城市轨道交通综合监控系统的可靠性

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摘要：介绍了一种城市轨道交通综合监控系统可靠性框图分析方法，说明了可靠性框图分析的相关概念，列出了基础可靠性公式，详细阐述了串行和并行两个模式下的可靠性计算方法。在此基础上，结合综合监控系统的架构及可靠性计算的相关假设，论述了可靠性框图分析方法在综合监控系统的可靠性和可用性计算方面的具体应用，给出了可靠性及可用性计算的详细分析流程及计算过程。

关键词：城市轨道交通；综合监控系统；可靠性框图分析；故障率计算；可用性计算

城市轨道交通的自动化系统通常以分散方式独立运行，综合监控系统逐步发展起来之后，将各个自动化系统以系统化的方法有机整合为一个整体，使得原来封闭运行的各个自动化系统能够实现资源、信息等方面的协调运作、共享互通，实现了不同系统间的协同联动及高效运转，提高了城市轨道交通对各类事故及突发事件的响应速度、应变及抵御能力。随着城市轨道交通的高速发展，综合监控系统正在发挥着越来越重要的作用，已成为提高轨道交通运营管理和服务质量水平的重要支撑。正是基于上述重要作用，城市轨道交通对综合监控系统的可靠性及可用性要求越来越高，在系统设计阶段，要以可靠性框图分析作为工具，对综合监控系统的可靠性及可用性进行详细的分析与设计，为后期系统的可靠性建设提供坚实保证。

1可靠性框图分析方法

可靠性框图以综合监控系统要素的形式清晰地展示了整个系统架构，以串行或并行的方式为系统的不同层次生成单独的框图。可靠性框图只显示硬件部分，包括实现系统整体功能所必须的所有硬件。可靠性框图分析将组成整个系统的各个部件的系统故障率（failurerate，FR）、平均故障间隔时间（MeanTimeBetweenFailure，MTBF）、平均修复时间（MeanTimetoRe-pair，MTTR）、固有可用性（InherentAvailability，Ai）等基础可靠性指标以串行或并行的方式进行计算，从而获得整个系统的可靠性指标数据。

1．1基础可靠性公式

（1）系统故障率（λ）系统故障率（λ）的定义是单位时间内系统失败的次数。（2）平均故障间隔时间（MTBF）在规定的工作环境条件下系统或产品开始工作到出现第一个故障的时间的平均值，也即是系统故障率的倒数。MTBF数值越大，则反映出系统或产品越可靠稳定，反映了系统或产品的时间质量，是系统或产品在规定时间内保持功能的一种体现。需要注意的是，一些意外情况导致系统或产品工作被打断，比如断电、水灾、人为失误等，不能计入到MTBF。（3）平均修复时间（MTTR）描述系统或产品由故障状态转为工作状态时修理时间的平均值。MTTR的数值由系统或产品的特性而决定，比如计算机自检或修复机制等。MTTR可以对系统或产品的可维修性加以定量的衡量。需要注意的是，维修正式开始之前必要的一些到场及现场诊断时间不能包含在MTTR当中。系统或产品MTTR计算主要分为以下几类典型的维护时间，比如系统或产品的故障诊断、故障隔离、拆解、更换、组装、调整、校验、启动等。（4）固有可用性（Ai）当只考虑正确的系统停机时间时，也就是平均修复时间（MTTR）时，固有可用性（Ai）就是稳定状态可用性。固有可用性Ai为平均故障间隔时间（MTBF）与平均故障间隔时间（MTBF）和平均修复时间（MTTR）之和的比值。

1．2可靠性串行计算

串联系统是组成系统的所有子系统中任一子系统失效就会导致整个系统失效的系统，或者说当且仅当所有的子系统都能正常工作时，系统才能正常工作。可以用可靠性框图进行说明。（1）串行系统故障率（λseries）对单个子系统而言，故障率就是λ1。对两个子系统，系统故障率就是λ1＋λ2，若是n个子系统则为λ1＋λ2＋…＋λn。（2）串行系统平均故障间隔时间（MTBF）串行关系的系统MTBF为串行系统故障率λseries的倒数。（3）串行系统固有可用性（Aseries）对于可用系统，每个子系统在串行计算中都是可用的。因此系统可用性的串行计算为Aseries＝A1*A2*…*An。

