地鐵車輛邏輯控制單元可靠性分析

韋忠潮　朱偉健　謝喜佳

摘 要：本文主要對南寧軌道交通4號線車輛邏輯控制單元（LCU）可靠性進行分析，介紹了LCU裝置的邏輯控制原理及機箱的硬件組成部分，利用RBD建模方法對整車LCU和單個機箱進行可靠性建模、可靠性計算及預計，計算出整車LCU平均無故障時間和平均無故障服務時間，與整車可靠性分配指標對比，滿足整車對LCU可靠性指標分配要求，為車輛全壽命周期內(nèi)的運營維護成本計算、新線項目技術方案選擇等提供參考依據(jù)。

關鍵詞：地鐵車輛 LCU 可靠性建模 失效率 可靠性

Reliability Analysis of Logic Control Unit of Metro Vehicle

Wei Zhongchao， Zhu Weijian， Xie Xijia

Abstract：This paper mainly analyzes the reliability of the logic control unit of the train （LCU） of Line 4 of Nanning Rail Transit， introduces the logic control principle of LCU device and the hardware components of the chassis， uses RBD modeling method to model， calculate and predict the reliability of LCU of the whole train and a single chassis， calculates the mean time between failures and the mean time between failures of LCU of the whole train， and compares it with the reliability allocation index of the whole vehicle， so as to meet the allocation requirements of LCU reliability index for the whole vehicle life cycle and calculate the operation and maintenance cost.

Key words：subway vehicles， LCU， reliability modeling， failure rate， reliability

1 引言

隨著我國經(jīng)濟快速發(fā)展、城市化進程快速推進，城市軌道交通也在快速發(fā)展，為有效地保證地鐵建設、運營的安全，促進城市軌道交通健康發(fā)展；在軌道交通建設中，在不同領域、不同程度上運用了RAMS管理技術[1]，并對軌道交通裝備的可靠性、可用性和安全性提出更高的要求。目前既有線路地鐵車輛大多采用繼電器硬線邏輯控制，列車控制系統(tǒng)存在故障率較高、可靠性較低、維護成本偏高等諸多缺點，現(xiàn)在地鐵車輛普遍采用邏輯控制系統(tǒng)代替?zhèn)鹘y(tǒng)邏輯控制方案，以滿足智能化、網(wǎng)絡化、高可靠性、低維護成本和長壽命的要求[2]。

2 列車LCU配置方案

LCU（logic control unit 邏輯控制單元）是針對軌道車輛邏輯控制而設計的車載系統(tǒng)，采用系統(tǒng)穩(wěn)定、成熟可靠的分布式網(wǎng)絡技術，通過光耦和場效應管等無觸點電路替代列車傳統(tǒng)的中間繼電器、時間繼電器、雙穩(wěn)態(tài)繼電器等有觸點控制電路，實現(xiàn)列車邏輯控制、列車網(wǎng)絡通信和故障診斷等功能。極大簡化車輛整車控制電路、提升整車智能化水平，具有直接輸人直流信號、輸出大電流驅動負載的能力，還具有控制方式靈活、編程方便、布線簡潔、檢修方便等特點。

2.1 LCU拓撲結構圖

LCU是專門為在軌道交通環(huán)境下應用而設計的數(shù)字邏輯控制裝置，采集司機控制器、按鍵開關組、隔離開關、接觸器輔助觸點等DC110V的信號，經(jīng)邏輯計算后，輸出驅動車輛各類負載，完成指定的時序控制功能[3-4]。

南寧軌道交通4號線車輛為6節(jié)編組，采用LCU控制電路方案，整車配置4套LCU，采用分布式結構，其中Tc1、Tc2、Mp1、Mp2車各安裝1套LCU，M1、M2車不安裝LCU。其中，Tc1、Tc2車采用司機室3U機箱，Mp1、Mp2車采用客室3U機箱，各節(jié)車LCU之間通過CAN網(wǎng)絡實現(xiàn)數(shù)據(jù)共享，Tc車的LCU通過MVB網(wǎng)關與TCMS建立數(shù)據(jù)連接，以實現(xiàn)整車邏輯控制、列車網(wǎng)絡通信和故障診斷等功能，整車LCU拓撲結構圖如圖1所示。

2.2 硬件拓撲

LCU邏輯控制單元在硬件上采用模塊化及安全冗余設計，LCU的機箱根據(jù)分布情況分為司機室3U機箱和客室3U機箱，兩種機箱外形尺寸均一致，客室LCU比司機室LCU減少一塊MVB網(wǎng)板、一組IO板，接口板X3不接線，其余接口均一致。

2.2.1 司機室3U機箱

司機室3U機箱包括2塊電源板、2塊主控板、3塊通信板（MVB、CAN、ETH各1塊）、10塊數(shù)字量IO板（8塊DIO板、2塊GIO板）、3塊接線板，硬件拓撲如圖2所示。

