（安全技术及工程专业论文）城市轨道交通ATP安全可靠性分析及安全措施.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第页 a b s t r a c t u r b a nt r a n s i ts y s t e ma u t o m a t i o nt m i np r o t e c t i o n 船a l li m p o r t a n tf a c t o r t op r o t e c tt r a i ns a f e t y t h er e l i a b i l i t yo f a u t o m a t i o nt r a i np r o t e c t i o ni sa s k e d v e r yh i g h ，w h i c ht ob ep a ym u c ha t t e n t i o n t h i st h e i s ms t a r ta tt h es t r u c t u r e t y p ea n dw o r kp r i n c i p l eo fu r b a n t r a n s i ta u t o m a t i o nt r a i np r o t e c t i o n a n dg i v ee m p h a s i z et os t u d yt h e r e l i a b i l i t yo f o n - b o a r dj 蛆pi n t r o d u c es t r u c t u r ea n dw o r kp r i n c i p l eo f t h el c f m o d e la t p , w h i c ha r ea c t i n gi nt h en u m b e ro n el i n eo fs h e n z h e n u n d e r g r o u n d f o rs t u d y i n gt h er e l i a b i l i t yo fo n - b o a r dl c fm o d e la 邛f a r t h e r , n l a k e m a r k o vs t a t et r a n s f e r m o d e l i n g ，c a l c u l a t e t h ev a l u eo fi n s t a n t a n e o u s a v a i l a b i l i t ya n ds t e a d ya v a i l a b i l i t yo fa t p u n i tw h i c h a c tt h ee n dw i t ht w o s a m ee q u i p m e n t a n dc a l c u l a t e t h es t e a d ya v a l l a b i h t yo ft h ew h o l el c f m o d e l i n ga ：ma f t e rt h ee x a m p l ec a l c u l a t i o n ，p r o v et h a tt h er e l i a b i l i t yo ft h e l c fm o d e l i n g a t pi sv e r yh i g h ，w h i c hc a ns a t i s f yr e q u i r eo f t r a i ns a f e t y t h et h e i s mp u tf o r w a r da n da n a l y z es o m ef a c t o r sw h i c hi n f l u e n c et r a i n s a f e t y , t om a k es u r et h a tt h e s ef a c t o r s i n f l u e n c ea b i l i t y f o rt r a i ns a f e t y , t h e t h e s i su s et w o - t w oc o m p a r ew a yt og e ti t t h e np u tf o r w a r dc o r r e s p o n d i n g s e t t l ew a y f i n a l l y ，i no r d e rt oa r r a n g er a t i o n a lt i m e f d re x a m i n ea n dr e p a i r , a c c o r d i n ga sc a l a m i t i e sg r e yp r e d i c t i o n , p r e d i c t i o nt h ep e r i o do ft i m eo f f a i l u r er a t ea b n o r m i t y k e yw o r d s ： a u t o m a t i o nt r a i np r o t e c t i o n ；r e l i a b i l i t y ；c a l a m i t i e sg r e y p r e d i e t i o n 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 1 1 课题背景 第1 章绪论 随着城市经济、文化活动的发展，城市交通问题日益突出，带来一系 列的问题，如交通阻塞、车速下降、事故频繁发生、汽车排放的尾气和噪 声等对环境的污染等。