基于車(chē)車(chē)通信的信號(hào)系統(tǒng)運(yùn)行服務(wù)可用性分析

李梅，孔維杰，南楠，劉曉

基于車(chē)車(chē)通信技術(shù)的信號(hào)系統(tǒng)的特征是以車(chē)載為控制核心,由車(chē)載設(shè)備基于自身的運(yùn)行任務(wù)和當(dāng)前位置,主動(dòng)與相鄰列車(chē)直接進(jìn)行信息交互,并根據(jù)交互信息自主計(jì)算與更新移動(dòng)授權(quán)、控車(chē)曲線及所需的軌旁資源,控制列車(chē)安全可靠運(yùn)行。與傳統(tǒng)的車(chē)地通信信號(hào)系統(tǒng)相比,車(chē)車(chē)通信信號(hào)系統(tǒng)無(wú)需通過(guò)軌旁設(shè)備獲知其他列車(chē)的信息,減少了軌旁設(shè)備的使用數(shù)量,使得系統(tǒng)接口簡(jiǎn)約化,數(shù)據(jù)信息傳輸路徑減少,操作方式更靈活,提高了系統(tǒng)的運(yùn)行效率,大幅降低了信號(hào)系統(tǒng)的投入成本,同時(shí)便于后期維護(hù)［1-3］。

考慮到信號(hào)系統(tǒng)的運(yùn)行服務(wù)可用性水平是評(píng)價(jià)城市軌道交通運(yùn)行服務(wù)能力的一個(gè)重要指標(biāo),如何有效分析系統(tǒng)故障對(duì)運(yùn)行延誤的影響越來(lái)越受到客戶關(guān)注。常用的故障模式、影響及危害性分析（FMECA）方法是一種單點(diǎn)故障分析方法,對(duì)于復(fù)雜場(chǎng)景下系統(tǒng)故障后的操作過(guò)程及對(duì)應(yīng)的時(shí)間分析顯得比較困難。故本文結(jié)合公理化思想,從車(chē)車(chē)通信信號(hào)系統(tǒng)運(yùn)行延誤角度出發(fā),探討影響信號(hào)系統(tǒng)服務(wù)可用性的因素,分析車(chē)車(chē)通信信號(hào)系統(tǒng)在運(yùn)行服務(wù)可用性上的提升,并給出改善建議。

1 基于公理化思想的運(yùn)行服務(wù)可用性分析

1.1 公理化思想概念

在科學(xué)設(shè)計(jì)準(zhǔn)則缺失的推動(dòng)下,Suh［4-5］提出了將公理用作設(shè)計(jì)的科學(xué)基礎(chǔ)。公理化思想可以幫助設(shè)計(jì)者迅速了解系統(tǒng)內(nèi)部各層級(jí)之間的關(guān)系和解決問(wèn)題的方法,減少隨機(jī)探索時(shí)間。在可靠性工程領(lǐng)域,如故障模式、影響分析（FMEA）、故障樹(shù)分析（FTA）等,文獻(xiàn)［6-7］也嘗試結(jié)合公理化思想研究可靠性。

公理化思想中的域是不同設(shè)計(jì)活動(dòng)的界限線,即用戶域、功能域、物理域和過(guò)程域［8］。域的結(jié)構(gòu)以及域間的關(guān)系見(jiàn)圖1。本文利用公理化思想指導(dǎo)可用性分析,將可用性相關(guān)的需求定義為需求域（對(duì)應(yīng)圖1中的用戶域）,利用域與映射的關(guān)系,分析產(chǎn)品的可用性與失效原因之間的映射關(guān)系,從而確定是哪些功能因素影響了產(chǎn)品的可用性水平,以及影響的程度大小。

圖1 域與映射

1.2 基于公理化思想的運(yùn)行服務(wù)可用性分析過(guò)程

在可用性分析中,可以轉(zhuǎn)換思想,巧妙使用映射之間的矩陣形式來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)運(yùn)行服務(wù)可用性的分析。

