TV M）和自動檢票機（AGM）都是乘客直接操作使用的。TV M及AGM是典型的機電一體化復雜設備，由智能控制單元（ECU）控制對車票、現金的機械操作。TV M及AGM可根據機電一體化系統的故障特點進行可靠性分析及研究。其基本組成也符合復雜串、并聯系統的特點。

機電一體化系統主要由電子系統、機械系統級接口組成，假設各部分可靠度分別為R1、R2及R3。根據系統結構，串行系統總可靠度R為各部分可靠度之積：R＝R1R2R3。

下面以TV M為例進行說明。TV M主要完成單程票的發售，可選擇儲值票充值、驗票功能。TV M從任務流程的角度分析整體上是一個串、并聯復雜系統，總體上可視為串聯系統。TV M的電子系統部分包括ECU、交換機、電源系統、乘客顯示器、維修顯示器、狀態顯示器；機械部分包括硬幣處理模塊、紙幣處理及找零模塊、車票發售模塊等部件。在ECU的統一控制下實現相關功能。機電接口部分除了電源接口外，基本都采用數字通信接口，如RS232、USB、以太網接口實現，并集成在ECU上（見圖3）。

設TVM的每個部分可靠度為Ri，分別為電源、交換機、主控單元、維修單元、乘客顯示器及狀態顯示器，硬幣處理模塊、紙幣處理及找零模塊、車票發售模塊等。假設TVM的可靠度為R，則有：R＝R1，R2，…，Rn，系統的可靠度取決于最低的一環。TVM可靠度取決于硬幣、紙幣處理器以及車票處理機構，這些機構本身也是復雜的機械電子一體化部件。

圖3 TV M系統構成示意圖

根據AFC系統的特點，TV M為高可用性（99.9%）設備，各環節的可用性需不小于99.99%，包括以上核心模塊。根據可用性定義，由于TV M的MTTR（平均維修時間）為0.5 h，則各部分的MTTR不高于0.5 h，MTBF（平均無故障時間）為不小于5 000 h。

2.3.3 核心部件

核心部件主要包括TV M的硬幣、紙幣處理器以及車票發售機構；AGM的扇門機構及車票回收機構。

由于部件本身的關鍵性和復雜性，可采用可靠性分析軟件對其進行可靠性預測，再通過可靠性測試來驗證其可靠性指標。

一般采用美國軍方發布的MIL－HDBK－217F表框中的零件數量（PART COUNT METHOD）方法進行電子及機械部件壽命預測。其基本步驟如下：

（1）編制相關核心部件的構成模塊目錄；

（2）編制各構成模塊的配件單；

（3）把各模塊的構成配件按 MIL－HDBK－217F／NPRD－95的分類標準進行分類；

（4）對各構成模塊，利用 MIL－HDBK－217F／NPRD－95的故障率數據，算出構成零件的故障率；

（5）對各構成模塊，利用MIL－HDBK－217F／NPRD－95的故障率數據，把算出的構成配件的故障率相加；

（6）把上一步驟故障率相加的值取逆數，算出構成模塊的MTBF。

由于可靠性預測的復雜性，現在有較多成熟的計算軟件產品進行系統分析，如Relex Studio、Isograph等。AFC系統生產廠商可采用合適的可靠性預測工具完成對設備及部件的可靠性分析、預測及評估。

3 AFC系統環境及可靠性測試

3.1 概述

由于AFC系統設備的特殊性，除了其較高的可靠性要求，也必須提高產品的環境適應性。兩者相輔相成。在產品研制階段，主要是通過測試試驗來發現設計缺陷且加以改進，并通過進一步的試驗來發現新的問題。經驗表明，70%左右的設計缺陷要靠對樣機進行試驗才能發現。

為達到產品可靠性的要求，試驗、評價和改進貫穿整個產品研制和生產過程，主要包括研制試驗、鑒定試驗、驗收試驗和例行試驗。

3.2 AFC系統環境及安全測試

環境試驗主要是考核產品對預期工作環境的適應性，包括耐受最惡劣的儲存與運輸環境而不致損壞和在合理極值環境條件下正常工作的能力。一般要求對AFC系統的現場終端設備TV M與AGM在樣機階段進行型式試驗。對TV M與AGM樣機進行包括安全試驗、電磁兼容性測試、環境試驗、防塵、防水特性以及機械振動等破壞性試驗。終端設備的型式試驗一般委托給具有計量認證合格資質的第三方檢測單位完成。

3.3 AFC系統可靠性測試

可靠性試驗基本上采用實驗室試驗方法，由設備供貨商或集成商組織實施。可靠性試驗在典型環境條件下進行，按可靠性要求設計和進行，以驗證AFC產品在規定條件下和規定時間內能否實現預定可靠性功能，達到設計的可靠性指標。一般是對固有可靠性指標進行測試和驗證。

對于AFC系統（如LCC及SC系統）的可靠性試驗，一般以軟件功能性測試及網絡數據測試為主，以驗證功能和大數據量傳輸處理為主要目標。由于軌道交通AFC系統的規模較大，組織全線級別的系統測試較為復雜和不便，一般建立模擬仿真測試平臺；在AFC系統樣機完成之前也可以采用AFC終端模擬器作為測試手段。

對于AFC終端設備（如TV M、AGM）的可靠性試驗，以MTBF、MCBF（平均無故障次數）的固有可靠性測試為主。對已定型的批量生產產品進行抽樣試驗，以考核材料和工藝的穩定性，大多數情況都在模擬環境下進行。對于TV M，主要以機械次數測試方式為主，反復用現金購買單程票，以驗證其可靠性指標。對于AGM則反復測試進、出閘機，同時進行車票檢查及回收操作。

對于AFC核心模塊，主要包括現金模塊、車票處理（發售及回收模塊）及扇門門芯機構的可靠性試驗，以MCBF的可靠性測試為主。如硬幣、紙幣模塊進行2萬次投幣測試，扇門的100萬次開關測試等。由于可靠性測試費時費人力，需要設計和應用可靠性測試設備進行長時間、大數據量的重復試驗。如日本高見澤公司的硬幣模塊可靠性測試平臺，可以對硬幣模塊進行多幣種重復測試，最后自動給出測試分析報告和計算結果。

4 結語

AFC系統作為軌道交通運營公司的準財務系統，是乘客直接操作使用的系統，與維修運營、票務管理密切相關，體現了運營質量的高低。隨著各地網絡化運營體系的形成，以及金融卡、移動支付技術的應用，對AFC系統的可靠性及安全體系提出越來越高的要求。

為有效提高AFC系統的可靠性，必須在方案設計階段即對可靠性進行過程控制，在系統生命周期全過程制定具體的實施細則和控制目標。在設計階段需要細化可靠性指標的分析，做好可靠性的預測和分配；根據可靠性指標要求生產相關設備，在各個實施階段通過詳細的測試手段進行驗證；應高度關注可靠性測試技術，促進相關可靠性檢測手段的完善和檢測設備的研制生產。在運營階段則通過維修管理系統收集整理AFC系統的可靠性數據，進行長期分析和評估，并指導AFC系統可靠性設計和生產。

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