为了缓解城市交通压力和解决这一系列的问题，地 下铁道、轻轨铁路等城市轨道交通应运而生。从1 8 6 3 年英国伦敦第一条 地铁投入使用后，1 0 0 多年来，城市轨道交通在全世界蓬勃发展。在我国， 北京、广州、上海等特大城市轨道交通已经运行多年，收效很好，在一般 的大城市，如深圳、南京、重庆、成都等也已经运营或开始修建轨道交通。 可以预计，未来的几十年内城市轨道交通将会得到更大的发展。 城市轨道交通以其运送量大、快速、正点、低能耗、少污染、乘坐舒 适和安全著称。在轨道交通系统中，列车车速不高，但站间距离短，列 车追踪运行的时问间隔小，一般间隔为2 - 3 m i n ，甚至更短。以如此短的 时间间隔行车，既要保证行车安全，又要保证行车的效率和准确性，对于 硬件( 这里的硬件是指保证轨道交通正常运行的列车和地面设备及其配件) 的可靠性要求就非常高。为了保证轨道交通系统中各种设备的正常运行， 减少故障、事故和突发事件的发生，应尽可能地利用最先进的技术装备和 高科技手段“1 。目前国内在这方面几乎都采用列车自动控制系统 ( a u t o m a t i o nt r a i nc o n t r o l ，简称a t c ) 。a t c 由列车超速防护子系统 ( a u t o m a t i o nt r a i np r o t e c t i o n ，简称a t p ) 、列车自动操作子系统 ( a u t o m a t i o nt r a i no p e r a t i o n ，简称a t o ) 和列车自动监督子系统 ( a u t o m a t i o nt r a i ns u p e r v i s i o n ，简称a t s ) 三部分组成。在自动控制系统 中，超速防护子系统本身就是保证行车安全的主要组成部分。 a t p 子系统可以自动检测列车的位置和实现列车间隔控制，以满足 规定的通过能力，连续监视列车的速度，实现超速防护。a t o 子系统实 际上是地对车的控制，使列车随时处于最佳的运行状态。a t s 是对列车 的监督运行，其作用是后发性的。 列车自动防护系统在城市轨道交通中承担着确保行车安全的重要职 责，是保证列车速度安全的系统。目前世界各国研发了不同型号的a t p ， 这些不同类型的a t p 在世界各国和地区被广泛的使用，无论什么类型的 a t p ，其作用大致都是一样，都是起着维护列车安全的作用，实现超速防 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 护的功能。它可以进行停车点防护、速度监督与超速防护、列车间隔控制 和车门控制等。 1 2 国内外现状 世界各地和我国使用了不同型号和种类的a t p ，比如：在日本的 t o h o k u 的新干盛冈h a c h i n o h c 的延长线上使用的是日立公司的集成 数字列车自动防护系统；在英国伦敦地铁中央线a t p 系统采用的是英国 西屋信号有限公司( w s l ) 开发的，基于无绝缘轨道电路( j t c ) 的固定闭塞 a t p 系统，包括a t p 轨旁设备和a t p 车载设备”1 ；另外在我国，上海轨 道交通1 号线采用了美国g r s 公司( 现为a l s t o m 公司的一部分) 的a t p 系统，上海轨道交通2 号线采用了美国u s s 公司的技术，上海轨道交通 3 号线( 明珠线一期) 采用了法国a l s t o m 公司的a t p 技术，而上海轨道 交通5 号线( 莘闵轻轨线) 采用了德国s i e m e n s 公司的设备；在a t p 的 研发上，国家“八五”科技攻关项目也致力于研发出安全可靠和先进的 a t p 系统，所研发的l c f 列车超速防护系统已投入使用中，而且还进行 了改进和升级换代，现已经有l c f 9 6 i i 型，我国一系列的a t p 被使用于 我国的地铁建设和运营中，例如深圳地铁“1 。 目前，国内外对于轨道交通自动控制系统的安全研究，主要集中在轨 道交通自动控制系统的三个子系统( a r p 、a t o 、a t s ) 各自的研究提高 方面。实际上各子系统结合起来，本身既可以使列车具有最大的通过能力， 又是使列车安全运行的重要保证。 对于a t p 的安全研究也主要集中在两个方面：一是自身硬件的性能 提高：二是安全可靠性的研究。 la t p 各子系统的硬件性能提高：现有的研究中多着重于每个子系 统的优化和精准度的提高，重视硬件的作用，有些系统采用冗余的方法， 保证其可靠性。这类研究属于提高可靠性的研究，不论如何提高其可靠性， 安全的保障都是人、机、环境共同作用的结果，任何一个极小的错误都会 导致不安全的事故发生。 2 对于系统安全失效的研究：传统的安全失效分析是不精确的，但它 可以预测安全事件的统计可能性。这类方法是属于预防性的，提出可能会 发生的情况，针对每类可能会导致安全隐患的情况给予预防，但对何时会 发生不安全的事件不能给出定论。 