基于車車通信的信號系統(tǒng)運(yùn)行服務(wù)可用性分析

李梅，孔維杰，南楠，劉曉

基于車車通信技術(shù)的信號系統(tǒng)的特征是以車載為控制核心,由車載設(shè)備基于自身的運(yùn)行任務(wù)和當(dāng)前位置,主動與相鄰列車直接進(jìn)行信息交互,并根據(jù)交互信息自主計算與更新移動授權(quán)、控車曲線及所需的軌旁資源,控制列車安全可靠運(yùn)行。與傳統(tǒng)的車地通信信號系統(tǒng)相比,車車通信信號系統(tǒng)無需通過軌旁設(shè)備獲知其他列車的信息,減少了軌旁設(shè)備的使用數(shù)量,使得系統(tǒng)接口簡約化,數(shù)據(jù)信息傳輸路徑減少,操作方式更靈活,提高了系統(tǒng)的運(yùn)行效率,大幅降低了信號系統(tǒng)的投入成本,同時便于后期維護(hù)［1-3］。

考慮到信號系統(tǒng)的運(yùn)行服務(wù)可用性水平是評價城市軌道交通運(yùn)行服務(wù)能力的一個重要指標(biāo),如何有效分析系統(tǒng)故障對運(yùn)行延誤的影響越來越受到客戶關(guān)注。常用的故障模式、影響及危害性分析（FMECA）方法是一種單點(diǎn)故障分析方法,對于復(fù)雜場景下系統(tǒng)故障后的操作過程及對應(yīng)的時間分析顯得比較困難。故本文結(jié)合公理化思想,從車車通信信號系統(tǒng)運(yùn)行延誤角度出發(fā),探討影響信號系統(tǒng)服務(wù)可用性的因素,分析車車通信信號系統(tǒng)在運(yùn)行服務(wù)可用性上的提升,并給出改善建議。

1 基于公理化思想的運(yùn)行服務(wù)可用性分析

1.1 公理化思想概念

在科學(xué)設(shè)計準(zhǔn)則缺失的推動下,Suh［4-5］提出了將公理用作設(shè)計的科學(xué)基礎(chǔ)。公理化思想可以幫助設(shè)計者迅速了解系統(tǒng)內(nèi)部各層級之間的關(guān)系和解決問題的方法,減少隨機(jī)探索時間。在可靠性工程領(lǐng)域,如故障模式、影響分析（FMEA）、故障樹分析（FTA）等,文獻(xiàn)［6-7］也嘗試結(jié)合公理化思想研究可靠性。

公理化思想中的域是不同設(shè)計活動的界限線,即用戶域、功能域、物理域和過程域［8］。域的結(jié)構(gòu)以及域間的關(guān)系見圖1。本文利用公理化思想指導(dǎo)可用性分析,將可用性相關(guān)的需求定義為需求域（對應(yīng)圖1中的用戶域）,利用域與映射的關(guān)系,分析產(chǎn)品的可用性與失效原因之間的映射關(guān)系,從而確定是哪些功能因素影響了產(chǎn)品的可用性水平,以及影響的程度大小。

圖1 域與映射

1.2 基于公理化思想的運(yùn)行服務(wù)可用性分析過程

在可用性分析中,可以轉(zhuǎn)換思想,巧妙使用映射之間的矩陣形式來實(shí)現(xiàn)對運(yùn)行服務(wù)可用性的分析。

1.2.1 構(gòu)建可用性需求域—功能失效域

產(chǎn)品可用性需求域—功能失效域之間的映射關(guān)系為

式中:{FR}m×1為需求域向量；{FF}n×1為功能失效域向量；[A]m×n為映射矩陣。

1.2.2 構(gòu)建功能失效域—子系統(tǒng)故障域功能失效域—子系統(tǒng)故障域之間的映射關(guān)系為

式中:{EF}p×1為子系統(tǒng)故障域向量；{FF}n×1為功能失效域向量；[B]n×p為映射矩陣。某一功能失效與子系統(tǒng)故障之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系可以通過映射矩陣[B]n×p中的元素Bn×1…Bn×p等表示,而Bn×p的值可以用子系統(tǒng)故障的失效率來表示,這樣映射矩陣中每一行元素的和即為第一個功能的失效率,依次類推,可以評估出每個功能失效的失效率。

