基于層次分析法的CTCS3-300T型列控車載設(shè)備可靠性分析

尹洪志

(南京電務(wù)段，南京 210011)

基于層次分析法的CTCS3-300T型列控車載設(shè)備可靠性分析

尹洪志

(南京電務(wù)段，南京 210011)

300T型列控車載設(shè)備作為CTCS-3級(jí)列控系統(tǒng)的重要組成部分，在目前上線運(yùn)用的車載設(shè)備中占有較重比例，其運(yùn)用可靠性對(duì)于CTCS-3級(jí)列控系統(tǒng)整體可靠性有著至關(guān)重要的影響。通過對(duì)列控系統(tǒng)工作原理及故障的分析總結(jié)，運(yùn)用層次分析法理論，得出影響整個(gè)列控系統(tǒng)運(yùn)用可靠性因素的權(quán)重及排序，明確在提高列控車載系統(tǒng)可靠性應(yīng)注意的主要方面，為優(yōu)化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)以及設(shè)備日常維護(hù)管理提供參考。

CTCS3-300T；列控車載設(shè)備；可靠性；層次分析法

中國列車控制系統(tǒng)（Chinese Train Control System，CTCS）的主要功能是有效的保證列車安全運(yùn)行，并以分級(jí)形式滿足不同線路、不同列車的運(yùn)營需求。根據(jù)不同的線路條件和功能、不同的信息傳輸方式和閉塞技術(shù)，可以將CTCS系統(tǒng)劃分為5個(gè)等級(jí)，依次為CTCS-0～CTCS-4級(jí)。CTCS-3級(jí)是基于無線傳輸信息并采用軌道電路等方式檢查列車占用的列車運(yùn)行控制系統(tǒng)，主要面向提速干線、高速線路或特殊線路。

本文所要完成的目標(biāo)是：以300T型列控車載設(shè)備為例，統(tǒng)籌考慮CTCS-3級(jí)列控系統(tǒng)各個(gè)環(huán)節(jié)，運(yùn)用層次分析法理論，量化計(jì)算得出影響整個(gè)列控系統(tǒng)運(yùn)用可靠性因素的權(quán)重及排序，明確在提高列控車載系統(tǒng)可靠性應(yīng)注意的主要方面，為優(yōu)化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)以及設(shè)備日常維護(hù)管理提供參考。

1 CTCS3-300T型列控車載設(shè)備構(gòu)成

CTCS3-300T型設(shè)備（以下簡稱300T）由北京全路通信信號(hào)研究設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司開發(fā)研制，基于瑞典龐巴迪公司的產(chǎn)品原型，結(jié)合我國CTCS-3級(jí)系統(tǒng)需求加以優(yōu)化，目前裝備于CRH2C、CRH3、CRH380A/B/D等車型,適應(yīng)于時(shí)速300 km線路。在裝備300T車載設(shè)備的動(dòng)車組中，ATP設(shè)備與動(dòng)車組的通信接口采用繼電器或MVB總線方式，CRH2C及CRH380A/AL動(dòng)車組采用繼電器接口，ATP通過繼電器采集車輛駕駛室激活、手柄位置、制動(dòng)反饋信號(hào)等信息，并通過繼電器向車輛輸出切牽引、常用制動(dòng)、緊急制動(dòng)等命令。300T型列控車載設(shè)備采用分布式結(jié)構(gòu),結(jié)構(gòu)框如圖1所示。

2 層次分析法原理介紹

20世紀(jì)70年代中期，美國著名運(yùn)籌學(xué)T.L. Saaty教授提出層次分析法（Analytic Hierarchy Process，簡稱AHP）的基本架構(gòu)和原理，其主要特征是合理的將定性與定量的決策結(jié)合起來，具有系統(tǒng)性、層次性、實(shí)用簡潔性等優(yōu)點(diǎn)，特別適用于一些難于完全定量分析的問題。運(yùn)用層次分析法建立模型時(shí)，一般遵循以下4個(gè)步驟。