。 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 1 3 课题研究的实际意义 城市轨道交通车辆使用自动控制系统，行车调度员的作用主要为监控 运行，列车司机的作用为开关车门、启动列车和监控运行。整个列车自动 控制系统的可靠性很高，一般情况下不会发生失效，如果发生失效情况， 工作人员在时间允许和反应及时的情况下，可以手动操控列车以保证安全 行车。但是在自动控制系统失效的情况下，工作人员如果存在反应不及时 或注意力不集中等情况，将会导致事故的发生。 超速防护系统本身的目的是为了保证列车安全，那么自身的可靠性要 绝对的高，这才能使运营安全高效，才能使乘客放心乘坐。所以可靠性的 高低非常重要，因此，如何证明a t p 可靠性很高，分析并得出a t p 可靠 性值是一个重要的手段。 无论a t p 的可靠性有多高，但不是1 0 0 的可靠，总会有发生故障的 时候。故障是如何引起的? 引起故障的主要原因是什么? 如果能找出引起 故障主要的原因，那么就能够针对这些原因预先进行防范，就能起到事半 功倍的作用。 硬件及设备总有损坏的时候，损坏时期是未知的，如果能预先得知硬 件或设备可能的寿命和大致损坏期，则可提早告知检修工作人员，及时地 进行防患，修理和更换硬件和设备，则可降低不安全事故的发生率。进一 步再提出影响因素，给出相应的预防措施，能加强轨道交通的行车安全。 1 4 论文的结构 第一章绪论。主要介绍论文的研究背景，论文研究的实际意义， 介绍国内外研究现状，给出论文的总体结构。 第二章a t p 系统构成和工作原理。介绍a t p 系统的功能，a t p 共分为三类，分别阐述它们的结构和工作原理，并就三种类型的a t p 优 劣做出了比较。 第三章l c f 型a t p 系统可靠性分析。介绍l c f 型a t p 的结构和 工作原理；在安全失效准则下，利用双机并联转移状态模型，分析并 联单元在浴盆曲线损耗失效期的双机并行可靠性，在此基础上分析整个系 统的可靠性。 第四章a t p 系统可靠性的影响因素及各因素的影响程度。导致 不安全行车行为的因素是属于人、机、环境的，给出属于人、机、环境的 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 具体因素，并就每一种因素对不安全行车造成的影响给予分析排序，以便 于更好地防止行车事故的发生。 第五章加强a t p 系统可靠性的方法。针对可能导致不安全行车 的具体因素，给出具体的解决办法。尤其是针对硬件的检修失误过多，采 用了灰色灾变理论的方法，预测出同种类硬件设备可能出现的失效率异常 情况时段。 结束语。总结了论文的研究成果、特点和不足之处，提出了下一步需 要深入研究的问题。 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 第2 章a t p 系统构成和工作原理 城市轨道交通列车自动控制系统a t c 系统包括列车超速防护a t p 、 列车自动驾驶a t o 和列车自动监控a t s 三个子系统。a t o 的主要功能 是使列车随时都处于最好的运行状态；a t p 子系统可以自动检测列车的 位置和实现列车间隔控制，连续监视列车的速度，实现超速防护；a t s 是对列车的监督运行，其作用是后发性的。轨道交通系统使用列车自动控 制系统后，行车调度员的作用只为监控运行，列车司机的作用为开关车门、 启动列车和监控运行，可见列车自动控制系统是一个智能化程度非常高的 系统。从它们的主要功能可以看出，这3 个子系统是相辅相成的，a r p 自身作用就是保证行车安全。 2 1a t p 系统的功能 1 停车点防护 停车点有时就是危险点，危险点是一点都不能超越的点，例如车站 内有车的时候，车站的起点就是危险点。为了保证行车安全，在停车点的 前方需要设置一个安全区段，也就是防护段。其长度由运行条件以及列车 的性能决定，a t p 系统根据其条件计算出一个制动曲线，保证列车不会 超越危险点。 v 一 。、 。 图2 - 1 安全停车点的防护曲线图 2 超速防护 在城市轨道交通中的限速分为两种：一种是固定速度限制，如区间最 大允许速度或最大允许度，前者由线路参数决定，后者由列车自身物理特 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 性决定；另一种是临时性的限速，如线路临时维修等情况。a t p 系统始 终地监视这类限制速度不被超过。一旦超过，先发出警告，然后启动紧急 制动，并做记录”。 3 列车安全间隔控制 城市轨道交通行车密度高，所以a t p 系统要在相应的闭塞方式下保 证列车的安全运行间隔。目前城市轨道交通的a t p 系统大多是在移动闭 塞方式下保证列车的安全问隔。 4 测速与测距 a t p 系统通过准确的测速，可精准地定位列车的位置。a t p 系统利 用装在轮轴上的测速传感器测量列车的即时车速，传递给车载设备，在驾 驶室内显示出来“1 。 5 车门控制 a t p 在车门控制方面的主要功能”是： ( 1 ) 防止列车在站外打开车门； ( 2 ) 防止列车在站内打开非站台侧的车门； ( 3 ) 访止在车门打开时列车启动。 a t p 系统检查所有的安全条件都符合时，才会给出命令打开车门。 