1.2.3 構(gòu)建子系統(tǒng)故障域—故障后操作域

子系統(tǒng)故障域—故障后操作域之間的映射關(guān)系為

式中:{MP}f×1為故障后操作域向量；{EF}p×1為子系統(tǒng)故障域向量；[C]p×f為映射矩陣。

這里假定公式（3）中的矩陣元素[C]p×f是相應(yīng)的操作步驟所使用的時間（單位為min）,則映射矩陣[C]p×f中的每一行元素和即是某個子系統(tǒng)故障后操作所使用的時間總和,tfailure=再根據(jù)操作規(guī)程查詢對應(yīng)功能無故障時的正常時間tnormal,進(jìn)而可得到該子系統(tǒng)故障后對運(yùn)行的延遲時間,即

再根據(jù)圖1,從右往左分析,結(jié)合公式（1）、（2）、（3）可以得到可用性需求的失效率,并通過文獻(xiàn)［9］中公式可以評估出系統(tǒng)的運(yùn)行服務(wù)可用性。整體分析流程見圖2。

圖2 分析流程圖

2 車車通信信號系統(tǒng)可用性分析

2.1 車車通信信號系統(tǒng)

車車通信信號系統(tǒng)主要包含列車自動監(jiān)控系統(tǒng)、目標(biāo)控制器、車載子系統(tǒng)、軌旁列車管理器、軌旁資源管理器、數(shù)據(jù)通信系統(tǒng),以及信標(biāo)等其他軌旁設(shè)備。其中,列車自動監(jiān)控系統(tǒng)主要負(fù)責(zé)監(jiān)督和控制列車的運(yùn)營,如運(yùn)行調(diào)整、操作控制等功能；目標(biāo)控制器負(fù)責(zé)軌旁設(shè)備的驅(qū)動與狀態(tài)采集等功能；車載子系統(tǒng)負(fù)責(zé)列車位置計算、路徑規(guī)劃及資源申請與釋放等功能；軌旁列車管理器主要管理臨時限速和非通信列車等；軌旁資源管理器負(fù)責(zé)軌旁資源分配與回收等功能；數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)負(fù)責(zé)軌旁設(shè)備間、列車與地面設(shè)備間、車與車間的雙向?qū)崟r通信等；其他軌旁設(shè)備負(fù)責(zé)定位或人員防護(hù)等功能。

本文以某一特定應(yīng)用的車車通信信號系統(tǒng)為工程案例,分析其可用性水平。

2.2 子系統(tǒng)故障域—故障后操作域

考慮到子系統(tǒng)故障域-故障后操作域涉及較多場景,本文僅以列車在兩站中間時連續(xù)2個信標(biāo)故障為例,展示具體實(shí)施過程,見表1。車載子系統(tǒng)、道岔、目標(biāo)控制器、通信等其他子系統(tǒng)的實(shí)施過程與表1相同,這里不贅述。

表1 連續(xù)2個信標(biāo)故障的延遲時間分析

2.3 功能失效域—子系統(tǒng)故障域

本文主要考慮關(guān)鍵子系統(tǒng)的故障與系統(tǒng)功能失效之間的關(guān)系,見式（5）。

矩陣中的失效率指標(biāo)依據(jù)IEC標(biāo)準(zhǔn)理論計算,僅供參考。

2.4 運(yùn)行服務(wù)可用性需求域—功能失效域

根據(jù)各子系統(tǒng)故障域—故障后操作域以及公式（5）,可得到系統(tǒng)的運(yùn)行服務(wù)可用性需求域與功能失效域之間的關(guān)系,矩陣中的失效率是某功能失效對運(yùn)行延誤的影響,不會造成延誤的矩陣元素為0,見公式（6）。

式中[A ]m×n為

矩陣[A]m×n中的元素可根據(jù)表1的方法分析各子系統(tǒng)故障對運(yùn)行服務(wù)的延誤影響,以及公式（5）中子系統(tǒng)故障造成功能失效的失效率綜合得出,即表示功能失效對運(yùn)行服務(wù)可用性是否有影響,以及影響程度。

3 車車通信與車地通信信號系統(tǒng)運(yùn)行服務(wù)可用性對比

本文分別從運(yùn)行服務(wù)延誤、維修與可用性定量評估的角度對車車通信與車地通信信號系統(tǒng)進(jìn)行對比分析。

3.1 運(yùn)行服務(wù)延誤對比

本文選取列車運(yùn)行至兩站中間時車載子系統(tǒng)故障以及列車剛剛離站時地面控制器（車車通信信號系統(tǒng)的軌旁列車管理器和車地通信系統(tǒng)的線路控制器）故障2個場景,對車車通信與車地通信信號系統(tǒng)的延誤時間進(jìn)行對比分析,分別見表2和表3。

