城市轨道交通信号产品可靠性指标的动态监控

马秋艳

摘 要：本文在對我国有关标准进行参考的前提上，对基本可靠性以及任务可靠性看成是我国信号系统可靠性基本要求的指标参数，并且分析了两类参数建模和测定，进而给制定满足用户基本需求，同时也在技术方面实现可靠性指标值、可操作验证方法打下牢固的基础。

关键词：城市轨道;交通信号;可靠性指标;动态监控

城市轨道交通的特点是行车密度大、正点要求高，信号系统作为城市轨道交通的重要组成部分，对保证运营安全和列车高效率正点运行起着重要的作用，因此要求其具有很高的可靠性[1]。由于我国的现代信号系统技术起步较晚，近十几年来许多线路大量引入国外先进的信号系统，而国内又缺乏对其系统可靠性要求的相关研究，使得面临大量新线集中建设、运营建设部门必须对信号系统提出可靠性要求时，只能参照其他相关系统的可靠性标准，凭经验提出。由于缺乏成熟、量化的可靠性指标和验收体系，使得系统可靠性的验收工作往往处于表面化;实际信号系统的运营也表明，某些系统的可靠性并不尽人意。因此，迫切需要对信号系统的可靠性要求进行研究，建立科学规范的可靠性指标和管理验收体系。

1 城市轨道交通信号系统可靠性指标现状

从各城市地铁和轻轨信号系统的文件中可以看出，目前可靠性指标提法和等级相差较大，对于可靠性指标的规定各不相同，加上国内外文化差异，造成对标准条件的理解也不同。例如，对于有人提出了平均故障间隔时间（MeanTmieBetweenFailure，MTBF）和平均故障运行间隔时间（MeanTmieBetweenServiceFailure，MTBSF）两个可靠性指标参数，但信号系统中具体使用MTBF和MTBSF考核系统的可靠性仍存在一些问题。

首先，MTBF仅表示平均无故障时间，也称可修复产品的平均寿命，是描述可靠性的一种特征量。可靠性可以分为固有可靠性和使用可靠性，也可分为基本可靠性和任务可靠性。如果不加以说明，就会对可靠性产生不同的理解，无法进行指标的验收，使指标缺乏实际的操作意义。

其次，可靠性指标的量值依据还需要探讨。就MTBF的指标量值，有的要求提出与行车安全相关的可靠性指标应不小于106h、总的系统不小于105h，该量值主要是参考国内外相关系统的可靠性标准提出的。

这些文件中的可靠性指标大多是针对产品固有可靠性的预计值，而实际系统的验收指标应考核在现场安装条件和使用环境下的系统和设备的使用可靠性，因而只有通过对实际系统的使用可靠性水平进行考察，才能制定出科学的指标值。

第三，现有指标主要针对硬件，而对软件可靠性的定量要求较少，使得系统可靠性要求不很全面。使用方往往在系统投入运营后才发现软件的缺陷，要求供货方修改时，供货方会以已经满足合同需求而拒绝修改缺陷，使用方陷于被动。

2 信号系统的可靠性指标

1999年，IEEE针对城市轨道交通信号系统的性能与功能要求制定了相关标准1474.1—1999。其中对于系统可靠性要求，提出将平均功能故障间隔时间（MeanTmieBetweenFunctionalFailure，MTBFF）和平均故障间隔时间（MeantmieBetweenFailure，MTBF）两个参数，规定系统的MTBFF应考虑影响系统完成规定功能的所有故障，系统的MTBF则既包括影响系统功能的故障，也包括不影响系统功能完成（例如由于设备冗余）的所有故障;并且指出，虽然系统MTBFF和系统MTBF预计在传统上仅考虑硬件故障，但在实际测定时，故障应包含软件错误和硬件故障。

