电动转辙机的可靠性和安全性分析

2011.0382学术.技术电动转辙机的可靠性和安全性分析张宇，何涛(兰州交通大学光电技术与智能控制教育部重点实验室，甘肃兰州730070)摘要：介绍了一种基于relex2008可靠性软件，建立故障树，分析电动转辙机单机系统的可靠性。对双机热备、三中取二、二乘二取二冗余结构构成系统的可靠性和安全性指标进行分析和比较。结果表明，二乘二取二冗余系统具有更高的安全性，可以在很大程度上降低风险发生的概率，从而保证行车安全。关键词：可靠性；安全性；Relex2008；MTBFAnalysisontheReliabilityandSafetyoftheElectricSwitchMachineZHANGYu,HETao(LanzhouJiaotongUniversityKeyLaboratoryofOpto-ElectronicTechnologyandIntelligentControlMinistryofEducation,Lanzhou,Gansu730070,China)Abstract：Thispaperdescribesthereliabilityofsoftwarebasedonrelex2008,establishmentoffaulttreeandanalysisofsinglesystemreliabilityofelectricswitchmachines.ThereliabilityandsafetyindexoftheDualmodulehotstand-by,TripleModularRedundancyandDouble2-vote-2redundantstructuresystemmadeofdifferenttolerantstructureareanalyzedandcompared.TheresultsshowthattheDouble2-vote-2redundantsystemismoresecurityandcanlargelyreducetheriskoftheprobabilityofoccurrenceinordertoensuretrafficsafety.Keywords：Reliability;Safety;Relex2008;MTBF1引言转辙机是道岔的转换设备，是用来实现转换道岔、锁闭道岔及反映道岔尖轨所处的位置，是实现车站信号灯自动控制及远距离控制的必要设备。转辙机是重要的信号基础设备，它对于保证行车安全，提高运输效率，改善行车人员的劳动强度，起着非常重要的作用。安全是铁路运输的生命线，是运输生产永恒的主题。随着列车的不断提速，系统的可靠性与安全性变得尤为重要。采用冗余设计可以大幅度提高系统的可靠性和安全性。所采取的方法主要包括双机热备、三中取二和二乘二取二等。但冗余系统会增加系统的成本、以及复杂度、能耗和设计时间[1]。所以，对不同冗余系统的可靠性和安全性指标进行计算、分析和比较有着十分重要的意义。2建立故障树分析单机系统可靠性2.1电动转辙机的故障模式分析电动转辙机的组成单元包括：通信电路、微控制器电路、锁闭防护电路、电源鉴别电路、动作电路过流及检测电路、动作驱动电路、表示信号采集电路。产生故障模式分别为：单个通信电路故障、单个电路故障、锁闭防护电路失效、电源鉴别电路失效、动作电路过流及检测电路失效、动作驱动电路失效、单个表示信号采集电路故障。其中通信电路故障导致的结果为失去通信冗余，正常工作；其他组成单元故障导致的结果均为转辙机无法动作，影响效率。通过现场工作经验得出个组成电路单元的失效率(1/h)分别为0.082*10-6、0.118*10-6、0.201*10-6、0.038*10-6、0.091*10-6、0.156*10-6、0.264*10-6。根据底层基本事件建立故障树，根据定量分析法求出单机系统顶事件发生的概率。(1)建立故障树分析系统的可靠性故障树分析是系统可靠性和安全性分析的工具之一。故障树分析包括定性分析和定量分析[2]。定性分析的主要目的是：寻找导致与系统有关的不希望事件发生的原因和原因的组合，即寻找导致顶事件发生的所有故障模式。定量分析的主要目的是：当给定所有事件发生的概率时，求出顶事件发生的概率及其他定量指标。在系统设计阶段，故障树分2011.0383学术.技术析可帮助判明潜在的故障，以便改进设计(包括维修性设计)；在系统使用维修阶段，可帮助故障诊断、改进使用维修方案。故障树的分析要素包括：顶事件：是故障树分析中所关心的结果事件，也是最不期望出现的事件。顶事件的选取根据分析目的的不同，可分别考虑对系统技术性能、经济性、可靠性和安全性影响显著的故障事件。中间事件：是位于顶事件和底事件之间的结果事件，起到了对下级事件进行逻辑组合的作用。底事件：是故障树分析的最终原因事件。建立故障树如图1所示。