1.2.1 構(gòu)建可用性需求域—功能失效域

產(chǎn)品可用性需求域—功能失效域之間的映射關(guān)系為

式中:{FR}m×1為需求域向量；{FF}n×1為功能失效域向量；[A]m×n為映射矩陣。

1.2.2 構(gòu)建功能失效域—子系統(tǒng)故障域功能失效域—子系統(tǒng)故障域之間的映射關(guān)系為

式中:{EF}p×1為子系統(tǒng)故障域向量；{FF}n×1為功能失效域向量；[B]n×p為映射矩陣。某一功能失效與子系統(tǒng)故障之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系可以通過(guò)映射矩陣[B]n×p中的元素Bn×1…Bn×p等表示,而B(niǎo)n×p的值可以用子系統(tǒng)故障的失效率來(lái)表示,這樣映射矩陣中每一行元素的和即為第一個(gè)功能的失效率,依次類(lèi)推,可以評(píng)估出每個(gè)功能失效的失效率。

1.2.3 構(gòu)建子系統(tǒng)故障域—故障后操作域

子系統(tǒng)故障域—故障后操作域之間的映射關(guān)系為

式中:{MP}f×1為故障后操作域向量；{EF}p×1為子系統(tǒng)故障域向量；[C]p×f為映射矩陣。

這里假定公式（3）中的矩陣元素[C]p×f是相應(yīng)的操作步驟所使用的時(shí)間（單位為min）,則映射矩陣[C]p×f中的每一行元素和即是某個(gè)子系統(tǒng)故障后操作所使用的時(shí)間總和,tfailure=再根據(jù)操作規(guī)程查詢對(duì)應(yīng)功能無(wú)故障時(shí)的正常時(shí)間tnormal,進(jìn)而可得到該子系統(tǒng)故障后對(duì)運(yùn)行的延遲時(shí)間,即

再根據(jù)圖1,從右往左分析,結(jié)合公式（1）、（2）、（3）可以得到可用性需求的失效率,并通過(guò)文獻(xiàn)［9］中公式可以評(píng)估出系統(tǒng)的運(yùn)行服務(wù)可用性。整體分析流程見(jiàn)圖2。

圖2 分析流程圖

2 車(chē)車(chē)通信信號(hào)系統(tǒng)可用性分析

2.1 車(chē)車(chē)通信信號(hào)系統(tǒng)

車(chē)車(chē)通信信號(hào)系統(tǒng)主要包含列車(chē)自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)、目標(biāo)控制器、車(chē)載子系統(tǒng)、軌旁列車(chē)管理器、軌旁資源管理器、數(shù)據(jù)通信系統(tǒng),以及信標(biāo)等其他軌旁設(shè)備。其中,列車(chē)自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)主要負(fù)責(zé)監(jiān)督和控制列車(chē)的運(yùn)營(yíng),如運(yùn)行調(diào)整、操作控制等功能；目標(biāo)控制器負(fù)責(zé)軌旁設(shè)備的驅(qū)動(dòng)與狀態(tài)采集等功能；車(chē)載子系統(tǒng)負(fù)責(zé)列車(chē)位置計(jì)算、路徑規(guī)劃及資源申請(qǐng)與釋放等功能；軌旁列車(chē)管理器主要管理臨時(shí)限速和非通信列車(chē)等；軌旁資源管理器負(fù)責(zé)軌旁資源分配與回收等功能；數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)負(fù)責(zé)軌旁設(shè)備間、列車(chē)與地面設(shè)備間、車(chē)與車(chē)間的雙向?qū)崟r(shí)通信等；其他軌旁設(shè)備負(fù)責(zé)定位或人員防護(hù)等功能。

本文以某一特定應(yīng)用的車(chē)車(chē)通信信號(hào)系統(tǒng)為工程案例,分析其可用性水平。

2.2 子系統(tǒng)故障域—故障后操作域

考慮到子系統(tǒng)故障域-故障后操作域涉及較多場(chǎng)景,本文僅以列車(chē)在兩站中間時(shí)連續(xù)2個(gè)信標(biāo)故障為例,展示具體實(shí)施過(guò)程,見(jiàn)表1。車(chē)載子系統(tǒng)、道岔、目標(biāo)控制器、通信等其他子系統(tǒng)的實(shí)施過(guò)程與表1相同,這里不贅述。