從表2可知,若車載子系統(tǒng)在兩站之間故障時,對于車地通信系統(tǒng)需要在緊急制動后等待調(diào)度員授權(quán),而車車通信信號系統(tǒng)不需要等待調(diào)度員授權(quán)即可切換模式運(yùn)行到下一站,在該場景下,車車通信信號系統(tǒng)能減少故障對運(yùn)行服務(wù)延誤的影響。

表2 車載子系統(tǒng)故障時車車通信與車地通信延誤時間對比分析

從表3可知,車車通信信號系統(tǒng)的軌旁列車管理器與車地通信的線路控制器功能相似,在列車剛剛離站時,軌旁列車管理器故障后,無需觸發(fā)緊急制動,可直接控制列車低速運(yùn)行；而線路控制器故障后則需觸發(fā)緊急制動,等待授權(quán)后切換模式運(yùn)行,在該場景下,車車通信信號系統(tǒng)對運(yùn)行服務(wù)延誤的影響更小。

表3 地面控制器故障時車車通信與車地通信延誤時間對比分析

3.2 運(yùn)行服務(wù)鏈路與維修對比

與傳統(tǒng)的車地通信信號系統(tǒng)相比,車車通信信號系統(tǒng)減少了聯(lián)鎖機(jī)柜及機(jī)柜間的接口、線纜、繼電器等軌旁設(shè)備數(shù)量,而繼電器易受環(huán)境影響且有電氣壽命限制,極大地增加了系統(tǒng)故障率與維修成本。車車通信信號系統(tǒng)因?yàn)闇p少了這些軌旁設(shè)備與接口數(shù)量,從而降低了備品備件的數(shù)量以及人工維修成本。另外,傳統(tǒng)的車地通信信號系統(tǒng)中移動授權(quán)信息傳輸需要經(jīng)過區(qū)域控制器,而車車通信信號系統(tǒng)可通過車車之間直接交互信息自行計算移動授權(quán)信息［10］,極大地縮短了移動授權(quán)更新時間。

3.3 運(yùn)行服務(wù)可用性定量指標(biāo)對比

本文以某項目的線路配置為例,利用公式（6）中車車通信的自動監(jiān)控系統(tǒng)、目標(biāo)控制器、車載子系統(tǒng)、數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)與軌旁資源管理器等子系統(tǒng)的失效率,結(jié)合維修時間及可用性計算公式［9］,定量分析了車車通信信號系統(tǒng)運(yùn)行服務(wù)可用性水平；同理,按照此車車通信項目的線路配置,配置車地通信信號系統(tǒng)的線路,參照車車通信信號系統(tǒng)運(yùn)行服務(wù)可用性定量分析的方法,根據(jù)車地信號系統(tǒng)中的車載子系統(tǒng)、線路控制器、聯(lián)鎖系統(tǒng)、繼電器等子系統(tǒng)的失效率與維修時間,利用可用性計算公式［9］可得車地通信信號系統(tǒng)的運(yùn)行服務(wù)可用性水平,其對比見表4。

表4 某工程案例同配置下的運(yùn)行服務(wù)可用性評估結(jié)果%

4 結(jié)論及建議

1）本文通過對車車通信信號系統(tǒng)的車載設(shè)備、軌旁設(shè)備等各個系統(tǒng)故障的延誤影響分析,為信號系統(tǒng)的故障延誤影響分析提供了一種分析思路和方法,并為其運(yùn)行服務(wù)可用性水平評估提供了指導(dǎo)依據(jù)。

2）從運(yùn)行延誤、運(yùn)行服務(wù)鏈路與維修,及運(yùn)行服務(wù)可用性的定量分析角度,可知車車通信信號系統(tǒng)的運(yùn)行服務(wù)可用性水平相比車地通信信號系統(tǒng)有較大的提升。

3）車車通信技術(shù)用于信號系統(tǒng),其運(yùn)行服務(wù)的可用性水平仍是未來系統(tǒng)設(shè)計和實(shí)現(xiàn)關(guān)注的重點(diǎn)。根據(jù)研究分析過程提出以下建議:①由于軌旁驅(qū)動與狀態(tài)采集、軌旁設(shè)備間數(shù)據(jù)通信等功能失效導(dǎo)致的運(yùn)行延誤時間大于15 min,系統(tǒng)設(shè)計時應(yīng)著重提高其可靠性,且可考慮在線路上配置備用的軌旁資源管理器；②設(shè)備的失效率會影響系統(tǒng)的可用性,故應(yīng)選擇可靠性高的設(shè)備；③建議設(shè)計人員關(guān)注故障在線檢測與模式切換方式,考慮檢測到故障并成功切換模式所需的時間與授權(quán)的時間,從而縮短延誤時間。