2 2a t p 系统的结构、分类和工作原理 2 2 1a t p 系统的结构 a t p 系统主要包括2 个部分：车载设备和地面设备。a t p 系统要正常 地工作运行，需要其他几个单位、单元的支持与配合，这些单位和单元包 括控制中心、信息传输通道和进路控制单元等“。它们相互之间以及与a t p 之间的关系如图2 - 2 所示。 ( 1 ) 控制中心在不同类型的控制方式中，a t p 作用稍有不同，控制 中心所做的工作内容也相应的有所不同。一种情况是：控制中心储存了线 路的固定数据，例如区间的线路布置图、坡度、缓行段的位置及长度等。 沿线的信号显示、道岔位置及其他控制对象的信息不断经由联锁装置传回 到控制中心，另外列车也会将其数据，例如制动率、车长，实时速度和所 在位置等，传回给控制中心，控制中心内的计算机就会根据这些数据计算 出此时列车所允许的最大速度，再将此速度值的信息传给列车。即所有信 息传递到控制中心后，控制中心需要计算列车允许的最大的速度；另一种 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 情况是控制中心将有关的信息，例如线路坡度、目标点距离和目标点速度 等传给机车，机车的车载计算机就负责计算此时列车所允许的最大速度， 使速度测量、速度计算、速度比较和速度调整在机车上形成控制闭循环。 在本论文中，主要讨论的是第二种制式的控制中心，第一种基本不做讨论。 图2 - 2a t p 与相关单元的关系图 ( 2 ) 进路控制单元接收来自控制中心的控制命令，控制信号机显示 及道岔的位置。 ( 3 ) 信息传输通道主要用作信息的传输。在不同的信息传输方式的 a t p 中，分别由轨道电路和电缆作为信息的传输通道。例如数字式无绝 缘轨道电路除提供列车定位信息、检测列车占用之外，还担负着a t p 信息 的地对车传递及断轨检查”。 ( 4 ) 车载设备接收轨道电路传递的各种信息，然后生成列车的信息 控制曲线，将允许的速度与实际测量速度作比较，监督列车运行，一旦超 速就会发出各种制动命令。车载设备具有各种输入输出接口，与司机驾台、 牵引制动装置、测速度和距离单元以及显示记录单元等联系”1 。 2 2 2a t p 系统工作的分类 a t p 按其信息的传输方式、车载设备与地面信息交换方式的不同可 以分为两大类，一是点式：二是连续式。连续式又可以分为两种：采用轨 间电缆的连续式a r p 和采用轨道电路的连续式a r p 。这三小类型的a t p 在世界各国的轨道交通史中都有使用。在同一轨道交通中，有时并不是单 一地使用同一类型的a t p ，可能是两种方式并用，这样更能保证整个行 车过程的安全。目前使用最多的有两种情况：是单独使用轨道电路的连 续式a t p ；二是轨道电路的连续式加点式的混合型a t p 。 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 2 2 3 点式a t p 的工作原理 点式列车超速防护系统信息的传输是点式的，用车载计算机实现信息 的处理，最后达到列车速度防护目的的系统。 在结构上主要分为地面设备( 主要是地面应答器) 和车载设备，如下 图所示： a t p 总续 信号机或联锁设备 图2 - 3 点式a t p 结构原理图 地面应答器又由三个部分组成：电源接收装置、e p r o m 可编程存储 器和发送设备。存储器事先存入一些防护区间的固定数据，例如目标点的 距离，区间的坡度、线路的曲半径和区间线路最高的允许速度等，以及地 面实时输入的数据。当列车驶过应答器的上方时，地面的应答器就将数据 传递给车载设备。机车设备获得地面应答器的信息后，根据车载计算机内 事先预存的自重，车长和制动率等列车自身数据，以及轮脉冲获得的实时 速度，列车计算机根据预存在内的算法计算出本信息点与目标点之间的速 度曲线，此速度曲线作为a t p 系统对列车速度监控的依据。 西南交通大学硕士研究生学位论文第9 页 2 2 4 采用轨问电缆的连续式a t p 的工作原理 整条线路设置一个控制中心，在此控制中心内，预先存储一些线路的 固定的数据，例如区间的线路布置图、坡度、曲半径、缓行情况等；此外 通过联锁设备，实时地将沿线的信号、道岔等信息传入控制中心。同时， 列车将自身的数据，如车长、制动率、所在位置和实时速度，通过轨间电 缆传入控制中心。控制中心根据其预先存储的固定算法计算出实时的列车 允许速度。或者由车载计算机直接计算列车允许速度。计算方式是： 1 ，允许= 压赢( m s ) ( 2 2 1 ) 式中6 列车的减速度( m s 2 ) j 目标点的距离( ) 图2 - 4 采用轨间电缆的连续式超速防护系统原理图 2 2 5 采用轨道电路的连续式a t p 的工作原理 这种方式的超速防护系统的原理与点式、采用轨间电缆a t p 基本相 同。唯一不同的是，这种方式的车载a t p 部分的主要任务是根据来自地 面中心的数据与预先储存的列车数据计算列车实时最大允许速度，将此最 大允许速度与来自轮脉冲发生器( o p g ) 的列车此时刻的实际速度数据做 比较，超过允许速度时，报警后启动制动器。在司机驾驶台上给出一系列 必要的显示，如允许速度、此时刻的实际速度、目标点距离、目标点速度 等。 