表1 連續(xù)2個(gè)信標(biāo)故障的延遲時(shí)間分析

2.3 功能失效域—子系統(tǒng)故障域

本文主要考慮關(guān)鍵子系統(tǒng)的故障與系統(tǒng)功能失效之間的關(guān)系,見(jiàn)式（5）。

矩陣中的失效率指標(biāo)依據(jù)IEC標(biāo)準(zhǔn)理論計(jì)算,僅供參考。

2.4 運(yùn)行服務(wù)可用性需求域—功能失效域

根據(jù)各子系統(tǒng)故障域—故障后操作域以及公式（5）,可得到系統(tǒng)的運(yùn)行服務(wù)可用性需求域與功能失效域之間的關(guān)系,矩陣中的失效率是某功能失效對(duì)運(yùn)行延誤的影響,不會(huì)造成延誤的矩陣元素為0,見(jiàn)公式（6）。

式中[A ]m×n為

矩陣[A]m×n中的元素可根據(jù)表1的方法分析各子系統(tǒng)故障對(duì)運(yùn)行服務(wù)的延誤影響,以及公式（5）中子系統(tǒng)故障造成功能失效的失效率綜合得出,即表示功能失效對(duì)運(yùn)行服務(wù)可用性是否有影響,以及影響程度。

3 車(chē)車(chē)通信與車(chē)地通信信號(hào)系統(tǒng)運(yùn)行服務(wù)可用性對(duì)比

本文分別從運(yùn)行服務(wù)延誤、維修與可用性定量評(píng)估的角度對(duì)車(chē)車(chē)通信與車(chē)地通信信號(hào)系統(tǒng)進(jìn)行對(duì)比分析。

3.1 運(yùn)行服務(wù)延誤對(duì)比

本文選取列車(chē)運(yùn)行至兩站中間時(shí)車(chē)載子系統(tǒng)故障以及列車(chē)剛剛離站時(shí)地面控制器（車(chē)車(chē)通信信號(hào)系統(tǒng)的軌旁列車(chē)管理器和車(chē)地通信系統(tǒng)的線路控制器）故障2個(gè)場(chǎng)景,對(duì)車(chē)車(chē)通信與車(chē)地通信信號(hào)系統(tǒng)的延誤時(shí)間進(jìn)行對(duì)比分析,分別見(jiàn)表2和表3。

從表2可知,若車(chē)載子系統(tǒng)在兩站之間故障時(shí),對(duì)于車(chē)地通信系統(tǒng)需要在緊急制動(dòng)后等待調(diào)度員授權(quán),而車(chē)車(chē)通信信號(hào)系統(tǒng)不需要等待調(diào)度員授權(quán)即可切換模式運(yùn)行到下一站,在該場(chǎng)景下,車(chē)車(chē)通信信號(hào)系統(tǒng)能減少故障對(duì)運(yùn)行服務(wù)延誤的影響。

表2 車(chē)載子系統(tǒng)故障時(shí)車(chē)車(chē)通信與車(chē)地通信延誤時(shí)間對(duì)比分析

從表3可知,車(chē)車(chē)通信信號(hào)系統(tǒng)的軌旁列車(chē)管理器與車(chē)地通信的線路控制器功能相似,在列車(chē)剛剛離站時(shí),軌旁列車(chē)管理器故障后,無(wú)需觸發(fā)緊急制動(dòng),可直接控制列車(chē)低速運(yùn)行；而線路控制器故障后則需觸發(fā)緊急制動(dòng),等待授權(quán)后切換模式運(yùn)行,在該場(chǎng)景下,車(chē)車(chē)通信信號(hào)系統(tǒng)對(duì)運(yùn)行服務(wù)延誤的影響更小。

