車-車通信與車-地通信信號系統方案可靠性分析對比

李 梅

（卡斯柯信號有限公司，上海 200435）

1 概述

為減少信號系統的子系統或者設備的潛在失效，提高信號系統的運行服務能力，對信號系統的可靠性水平開展評估。對早期發現系統架構設計和設備選型中可能存在的薄弱環節，采取有效的預防措施，減少系統故障對運行服務的影響。可靠性框圖建模作為一種可靠性分析模型，形式簡單且直觀，被其他行業廣泛使用，如文獻[1-4]中使用的可靠性框圖開展的可靠性分析。故本文以某一線路的配置分別對車-車通信信號系統與車-地通信信號系統開展可靠性評估。

2 可靠性框圖概念

可靠性框圖是從系統故障規律認知的角度，對系統及其組成部件進行建模，反應系統主要故障特征[5]，用來描述系統與其組成單元之間的可靠性邏輯關系，用于預計或估算系統的可靠性與可用性。可靠性模型是開展可靠性設計分析的基礎，也是進行系統維修性和可用性設計分析的前提。在繪制可靠性框圖時本文有以下假設條件。

1）假設系統或系統單元是兩態的，即假設系統的組成單元或者可靠性框圖代表的單元只存在兩個狀態：工作和不工作兩個狀態。

2）可靠性框圖繪制時暫不考慮維修問題；為簡化問題，通常假設，修復后的系統其可靠性水平與首次故障前相同。

3）本文的可靠性框圖不包含軟件，假設軟件完全可靠。

4）假設所有單元的壽命均服從指數分布，單元內的所有故障都能導致本單元功能故障。

根據工作經驗總結，梳理了可靠性框圖的繪制流程，如圖1 所示。

圖1 可靠性框圖繪制流程Fig.1 Flowchart of reliability block diagram drawing

1）確定系統任務與功能：系統的不同功能可能完成不同的任務，對不同的任務其可靠性框圖可能是不同的，故應通過確定系統任務和功能分析，建立一個能包括所有功能的系統可靠性框圖。

2）確定系統組成：根據系統架構描述可以簡單繪制出系統的“組成方框圖”，圖中的每一個方框代表一個獨立的功能單元，還應明確本系統的對外接口關系。

3）確定系統工作模式：確定系統中的單元是否存在可替換的工作模式。

4）確定故障判據：確定任務失敗的條件，對于能夠導致任務失敗的性能參數，必須對其做出全面的描述，并明確這些性能參數允許的上下限。

5）明確建模層級與單元：根據1）和2）確定系統的單元組成及功能，并結合系統的維修級別確定可靠性框圖繪制的深度，一般是從系統級開始，自上而下逐層展開，分解到電路板卡級即可，因為電路板的下一級組成單元時元器件，不適合也不能再分。

6）建立并標識可靠性單元方框：可以借助工具繪制代表功能單元的可靠性單方框，并將功能單元名稱直接標在對應的方框中。

7）連線單元方框：在可靠性框圖中，方框之間的連線無可靠性值，但系統中的導線、電纜具有可靠性值，可將其合并在一個單獨的方框中，或者并入所在的單元方框。

8）明確未列入可靠性模型的單元：為簡化系統可靠性模型，對于功能次要的單元，即使失效，也不會危及任務成功的單元可以不反映在可靠性框圖中，也可以用“未列入模型單元清單”的形式附在可靠性框圖下面，給出未繪制進去的理由即可。

3 車-地通信信號系統與車-車通信信號系統的架構差異分析

車-地通信信號系統主要由列車自動監控子系統、車載子系統、聯鎖子系統、數據通信、線路控制器、區域控制器、軌旁電子單元、有源信標、無源信標、計軸和信號機等其他軌旁設備組成。

車-車通信信號系統主要有列車自動監控子系統、車載子系統、目標控制器、軌旁資源管理器、無源信標、以及數據通信系統。

車-車通信信號系統相比于傳統的車-地通信信號系統首先在架構上縮減了軌旁設備。如有源信標、軌旁電子單元等不再設置，信號機的應用數量大幅縮減，計軸目前已發布的方案也只在邊界處設置，線路內部不再設置計軸，未來方案不再設置計軸；其次，目前應用的目標控制器替代聯鎖子系統，可根據線路靈活配置板卡，縮減了應用機柜與繼電器的數量。

