（电力系统及其自动化专业论文）地铁综合监控系统可靠性评估方法研究.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第l l 页 a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fs o c i a le c o n o m ya n dt h ei m p r o v e m e n to f1 i v i n g s t a i l d a r d ，g o v e m m e n t ，s o c i e t ya n dp e o p l ep a ym o r ea t t e n t i o nt ot h ec o m m o n s a f e t ya st h ev i t a l so fc i t yt r a c kt r a m c ，t h es a f ea n ds t a b l eo p e r a t i o no f s u b w a yi sv e r yi m p o r t a n t s u b w a ym a i nc o n t r o ls y s t e mi s t h es u b s t a i l t i a l g u a r a n t e eo fm er e l i a b l e 叩e r a t i o no fs u b w a ys y s t e m ，s om e r e s e a r c ho ft h e r e l i a b i l i t ye v a l u a t i o nm e t h o da n dt h ea i l a l y s i so ft h er e l i a b i l i t yo fs u b w a y m a i nc o n t r o ls y s t e mh a v es i g n m c a n ta c a d e m i ca n da p p l i e dv a l u e t h e y r e h e l p f u lt ot h ed e s i g n ，m a i n t e n a n c ea n dp e r f e c t i o n o fs u b w a ym a i nc o n t r o l s y s t e m b a s e do nt h er e s e a r c ho fs t r u c t u r ea n df 、l n c t i o no f8 u b w a ym “nc o n t r 0 1 s y s t e m ，i t sr e l i a b i l i t yi e v e i i sa c c e s s e db yu s i n gt h r e ec o m m o nm e t h o d s r e l i a b i l i t yb l o c kd i a g r a mm e t h o d ，g om e t h o da i l df a u l tt r e ea n a l y s i sm e t h o d b a s e do nt h ec o m p a r i s o no ft h e s em e t h o d s ，a i m e da tt h ec h a r a c t e r i s t i c so f s u b w a ym a i nc o n t r o ls y s t e m ，t h ec o n c l u s i o ni sg i v e n ：t h et r a d i t i o a lm e t h o d s a r e n ta p p r o p r i a t et oe v a l u a t et h er e l i a b i l i t yo fs y s t e m s od y n a m i cf a u l tt r e e a n a l y s i sm e t h o di sp u t 如r w a r dt oe v a l u a t et h er e l i a b i l i t yo fs u b w a ym a i n c o n t r o ls y s t e m o nt h eb a s i co ft r a d i t i o n a lf a u l tt r e ea i l a l y s i sm e t h o d ，m ed y n a m i c 1 0 9 i c a lg a t e sa r ei n t r o d u c e dt od y n a m i cf a u l tt r e em e t h o d t h i sm e t h o dh a s c h a r a c t e r i s t i c ss u c ha sf h u l tt 0 1 e r a n t ，s e q u e n c ed e p e n d e n ta n dr e c l u n d a n t t h e m o d e ls e a r c h i n gm e t h o di sb r o u 出tf o r w a r