西南交通大学硕士研究生学位论文第l o 页 图2 5 轨道电路超速防护系统结构图”1 2 3 三种方式的a r p 优缺点比较 三种方式的a t p 都有自身的优点和缺点，国内外的轨道交通使用的 a t p 类型多种多样，但目前大都使用音频轨道电路作为信息传输方式， 一些地铁还加上点式a t p 作为辅助。我国的一些轨道交通系统也采用此 种方式，如深圳地铁，即主要采用轨道电路的连续式a t p 系统加点式a t p 系统。 2 3 1 点式a 船的优缺点 点式a r p 的最大的优点是成本低，可靠性高，而且安装、使用和维 修都比较方便。如果点式的a t p 用于辅助连续式的a t p ，轨道交通行车 安全等级将会比使用任何单独的制式的a t p 要高。 点式与连续式相比，信息传递是间断的，无法及时更新信息，当列车 从一个目标点获得信息后，无法获取本目标点距下一个目标点之间地面信 息，只有到达一个目标点后，地面信息才可以更新。如果一列列车在一个 目标点获取信息后，需要减速或停车，车载设备就会发出减速或停车命令， 一旦前面目标点的情况发生改变，无法在第一时间传递给列车，此列车就 会一直按照低速行驶或者停车在原地不动，直到进入下个目标点获取新 的信息或者控制中心的人员告知可以开动，列车才会正常行驶，这样就大 西南交通大学硕士研究生学位论文 。 第l l 页 大的降低了行车的效率。这种方式虽然不会影响安全，但对列车运行的高 效性造成很大的影响。 2 3 2 采用轨间电缆连续式a t p 的优缺点 采用轨间电缆连续式a t p 的最大的优点就是可以克服点式a r p 的 弊病，车载设备与地面设备的信息交换是连续的，不会产生长距离的信息 中断，既可以保证行车的安全性，又可以保证行车的高效性。 这种制式的缺点是轨问电缆价格相当的昂贵，同时会给养护工作带来 麻烦，在养路工作中，工作人员在工作时非常容易损伤电缆。如果电缆受 到损坏，更换十分不方便，代价相当高。 2 3 3 采用轨道电路连续式a t p 的优缺点 轨道电路作为信息传输方式的a t p 与采用电缆作为传输方式的a t p 相同，可以克服点式的弊病，信息交换是连续的。另外轨道与电缆相比起 来易于维护，在养路工作中不易损伤。 此种方式a t p 的缺点：轨道电路另一个重要的作用是作为牵引电流 的回流线，牵引电流中的高次频谐波相当丰富，因此轨道电路的传输频率 应尽可能的采用高频率；而且，钢轨的衰耗与频率的高低是成正比的，频 率越高，衰耗就越快；轨道电路的有效长度与频率是成反比的，所以在选 择频率时不能选得过高或过低。目前在欧美国家大多数采用 9 5 k h z 1 6 5 k h z 作为轨道电路的传输频率，我国上海地铁二号线，广州 地铁一号线也都是采用这个频率。 总的来说，近年来建成的或新建的轨道，从诸多方面的考虑，都采用 轨道电路做传输方式的连续式a t p 系统。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 2 页 第3 章l c f 型a t p 系统可靠性分析 目前城市轨道交通系统所采用的a t p ，大都是使用轨道电路作为通 信信号传输工具的a r p ，有时还接合点式a t p 。本论文对此种a t p 做详 细分析和研究。本论文以深圳地铁国产l c f 型a t p 作具体的分析。 图3 - ! i , c f 系统的硬件结构图 l 主机系统 主要功能是接收来自各个子系统的信息，经过处理以后，在列车接近 超速或已经超速时发出防超速冒进的控制命令。主机系统采用双套冗余系 统，分为a 和b 两套，在a 套故障时，b 套系统马上投入使用中，这就 提高了系统的可靠性。 2 内部通信子系统 功能是用作内部各子系统的信息交换。采用主一从式总线结构，并且 是环形的，其中的总线是双重冗余的。 3 测速测距及测压子系统 测量基本参数，测速测距及测压子系统提供列车运行速度及走行距 离，这是列车超速防护系统判断机车运行状态的主要依据。功能是向主机 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 3 页 系统提供高精度、高可靠的速度和压力参数。系统选用双路霍尔式脉冲传 感器，月f 双路同时测速的方法对机车空转、蠕滑、蛇行和死抱等引起的误 差进行修正，同时对测速电路断路或短路引起的差错进行消除。 4 显示和控制子系统 主要的功能是列车开车前输入列车的参数，参数用于列车制动控制和 运行记录系统；在运行的过程中，动态显示有关信息，用于人工驾驶使用： 在列车发生超速时，发出语音和灯光报警。 显控器在司机室i 端和i i 端都有，但只能在一端操作，两端同时操作 无效，只有在本务端灯亮时操作才有效；同时显控器附件按钮盒，也 分别设在司机室i 端和i i 端。 5 点式信息叠加轨道电路 在l c f 系统中，为了实现常用制动控制，除了轨道电路提供连续信 息之外，还需要大量的点式信息，所以就采用了点式信息叠加轨道电路传 递信息。点式信息是由应答器传输的，查询应答器分地面设备和车载设备， 车载设备是双套的。连续信息是由轨道电路传输给机车的。 6 运行记录子系统 一般情况下，运行记录子系统并不属于a t p 范围，是独立的。但在 实际运行中，运行记录仪是a t p 系统非常重要的组成部分。运行记录的 功能是可以提供详细的运行记录，在实际中还可以判断a t p 的软件和硬 件设计是否存有问题，司机操作熟练程度和相互之间的人期接口是否 存有问题。 