表3 地面控制器故障時(shí)車(chē)車(chē)通信與車(chē)地通信延誤時(shí)間對(duì)比分析

3.2 運(yùn)行服務(wù)鏈路與維修對(duì)比

與傳統(tǒng)的車(chē)地通信信號(hào)系統(tǒng)相比,車(chē)車(chē)通信信號(hào)系統(tǒng)減少了聯(lián)鎖機(jī)柜及機(jī)柜間的接口、線纜、繼電器等軌旁設(shè)備數(shù)量,而繼電器易受環(huán)境影響且有電氣壽命限制,極大地增加了系統(tǒng)故障率與維修成本。車(chē)車(chē)通信信號(hào)系統(tǒng)因?yàn)闇p少了這些軌旁設(shè)備與接口數(shù)量,從而降低了備品備件的數(shù)量以及人工維修成本。另外,傳統(tǒng)的車(chē)地通信信號(hào)系統(tǒng)中移動(dòng)授權(quán)信息傳輸需要經(jīng)過(guò)區(qū)域控制器,而車(chē)車(chē)通信信號(hào)系統(tǒng)可通過(guò)車(chē)車(chē)之間直接交互信息自行計(jì)算移動(dòng)授權(quán)信息［10］,極大地縮短了移動(dòng)授權(quán)更新時(shí)間。

3.3 運(yùn)行服務(wù)可用性定量指標(biāo)對(duì)比

本文以某項(xiàng)目的線路配置為例,利用公式（6）中車(chē)車(chē)通信的自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)、目標(biāo)控制器、車(chē)載子系統(tǒng)、數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)與軌旁資源管理器等子系統(tǒng)的失效率,結(jié)合維修時(shí)間及可用性計(jì)算公式［9］,定量分析了車(chē)車(chē)通信信號(hào)系統(tǒng)運(yùn)行服務(wù)可用性水平；同理,按照此車(chē)車(chē)通信項(xiàng)目的線路配置,配置車(chē)地通信信號(hào)系統(tǒng)的線路,參照車(chē)車(chē)通信信號(hào)系統(tǒng)運(yùn)行服務(wù)可用性定量分析的方法,根據(jù)車(chē)地信號(hào)系統(tǒng)中的車(chē)載子系統(tǒng)、線路控制器、聯(lián)鎖系統(tǒng)、繼電器等子系統(tǒng)的失效率與維修時(shí)間,利用可用性計(jì)算公式［9］可得車(chē)地通信信號(hào)系統(tǒng)的運(yùn)行服務(wù)可用性水平,其對(duì)比見(jiàn)表4。

表4 某工程案例同配置下的運(yùn)行服務(wù)可用性評(píng)估結(jié)果%

4 結(jié)論及建議

1）本文通過(guò)對(duì)車(chē)車(chē)通信信號(hào)系統(tǒng)的車(chē)載設(shè)備、軌旁設(shè)備等各個(gè)系統(tǒng)故障的延誤影響分析,為信號(hào)系統(tǒng)的故障延誤影響分析提供了一種分析思路和方法,并為其運(yùn)行服務(wù)可用性水平評(píng)估提供了指導(dǎo)依據(jù)。

2）從運(yùn)行延誤、運(yùn)行服務(wù)鏈路與維修,及運(yùn)行服務(wù)可用性的定量分析角度,可知車(chē)車(chē)通信信號(hào)系統(tǒng)的運(yùn)行服務(wù)可用性水平相比車(chē)地通信信號(hào)系統(tǒng)有較大的提升。

3）車(chē)車(chē)通信技術(shù)用于信號(hào)系統(tǒng),其運(yùn)行服務(wù)的可用性水平仍是未來(lái)系統(tǒng)設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)關(guān)注的重點(diǎn)。根據(jù)研究分析過(guò)程提出以下建議:①由于軌旁驅(qū)動(dòng)與狀態(tài)采集、軌旁設(shè)備間數(shù)據(jù)通信等功能失效導(dǎo)致的運(yùn)行延誤時(shí)間大于15 min,系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)著重提高其可靠性,且可考慮在線路上配置備用的軌旁資源管理器；②設(shè)備的失效率會(huì)影響系統(tǒng)的可用性,故應(yīng)選擇可靠性高的設(shè)備；③建議設(shè)計(jì)人員關(guān)注故障在線檢測(cè)與模式切換方式,考慮檢測(cè)到故障并成功切換模式所需的時(shí)間與授權(quán)的時(shí)間,從而縮短延誤時(shí)間。