圖1 CTCS3-300T設(shè)備C2/C3通用結(jié)構(gòu)框圖

1）建立遞階層次結(jié)構(gòu)模型

應(yīng)用AHP分析決策問題時(shí)，基本思路是先分解、后綜合，將問題層次化、條理化，根據(jù)總目標(biāo)，分解成不同組成因素，依據(jù)相互隸屬關(guān)系，形成層次聚集組合，進(jìn)而構(gòu)建層次結(jié)構(gòu)模型。層次分析法結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 層次分析法結(jié)構(gòu)

2）構(gòu)造層次判斷矩陣

采用兩兩比較的方法來建立判斷矩陣，層次結(jié)構(gòu)反映各因素之間的相互關(guān)系。如圖2所示，設(shè)目標(biāo)任務(wù)分解為V={v1，v2,…，vn}，vn={vn1，vn2，…vnk}，對(duì)目標(biāo)V進(jìn)行分解，經(jīng)兩兩比較評(píng)價(jià)因素中的元素，建立判斷矩陣為

元素Vi和Vj的比較結(jié)果記作bij，一般情況下采用的比例標(biāo)度用1-9標(biāo)度進(jìn)行衡量，其具體含義如表1所示。

3）一致性檢驗(yàn)及層次單排序

所謂層次單排序是指，對(duì)于上一層某因素而言，本層次各因素之間的重要性排序。在單一準(zhǔn)則下，計(jì)算各因素的相對(duì)權(quán)重，可以通過求解特征根和特征向量得出，對(duì)于BnW＝λmaxW；其中Bn的最大特征根記為λmax，對(duì)應(yīng)λmax的特征向量記為W 。

表1 層次分析法比例標(biāo)度

對(duì)矩陣Bn的各個(gè)行向量進(jìn)行幾何平均，然后進(jìn)行歸一化處理，

即求得單一準(zhǔn)則下各因素的相對(duì)權(quán)重，記作W=[w1，w2，…wn]T。對(duì)判斷矩陣進(jìn)行一致性檢驗(yàn)，

定義C.R.為隨機(jī)一致性比率，R.I.為平均隨機(jī)一致性指標(biāo)，其中，R.I.取判斷矩陣特征值的算術(shù)平均數(shù)，而矩陣特征值是基于超過500次以上重復(fù)計(jì)算隨機(jī)得出的。本文R.I.的取值是基于重復(fù)計(jì)算1 000次得出的結(jié)果，如表2所示。

表2 基于1 000次計(jì)算下的平均隨機(jī)一致性指標(biāo)

當(dāng)指標(biāo)C.R.＜0.1時(shí)，判斷認(rèn)為矩陣一致性檢查可以接受。

4）層次總排序及一致性檢驗(yàn)

組合權(quán)重是在單層次排序的基礎(chǔ)上，根據(jù)遞進(jìn)層次結(jié)構(gòu)，自上而下地將單準(zhǔn)則下的權(quán)重進(jìn)行合成。令二階評(píng)價(jià)因素V11，Vi2，…，Vnk相對(duì)于Vi的權(quán)重分別記為l1i，l2i，…，lmi，計(jì)算二階評(píng)價(jià)因素相對(duì)于總目標(biāo)的權(quán)重，按表3所示方式進(jìn)行，得出各因素的層次總權(quán)重排序。

總權(quán)重排序同層次單排序一樣，也應(yīng)作一致性檢驗(yàn)，其步驟從最高層開始、逐層進(jìn)行。在單一準(zhǔn)則下構(gòu)建二階評(píng)價(jià)因素v11，vi2，…vnk關(guān)于Vn有關(guān)因素的比較判斷矩陣，且滿足一致性檢驗(yàn)，計(jì)算得出一致性指標(biāo)為C.I.（j），（j=1，2，…n），其對(duì)應(yīng)的平均隨機(jī)一致性指標(biāo)為R.I.（j），則該層元素相對(duì)于總目標(biāo)的隨機(jī)一致性比率為：

