城市軌道交通信號系統RAM指標驗證方法

葉云龍 劉華祥 劉楊

(卡斯柯信號有限公司，200071，上海//第一作者，工程師)

針對城市軌道交通信號系統的可靠性、可用性和可維護性(RAM)指標需求，確定指標驗證方法，制定現場數據收集過程，監控并確認RAM性能。本文提供的整套RAM指標驗證方法可以對信號設備供應商提供的信號設備進行RAM指標驗證,以保證信號設備能夠真實地滿足實際項目需求。

1 RAM驗證方法

本文所采用的RAM驗證方法參考了國際電工委員會標準IEC 61124[1]，驗證目的是從統計學角度證明信號設備的實際平均故障間隔時間(MTBF)是否達到用戶的目標值要求。

假定信號系統設備的故障率為常數(即產品壽命服從指數分布)，并且設備故障時能得到及時替換。假設：

H0:tMTBF>tMTBF0

H1:tMTBF

其中：

tMTBF0——用戶要求的目標MTBF值；

tMTBF1——用戶最低可接受的MTBF值。

定義a為允許故障數，T為觀測周期，k為實際故障數。

用戶接收準則：如果在觀測周期T內，k>a，那么假設H0被拒絕，即驗證失敗；如果k≤a，那么假設H0被接受，即驗證通過。

還需定義如下輸入：

鑒別比D=tMTBF0/tMTBF1;

供應商風險α——產品合格，但被用戶拒絕的概率；

用戶風險β——產品不合格，但被用戶接收的概率。

用于計算α、β的公式(1)、(2)引自標準IEC 61124。

計算方法：輸入α0、β0、T、tMTBF0；輸出a、D。

計算過程：首先確定α0、β0，并將T、tMTBF0代入式(1)，再令a從0開始不斷地+1迭代計算，直到α逼近目標值α0，得到此時的a值并將其代入式(2)；迭代計算直到β逼近目標值β0，求取tMTBF1值，并最終得到D。

2 項目工程案例

2.1 用戶需求

本文以《城市軌道交通信號系統用戶需求書》[2]中的用戶需求，進行驗證分析RAM指標。文獻[2]中已經對項目的RAM指標進行了詳細定義,在此僅列舉本文需要驗證的RAM指標。

RAM指標驗證方案僅統計與運營相關的指標。關于單機單通道相關的RAM指標屬產品層指標，可通過理論分析證明;可維護性指標也屬產品層指標,可通過產品可維護性試驗進行驗證。根據此統計分析原則,對文獻[2]中的RAM指標進行提取，得到需要現場驗證的RAM指標，如表1所示。

表1 信號系統待驗證的RAM指標

經過轉換,表1中運營相關RAM指標均可轉化為對系統tMTBF值的要求,如表2所示。

表2 轉換后的tMTBF指標

供貨合同所有的RAM需求經歸納和轉化后可統一為兩條需求，這兩條需求也是RAM指標驗證的統計對象，如表3所示。

表3 需要驗證的最終RAM指標

2.2 計算過程

按照文獻[2]和以往項目經驗，確定α0、β0為30%；根據用戶需求確定觀測周期為1年，tMTBF0分別取為2 613 h和93 h；利用Maple軟件計算得到允許故障數a和鑒別比D，如表4所示。

每月允許的故障數如表5所示,每周允許的故障數如表6所示。每月、每周的故障記錄表格僅用作RAM性能監控，1年的總允許故障數作為RAM性能確認的參考判斷值。

表4 1年內允許故障數

表5 1個月內允許故障數

表6 一周內允許故障數

3 故障數據收集、分析和處理

3.1 工作流程

故障收集與分析，以及后續的系統RAM指標驗證的工作流程如圖1所示。

圖1 信號系統故障數據收集、分析和統計流程圖

由圖1可見，流程包含故障收集與分析、RAM指標驗證兩大部分。在故障收集與分析階段，信號設備供應商應配合用戶認真處理每一個現場發生的故障；在RAM指標驗證階段，將對納入RAM驗證的故障數量進行統計并最終確認系統性能，具體步驟如下。

