城市軌道交通信號產品可靠性指標的動態監控

馬秋艷

摘 要：本文在對我國有關標準進行參考的前提上，對基本可靠性以及任務可靠性看成是我國信號系統可靠性基本要求的指標參數，并且分析了兩類參數建模和測定，進而給制定滿足用戶基本需求，同時也在技術方面實現可靠性指標值、可操作驗證方法打下牢固的基礎。

關鍵詞：城市軌道;交通信號;可靠性指標;動態監控

城市軌道交通的特點是行車密度大、正點要求高，信號系統作為城市軌道交通的重要組成部分，對保證運營安全和列車高效率正點運行起著重要的作用，因此要求其具有很高的可靠性[1]。由于我國的現代信號系統技術起步較晚，近十幾年來許多線路大量引入國外先進的信號系統，而國內又缺乏對其系統可靠性要求的相關研究，使得面臨大量新線集中建設、運營建設部門必須對信號系統提出可靠性要求時，只能參照其他相關系統的可靠性標準，憑經驗提出。由于缺乏成熟、量化的可靠性指標和驗收體系，使得系統可靠性的驗收工作往往處于表面化;實際信號系統的運營也表明，某些系統的可靠性并不盡人意。因此，迫切需要對信號系統的可靠性要求進行研究，建立科學規范的可靠性指標和管理驗收體系。

1 城市軌道交通信號系統可靠性指標現狀

從各城市地鐵和輕軌信號系統的文件中可以看出，目前可靠性指標提法和等級相差較大，對于可靠性指標的規定各不相同，加上國內外文化差異，造成對標準條件的理解也不同。例如，對于有人提出了平均故障間隔時間（MeanTmieBetweenFailure，MTBF）和平均故障運行間隔時間（MeanTmieBetweenServiceFailure，MTBSF）兩個可靠性指標參數，但信號系統中具體使用MTBF和MTBSF考核系統的可靠性仍存在一些問題。

首先，MTBF僅表示平均無故障時間，也稱可修復產品的平均壽命，是描述可靠性的一種特征量。可靠性可以分為固有可靠性和使用可靠性，也可分為基本可靠性和任務可靠性。如果不加以說明，就會對可靠性產生不同的理解，無法進行指標的驗收，使指標缺乏實際的操作意義。

其次，可靠性指標的量值依據還需要探討。就MTBF的指標量值，有的要求提出與行車安全相關的可靠性指標應不小于106h、總的系統不小于105h，該量值主要是參考國內外相關系統的可靠性標準提出的。

這些文件中的可靠性指標大多是針對產品固有可靠性的預計值，而實際系統的驗收指標應考核在現場安裝條件和使用環境下的系統和設備的使用可靠性，因而只有通過對實際系統的使用可靠性水平進行考察，才能制定出科學的指標值。

第三，現有指標主要針對硬件，而對軟件可靠性的定量要求較少，使得系統可靠性要求不很全面。使用方往往在系統投入運營后才發現軟件的缺陷，要求供貨方修改時，供貨方會以已經滿足合同需求而拒絕修改缺陷，使用方陷于被動。

2 信號系統的可靠性指標

1999年，IEEE針對城市軌道交通信號系統的性能與功能要求制定了相關標準1474.1—1999。其中對于系統可靠性要求，提出將平均功能故障間隔時間（MeanTmieBetweenFunctionalFailure，MTBFF）和平均故障間隔時間（MeantmieBetweenFailure，MTBF）兩個參數，規定系統的MTBFF應考慮影響系統完成規定功能的所有故障，系統的MTBF則既包括影響系統功能的故障，也包括不影響系統功能完成（例如由于設備冗余）的所有故障;并且指出，雖然系統MTBFF和系統MTBF預計在傳統上僅考慮硬件故障，但在實際測定時，故障應包含軟件錯誤和硬件故障。

國際標準中提出對可靠性的要求值得我們借鑒，它明確規定MTBFF是考察系統任務可靠性、MTBF是考察系統基本可靠性，并且強調可靠性的預計與測定不同。但是，對標準中提出的測定系統MTBF和MTBFF時都應考慮軟、硬件故障，我們認為還應該具體考慮實際應用系統的特點。