4 車-地通信信號系統可靠性分析

車-地通信信號系統需要地面設備通過車-地通信交互來告知車載設備其他列車的信息，其主要設備有列車自動保護子系統、列車自動駕駛子系統、列車自動監控子系統、聯鎖子系統、數據通信、線路控制器與區域控制器及其他軌旁設備等。本文通過對某一線路的車-地通信信號系統的架構、功能故障分析及設備數量配置情況繪制其可靠性模型。單元故障會導致2 min 以上晚點的系統可靠性模型如圖2 所示，單元故障會導致運行晚點5 min 以上的系統可靠性模型如圖3 所示。

圖3 基于車-地通信導致5 min以上晚點的信號系統可靠性模型Fig.3 CBTC system reliability model in which faults cause delays of more than 5 minutes

5 車-車通信信號系統可靠性分析

基于車-車通信技術的信號系統在軌道交通已先行開展研究多年。車-車通信系統的特征為車載設備自行計算本車輛的行車授權信息，通過車與車之間直接通信和協同控制，實現以車輛為中心的雙向無線通信。軌旁設備數量減少，使得系統接口簡約化，數據信息傳輸路徑減少，操作方式更靈活，提高了系統運行效率，大幅降低信號系統投入成本和方便后期維護[6]。

由文獻[6-7]可知，車-車通信信號系統主要包含列車自動監控系統、目標控制器、車載子系統、軌旁資源管理器、應答器以及數據通信系統。列車自動監控系統與車載子系統連接，相鄰列車的車載子系統相互通信連接。此外在列車發生故障時，由軌旁資源管理器負責故障列車的接管，繼續維護故障列車的位置信息及對外接口，不會造成通信列車降級運行，減少故障對運營的影響。本文通過對某一線路的車-車通信信號系統的架構、功能故障分析及設備數量配置情況繪制其可靠性模型。單元故障導致2 min 以上晚點的系統可靠性模型如圖4 所示，單元故障導致運行晚點5 min 以上的系統可靠性模型如圖5 所示。

圖4 基于車-車通信導致2 min以上晚點的信號系統可靠性模型Fig.4 TACS system reliability model in which faults cause delays of more than 2 minutes

圖5 基于車-車通信導致5 min以上晚點的信號系統可靠性模型Fig.5 TACS system reliability model in which faults cause delays of more than 5 minutes

6 兩種信號系統的可靠性分析與比較

根據第4、5 章節的可靠性模型，結合某具體項目的線路配置、子系統的故障率及可靠性計算公式[8]，可得某特定應用項目延遲2 min 以上的車-地通信信號系統的各子系統故障率結果如表1 所示，車-車通信信號系統的各子系統故障率結果如表2所示。某特定應用項目的車-車通信信號系統與車-地通信信號系統的可靠性比較結果如表3 所示。

表1 某特定應用項目的車-地通信信號系統的各子系統故障率Tab.1 Failure rate of subsystems of CBTC system for a specific application project

表2 某特定應用項目的車-車通信信號系統的各子系統故障率Tab.2 Failure rate of subsystems of TACS system for a specific application project

表3 配置近似情況下車-車通信信號系統與車-地通信信號系統可靠性對比結果Tab.3 Results of reliability comparison between TACS system and CBTC system with similar configurations

表1 ～3 中的數據是考慮線路上子系統設備數量的，非單套子系統數據，且只考慮硬件故障率。

從表3 可知，線路配置近似情況下，車-車通信信號系統導致延誤2 min 以上的故障率與車-地通信信號系統相比降低了71.33%，導致延誤5 min 以上的故障率降低了38.30%。

7 結論及建議

本文通過繪制車-車通信信號系統與車-地通信信號系統的可靠性框圖與模型，評價與比較了兩種系統架構下的可靠性水平。通過對某一特定應用項目的分析可知，在線路配置近似的情況下，車-車通信信號系統的故障率略低于車-地通信信號系統的故障率，進而說明車-車通信信號系統的可靠性水平相較于車-地通信信號系統有提升。

車-車通信技術用于信號系統，其可靠性水平仍是未來系統設計和實現關注的重點。不管是車-車通信信號系統還是車-地通信信號系統中涉及到的設備：目標控制器、冗余骨干網的設備、軌旁資源管理器、車載子系統及聯鎖子系統等故障會導致運行晚點5 min 以上，故在設計時應著重考慮其可靠性設計；且外購的設備應在選型時，選擇可靠性水平高的設備；應對故障會導致5 min 以上的子系統或設備加強故障可檢測性設計與故障隔離設計，提高在線故障隔離率與故障檢測覆蓋率，避免線網級運行服務能力下降發生。