dt od i v i d et h ew h o l ef a u l tt r e ei n t o u n a t t a c h e ds t a t i cs u b t r e ea n dd y n a m i cs u b t r e e w h e ne v a l u a t i n gt h er e l i a b i l i t y o fs t a t i cs u b t r e e ，i t sc o n v e n e di n t ob d dt ob ea n a l y z e d w h e ne v a l u a t i n gt h e r e l i a b i l i t yo fd y n a m i cs u b t r e e ，i t sg s p ni sc o n s t r u c t e d ，r e a c h a b l et r e ei s e s t a b l i s h e d ，a n dt h e nt h ei s o m o r p h i cm a r k o vf i g u r ei sa n a l y z e d b a s e do nt h e a n a l y s i sa b o v e ，t h er e s u l t sa r es y n t h e s i z e dt o r e a l i z et h ea n a l y s i so fm o d u l a r d y n a m i cf a u l tt r e e ，a n dt h e nt h er e l i a b i l i t yo fs y s t e mi se v a l u a t e d t h es t a t i o n m a i nc o n t r o ls y s t e mi sa n a l y z e da sa ne x a m p l e nv a l i d a t e dt h a td y n a m i cf a u l t t r e ec a ne v a l u a t et h er e l i a b i l i t yo fs u b w a ym a i nc o n t r o ls y s t e m 嚣褰交遴大学矮士疆究生攀往论文繁lll 燹 a tl a s t 。氇ef a u l tt f 嚣e 嚣磕w a f eb a s e do nv 王s n a lc + + i 毽蕈i si n t r o d u c e d t h es o f t w a r ei su s e dt o 如s i g na n d 蚰a l y z ef a u l tt r e e ，i to f f e r st 从c o m p u t e r a i dt ot h er e h a b i l i t ye v a l u a t i o no fs u b w a ym a i nc o n t r o ls y s t e m k e yw o r d s ：s 珏b w a ym a i 矬e o 难ls y s t e 芏珏；r 鐾l i 痛i l i 移；d y 珏8 m i ef l 鞋l 靠e e ；b d d ； g s p n 西南交通火学硕士研究生学位论文第1 页 第1 章绪论 l 。l 遗铁综合鳖控系统发震掰獠 随着缀济的迅遮发展，农我国很多城市出现了交通紧张、如行困难和 汽车污染垮境等一系列阉嚣。缝铁终隽城枣辕遂交逶熬鬟要缓成部分，其 邂量可达4 6 万人，小时以上，同时熬有快捷、舒适、安全、载罄置大、 茏污染和噪声小等优势，因此地铁是缓解城市交通紧张状况的有效方式， 它已戒为发送藏青交逶戆圭力军。 地铁综合监控系统是地铁系统安众可靠运行的重要保障。该系统经历 了一个较长斡发展魇程。 最翠期的地铁遴营管理，由于技术的局限，供电、通信、信曙等专业 的监控管理主要依靠人工进行，操作者与管理者之间的邋信联系多以电话 方式进露；嚣瑟整羧警瑾哭怒天工戢攀叁动戆系统。魏辩运蓍营嚣水平蟊 效率较低，运营、站务和设备运转尚未实现自动化。 1 9 世纪束2 0 燃纪初，电气工业发展较快，地铁供魄、信号粒通信专 渡均建立了自动控潮系统，键当对的舞动纯技术多由戳萼皇导体电路、分立 组件为主的设备来实现，这魃设备一般由集中安装在继电器控制擞上的继 电器控制，梅残继魄器接铡系统。由予没毒诗黪撬控刳系统，当瓣麴遗铁 自动化监箍管理水平仍然较低。 2 0 世纪中期开始，随着计算枫技术和自动控制技术的进步，根据控制 韵憨、控麓对象、簸裁范围、控制特杰或程据搽作警瑾主的分彝，将全线 系统划分为若干个子系统，每个子系统使用一旗计算机实现控制，各计算 执控制系统檩互独立。在这荦争方式下，各控制系统独立运行，要不手扰， 德同时也蹲致资源无法实现熬享。 进入2 0 世纪9 0 年代，随着计算机、自动控制系统、通信网络特别是 大型诗葵臻篮控系绕援术戆妖是进步，分立釜按系统逐步走囊练会鑫魂德 般控系统。所谓地铁综合自动化监控系统，指的是地铁稀专业自幼化系统 艨用统一的计算机硬件和软件平台，电力监控、设备监控、行车调度监控 酾透信鎏控等予系统都建立在统一静计算机网终平台上，由统一躺软件俸 嚣鸯交逶大攀壤酝突生攀弦论文纂2 茭 系系统支持。 