3 1 轨道交通a t p 的“故障安全”准则 轨道交通的a t p 系统最后形成的命令是直接指挥行车，安全要求与 铁路相同，同样必须遵循“故障一安全”准则。不仅整个系统要遵循这 个准则，每一个构成系统的部件都要遵循此准则。 信号的安全性有两方面的含义9 1 ： 在设备无故障时，能够准确无误地按预定要求工作； 在发生故障时( 故障是不可预期和不可避免的) ，不会产生造成行 车危险的结果，即所谓的“故障倒向安全”。 a t p 系统主要的构成设备有大有小，大到轨道电路、车载计算机、小 到继电器。下面用车载计算机和继电器为例介绍故障安全的一些应 用。 、西南交通大学硕士研究生学位论文第1 4 页 l 继电器 继电器也是信号系统的基本设备，也必须满足信号系统的安全要求。 继电器的结构要求很高：在继电器故障时，衔铁靠自身重力可靠返回接点 材料要采用熔点高，不会熔结而且导电性能良好的材料。总之发生故障时， 一定是倒向安全侧的“1 。 2 车载计算机 车载计算机计算出的结果会与实时速度比较，如果实时速度高于计算 机计算出的速度，a t p 就会发出制动命令，制动列车。所以，车载计算 机一定要有相当的可靠性，否则会导致恶性的事故。由于计算机本身是不 具备“故障安全”功能，因此要采用特殊的安全措施，国际上通常用 的做法是： ( 1 ) 用“一软二硬”方案，带有结果比较的多机并行处理，例如使用 同样的软件，但是两台计算机同时进行运算，计算结果相同，才会被认为 有效，如果计算出的速度相同时，并且结果小于实际运行的速度，列车就 会发出制动命令。 图3 2 带有结果比较的多机并行处理原理图“ ( 2 ) 采用“一硬二软”，带有结果比较的计算机二次处理，例如使用一 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 5 页 台计算机i 计算结果从两套不同的软件计算出来，同样的，两套软件计算 出的结果相同，才被确认为有效，计算速度小于时速，列车就会发出制动 命令。 图3 3 带有结果比较的计算机二次处理原理图“ 不管使用什么方法，如果相互之间计算结果不一致，或计算机故障时， 微机联锁都会切断它对外部设备的控制，强迫所有的控制电流为零，保证 行车的安全。 3 2 l c f 型a t p 系统可靠性的分析方法 从以上可以看出，a t p 系统是相当可靠的系统，所有的子系统或者 部件都采用了高可靠性的设计，即使是在系统发生故障时，也只会影响行 车的效率，但是不会影响安全。如果故障一安全本身发生故障，那么一 定会造成事故。但是，从行车的角度上来说，更想达到的状态是既安全又 高效，因此在此具体分析a t p 的可靠性的可靠程度。 故障安全可靠性分析的基本概念 各个子系统不论采用何种方式的故障安全准则，在故障时都会倒 向安全侧，虽然会影响行车的效率。但不会影响安全。但是如果双机都发 生故障，就会出现两种结果，一种情况是：双机得出的结果是相同的，但 结果是错误的，就会给出错误的命令，倒致不安全的事故；另一种情况是： 双机都发生故障。双机根本不进行工作，如果不及时采用人工手段或及时 ，西南交通大学硕士研究生学位论文第1 6 页 修复，一定会导致不安全的行车事故。在本论文中，主要是讨论第二种情 况，对“故障安全”做硬件上的可靠性分析。分析的过程主要是确定 可靠性的几个主要指标，计算各个主要指标的值，最后根据所得计算值得 出结论。 设备的故障根据其后果可以分为危险侧故障和安全侧故障，借鉴文献 1 l ，1 2 的方法，用危险侧故障率 。和安全侧故障九。来表示。日本过去 的二十年里，实际所统计的信号继电器的危险侧故障率为1 0 。o 小时，安 全侧故障率为5 1 0 4 , b 时，由此可见，故障率虽然低，但还是存在，只 是非常小而已，尤其是危险侧的故障率。如果危险侧故障率相对于安全侧 故障率低，那么硬件设备是符合“故障安全”准则的。 ( 1 ) 失效率 表示工作到t 时刻尚未失效的产品，在该时刻t 后的单位时间内发生 d ，、 失效的概率，记为2 ( t ) 。其值可由五( f ) = 一警计算得出。 【 分析系统可靠性前要明确电子和通信信号产品的失效概率，根据长期 以来的理论研究和数据统计，发现由许多零件构成的机器、设备或系统， 在不进行预防维修时，或者对于不可修复的产品，其失效同线是典型的浴 盆曲线“。 图3 4 浴盆曲线图 第一段曲线是元件的早期失效期：从图中可以看出元件在开始使用 时，它的失效率非常高，随工作时间的递增，失效率迅速地降低，此种失 效属于递减型一d f r ( d e e r e s i n g f a i l u r er a t e ) 型。一般产品在这一段时 西南交通大学硕士研究生学位论文第l7 页 问的失效原因大多是因为设计、原料和制造过程中的缺陷造成的。 第二段的曲线是产品的偶然失效期，又称随机失效期；表明了失效率 较低而且稳定，可以近似地看成一个常数，此种失效属于恒定一一 c f r ( c o n s t a n tf a i l u r er a t e ) 型。产品的可靠性指标所描述的实质是这一个 时间段，这一时期是产品使用良好地阶段。这一阶段的失效原因复杂而繁 多，通常是因为产品的设计余度不够，这一阶段的失效原因研究，是产品 的失效原因主要研究时间段。 