基于 Petri網(wǎng)的鐵路信號綜合系統(tǒng)可靠性分析

陳紅霞

*南京鐵道職業(yè)技術(shù)學院 講師,210015 南京

為了確保鐵路各部門協(xié)調(diào)工作,保證鐵路運輸高速、安全、正點,許多涉及到列車調(diào)度、控制、監(jiān)測的信息,都需要通過通信系統(tǒng)進行遠距離、快速傳送,通信和信號信息相互滲透結(jié)合,形成一個包括通信、調(diào)度指揮、自動控制和信息處理在內(nèi)的智能化綜合系統(tǒng)。

鐵路信號綜合系統(tǒng)的可靠性由硬件和軟件共同決定,本文主要分析其硬件可靠性。以主、備設(shè)備為例,實行 1+l熱備份,在主、備用之間設(shè)有切換裝置。為了保證信息傳輸?shù)目煽啃?傳輸通道也是采用冗余方式。這幾個因素在實際系統(tǒng)中是以動態(tài)行為來保證系統(tǒng)的可靠運行。利用目前分析動態(tài)并發(fā)系統(tǒng)最有效的 Petri網(wǎng)分析方法,并以主、備用光纖處在不同光纜中統(tǒng)一路由的光纖通信系統(tǒng)為傳輸通道,來進行系統(tǒng)建模,對整個系統(tǒng)進行如下可靠性分析。

1 建立系統(tǒng)模型

Petri網(wǎng)用于描述異步并發(fā)能力,并將動態(tài)行為同構(gòu)于連續(xù)時間馬爾可夫鏈的離散動態(tài)系統(tǒng),可以方便地對離散動態(tài)系統(tǒng)進行建模,并對其性能和可靠性進行分析。圖 1所示為利用 Petri網(wǎng)對于基于光纖通信的鐵路信號系統(tǒng)的建模模型。

圖1 系統(tǒng)模型

圖1中 A、B兩個終端之間的信息傳輸需要信號設(shè)備和路由設(shè)備 2個子系統(tǒng),信號設(shè)備子系統(tǒng)包括主機、備機和切換裝置,路由設(shè)備子系統(tǒng)由統(tǒng)一路由構(gòu)成。由于是串聯(lián)連接,因此整個信號系統(tǒng)的可靠性由信號設(shè)備子系統(tǒng)和路由設(shè)備子系統(tǒng)可靠性的乘積決定。

2 系統(tǒng)可靠性建模

2.1 信號設(shè)備子系統(tǒng)建模

信號設(shè)備子系統(tǒng)為雙機熱備,主機與備機同時處于工作狀態(tài),并且備機同主機一樣具有特定的失效率。在切換裝置正常時,當主機故障,備機會升級為主機。通常熱備份狀態(tài)下的主、備機切換時間很短,假設(shè)轉(zhuǎn)換時間為零。圖 2是處于雙機熱備保護的可維修信號設(shè)備子系統(tǒng)的模型。

圖2 信號設(shè)備子系統(tǒng) Petri網(wǎng)模型

圖2中 p1表示主機工作正常;p2表示切換裝置工作正常;p3表示備機工作正常;p4表示主機失效待修;p5表示切換裝置失效待修;P6表示備機失效待修;p7表示主機故障、切換裝置故障下的信號設(shè)備失效狀態(tài);p8表示主機、備機均失效情況下的信號設(shè)備失效狀態(tài),有標記表示失效發(fā)生;t1表示模擬主機失效過程;t2表示模擬切換裝置失效過程;t3表示模擬備機失效過程;t4表示主機、切換裝置均故障下的信號設(shè)備失效;t5表示模擬設(shè)備子系統(tǒng)未失效情況下,對切換單元進行維修的過程;t6表示主機、備機均故障情況下的信號設(shè)備失效;t7表示模擬設(shè)備子系統(tǒng)未失效情況下,對備用單元進行維修的過程;t8表示模擬 p7失效情況下,對故障單元進行集中搶修的過程;t9表示模擬 p8失效情況下,對故障單元進行集中搶修的過程;t10表示模擬主機故障、備機正常、切換裝置正常情況下的主備機切換。

2.2 路由設(shè)備子系統(tǒng)建模

路由設(shè)備子系統(tǒng)采用冗余技術(shù),即并聯(lián)使用。因此只有在路由設(shè)備都故障的情況下路由設(shè)備子系統(tǒng)才失效。但是信號系統(tǒng)要求冗余系統(tǒng)不能影響整個系統(tǒng)的工作,只能在降級狀態(tài)下運行,所以維修人員要在路由設(shè)備子系統(tǒng)失效,造成整個系統(tǒng)不可用時對其進行緊急搶修。路由設(shè)備子系統(tǒng)的模型如圖3所示。

圖 3中,p1表示有標記表示路由系統(tǒng) A工作正常;p2表示有標記表示路由系統(tǒng) B工作正常;p3表示路由系統(tǒng)A故障;p4表示路由系統(tǒng)B故障;p5表示路由子系統(tǒng)故障;t1表示模擬路由系統(tǒng) A失效過程;t2表示模擬路由系統(tǒng) B失效過程;t3表示路由系統(tǒng) A失效待修;t4表示路由系統(tǒng) B失效待修;t5表示對路由進行搶修過程。

3 系統(tǒng)可靠性分析及計算

對圖 2的模型建立可達樹,如圖4所示。其初始狀態(tài)按照 [p1,p2,p3,p4,p5,p6,p7,p8,p9,]的順序,為 (11100000)。

一般電子設(shè)備都服從指數(shù)分布,假設(shè)主備機的失效率 λ1=0.001,切換裝置的失效率為 λ2=0.0005,對設(shè)備的日常維修率 μ1=0.01,搶修維修率 μ2=0.05,根據(jù)隨機過程的相關(guān)知識和馬爾可夫過程可得出圖 4實存狀態(tài)的穩(wěn)定概率分布 Y,Y=(0.80736, 0.14525, 0.03833, 0.00528,0.00289,0.00076,0.00007,0.00006),即對應(yīng)圖 4中每個狀態(tài)。當位置有標記時信號設(shè)備子系統(tǒng)可用,根據(jù)串聯(lián)可靠度的計算方法可得到信號設(shè)備子系統(tǒng)可靠度為 0.99622(即前 4個狀態(tài)的和)。同樣可以計算出路由設(shè)備子系統(tǒng)的可靠度。設(shè)其失效率為0.001,維修率為 0.1,則路由設(shè)備子系統(tǒng)可靠度為 0.999902。整個信號系統(tǒng)的可靠性為信號設(shè)備可靠度與路由設(shè)備可靠度的乘積,即為 0.995902。

4 結(jié)論

在傳輸通道采用光纜的情況下,分析鐵路綜合信號系統(tǒng)的可靠性,對系統(tǒng)進行了建模,并考慮了系統(tǒng)的動態(tài)可變性和實際情況的對應(yīng),最后采用馬爾可夫過程進行了計算分析,計算了其可靠度,一方面說明了 Petri網(wǎng)分析動態(tài)系統(tǒng)的優(yōu)勢,另一方面對于信號系統(tǒng)的設(shè)計提供了一定的參考價值。

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