1 2 圈内外地铁综台监控系统现状 阑外城市地铁的发展历史较长，发展规模较大，自动化技术应用也较 为成熬。蟊蓠，匡乡 城市鞔遒交逶自动纯系统已经发展到综会爨韵纯系统 熬藜徐莰。努嚣褒矛毕戮强颧遗铁、转嚣豹仁弼蘧铁、汉城穗铁7 号线秘 8 号线、法国巴黎地铁1 4 号线等采用的都怒综合自动纯系统。褥港地铁将 军澳线的机电设备和通信系统主控系统即烧综合监控系统，新机场快线也 采用了综合自动化监控系统。墨西哥城地铁b 线采用了以机电设备综合监 控系统为基础的与信号系统互连的综合鉴控畚统。一些著名魄断线，如谣 瑟学强德墨逡铁、袈麓跛客兹绫采震了曼瑗鼗纯夔综合叁动稼簸整系统。 如今，综合自动纯监控系统已成为国乡 诸多鞔遵交通蠡动化系绕中的主流 系统。 _ j 黩年来，我国轨道燮遇自动化系统发展迅猛。改革开放前，国内建成 的地铁自动化系统大多怒分立监控系统。现谯国内轨道交通融辩始适度采 瘸练会囊动琵篮控系统。上海稠臻线在鏊瘫第一次实溪了将惫力鞠舔控嚣 个专娩集成在一个平台童。深堋遣铁l 号线在国内首次采用综禽自动纯监 控系统，此项目确定了将e m c s 、s c a d a 、融s 三个系统集成在起。广 州地铁3 号线和4 号线融开始实施国内最大的综合监控系统。综合自动化 监控系统正成为国内城市轨道交通色动化系统的发展趋势。 l 。3 澡惩器究意义 髓着社会发展和人民生活水平的提嵩，公共安全越来越受到致府、社 会及广太市民的关注。地铁，作为城市轨道交通重要命脉，一鼹发生事故， 轻则影响乘客出行，重则日i 起沿线大面积交道混乱，造成极大的社会影响。 因此，缝铁的稳定可靠遮行也就显褥尤为黧要。 滤铁综合整整系绞怒一令大壅豹逡毽上努教戆数据采集麓经系统，宅 几乎簸控了地铁中所有的专业设备，遣过辩子系统遘行高度煞成或互连， 集中镣理监控系统的运行情况，实现资源必事、信息互通，支特地铁现代 化遥睹管理【“”。上述功能需求无疑对综合煅控系统提出了极高的可靠性 要求。因此，有必须对娥镟综合监控系统的可靠性进行系统饿磷究。 蒸予蘧，本谖题撼爨辩逮铁综台登按系统霹靠瞧译售方法避行礤究， 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 这具有重要的理论与应用价值，有助于指导综合监控系统的设计、维护， 并为系统的进一步完善奠定了基础。 1 4 可靠性问题研究现状 可靠性问题萌芽予2 0 世纪2 0 年代，3 0 年代人们对这个问题有了进一 步的认识。可靠性作为一门工程学孕育于第二次世界大战中，成长于产品 不可靠带来的失败和教训中。1 9 5 7 年，a g r e e ( a d v i s o r y o u po n r e l i a b i l i t yo fe l e c t r o n i ce q u i p m e n t ) 在9 个专门委员会报告的基础上做出 总结，分析给出试制、生产时的可靠性测定方法和考虑可靠性的任务书制 作方法等具体内容，这份报告在很长一段时期内对可靠性工作起到了指导 作用，它的基本思想方法至今仍在使用【j ，4 】。 可靠性( r e l i a b i l i t y ) 的定义由于要用概率来表征，争议较多，自诞生 之日起几经修改，仍然难以完全统一。我国在1 9 8 2 年发布了g b 3 1 8 7 可 靠性基本名词术语和定义，其中对可靠性的定义是：产品在规定条件下 和规定时间内，完成规定功能的能力。 从可靠性的定义可看出，产品的可靠性受三个“规定”的限制【”。在讨 论和评估产品的可靠性时，必须首先明确以下三个“规定”。 第一个“规定”是指因使用工况和环境条件的不同，可靠性水平有很大 差异。因此要保证使用可靠性，必须严格明确使用条件和环境，对于不按 规定条件使用的产品，不能要求保证达到原定的可靠性水平。 第二个“规定”是指规定时间的长短不同，其可靠性也不同。一般机电 类产品的功能、性能都有随时间衰退的特点，规定的时间越长，最终的可 靠性越低。同一种产品在不同的使用时间范围，其可靠性水平是不同的。 这里时间的定义是广义的，可以是统计的日历小时，也可以是工作循环次 数、作业班次或行驶里程等，一般根据产品具体特性而定。 第三个“规定”是指因规定的产品功能判据不同，得到的可靠性评定结 果也不同。完成功能和丧失功能是可靠性问题的正反两个方面，产品完成 规定功能可认为是可靠的，产品丧失规定功能可认为是发生故障或失效。 同一产品，规定的功能要求不一样，其可靠性也不同。 多年来，各国的有关学者一直在探索有效的可靠性评估方法。一般来 说，这些方法可分为解析法、模拟法和混合法三大类。 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 解析法 6 4 】是指根据系统的结构、系统和元件的功能以及两者之间的 逻辑关系，建立系统的可靠性模型，通过递推或迭代等数值计算方法求解 模型，获得系统的各项可靠性参数的方法。在给定的假设条件下，此方法 一般可求解得到准确的结果。但由于系统状态数目随着系统内元件数目的 增加呈指数性增长，所以当系统规模较大时，采用解析法计算量相当大， 不利于进行可靠性分析。 模拟法【9 i 1 0 1 又称蒙特卡罗法，指按一定的步骤在计算机上模拟随机出 现的各种系统状态，即用数值计算方法模拟一个实际的过程，从大量的模 拟试验结果中统计出系统相应的可靠性指标。