當(dāng)C.R.＜0.1時(shí)，則判定層次總權(quán)重的排序結(jié)果具有滿意的一致性。

表3 評(píng)價(jià)因素權(quán)重系數(shù)

3 基于層次分析法的300T型列控車載設(shè)備可靠性分析

300T型列控車載設(shè)備按照故障-安全原則進(jìn)行設(shè)計(jì)，有2套獨(dú)立的工作系統(tǒng)，定義為A系、B系，硬件冗余為冷備。如若主用系統(tǒng)故障時(shí)，可由司機(jī)通過轉(zhuǎn)換冗余開關(guān)，倒向備用系統(tǒng)工作，單系獨(dú)立設(shè)備故障后，不影響整個(gè)系統(tǒng)的正常運(yùn)用。車載設(shè)備主要由車載主機(jī)和車載外圍設(shè)備組成，并通過車載設(shè)備外部接口與動(dòng)車組、動(dòng)態(tài)監(jiān)測設(shè)備等外部設(shè)備連接。300T設(shè)備系統(tǒng)框如圖3所示。

針對(duì)300T列控車載設(shè)備故障，一般可概括為兩種類型。

一種為ATP設(shè)備自身故障，體現(xiàn)在各部件未能正常工作或自身邏輯處理單元工作異常而導(dǎo)致的?？梢苑譃檐浖?、硬件問題兩大類。軟件問題主要是因ATP設(shè)備處理邏輯可能存在的偶發(fā)計(jì)算問題，或ATP設(shè)備邏輯處理與地面信號(hào)設(shè)備之間可能存在一定的不匹配問題所導(dǎo)致的；另一種為結(jié)合部故障，體現(xiàn)在運(yùn)用途中因設(shè)備軟件邏輯缺陷或外部信息的變化，使得ATP設(shè)備自身為確保列車運(yùn)行安全而輸出的異常制動(dòng)停車。

基于以上分析，引起300T型列控車載設(shè)備工作異常的原因可歸為3類。

1）主控設(shè)備側(cè)故障：主要包括硬件設(shè)備故障和軟件設(shè)備故障。硬件設(shè)備故障主要有車載計(jì)算機(jī)主控單元模塊故障、BTM、STM接收單元工作異常、Profibus總線異常等；軟件故障主要有A/B比較不一致等。

2）車輛接口側(cè)故障：此類故障主要是繼電器故障、車輛生命信號(hào)異常故障以及VDX安全輸入輸出異常等。

圖3 CTCS3-300T設(shè)備系統(tǒng)框圖

3）車地通信側(cè)故障：此類問題可能存在于RBC故障、無線通信故障、地面應(yīng)答器及發(fā)碼異常以及CTC/聯(lián)鎖接口傳輸異常等方面。

3.1 建立可靠性影響因素層次結(jié)構(gòu)模型

CTCS3-300T型列控車載系統(tǒng)可靠性影響因素層次結(jié)構(gòu)如圖4所示。圖中最上層系統(tǒng)失效定義為A層，引起系統(tǒng)失效的3個(gè)方面原因定義為B層，具體故障因素定義為C層。

圖4 CTCS3-300T型列控車載系統(tǒng)可靠性影響因素層次結(jié)構(gòu)

3.2 設(shè)備運(yùn)用可靠性影響因素重要性排序

1）構(gòu)造B層的元素對(duì)A層的判斷矩陣，并進(jìn)行一致性檢驗(yàn)。

將矩陣A按行歸一化

W=[0.122 0.230 0.648]T

因此

矩陣A一致性可接受。

2）構(gòu)造C層的元素對(duì)B層的判斷矩陣，并進(jìn)行一致性檢驗(yàn)。

歸一化

根據(jù)表3，計(jì)算一致性比例，得：

由此可判斷矩陣B1、B2、B3一致性可接受。

3）計(jì)算C層相對(duì)與A層的總權(quán)重和排序，并進(jìn)行一致性檢驗(yàn)