在對現場的城市軌道交通信號系統評估時，MTBF作為基本可靠性的特征量，應反映出系統對維修人力、費用及備品備件的需求。如果一個系統基本可靠度低，即便任務可靠度滿足要求，也會導致該系統維護成本太高，不能說該系統是一個可靠的系統。因為，只要有設備故障，即使由于設備采用冗余并沒有影響系統功能的完成，卻仍馬上需要有維修人員進行診斷、維修或更換備件。而軟件故障是指軟件設計的缺陷在一定的運行條件下，導致系統運行中出現可感知的不正常、不正確和不按規范執行的狀態。任何軟件內部缺陷引起的錯誤，不在用戶維修范疇內，并且用戶也無法維修，因而考慮軟件故障，并不能考察出系統對維修人力、費用和備品備件的需求。因此筆者認為，針對城市軌道交通信號系統，MTBF應主要考慮硬件故障。

3 信號系統可靠性指標的動態監控

3.1 可靠性監控的方法

基于對基本可靠性和任務可靠性的定義，本文將采用指數分布的點估計方法，說明系統基本可靠性MTBF和任務可靠性MTBFF的測定方法。可靠性測定是用規定的統計方法，分析已得到的可靠性數據，以便估計出所關心的可靠性特征量，這些特征量可以用一個點估計值或一個置信區間的范圍來表示。鑒于所考察的設備和系統均工作在故障率近似為常數的偶然失效期（軟件未經修改時也可認為服從指數分布），依據《設備可靠性試驗，可靠性測定試驗的點估計和區間估計的方法（指數分布）》（GB5080.4）中的點估計方法進行評估。

3.2 MTBF和MTBFF點估計

假設試驗時間t內，根據故障統計數據，主機A、S1和C各出現1次硬件故障，接口電路出現3次硬件故障，主機A出現10次軟件錯誤。

3.3 舉例說明

城市軌道交通信號系統主要由與行車安全相關的列車超速防護（AutomaticTrainProtection，ATP）系統、聯鎖系統，與行車效率密切相關的列車自動監控（AutomaticTrainSupervision，ATS）系統和列車自動駕駛（AutomaticTrainOperation，ATO）系統組成。下面以某條已通過驗收、實際運營線路的ATS系統為例，按照上述方法建立相應的分析模型，根據故障統計數據來進行指標的點估計測定。

ATS系統功能主要包括制訂列車時刻表、列車運行追蹤控制、自動排列進路及列車運行自動調整等功能。通過調度集中設備與相關設備交互通信，站臺設置的旅客向導系統還向旅客提供乘車有關的信息，發車指示器向司機提供顯示早晚點發車的倒計時信息等。

鑒于旅客信息系統與中央和本地的ATS設備相比，在完成信號系統功能方面有不同等級的可靠性要求，因而分別對其進行可靠性指標的評估。綜合考慮軟、硬件故障的任務可靠度與僅考慮硬件故障的任務可靠度計算結果相差很大，因此在考核系統任務可靠度時，必須要考慮軟件故障。對于旅客信息系統，由于沒有采用冗余結構且不涉及軟件，因而其任務可靠度與基本可靠度相同。

4 結語

本文作為對城市軌道交通信號系統可靠性指標的初步探討，在參考國際相關標準的基礎上，提出了用MTBF和MTBFF分別指代系統的基本可靠度和任務可靠度，作為我國城市軌道交通信號系統可靠性指標的參數，同時指出基本可靠性應主要考慮硬件故障，任務可靠性應綜合考慮硬件故障和軟件故障，進而闡述了兩種參數的建模與監控，為下一步既能滿足用戶需求而又能在技術上達到的可靠性指標值奠定了基礎。

參考文獻

[1]牛英明.城市軌道交通信號系統運用可靠性的驗證方法探討[J].世界軌道交通，2005（6）：3940.