该方法适应性强，算法及程 序结构简单，随机模拟的次数与系统规模无关，适合对复杂系统进行可靠 性分析，但其计算精度往往受到各种因素的限制。 混合法 1 i ”】针对解析法模型精确、物理概念清楚的特点，在能用解析 法的地方充分利用解析法，在求解规模超出解析法求解能力时应用模拟 法。目前，混合法有两种不同的思想：一种是相继或交替使用解析法和模 拟法，通过两者的综合来降低模拟的方差：另一种是通过对系统进行状态 的简单解析判断，减少每次状态评估的时间，提高模拟速度。 经过半个多世纪的发展，可靠性科学已成为一门涉及面十分广泛的综 合性新兴学科，涵盖了数学、物理、化学、电子、机械、环境、管理以及 人机工程等多个领域，在电力、航天航空、电子、机械、核能等领域都得 到了大量的应用。 我国可靠性工程起步于2 0 世纪6 0 年代，进入8 0 年代得到了迅速发 展，特别是武装装备的可靠性管理和研究工作取得了长足的进步。目前， 我国已颁布了一系列可靠性方面的国家标准和国家军用标准，并在大型工 程项目中得到了应用。 本文研究的对象地铁综合监控系统在国内并未真正实现，属于一 个较新的领域。虽然现阶段可靠性分析方法众多，但通过对地铁综合监控 系统模拟方案分析可知，该系统具有容错性、冗余性和顺序相关性等特点， 传统的可靠性评估方法不能完全满足对系统进行分析的要求，因此必须针 对综合监控系统的特点，综合各种可靠性分析方法的优点，研究得出最适 合于地铁综合监控系统的可靠性评估方法。 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 1 5 课题研究内容 本文的研究对象是地铁综合监控系统，研究重点是在分析地铁综合监 控系统模拟方案的基础上，研究适合于该系统的可靠性评估方法，对综合 监控系统进行分析，求解得出其可靠性指标参数，作为地铁综合监控系统 设计的规范参考。 本论文主要完成了以下内容： 1 ) 借鉴国内外现有综合监控系统的特点，完成对地铁综合监控系统模 拟方案的研究，包括系统的体系结构、功能组成等。 2 ) 对常用的可靠性分析方法可靠性框图法、g o 法( g r 印h i c s o r i e n t e d ) 和故障树分析法进行介绍，并将这些方法应用于对地铁综合监控 系统进行可靠性分析，比较其各自特点和适用范围。 3 ) 针对地铁综合监控系统的特点，提出采用动态故障树分析方法对系 统进行可靠性分析。在建立系统动态故障树的基础上，提出采用模块化思 想将系统划分为独立的静态子树和动态子树，分别基于b d d ( b i n a r y d e c i s i o nd i a g r a m s ) 和广义随机p e t r i 网进行可靠性分析，再将分析结果进 行综合，完成对整个系统的可靠性分析。 4 ) 运用动态故障树分析方法对地铁综合监控系统进行可靠性分析，结 果表明这种方法是有效的。 5 ) 提出一种故障树分析软件的雏形。 6 1 结束语。 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 第2 章地铁综合监控系统 2 1 地铁综合监控系统概况 本文主要参考广州地铁三号线主控系统构造地铁综合监控系统模拟 方案3 “ 。 地铁综合监控系统是一个大型的地理上分散的数据采集监控系统，它 几乎监控了地铁中所有的专业设备，通过对子系统进行高度集成或互连， 集中管理监控系统运行情况，实现资源共事、信息互通，支持地铁现代化 运营管理。 地铁综合监控系统集成了变电所自动化系统( p o w e rs w e r “s i o n c o n t r o l d a t a a c q u i s i t i o n ，p s c a d a ) 、火灾报警系统( f i r e a l 锄s y s t e m ， f a s ) 、机电设备监控系统( e k c t r i c m e c h 姐i cc o n t r 0 1s y s t e m ，e m c s ) 、 屏蔽门系统( p 1 a t f 0 订ns c r e e nd o o r ，p s d ) 、防淹门( f l o o dg a t e ，f g ) 。 同时与广播系统( p u b l i ca d d r e 8 s ，p a ) 、闭路电视系统( c l o s e dc i r c u i t t e l e v i s i o n ，c c t v ) 、车载信息系统( t r a i n b o r n ei n f o 咖a t i o ns y s t c m ，t i s ) 、 车站信息系统( s l a t i o nh l f 0 n a t i o ns y 8 t e m ，s i s ) 、自动售检票系统 ( a u t o m a t i cf a r ec o l l e c t i o n ，a f c ) 、信号系统( s i g n a l i n g ，s i g ) 和时钟 系统( c l o c k ，c l k ) 等互连。 所谓对子系统的集成，指接入子系统的全部信息都是由地铁综合监控 系统传输，于系统车站级和中央级的功能由综合监控系统实现，子系统没 有自己单独的信息传输网络。 