根據(jù)前兩個(gè)步驟的計(jì)算結(jié)果，得出總權(quán)重和排序表，如表4所示。

表4 CTCS3-300T型列控車載系統(tǒng)可靠性因素影響權(quán)重系數(shù)

從表4中可以看出，CTCS3-300T型列控車載系統(tǒng)可靠性影響因素按權(quán)重排序依次為列車接口模塊故障、車輛生命信號(hào)異常、無線管理模塊故障、接口繼電器故障、Profibus總線異常、系統(tǒng)軟件異常、RBC無線閉塞中心故障、速傳設(shè)備故障、無線電臺(tái)故障、GSM-R天線故障、ATP主控單元故障、DMI故障以及BTM故障。

4 提高CTCS3-300T型列控車載設(shè)備的可靠性措施

基于層次分析法的運(yùn)用，對(duì)影響300T型列控車載系統(tǒng)可靠性有關(guān)因素進(jìn)行定性定量分析，得出各因素影響力權(quán)重排序，找出在提高列控車載系統(tǒng)可靠性時(shí)應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，進(jìn)而作為日常設(shè)備維護(hù)的工作重點(diǎn)，制定有針對(duì)性地維修策略加以防范。

通過表4所示各影響因素的排序結(jié)果可以看出，車輛接口側(cè)和車地通信側(cè)設(shè)備故障對(duì)整個(gè)系統(tǒng)可靠性的影響相對(duì)較大，其中，設(shè)備硬件故障占較大比例。通過分析可知，在設(shè)備硬件故障率一定的條件下，設(shè)備冗余會(huì)給系統(tǒng)可靠性帶來關(guān)鍵影響。除此以外，車輛生命信號(hào)異常、Profibus總線異常、系統(tǒng)軟件異常帶來的影響也不可忽視。

1）提高系統(tǒng)硬件設(shè)備的可靠性：通過對(duì)CTCS3-300T型列控車載系統(tǒng)故障因素定位結(jié)果可以看出，硬件設(shè)備故障會(huì)給系統(tǒng)可靠性帶來較大的影響，尤其是車地通信側(cè)和列車接口側(cè)相關(guān)設(shè)備的可靠性。因此，在對(duì)硬件設(shè)備進(jìn)行選擇時(shí)，應(yīng)盡量提高篩選的標(biāo)準(zhǔn)和條件，嚴(yán)格控制篩選的實(shí)驗(yàn)環(huán)境，加大元器件的篩選力度，盡可能選用高可靠性的硬件設(shè)備。

此外，為有效防止硬件偶然性和耗損性失效帶來的設(shè)備故障，提高列控硬件設(shè)備的可靠性，非常有效的手段主要有強(qiáng)化設(shè)備的日常維護(hù)以及嚴(yán)格落實(shí)修程修制等措施。

2）適當(dāng)提高設(shè)備冗余度：由可靠性理論中混聯(lián)系統(tǒng)可靠性模型得知，系統(tǒng)部件的冗余度越高，系統(tǒng)的可靠性就越高。因此，在選取合理的系統(tǒng)架構(gòu)情況下，適當(dāng)增加硬件設(shè)備的冗余度，如列車接口模塊、無線管理模塊、C3主控單元、BTM以及測速設(shè)備等都采用雙套冗余，針對(duì)安全數(shù)字輸出單元相關(guān)環(huán)節(jié)無冗余問題，可采取增設(shè)冗余繼電器的方式，在系統(tǒng)中增設(shè)EB1等非冗余的繼電器，并增加選擇電路，由既有VDX單元判斷是否存在繼電器內(nèi)部存在異?；騽?dòng)作超時(shí)情況，一旦發(fā)現(xiàn)則控制選擇電路切換VDX相關(guān)的端口，在較短時(shí)間內(nèi)自動(dòng)進(jìn)行切換，這樣會(huì)大大提高系統(tǒng)的可靠性；針對(duì)與車輛通信接口的AG繼電器接點(diǎn)可靠性等問題，應(yīng)在接點(diǎn)冗余方面加以改進(jìn)，采取增加繼電器內(nèi)部接觸點(diǎn)的方式，提高接點(diǎn)接觸穩(wěn)定性，將既有的接點(diǎn)一分為二，確保接點(diǎn)接觸良好。