1．3可靠性并行计算

并联系统是当组成系统的所有子系统都失效时才失效的系统，或者说只要有一个子系统正常工作，系统就能正常工作。（1）并行系统故障率（λparalel）系统故障率λ：对于第一个子系统，故障率就是λ1。当第二个子系统加入并行时，由于第二个子系统可能处于故障状态，那么系统故障的概率就会按比例缩小，可以将λparalel表示为λ1*λ2（MTTR1＋MTTR2）。MTTR1和MTTR2分别代表子系统1和2。所有对象的MTTR都设为1小时。因此所有计算中MTTR都是1。如果两个子系统相同，λ1＝λ2且MTTR1＝MTTR2，系统故障率λparalel将被简化为2λ2。（2）并行系统平均故障间隔时间（MTBF）系统MTBF定义为并行系统故障率λparallel的倒数。如果2个子系统不可修复，那么并行MTBF就是2个MTBF的和。（3）并行系统固有可用性（Aparalel）可用系统的每个子系统均是可用的，Aparalel可以表示为：A1＋A2－A1*A2。如果2个子系统相同，λ1＝λ2且A1＝A2，系统可用性将被降低为：2A－A2。

2可靠性框图分析在综合监控系统中的应用

2．1综合监控系统结构及相关假设

综合监控系统通常采用三层结构形式，从上而下三个层级分别是控制中心、车、现场设备，形成了三级控制、两级管理的系统运行模式。如图3所示。由图3可，由于综合监控系统采用三层结构，需分别考虑控制中心和车站的两个层级的可用性，并就其中的一些前提和条件予以合理的假设。（1）子系统数据准确性假设综合监控各接口子系统的数据是准确的，是基于已验证的来源，其故障率为0（也就是可用性为100％）。（2）平均修复时间为确保综合监控系统正常运行，所有设备的平均修复时间（MTTR）都假设为1小时。（3）通讯骨干网（CBN）的可靠性模式中包含通讯骨干网（CBN）的可靠性和可用性。假设CBN故障率为0（也就是可用性为100％）。假设此分析的范围不包括CBN可靠性分析。（4）硬件可靠性轨道交通综合监控系统实现控制中心及车站对外部接口系统的监控功能，其关键环节为中心和车站的工作站、服务器、磁盘阵列、交换机及通信前置机等关键有源硬件设备，并假设打印机等一些非关键设备及底座、电缆等无源器件的故障率为0（也就是可用性为100％）。软件可用性和操作员引发故障的影响不纳入本文的分析。（5）固有可用性将可用性要求设为稳定状态固有可用性（Ai），固有状态Ai就是时间趋于无穷大时的可用性，只考虑修复时间（平均修复时间）正确的情况。运行可用性（Ao）不能确定，因为它取决于维修时间和平均逻辑停机时间（包括但是不限于管理延时，获得备用时间、传输时间），由于不能准确预测平均逻辑停机时间，因此不能确定Ao。

2．2综合监控可靠性框图分析方法

综合监控系统的可靠性框图包括了中心和车站两个层级的设备，如图4所示。图4中列出了各个设备的参考MTBF数值，在使用本文提供的方法计算系统可靠性时，可查询相关设备的使用说明书以获取此数值。2．2．1故障率计算从图4可知，控制中心可靠性框图包含了并行和串行两种组织结构。由于综合监控系统关键硬件设备均采用双机或多机冗余的方式，因此首先需对服务器、工作站、交换机、前置机等设备计算并行可靠性，然后再按照图4所示的顺序计算串行可靠性，并最终得到整个系统的可靠性计算结果。根据上文的阐述可知：根据上文，图4所示的整个串行系统的故障率计算λseries为occ实时服务器、occ历史服务器－磁盘阵列、occ工作站、oc-cfep、occ交换机、车站交换机、车站实时服务器、车站工作站、车站fep故障率之和，即9*10－10。整个系统的平均无故障时间MTBFseries为串行系统的故障率λseries的倒数，即1．11*109hr。2．2．2可用性计算根据上文，图4中各个部分的可用性为：根据上文，图4所示的整个串行系统的可用性Aseries为occ服务器、occ历史器－磁盘阵列、occ工作站、occfep、occ交换机、车站交换机、车站服务器、车站工作站、车站fep的可用性之积，即99．9999998％。

3结束语

根据计算，综合监控系统的平均无故障时间MTBF为1．11×109小时，系统可用性为99．9999998％。可见，综合监控系统关键设备采用冗余配置结构可以极大地提高整个系统的可靠性和可用性，一些安全要求非常高的场合要求自动化系统采用设备冗余方式的原因就在于此。可靠性框图分析提供了综合监控系统可靠性和可用性计算的具体方法及可量化的指标，从而可确保综合监控系统在安全性和可靠性方面能够满足相关规范的要求。本文提供的可靠性框图分析计算方法已经在国内多条地铁线路综合监控系统中应用，可以为后续线路综合监控系统的可靠性计算提供参考。

参考文献

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作者：林晓伟 卜凡 许超 单位：国电南瑞科技股份有限公司