所谓对子系统互连，指被连子系统具有单独的信息抟输网络，是独立 系统，综合监控系统与它在不同的网络级别接口，用以传输必要的信息， 实现对这些子系统的监控功能。 在地铁综合监控系统中，中央互连的系统包括广播系统、闭路电视系 统、车载信息系统、车站信息系统、自动售检票系统、信号系统和时钟系 统。 车站集成的系统包括变电所自动化系统、火灾报警系统、机电设备监 控系统、屏蔽门系统和防淹门。互连的系统包括广播系统、和闭路电视系 控系统、屏蔽门系统和防淹门。互连的系统包括广播系统、和闭路电视系 统。 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 车辆段集成的系统有变电所自动化系统和火灾报警系统。 2 2 地铁综合监控系统系统构成 地铁综合监控系统在硬件上采用分层分布的结构，由中央级监控系统 ( c e n t r a lm a i nc o n t r o ls y s t e m ，c m c s ) 、车站级监控系统( s t a t i o nm a i n c o n t r o ls y s t e m ，s m c s ) 和车辆段监控系统( d e p o tm a i nc o n t r o ls y s t e m ， d m c s ) 三层组成。 地铁综合监控系统通过通信骨干网将中央级监控系统、车站级监控系 统和车辆段监控系统三部分连为一体。通信骨干网是一个地理上分散于各 车站和车辆段的广域网，它是连接车站级监控网和中央级监控网的主干， 在地铁综合监控系统中处于极其重要的位置。选用双环千兆位以太网作为 系统骨干网，网络拓扑为环形，遵从i e e e8 0 2 3 协议，数据传输达到 1 0 0 0 m b 口s ，能较好地满足大型实时监控系统对网络的基本要求。 地铁综合监控系统的体系结构如图2 1 所示。 中央级监控系统位于中央监控中心( o p e r a t i n gc o n t r 0 1c e n t e r ，o c c ) 。 以6 4 位u n i x 冗余实时服务器为基础。该层系统包括冗余实时数据服务 器、历史服务器、操作员工作站、前端处理器( f r o n t e n d p r o c e s s o r ，f e p ) 、 外围设备和中央级监控网等。地铁综合监控系统在中央监控中心设立中央 级监控网络，中央级监控网络的核心是冗余配置的以太网交换机。 车站级监控系统、车辆段监控系统分别位于车站、车辆段。以6 4 位 u n i x 冗余实时服务器为基础，包括前端处理器、车站车辆段操作员工作 站及外围设备、车站车辆段t c p i p 局域网等。 为了减轻服务器的负担，实现分布式数据处理，所有集成和互连的系 统均统一接入综合监控系统的前端处理器。前端处理器负责与相连系统进 行周期数据巡检和协议转换，定期查询各子系统的数据。按照规定的协议， 完成协议转换，将各种不同格式的实时数据转换为地铁综合监控系统的内 部数据对象格式，提交到系统车辆段、车站级和中央实时服务器，同时向 需要数据的客户端提供实时数据。 从软件的角度出发，地铁综合监控系统一般可分为采集通讯层、数据 管理层和应用层三层。 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 中+ 央： 级 中央级监控网监 控 十层 一轰 级 鼍车站级监控网 监 古 控 # 层 t 受 f e p 子 。 子系统监控系统 系 统 ： 自 动 就地监控对象 化 设 备1 层 图2 1 地铁综合监控系统体系结构 第一层采集通讯层，专用于数据采集，完成与外部系统的数据交换， 在前端处理器上实现。 第二层数据管理层，专用于数据管理和高级应用功能，通过实时数据 库和关系数据库在车辆段、车站级和中央服务器上实现。 第三层应用层，专用于人机界面( m a i lm a c h i n ei n t e r f a c e ，m m i ) 功能， 数据源于本地采集或中心服务器，在操作员工作站上实现。 2 3 地铁综合监控系统功能 地铁综合蠊控系统本质上就是建立了变电所自动化系统、火灾报警系 统、机电设备监控系统、屏蔽门系统、防淹门、广播系统、闭路电视系统、 西南交通大学硕士研究生学位论文第9 页 车载信息系统、车站信息系统、自动售检票系统、信号系统和时钟系统等 子系统的信息共享平台，支持这些系统之间的信息互通，在资源共享的基 础上实现分立系统所实现不了的功能。 地铁综合监控系统具有丰富的功能，除了一般的监控系统的基本功能 以外，还具有联动功能。 2 3 1 基本功能 地铁综合监控系统实现的基本功能有：数据通讯功能、基本遥控功能 ( 单点控制、模式控制、限制点功能等) 、计算事件功能、报警管理功能、 事件检索功能、历史趋势功能、报警列表和报告显示更新功能、时间表功 能和权限功能等等。 2 3 2 联动功能 由于地铁运营所涉及的予系统众多，子系统内部的逻辑功能丰富且日 益成熟，不同子系统之间存在紧密耦合。随着地铁运营要求的不断完善与 提高，要求不同子系统之间密切配合，共同完成特定的功能。这些需求最 终以联动功能的方式体现到地铁综合监控系统中。 地铁综合监控系统具有各子系统的通信接口，集成相关子系统所有的 数据，拥有与各予系统相关的数据采集及命令下达通道。