国际标准中提出对可靠性的要求值得我们借鉴，它明确规定MTBFF是考察系统任务可靠性、MTBF是考察系统基本可靠性，并且强调可靠性的预计与测定不同。但是，对标准中提出的测定系统MTBF和MTBFF时都应考虑软、硬件故障，我们认为还应该具体考虑实际应用系统的特点。

在对现场的城市轨道交通信号系统评估时，MTBF作为基本可靠性的特征量，应反映出系统对维修人力、费用及备品备件的需求。如果一个系统基本可靠度低，即便任务可靠度满足要求，也会导致该系统维护成本太高，不能说该系统是一个可靠的系统。因为，只要有设备故障，即使由于设备采用冗余并没有影响系统功能的完成，却仍马上需要有维修人员进行诊断、维修或更换备件。而软件故障是指软件设计的缺陷在一定的运行条件下，导致系统运行中出现可感知的不正常、不正确和不按规范执行的状态。任何软件内部缺陷引起的错误，不在用户维修范畴内，并且用户也无法维修，因而考虑软件故障，并不能考察出系统对维修人力、费用和备品备件的需求。因此笔者认为，针对城市轨道交通信号系统，MTBF应主要考虑硬件故障。

3 信号系统可靠性指标的动态监控

3.1 可靠性监控的方法

基于对基本可靠性和任务可靠性的定义，本文将采用指数分布的点估计方法，说明系统基本可靠性MTBF和任务可靠性MTBFF的测定方法。可靠性测定是用规定的统计方法，分析已得到的可靠性数据，以便估计出所关心的可靠性特征量，这些特征量可以用一个点估计值或一个置信区间的范围来表示。鉴于所考察的设备和系统均工作在故障率近似为常数的偶然失效期（软件未经修改时也可认为服从指数分布），依据《设备可靠性试验，可靠性测定试验的点估计和区间估计的方法（指数分布）》（GB5080.4）中的点估计方法进行评估。

3.2 MTBF和MTBFF点估计

假设试验时间t内，根据故障统计数据，主机A、S1和C各出现1次硬件故障，接口电路出现3次硬件故障，主机A出现10次软件错误。

3.3 举例说明

城市轨道交通信号系统主要由与行车安全相关的列车超速防护（AutomaticTrainProtection，ATP）系统、联锁系统，与行车效率密切相关的列车自动监控（AutomaticTrainSupervision，ATS）系统和列车自动驾驶（AutomaticTrainOperation，ATO）系统组成。下面以某条已通过验收、实际运营线路的ATS系统为例，按照上述方法建立相应的分析模型，根据故障统计数据来进行指标的点估计测定。

ATS系统功能主要包括制订列车时刻表、列车运行追踪控制、自动排列进路及列车运行自动调整等功能。通过调度集中设备与相关设备交互通信，站台设置的旅客向导系统还向旅客提供乘车有关的信息，发车指示器向司机提供显示早晚点发车的倒计时信息等。

鉴于旅客信息系统与中央和本地的ATS设备相比，在完成信号系统功能方面有不同等级的可靠性要求，因而分别对其进行可靠性指标的评估。综合考虑软、硬件故障的任务可靠度与仅考虑硬件故障的任务可靠度计算结果相差很大，因此在考核系统任务可靠度时，必须要考虑软件故障。对于旅客信息系统，由于没有采用冗余结构且不涉及软件，因而其任务可靠度与基本可靠度相同。

4 结语

本文作为对城市轨道交通信号系统可靠性指标的初步探讨，在参考国际相关标准的基础上，提出了用MTBF和MTBFF分别指代系统的基本可靠度和任务可靠度，作为我国城市轨道交通信号系统可靠性指标的参数，同时指出基本可靠性应主要考虑硬件故障，任务可靠性应综合考虑硬件故障和软件故障，进而阐述了两种参数的建模与监控，为下一步既能满足用户需求而又能在技术上达到的可靠性指标值奠定了基础。

参考文献

[1]牛英明.城市轨道交通信号系统运用可靠性的验证方法探讨[J].世界轨道交通，2005（6）：3940.