3）完善系統(tǒng)軟件功能：針對(duì)軟件存在的缺陷，通過增加數(shù)據(jù)檢測及錯(cuò)誤診斷功能來進(jìn)一步改善功能執(zhí)行條件，同時(shí)在軟件因素上按照EN 50128開發(fā)達(dá)到安全等級(jí)要求的軟件、增加軟件誤差校正能力來提高整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)用的穩(wěn)定性，進(jìn)一步優(yōu)化完善各類軟件的邏輯控制，減少由于軟件缺陷導(dǎo)致的各項(xiàng)控車功能異常。

5 總結(jié)及結(jié)束語

CTCS-3級(jí)列車控制系統(tǒng)是基于歐洲ETCS2的基礎(chǔ)上，結(jié)合中國鐵路實(shí)際，不斷改進(jìn)創(chuàng)新發(fā)展起來的，是高速列車安全、可靠、高效運(yùn)行重要控制系統(tǒng)。300T型列控車載設(shè)備作為CTCS-3級(jí)列車控制系統(tǒng)的重要組成部分，其運(yùn)用可靠性將給CTCS-3級(jí)列控系統(tǒng)的運(yùn)用可靠性和安全性帶來關(guān)鍵影響。因此，關(guān)于CTCS3-300T型列控車載設(shè)備運(yùn)用可靠性的分析研究，對(duì)優(yōu)化系統(tǒng)的可靠性設(shè)計(jì)及制定維修標(biāo)準(zhǔn)具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。本文主要的研究成果有：一是對(duì)300T型列控車載設(shè)備的故障進(jìn)行規(guī)范分類，運(yùn)用層次分析法對(duì)各影響因素進(jìn)行權(quán)重量化排序，找出關(guān)鍵環(huán)節(jié)以進(jìn)行針對(duì)性防范；二是除了考慮300T型列控車載設(shè)備本身可靠性之外，綜合CTCS-3級(jí)列控系統(tǒng)整體運(yùn)用所涉及的通信設(shè)備側(cè)和地面設(shè)備側(cè)的相關(guān)設(shè)備，從整體上分析系統(tǒng)的可靠性；論文也存在較多不足，如運(yùn)用層次分析法進(jìn)行定量分析時(shí)，只考慮了影響可靠性的關(guān)鍵因素，未能完全涵蓋影響CTCS3-300T型列控車載設(shè)備系統(tǒng)的各個(gè)環(huán)節(jié)，與實(shí)際結(jié)果間存在一定的誤差，還需要作進(jìn)一步研究完善。

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As an important part of the CTCS-3 train control system, 300T onboard train control device occupies a heavier proportion of current onboard equipment in services. The reliability of the CTCS-3 300T device has important signifi cance for the reliability of the whole CTCS-3 system. The paper concludes the weight and order of factors that affect the reliability of the whole system based on the system operation principles and fault analysis by using analytic hierarchy process (AHP) analysis method. At the same time, it puts forward main aspects for improving the reliability of CTCS-3 300T train control system, in order to provide reference for the system structure optimization design and routine maintenance management.

CTCS-3 300T device; onboard train control equipment; reliability; Analytic Hierarchy Process

10.3969/j.issn.1673-4440.2016.06.004

2016-07-19）