综合监控系统中 逻辑判断功能模块从各子系统获取必要的相关数据，经过自身逻辑判断， 将判断结果输送到相关子系统的控制系统，最终通过子系统完成既定的控 制功能，或为运营操作人员提供相关的必要的操作序列，或为运营操作人 员提供更为有用的视音频运营信息。上述功能称为联动功能。 根据地铁综合监控系统执行联动的不同位置，可将联动功能划分为中 央级联动和车站级联动两类。 中央级联动指在中央监控中心实现的联动功能，主要包括： 1 ) 从s i g 系统接收到列车阻塞信号后，触发阻塞模式的自动后备； 2 ) 从f a s 系统接收到火灾信号后，触发排烟模式的自动后备； 3 ) 从s i g 系统接收到列车驶近的信号后，自动触发p a 广播； 4 ) 从t i s 接收到主要报警后，自动弹出控制建议； 5 ) 隧道段牵引供电减压启动隧道灯照明，恢复后自动灭灯； 6 ) 当站台“紧急停止开关”启动时，自动显示相应站台的c c t v 图像： 西南交通大学硕士研究生学位论文第10 页 7 ) 从p s d 系统接收到站台屏蔽门故障报警信息后，自动显示相应站台的 c c t v 图像； 8 ) 从f a s 系统接收到火灾报警信号后，自动显示相应车站区域的c c t v 图像； 9 ) 从a f c 系统接收到异常客流信息后，自动显示相应站厅的c c t v 图 像； 1 0 1 来自p s c a d a 系统的能耗超过预定限值时，自动弹出负荷分流计划的 操作建议，由操作员确认后执行； 1 1 ) 从f a s 系统接收到火灾报警信号后，自动弹出切除受影响区域电力供 应的操作建议，由操作员确认后执行； 1 2 1 当某一段牵引接触网供电跳闸时，自动弹出恢复牵引供电的操作建 议，由操作员确认后执行； 1 3 ) 当车站平均温度超过预定限值时，自动弹出对集中冷站的操作建议， 由操作员确认后执行； 1 4 1 当f g 开始动作时，自动弹出切除相关地段牵引供电的操作建议，由 操作员确认后执行； 1 5 ) 从s i g 系统接收到列车阻塞消除的信号后，自动弹出切除阻塞模式的 操作建议，由操作员确认后执行； 1 6 ) 当轨道的某一段牵引供电失压时，自动显示轨道布局图，指示相应的 列车： 1 7 1 从s i g 系统接收到主要列车故障报警时，自动显示轨道布局图，指示 相应的列车； 18 1 对隧道照明、a f c 、e m c s 、p s c a d a 进行“启动运营”的联动控制； 1 9 ) 对隧道照明、a f c 、e m c s 、p s c a d a 进行“停止运营”的联动控制： 2 0 ) 协调集中p a 广播和t i s 。 车站极联动指在车站实现的联动功能，主要包括： 1 ) 从队s 系统接收到火灾信号后，触发排烟模式的自动后备； 2 ) 当站台“紧急停止开关”启动时，自动显示相应站台的c c t v 图像； 3 ) 从p s d 系统接收到站台屏蔽门故障报警信息后，自动显示相应站台的 c c t v 图像； 4 ) 自动扶梯紧急停止后，自动显示相应的c c t v 图像： 西南交通大学硕士研究生学位论文第11 页 5 ) 从f a s 系统接收到火灾报警信号后，自动显示相应车站区域的c c t v 图像； 6 ) 从a f c 系统接收到异常客流信息后，自动显示相应站厅的c c t v 图 像； 7 ) 从a f c 系统接收到某个a f c 闸机故障报警后，自动显示相应站厅的 c c t v 图像： 8 ) 扶梯指示信息与扶梯运行状态的连锁； 9 ) a f c 指示信息与a f c 闸机操作状态的连锁； 1 0 ) 站台指示信息与下列车起程信号的连锁； 1 1 ) 从f a s 系统接收到火灾报警信号后，自动触发p a 广播； 1 2 ) 自动扶梯停止时，自动触发p a 广播； 1 3 ) 末班车时，自动触发p a 广播； 1 4 ) 站台屏蔽门关闭时，自动触发p a 广播： 1 5 ) 对停靠列车的目的地，自动p a 广播； 1 6 ) 对车站照明、导向系统、a f c 、e m c s 进行“启动车站运营”的联动控 制： 1 7 ) 对车站照明、导向系统、a f c 、e m c s 进行“停止车站运营”的联动控 制： 1 8 ) 对车站照明、导向系统、a f c 和p a 进行“车站疏散”的联动控制； 1 9 ) 从a f c 系统接收到异常客流高峰信息后，自动弹出对拥挤情况的控 制建议，并由操作员确认后执行： 2 0 ) 从a f c 系统接收到客流高峰恢复正常信息后。自动弹出取消拥挤措 施的控制建议，并由操作员确认后执行。 2 4 地铁综合监控系统特点 与传统地铁监控系统相比，地铁综合监控系统的特点主要体现在以下 四个方面： 、 1 ) 高度集成各子系统，全面实现予系统间的联动，确保设备处于最佳运 行状态，在灾害或阻塞事故状态下，能更好地协调设备的运行，保证 乘客的安全和系统的正常运行，并能有效预防或避免非正常情况的发 生，提高系统运行的效率和安全性。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 2 页 2 ) 保证地铁管理系统的综合化，有利于设备的共用，减少重复投资，提 高设备的利用率，降低系统综合造价。 3 ) 建立维护管理中心，对地铁设备运行状况实现集中统一的监控管理， 在减少系统维护人员的同时提高运营的效率、可靠性和安全性。 