第三阶段曲线是元件的耗损失效期：这一阶段的失效率会随着时间的 递增而急速加快，此种失效属于递增型i f r ( i n c r e a s i n g f a i l u r er a t e ) 型。在这一阶段，几乎所有的元件都要开始失效，而且随时间的增加元件 的失效率非常高，其原因主要是因为元件的损伤相当严重，已经达到寿命 终点。这时就需要进行维修或者更换。 本论文中的a t p 系统是属于一种延迟维修系统，运行之后可以有足 够时间进行维修或者系统更换。在实际的轨道交通中，各种设备是经过了 严格比较选型的，所以设备和元件不会出现第一阶段的失效。在本论文中 只研究第二阶段和第三阶段的失效情况，重点是研究第三阶段的失效。 ( 2 ) 修复率 在规定的条件下使用的产品发生故障后，在规定的时间内完成的修复 的概率，记作膨( f ) ，可由材( f ) = p ( y s f ) 计算，一般情况下，可以近似的 认为m ( t ) 服从指数分布，即m ( t ) = 1 一p 叫。修理时间已达到某一时刻但 尚未修复的产品在该时刻后的单位时间内完成修理的概率，用( r ) 表示。 因为认为m ( f ) 服从指数分布，所以近似地认为i t ( t ) =1 一m ( f ) d t= 。 ( 3 ) 有效度 可维修的产品在规定的条件下使用时，在某时刻具有或维持其功能的 概率。此指标也是一个可靠性分析的重要指标。有效度又可以分为瞬时有 效度4 ( f ) 和稳态有效度爿( 一) ，前者表示在某瞬间可能维修的产品保持 正常工作功能的概率；后者表示的是当t _ 一时，瞬时有效度的极限，系 统处于稳定状态下的有效度。 一 因为a t p 系统是一个复杂的可修复系统，而可修复系统的主要的特 征量指标有首次无故障时间、平均无故障时间、平均故障间隔时间、平均 修复时间、修复率和系统的有效度等，在本论文中，主要分析系统的有效 西南交通大学硕士研究生学位论文第r1 8 页 度“。 3 3 子系统的可靠性分析 3 3 1 偶然失效期的可靠性分析 在这一阶段中，由图3 4 中可看出产品元件的失效率近似一个常数， 则可以设失效率2 ( 0 = - 3 - 。则由可靠度的公式r ( t ) = e x p ( 一f 五( ，) 盛) = e m ， 表明了元件的可靠度与元件的失效率成指数关系“”。 由此，对于子系统，在运行中属于延迟维修更换，可以建立可靠性并 联模型，计算系统的可靠度，运行之后可以有足够时间进行维修，以维持 系统的可靠性。 图3 - 5a t p 双机子系统图 a 1 和a 2 是表示两个子单元，两个单元是相互独立的，用置( f ) 表示单 元的可靠度，f a t ) 表示每个单元的累积失效概率( 即不可靠度) ，按并联 的结构定义，系统失效必须是系统中两个单元都失效，同样根据乘法法则， 其数学模型为： 2 e ( f ) = 互( f ) e ( f ) = n e ( f ) ( 3 1 ) i = l 式3 - 2 1 e ( f ) 系统的累积失效概率( 系统的不可靠度) 其中可靠度为 22 足( f ) = i 一只( f ) = l n f ( f ) = l i i 【l 一耳( f ) 】( 3 - 2 ) i = ti = 1 这阶段的元件的可靠度与失效率成指数关系的，由于失效率在这一 阶段近似一个常数，通常这一阶段是由生产厂家所提供的可靠性指标，根 西南交通大学硕士研究生学位论文，第1 9 页 据指标计算出系统的可靠度。 3 3 2 耗损失效期的可靠性分析 在这一阶段中，由图3 4 可以看出，元件的损坏率急剧上升，随时可 能会发生故障，即使在运行前经过了严密的检查，在运行时也会出现故障， 因为产品的寿命已经接近终止。所以在这一阶段可靠性会比上一个阶段低 许多，系统随时需要修复和更换硬件设备。在这一阶段的a t p 内的予系 统都是属于可修复的子系统。a t p 的“安全故障”子系统是一个并 联的子系统，所需要的维修人员只要一组，两个单元是相同的，故障率可 同设为名，修复率也可同设为，修复后的单元寿命分布状态不变，仍然 在第二阶段服从指数分布。 在建立模型前首先要确定下列三点“： ( 1 ) 系统在运行过程中没有人员进行维修，只是在重新进入运行前进 行检修或者进行定期维修和检查，因此模型中不考虑维修。 ( 2 ) 假设两个单机的失效率是相同的，并且全是危险的，任何失效都可 能导致系统潜在的不安全。 ( 3 ) 故障一安全措施是完善的，即一旦检测到故障发生，将导向安 全侧。 则使用m o r k o v 并联模型： 图3 6 双机并联状态转移图 系统3 个状态的定义为： 状态lx ( t ) = l ，两个单机均正常，即一个单机正常工作，另一个 单机也正常的初始状态。 状态2x ( t ) = 2 ，其中一个单机发生故障，另一个单机正常工作， 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 0 页 系统处于故障安全状态。 状态3x ( t ) = 3 ，两个单机均发生故障，系统危险状态。 