2.2.2 客室3U機箱

客室3U機箱包括2塊電源板、2塊主控板、2塊通信板（CAN、ETH各1塊）、3塊接線板，8塊數(shù)字量IO板（6塊DIO板、2塊GIO板）、3塊接線板，硬件拓撲如圖3所示。

3 LCU可靠性建模

整車分配給邏輯控制單元的可靠性指標如下：

（1）MTBF——系統(tǒng)平均無故障時間：5439h。

（2）MTBFS——系統(tǒng)平均無故障服務時間：51287h。

3.1 可靠性建模

可靠性分析假設條件如下：

（1）假設各分部件都在同機工作，而且任務時間相同。

（2）假設各分部件的故障率（失效率）均為常數(shù)，即壽命分布為指數(shù)型。

（3）假設各分部件的故障是相互獨立的。

（4）假設各分部件的工藝成熟度基本相同。

（5）整機產(chǎn)品的結構尺寸不大，且其內(nèi)部沒有大功率的發(fā)熱部件，故假設各分部件所處的環(huán)境相同。

3.2 可靠性定義

（1）MTBF——系統(tǒng)平均無故障時間：LCU系統(tǒng)任意板卡發(fā)生任意單點故障的失效率，任意單點故障發(fā)生后LCU的系統(tǒng)控制功能不受影響，也不會影響列車正常的運行功能，列車可以維持當天運營。

（2）MTBFS--系統(tǒng)平均無故障服務時間：LCU系統(tǒng)兩塊冗余板卡發(fā)生故障并導向安全的失效率，此類故障會影響LCU的控制功能，會對列車的正常運營功能造成影響。

3.3 LCU模型

根據(jù)整車LCU系統(tǒng)硬件架構和單個3U機箱板卡配置，進行整車LCU和3U機箱可靠性模型的構建，如下圖4和圖5所示：

3.4 可靠性計算公式

3.4.1 LCU整機失效率

λS=ΣNiλi=NPWRλPWR+NMCUλMCU+NDIOλDIO+Ncanλcan+NMVBλMVB+N背板λ背板+N接口板λ接口板

其中：Ni為單元的數(shù)量，λi為單個單元的故障率，若該模塊為冗余設計，則λi為冗余板卡的故障率。

3.4.2 LCU冗余失效率

LCU機箱對PWR、MCU、DIO進行了冗余設計，冗余可靠性模型如圖6所示，對于A、B熱備冗余系統(tǒng)：

1/λi*Kt=1/λiA+1/λiB-1/（λiA+λiB）

由于A、B板卡為軟硬件完全一致的冗余板卡λiA=λiB，所以冗余板卡故障率λi =2/3tλiA =2/3tλiB；

其中：λiA為A板卡的故障率，λiB為B板卡的故障率，Kt為板卡故障檢測和更換板卡時間的修正系數(shù)。

3.4.3 單板DIO板建模

以DIO輸入輸出板卡為例進行可靠性建模，如下圖7，DIO板單板的失效率：

λDIO=λcpu+（λ輸入+λ輸入自檢）*14+（λ輸出+λ輸出反饋）*10+λcan*2+λ連接器

=0.05E-06+0.0627E-06*14+0.06E-06*10+0.016E-06*2+0.0122E-06

=1.5735E-06

4 LCU可靠性數(shù)據(jù)

4.1 單板失效率

根據(jù)“GJBZ 299C-2006 電子設備可靠性預計手冊”及硬件電路進行單板失效率計算，得出單板的失效率如下表1所示：

4.2 MTBF系統(tǒng)平均無故障時間

4.2.1 MTBF理論計算值

（1）司機室3U機箱故障率

λ3U1=ΣNiλi=NPWRλPWR+NMCUλMCU+NDIOλDIO+ Ncanλcan +NMVBλMVB+N背板λ背板+N接口板λ接口板=2.48E-05（1/h）

（2）客室3U機箱故障率

λ3U2=ΣNiλi=NPWRλPWR+NMCUλMCU+NDIOλDIO+ Ncanλcan+N背板λ背板+N接口板λ接口板=2.14E-05（1/h）

（3）整車LCU系統(tǒng)可靠性計算

失效率λtrain=2*λ3u1+ 2*λ3u2=9.24E-05（1/h）

平均無故障時間：MTBF=1/λtrain =10822.5（h）

4.2.1 MTBF實際計算值

實際南寧4號線整車LCU的所有點位并未全部使用，每列車LCU取代點位數(shù)量為輸入通道和輸出通道（為260路，一列車所使用的LCU點位為所有輸入輸出通道的63.1%，則：

DIO板通道失效率占DIO板單板失效=（0.0627E-06*14+0.06E-06*10）/1.5735E-06=96.1%

將未使用的IO通道和對應板卡剔除后LCU的失效率：

（1）司機室3U機箱故障率

λ3U1=ΣNiλi= NPWRλPWR+NMCUλMCU+NDIOλDIO*63.1%/96.1%+ Ncanλcan +NMVBλMVB+N背板λ背板+N接口板λ接口板=1.94E-05 （1/h）