4 ) 实现子系统信息共享，具有良好的运营功能扩展性，提高了系统的自 动化程度，提供了运营决策的有力支持。 2 5 本章小结 综上所述，地铁综合监控系统具有很高的实用价值，在一定程度上能 有效解决传统监控系统存在的无法全面共享信息、难以实现快速数据交 换、维护工作量大等问题。地铁综合监控系统已成为地铁监控系统的发展 趋势，因此系统的可靠稳定运行业就显得尤为重要。在这种背景下，研究 适合于地铁综合监控系统的可靠性评估方法，对其进行可靠性分析，也是 势在必行的。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 3 页 第3 章可靠性分析方法比较 3 1 可靠性度量指标 可靠性指的是产品在规定条件下和规定时间内，完成规定功能的能 力。从可靠性的定义可以看出，可靠性不是从某一个侧面来衡量产品的优 劣的，而是从整体上评价产品能否完成预期的功能，它综合表现了产品的 耐久性、无故障性、可用性和经济性等特性。 在研究产品可靠性问题时，根据研究对象的不同，可以从不同方面和 不同角度，选用不同的可靠性指标来描述产品的可靠性程度。 本文不考虑地铁综合监控系统的可修性，因此只列举不可修系统的可 靠性指标。常用的可靠性指标包括可靠度胄o ) 、不可靠度，o ) 、故障概率 密度函数厂( f ) 、故障率函数 ( f ) 和平均无故障工作时间脚。 设r 是产品的寿命，产品的可靠度r ( f ) 可定义为在规定条件下，时刻f 以前正常工作的概率，即 r ( f ) = p ( r f )( 3 一1 ) 不可靠度f 0 ) 定义为产品从开始使用到时刻f 发生故障的概率，其数 学表达式为 f ( f ) = p ( r f )( 3 2 ) 因“产品在时刻f 要么故障要么正常，但不能似是而非”是个必然事件， 故 r o ) + f ( f ) = 1 ( 3 3 ) 故障概率密度函数，( f ) 是指在时刻f ，单位时间内发生故障的概率， 可表示为 邝) = 牌去p o 阳圳= 掣 ( 3 - 4 ) 显然 f ( f ) = 【厂( f ) 如 ( 3 - 5 ) 故障率函数 ( f ) 的定义是，产品在f 时刻之前正常工作，在f 时刻后单 位时间内发生故障的( 条件) 概率，即 器褰嶷遴夹掌矮圭疆突警攀 变论文繁 毒燹 = 器= 蒜 强s ， 平均无故障工作时间 卿，也称首次故障平均时间，即产品寿命的 期望俊，表示为 磊臻蹬= f 盖章泌 3 7 m 、 震此，可将各可靠憾指标及其之间的荚系总结于表3 1 。 凝3 1 可靠性指标疑转换关系 本文选用可靠度r 作为地铁综合j | 螽控系统的可靠性指标。， 3 。2 攀用鼹可靠性分餐 法及其应用 3 2 。l 可靠牲框圈法凝其应用 3 2 1 1 可靠性框圈涪基本概念 可靠性框图法是一种最基本的可靠蚀分析方法f 饽。2 引，主鼷用于对简单 的两状态系统进行分析。常用的可靠链框图有串联结构、并联结构和表决 缝翰簿。 串联结构是指英审经一单元发生故障，就会导致该结构发生故障的一 种模式，其结构图如图3 1 所示。 广 广_ 广 一 e l he ：卜叫e 。卜 l - + l 。_ ji ，j 凝3 1 串联结构霹纛性框蚕 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 5 页 系统的可靠度可表示为 r s p ) = r 。( f ) r 2 0 ) 矗，( f ) - - - r 。o )( 3 8 ) 式中，b ( f ) 表示系统的可靠度，r j ( f ) 表示各部件或子系统的可靠度， f = 1 ，2 ，n 。 并联结构是指当且仅当所有单元都发生故障，才会导致结构发生故障 的一种模式。并联结构的可靠性框图如图3 2 所示。 围3 2 并联结构可靠性框图 系统的可靠度可表示为 r s ( f ) = l 一( 1 一r ( f ) ) ( 1 一r ：o ) ) ( 1 一r 。o ) )( 3 9 ) 式中，r 。( t ) 表示系统的可靠度，r ( f ) 表示各部件或子系统的可靠度， f - 1 ，2 ，”。 如果系统是由n 个单元组成，当且仅当至少有r 个单元正常工作时， 整个系统才能正常工作，这种模式称为表决结构。表决结构的可靠性框图 如图3 3 所示。 图3 - 3 表决结构可靠性框图 当系统中n 个单元相同时，系统的可靠度可表示为 r s o ) = 胄，( f ) c ：r ( f ) 1 一只o ) 4 一( 3 1 0 ) f 2 r 式中，如( f ) 表示系统的可靠度，r 。( f ) 表示表决器可靠度，只( f ) 表示 西南交通大学硕士研究生学位论文第16 页 各部件或子系统的可靠度。 3 2 1 2 可靠性框图法在地铁综合监控系统可靠性分析中的应用 以车辆段监控系统为例，其示意图如图3 4 所示。 图3 4 车辆段监控系统示意图 分析可知，车辆段监控系统可视为由两套设备冗余构成，每套设备包 括以太网交换机、d c c ( d e p o tc o n t r o lc e n t e r ) 车辆状态监控站、车辆段实 时服务器、f e p 、车辆段监控站和以太网等六部分。 构建的车辆段监控系统可靠性框图如3 5 所示。 r j 黼h 。