图1电动转辙机不能动作或失表示的故障树(2)应用Relex2008计算系统的可靠性RelexStudio可靠性平台软件由美国RELEX软件公司出品，是世界上最具盛名的可靠性软件公司。被认为可靠性分析软件的先驱。应用Relex2008的FTA功能计算出单机系统可靠性如图2所示。图2电动转辙机故障的故障树利用故障树计算单机系统的不可用度可靠度为：R(t)=1-Q=99.999875平均故障率3电动转辙机系统的可靠性分析在可靠性理论中，指数分布是最基本，最常用的分布，指数分布最主要的特点是失效率表现为一常数，计算方便。而指数分布正适合对器件处于偶然失效阶段的描述。由于这一阶段是器件最佳的工作时期，人们对器件的可靠性工作进行说明和分析时多引用指数分布函数。为了简化计算过程，不放在合理范围内作些简化和嘉定。假设单元的寿命服从指数分布，即失效率为常数。主系统单元只有正常与失效单元；各个单元的正常与故障是相互独立的；不考虑节点与连线的可靠性；只分析硬件可靠性，对软件故障不加考虑；不考虑输入端错误而引起系统故障的情况。电动转辙机系统的单机系统的可靠度为：其平均故障间隔时间为：(1)采用双机热备冗余结构构成的系统的可靠度为：其平均故障间隔时间为：(2)采用三中取二冗余结构构成的系统的可靠度为：其平均故障间隔时间为：(3)采用二乘二取二冗余结构构成的系统的可靠度为：其平均故障间隔时间为：由表2分析结果可知：不同冗余结构的电动转辙机系统的可靠性和MTBF指标不同。双机热备系统的可靠性和MTBF指标远高于单机系统；三中取二和二乘二取二系统的可靠性指标相差不多，均比单机系统的可靠性高很多。但MTBF指标低于单机系统；三中取二相对于二乘二取二，无论是可靠性还是MTBF指标均略高。使用多模冗余系统的可靠度比单模结构的高，其必要条件是采用高可靠性的单模块来构成冗余系统，如2011.0384学术.技术果把可靠性很低的模块用于冗余结构，多模系统的可靠度不会有显著改善。4电动转辙机的安全性分析4.1发生故障为危险侧的概率a：若故障-安全系统采用单机工作方式，为保证故障-安全，系统必须有检测故障的自检模块。当检测出故障时，使系统导向安全侧。如系统检测不出已发生的故障，则保守地认为系统会给出危险测输出[3]。假设自检测自诊断模块故障检测覆盖率为C,系统的状态变化过程是Markov过程。(1)单机系统状态有：系统正常；故障-安全状态；非故障-安全状态。单机系统无论可测故障还是不可测故障，系统都会失效，所以可靠度与故障检测覆盖率无关。单机系统发生的故障为危险侧故障的概率为a=1-C，简记为as1=a。可以计算出不同冗余结构的系统所发生的故障为危险侧故障的概率。(2)双机热备系统状态有：系统无故障；某一模块故障，且故障可测；两模块都出现故障，可测故障；工作模块正常，热备模块出现不可测故障；工作模块正常，出现不可测故障。因此，其发生的故障为危险侧故障的概率与单机系统完全相同为：as2=a。(3)而采用三中取二冗余结构和采用二取二乘二冗余结构构成的系统，均通过串联结构的引入，使系统具有了双机比较检出危险侧故障的功能[4]。因此，其发生的故障为危险侧故障的概率分别为：三中取二冗余结构：as3=6a2(1-C)二乘二取二冗余结构：as4=4a2(1-C)4.2安全度：S(t)单机系统的安全度为：Ss1=1-a(1-R)双机热备冗余结构构成的系统的安全度为：Ss2=1-a(1-R)2三中取二冗余结构构成的系统的安全度为：Ss3=1-6a2(1-C)(1-3R2+2R3)二乘二取二冗余结构构成的系统的安全度为：Ss4=1-4a2(1-C)(1-R2)2由表2分析结果可知：其他冗余系统的安全度指标均高于单机系统。三中取二和二乘二取二的安全度指标明显高于双机热备系统，二乘二取二系统的安全度指标略高于三中取二系统。5电动转辙机冗余模块的可靠性和安全性指标根据上面各种冗余结构的安全度公式，假设：a=0.01,C=0.99可以得到如表1所示的结果。表1电动转辙机单机系统可靠性安全性参数表2不同冗余结构电动转辙机系统的可靠性和安全性分析结果6结论通过上述分析比较不难看出，采用“双机热备”冗余结构，无论在可靠度指标还是在MTBF指标上，均优于其他几种冗余结构。但“三中取二”和“二乘二取二”冗余结构在安全性指标上具有明显的优越性。铁路信号安全性主要关注的是出现故障（或错误操作）时，导向远离危及行、调车安全事故或减少事故损失。所以“三中取二”和“二乘二取二”冗余技术具有广阔的应用前景，也是未来铁路冗余技术的发展方向。参考文献：[1]张友鹏.可靠性理论与工程技术应用[M].兰州大学出版社，2003.[2]陈晓彤等.可靠性使用指南[M].北京航空航天大学出版社，2005.[3]赵志熙等.计算机联锁系统技术[M].中国铁道出版社，1999.[4]张萍，赵阳.铁路车站计算机联锁控制系统的可靠性和安全性分析[J].中国安全科学学报，2003.作者简介：张宇(1983-)，男，硕士。收稿日期：2010-12-29