（2）客室3U機箱故障率

λ3U2=ΣNiλi=NPWRλPWR+NMCUλMCU+NDIOλDIO*63.1%/96.1%+Ncanλcan+N背板λ背板+N接口板λ接口板

=1.72E-05（1/h）

（3）整車LCU系統(tǒng)可靠性計算

λtrain =2*λ3u1+ 2*λ3u2=7.32E-05（1/h）

平均無故障時間：MTBF=1/λtrain=13661（h）

4.3 MTBFS系統(tǒng)平均無故障服務時間

4.3.1 MTBFS理論計算值

（1）司機室3U機箱故障率

λ3U1=ΣNiλi=NPWRλPWR+NMCUλMCU+NDIOλDIO+ Ncanλcan +NMVBλMVB+N背板λ背板+N接口板λ接口板

=1*0.57E-07+1*0.121E-06+5*0.181E-06 + 1*0.12E-06+1*0.13E-06+1*5.034E-07 + 3*5.13E-07=3.37E-06（1/h）

（2）客室3U機箱故障率

λ3U2=ΣNiλi=NPWRλPWR+NMCUλMCU+NDIOλDIO+Ncanλcan+N背板λ背板+N接口板λ接口板

=1*0.57E-07+1*0.121E-06+4*0.181E-06+1*0.12E-06+1*5.034E-07+3*5.13E-07

=3.0644E-06（1/h）

（3）整車LCU系統(tǒng)可靠性計算

基于南寧4號線整車LCU的配置為3U機箱4臺，整車LCU系統(tǒng)：

失效率λtrain =2*λ3u1+2*λ3u2==1.28688E-05（1/h）

平均無故障服務時間：MTBFS=1/λtrain =77707（h）

4.3.2 MTBFS實際計算值

實際南寧4號線整車LCU的所有點位并未全部使用上，每列車LCU取代點位數(shù)量為輸入通道和輸出通道為260路，一列車所使用的LCU點位為所有輸入輸出通道的63.1%。本次理論計算的MTBFS值未將監(jiān)視信號故障（不影響列車運營）和旁路開關設計考慮在內(nèi)。

DIO板通道失效率占DIO板單板失效=（0.0627E-06*14+0.06E-06*10）/1.5735E-06=96.1%

將未使用的IO通道和對應板卡剔除后LCU的失效率：

（1）司機室3U機箱故障率

λ3U1=ΣNiλi=NPWRλPWR+NMCUλMCU+NDIOλDIO*63.1%/96.1%+Ncanλcan+NMVBλMVB+N背板λ背板+N接口板λ接口板=3.064E-06（1/h）

（2）客室3U機箱故障率

λ3U2=ΣNiλi=NPWRλPWR+NMCUλMCU+NDIOλDIO*63.1%/96.1%+Ncanλcan+N背板λ背板+N接口板λ接口板

=2.81E-06 （1/h）

（3）整車LCU系統(tǒng)可靠性計算

λtrain =2*λ3u1+2*λ3u2=1.17E-05（1/h）

平均無故障時間：MTBF=1/λtrain=13661（h）

平均無故障服務時間：MTBFS=1/λtrain =85037（h）

大于整車給LCU系統(tǒng)分配的MTBF可靠性指標（5439h）和MTBFS可靠性指標（51287h）。

（4）基于運營數(shù)據(jù)的整車LCU系統(tǒng)可靠性計算

2020年11月開通到2022年12月底，南寧4號線整個項目LCU發(fā)生B組電源板等7起輕微故障，未發(fā)生對運營任務有影響的故障。MTBF的評估方式采用測試時間內(nèi)與故障次數(shù)的比值，表達式如下：

MTBF=∑d/V平均/r

其中：

∑d是指一個給定的項目的全部運行公里數(shù)；

V平均是指一個給定的項目的平均旅行速度；

r是指在∑d運行距離內(nèi)車輛子系統(tǒng)的故障數(shù)。

平均無故障時間：MTBF =4252117/7/35=17356（h），從開通試運營2年以來LCU故障數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析，LCU可靠性高于理論建模計算。

5 結語

南寧軌道交通4號線地鐵列車采用基于目前城市軌道交通中常用的雙機熱備冗余LCU方案，具有高可靠性、高安全性，LCU 采用無觸點邏輯控制，實現(xiàn)了替換列車非安全功能部分的繼電器和時間繼電器，從根本上避免繼電器卡滯、抖動、接觸不良等先天缺陷。整列車通過LCU可靠性建模分析，邏輯控制單元預計的平均無故障時間（MTBF）和平均無故障服務時間（MTBFS）滿足整車可靠性指標分配要求，將會進一步降低邏輯控制單元的全壽命周期內(nèi)的運營維護成本。

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