黼壹h 勰h h 群h 蝴th抉机li监控站lli 时服务器1l i 控站1 il l l 1 豁h 嚣态h 捌黧h 肿：h 篱h 以姗一 l 抉机2监控站2 l 对服务器2l 1 控站2i 1 i 图3 5 车辆段监控系统可靠性框图 车辆段监控系统的可靠度可表示为 r s = l 一( 1 一r l r 2 r 3 - r 4 - r 5 。尺6 ) ( 3 一1 1 ) 式中，胄。表示系统的可靠度，蜀表示以太网交换机的可靠度，r ，表 示d c c 车辆状态监控站的可靠度，髓表示车辆段实时服务器的可靠度，r 。 表示f e p 的可靠度，胄；表示车辆段监控站的可靠度，见表示以太网的可 靠度。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 7 页 3 2 2g o 法及其应用 3 2 2 1g o 法基本概念 g o 法是一种以成功为导向的系统概率分析技术，能有效地对系统进 行可靠性、可用性和安全性等方面的评估，现已广泛应用于武器系统、国 防工业、核工业、航天航空、交通物流和化工石油等领域盼2 8 1 。 g o 法的基本思想是：按一定规则由系统原理图、流程图或工程图构 建相应的g o 图，在此基础上进行g o 运算，从而完成对系统的可靠性分 析。 g o 图由操作符和信号流组成。操作符代表单元功能或单元输入、输 出信号之间的逻辑关系，其属性有类型、数据和运算规则。常用的操作符 如表3 2 所示。信号流代表系统单元的输入和输出以及单元之间的关联， 其属性有状态值和状态概率。通过信号流可将操作符连接生成g o 图。 表3 2 常用的操作符 g o 运算包括定性运算和定量运算。其中，定性运算指按操作符运算 规则逐个分析输入信号状态和单元状态的组合，得出系统的输出信号状 态，进而分析所有可能的状态组合，求出系统相应的路集或割集。定量运 算指在定性分析的基础上，逐步计算得出系统输出信号的状态概率。 3 2 2 2g o 法在地铁综合监控系统可靠性分析中的应用 输入地铁综合监控系统的信号是由其集成或互连的子系统产生的，因 西南交通大学硕士研究生学位论文第1b 页 此可以把这些外部子系统视为信号源。只有当综合监控系统中各部分均正 常运行时，整个地铁综合监控系统才能正常运行。 车辆段监控系统与外部子系统( p s c a d a 、f a s 等) 集成，因此将这 些子系统视为信号源，用信号发生器操作符表示。 分析可知，车辆段监控系统由车辆段监控系统可视为由两套设备冗余 构成，因此可将两套设备的输出信号输入或门操作符，即任一套设备正常 工作，车辆段监控系统就能正常工作。 车辆段监控系统中，每套设备均包括以太网交换机、d c c ( d 印o t c o n t r j lc e n t e r ) 车辆状态监控站、车辆段实时服务器、f e p 、车辆段监控站 和以太网等六部分。本文不考虑可修性问题，因此将这六部分用两状态单 元操作符表示。 最后，将以太网交换机、d c c 车辆状态监控站、车辆段实时服务器、 f e p 、车辆段监控站和以太网等六部分的输出信号输入与门操作符，即只 有当这六部分均正常工作时，该套设备才能正常工作。 车辆段监控系统的g o 图3 6 所示。 图中操作符内的第一个数字代表操作符的类型，后一个数字代表操作 符的编号。下面对图3 6 中的一些操作符进行说明，如表3 3 所示。 表3 3 g o 图操作符说明 在建立g 0 图的基础上，进行g o 运算。 假设车辆段监控系统集成的子系统均正常工作，将图3 6 中编号2 1 3 的操作符用4 ，一丘表示，下标f = l ，2 ，分别表示正常状态和故障状态。分 析结果如表3 4 所示。 器鬻交遮大学矮士磅窕生学控论文繁 页 撼 一 陋 飞f 厂 一博 呔$ ，、 豳3 6 车辆段监控系统g o 图 裘3 4 分析绪黎 状态狡态组合数状态组合 证常 2 4 曰l c l d l 蜀曩；q l 以置1 三1 媛障 “2 g 2 ：、 露2 g 2 ； ，q 呸； j 妇2 逸； 嚣2 g 2 2 日2 ；一2 ，2 ；爿2 ，2 ；4 2 k 2 ；一2 二2 占2 日2 ；曰2 ，2 ；占2 五：口2 置2 ：嚣2 占2 c 2 ；q 毛；c 2 ，2 ；c 2 足2 ；g 三2 玩露2 ；d 2 7 2 ；岛五；0 2 爱2 ；窈2 五2 善2 嚣2 ；嚣2 屯 2 ，2 昱2 置2 ；露2 2 b g 2 ；e 日2 ；如，2 ；疋 ；e 五2 ；如五2 豳此，其可靠度可畿承为 r = p p e p c p 。p e p f + p 。p h 冀冀p p l( 3 一1 2 ) 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 0 页 式中，只、b 表示以太网交换机正常工作的概率，b 、晶表示d c c 车辆状态监控站正常工作的概率，b 、只表示车辆段实时服务器正常工作 的概率，r 、p ，表示f e p 正常工作概率，最、乓表示车辆段监控站正常 工作概率，r 、p ，表示以太网正常工作概率。 3 2 3 故障树分析法及其应用 3 2 3 1 故障树分析法基本概念 故障树分析法，又称f t a ( f a u l tt r e ea n a l y s i s ) ，是一种能有效评价