在t 和f + & 之时的转移状态矩阵表示为 叫1 节h ( 3 - 3 ) 只1 ( f ) = l 一2 a s t + o ( a t ) 兑( & ) = 2 3 a t + o ( a t ) 只3 ( ) = o + o ( a t ) 昱l ( a t ) = a s t + o ( a t ) 屹( a t ) = i - ( 彳+ ) f + 口( ，) ( 3 - 4 ) 气( 血) = a a t + o ( a t ) 只1 ( f ) = o + d ( f ) 如( a t ) = 肚+ 口( a t ) b 3 ( a t ) = 1 一脚j 十d ( & ) 令 丑( f ) = p j r ( f ) = l 】p a o = p x ( f ) = 2 】只( f ) = p x ( f ) = 3 】 由全概公式可以得 i 眉 + f ) = 日( f ) 日l ( t ) + p 2 ( t ) p 2 ( t ) + p 3 ( t ) p 3 l o ) p d t + a t ) = 日o ) 层2 ( ，) + 昱( f ) ( t ) + p 3 ( t ) p 3 2 ( f ) 噱8 + 纽) = 暑( ，溜，( f ) + 昱( f ) 易( t ) + p 3 ( t ) p 3 ，( ，) = n 一2 3 a t ) p l ( t ) + g a t p 2 ( t ) = 2 毫嵋( d + 【1 一( 名+ ) ，】( f ) + ，t e ( f ) = a z x t e 2 ( t ) + n 一2 a t ) p 3 ( t ) 又因为 & l t i - m - o 。型等业= 露( f ) ， 舰业等型= 息( f ) 血一砷 ， 。 西南交通大学硕士研究生学位论文第2i 页 熙型等a t 型= 丘( f ) m m 。 由( 3 2 - 5 ) 式求极限后可得到微分方程组 e , c t ) = - 2 元日( f ) + 昱( f ) p a t ) = 2 a p l ( t ) 一( 五+ ) 罡( f ) + b 0 ) g ( t ) = 识o ) 一卢b ( f ) 毒( f ) 恿8 ) 毫( f ) = f 暑( 力愿( 玲( f ) 】j 声五+ ) 五0 r - 2 五2 a、 l 0 叫j f - 2 a 2 2o1 令 a _ l - ( 2 + 0 al l 0 一j f 明( s ) 一置( o ) = - 2 无r ( j ) + 越b ( j ) 皿0 ) 一最( o ) = 2 2 p , ( s ) 一( 五+ ) 昱 ) + 只( j ) l s g ( s ) 一忍( o ) = 鸩( s ) - , u g ( s ) 当f = 0 日寸，曰( o ) = 1 ；昱( o ) = 0 ；只( o ) = 0 。 ( 3 6 ) 暑( s ) = 五砭石s 2 五+ 2 再s # + 面s 2 孓+ 万2 历丽 荆= 齐而番等黩丙丽 9 ， 罡( s ) = 五砭瓦西再2 2 面2 了历瓦丽 ) ) 0 培 o 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 2 页 当系统工作在状态1 时，表明系统工作正常，则系统的可用度4 ( f ) = 只( f ) 。 因此对异( j ) 作拉普拉斯反变换。 令荆= 箐豁， 墨和龟是，+ s 2 ( 2 9 + 3 2 ) + s ( 9 2 + 2 2 2 + 2 缸) 的根，那么 碱= 卜名坪) 而 经求解后，得到系统的瞬时有效度为： 舻赫一等笨乎( 3 - 1 0 ) 其中 鹕= 昙卜五十2 舻厕1 稳态有效度为： 4 ( 一) = 砑2 瓦2 2 + 面9 2 3 - 1 1 ) 当t _ o o 时，根据文献表明了在故障后不再修复，也就是系统进入 吸收状态，此时必须更换元器件才能保证系统运行“。根据生产厂家所提 供的故障率和修复率的数据，和实际运行的各种情况，就可以计算出每一 个双机并联系统的可靠度。 ， 3 3 3 算例 1 、以l c f 型a t p 车载设备的自动频率跟踪器为代表进行硬件的可 靠性分析，如图3 7 所示： 由图3 7 中可以看出，两个天线盒的并行结构代替以前常使用的一个 单一的天线，天线的接收器也是由两组并联组成，只有当并行结构的天线 接收到的信号能正确衔接，信号经过处理后，两组接收器接收到的信息能 正确衔接并且准确无误，逻辑单元最终才会给出正确的命令，否则就会发 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 3 页 出故障命令。 图3 - 7a t p 车载设备自动频率跟踪器 ( 1 ) 暂态的有效度 故障率五 根据国内外使用的经验，理想的情况下大约为五= 2 x 1 0 - 6 h ，但是损 耗阶段的故障率受外部影响较大，所以在一阶段可以保守的取值 z = 3 1 x l o - s h 。 修复率 如果只考虑硬件本身的修复率，应该很高。但在实际中，除了要考虑 硬件本身可以被修复的概率外，还要考虑到修复的工作是人为，渗入了人 的因素，工作人员在检修时并不是一定能完全彻底检测和修复好硬件，所 以修复率的取值要比本身的被修复概率稍微偏低一些。因此，取值为 口= 0 9 时间t 因为城市轨道交通的列车修检具有延时性，后发性检修的，车辆通常 在开行个周期之后，才会入库进行检修，可把这个时间定为t = 7 2 小时。 式( 3 1 0 ) 实用于理想的情况，在实际的应用中，会出现诸多的因素 和状况，会加速硬件的损坏，因此应该在式( 3 -