(1) 故障發生：故障來源為用戶報告的故障信息，用戶需填寫故障報告。

(2) 故障分析：信號設備供應商負責對故障進行分析并填寫故障分析報告。

(3) 制定并實施糾正措施：信號設備供應商和用戶共同制定修正措施并實施。

(4) 統計納入RAM驗證的故障數：采用故障審核委員會(FRB)評審方式，根據相應的判斷原則對需納入RAM驗證統計的故障數據進行統計處理。

(5) RAM性能監控和確認：根據上述統計結果，由系統RAM保證經理編寫RAM性能監控和確認報告。

FRB的成員包括：客戶代表、項目經理、技術經理、維修經理、系統RAM保證經理、調試經理。FRB的角色是監督RAM指標驗證過程，并對調試人員或維保人員上報的爭議故障進行仲裁，決定其是否計入RAM驗證的統計范圍。FRB應確保: ①研究觀察到的系統故障; ②研究觀察到的維護過程; ③跟蹤會議確定的糾正性活動; ④裁決故障責任，每月月末舉行一次FRB會議，若當月未出現需納入RAM驗證統計的故障，可不召開FRB會議。

3.2 人員與職責

相關人員及其職責如表7所示。

表7 RAM驗證人員與職責

3.3 納入RAM驗證的故障統計原則

FRB根據如下原則對納入RAM驗證統計的故障數據進行處理。

(1) 總原則：由信號供貨商設備故障導致“列車發生2 min或以上初始延誤”的，計1次故障；

(2) 由非信號供應商供貨設備引發的信號供應商設備故障，不計入故障計數；

(3) 由于破壞活動或不可抗力等引起的信號供應商設備故障，不計入故障計數；

(4) 由人為違規行為(不適當使用、未按操作規程進行操作、未按維護規程進行維護、未按照維護規程進行預防性維護等)導致的信號供應商設備故障，不計入故障計數；

(5) 當證實多種故障模式由同一原因引起時，整個事件計為1次故障；

(6) 有多個部件同時失效時，所有部件的失效合計為1次故障。

所有不能立即判斷原因的故障由FRB進行評估。

4 RAM性能監控和確認報告

RAM性能監控和確認報告由項目RAM保證經理編寫，并由項目經理提交給用戶。RAM性能監控報告定期呈現信號系統在合同RAM驗證指標方面的性能表現，如果暫未達到要求，還需提出改善系統性能的初步結論。RAM性能確認報告集中展現系統所有合同RAM驗證指標的表現，并給出信號系統是否通過驗證的最終結論。

圖2為RAM性能監控報告的示例。在整個觀測期(1年)內，RAM性能監控報告每月提交1次，RAM性能確認報告在觀測期結束后提交。

RAM性能監控報告呈現以下內容：RAM驗證指標；RAM指標的詳細監控結果。

圖2 信號系統RAM性能監控報告

4.1 納入RAM驗證的故障數監控

對每個待現場驗證的RAM指標，按照2.2節計算結果統計每月發生的納入RAM驗證的故障數，并繪制相應監控曲線圖。每月允許的故障數如表8所示，每周允許的故障如表9所示。

表8 1個月內允許故障數監控分析表

表9 1周內允許故障數監控分析表

4.2 系統MTBF監控

除每月故障數，RAM性能監控還需定期統計系統MTBF的性能表現，如圖3所示。圖3中點估計值代表信號系統的實際tMTBF值，實際tMTBF值大概率地落在其上、下邊界之間。由圖3可見，實際tMTBF值會上下浮動，但不會越過點估計值的上、下邊界，即某時期系統設備故障率可能會比較高，但都在正常范圍內。

根據RAM性能監控報告，可及時發現RAM性能是否有偏離，是否需開展整改活動；還可分析故障原因，比如故障是系統性失效問題引起，還是供應商批次問題引起，等等。

圖3 系統MTBF監控曲線

4.3 Pareto圖

RAM性能監控報告還需給出Pareto圖，用于詳細描述各子系統對當前RAM指標的貢獻百分比排序情況，如圖4所示。

圖4 信號系統故障貢獻排序Pareto圖

5 結語

通過本文的RAM指標驗證方案和方法，能夠驗證信號系統實際RAM指標與用戶合同制定的性能指標之間的差異，以及與運營部門制定的運營指標之間的差異。從統計學角度提供了重要的與RAM指標驗證相關的輸入數據來源，可作為提升信號系統RAM性能、改進產品RAM設計的參考。