淺析地鐵綜合監(jiān)控系統(tǒng)可靠性分析與數(shù)據(jù)管理軟件研制論文
0前言
地鐵綜合監(jiān)控系統(tǒng)以列車運(yùn)行管理系統(tǒng)為中心，其各子系統(tǒng)具有各種功能，并且相互實(shí)現(xiàn)信息共享的系統(tǒng)。其功能涉及運(yùn)輸計(jì)劃、運(yùn)行管理、站內(nèi)作業(yè)管理、維修作業(yè)管理、車輛管理、設(shè)備管理、信息集中監(jiān)視、電力系統(tǒng)控制等。其體系結(jié)構(gòu)可由站級(jí)設(shè)備管理系統(tǒng)、中央運(yùn)行控制系統(tǒng)、區(qū)域信息管理系統(tǒng)等不同層次的系統(tǒng)綜合而成，系統(tǒng)功能豐富、結(jié)構(gòu)復(fù)雜龐大。
由此看出，地鐵綜合監(jiān)控系統(tǒng)是一個(gè)集成度極高的自動(dòng)化系統(tǒng)，是一個(gè)復(fù)雜、動(dòng)態(tài)、異構(gòu)的系統(tǒng)，負(fù)責(zé)監(jiān)視地鐵線網(wǎng)中各車站的設(shè)備、指揮列車運(yùn)行。系統(tǒng)要如實(shí)地獲取各個(gè)車站中的設(shè)備信息，根據(jù)需要也可控制各子系統(tǒng)設(shè)備、協(xié)調(diào)設(shè)備間的有效運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)列車的可靠、穩(wěn)定和高效運(yùn)行。這些需求無疑要求綜合監(jiān)控系統(tǒng)構(gòu)建成具有極高的可靠性、可用性、安全性等要求的系統(tǒng)。近年來我國地鐵領(lǐng)域已開始適度采用綜合自動(dòng)化監(jiān)控系統(tǒng)。綜合自動(dòng)化監(jiān)控系統(tǒng)已成為國內(nèi)城市軌道交通自動(dòng)化系統(tǒng)的發(fā)展趨勢，有必要對(duì)綜合自動(dòng)化系統(tǒng)進(jìn)行可靠性分析評(píng)估。
1地鐵綜合監(jiān)控系統(tǒng)可靠性分析方法選擇
要對(duì)地鐵綜合監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行可靠性分析，首先要確定可靠性分析的方法。我們先后比較嘗試了可靠性框圖法、GO法、故障樹分析法和故障模式影響后果分析法四種方法，其優(yōu)缺點(diǎn)簡述如下：
(1)可靠性框圖法主要是根據(jù)系統(tǒng)的邏輯關(guān)系把系統(tǒng)轉(zhuǎn)換為各種結(jié)構(gòu)模型的可靠性框圖，從而進(jìn)行下一步分析。該方法適用于對(duì)結(jié)構(gòu)較為簡單的系統(tǒng)進(jìn)行可靠性分析。
(2)GO法是從引起系統(tǒng)成功狀態(tài)的基本原因出發(fā)，將系統(tǒng)圖直接轉(zhuǎn)換成GO圖，進(jìn)行GO運(yùn)算。此方法建立GO圖的過程較為簡單，但進(jìn)行GO運(yùn)算則相對(duì)繁瑣。該方法適合于在系統(tǒng)圖邏輯關(guān)系較清晰時(shí)進(jìn)行可靠性分析。
(3)故障樹分析法是從最不希望發(fā)生的事件出發(fā)，關(guān)注導(dǎo)致系統(tǒng)故障的基本原因和中間過程，通過故障樹將系統(tǒng)的邏輯關(guān)系表示出來，形象直觀，在此基礎(chǔ)上可快捷地寫出故障樹頂事件的結(jié)構(gòu)函數(shù)，進(jìn)而對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行可靠性分析。該方法適合于對(duì)較復(fù)雜的系統(tǒng)進(jìn)行可靠性分析。
(4)故障模式影響后果分析方法，采用“自下而上”的邏輯歸納法，對(duì)系統(tǒng)來說，要從其子系統(tǒng)及其元器件的各種失效模式追蹤到系統(tǒng)級(jí)，研究它的后果，決定它對(duì)系統(tǒng)的致命度。但隨著系統(tǒng)的`復(fù)雜度增加，要實(shí)際做完這樣的分析，其工作量大到難以容忍的程度。
分析可知，地鐵綜合監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)相對(duì)復(fù)雜，信息量大，關(guān)注于系統(tǒng)成功運(yùn)行或出現(xiàn)故障原因的分析，因此，GO法和故障樹分析法較適合于對(duì)地鐵綜合監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行可靠性分析。但采用GO法進(jìn)行可靠性分析，符號(hào)使用復(fù)雜，同時(shí)還需定義一定數(shù)量的GO處理單元，工作量較大。采用故障樹分析法進(jìn)行可靠性分析則相對(duì)簡便易行。因此，故障樹分析法更適合于對(duì)地鐵綜合監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行可靠性分析�；谝陨显�，我們提出采用故障樹分析法對(duì)地鐵綜合監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行可靠性分析。
2地鐵綜合監(jiān)控系統(tǒng)可靠性分析與數(shù)據(jù)管理軟件設(shè)計(jì)
在確定本系統(tǒng)的分析方法的基礎(chǔ)上，本文采用VC設(shè)計(jì)開發(fā)了“地鐵綜合監(jiān)控系統(tǒng)可靠性分析與數(shù)據(jù)管理軟件”，完成系統(tǒng)的可靠性建模、系統(tǒng)的可靠性分析、系統(tǒng)可靠性數(shù)據(jù)管理等功能。軟件包含三個(gè)模塊：系統(tǒng)可靠性建模模塊，系統(tǒng)可靠性分析模塊，系統(tǒng)可靠性數(shù)據(jù)管理模塊，三模塊之間相互聯(lián)系，相互服務(wù)。
2.1系統(tǒng)可靠性建模模塊
可靠性建模功能主要圍繞如何實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的計(jì)算機(jī)輔助故障樹建模這樣一個(gè)問題來展開，也就是必須使計(jì)算機(jī)能輔助繪制故障樹模型。繪制故障樹模型功能包括模型可視化顯示、模型圖形屬性編輯(圖形的添加、刪除、復(fù)制和縮放等)、模型事件屬性編輯(事件的名稱、失效概率分布和失效參數(shù)等的設(shè)置)和模型自動(dòng)完整性檢查等功能。
軟件中將故障樹模型的節(jié)點(diǎn)抽象為派生于CObject類的CFTANode類，模型節(jié)點(diǎn)的圖形屬性和事件屬性都封裝作為CFTANode類的成員，對(duì)模型節(jié)點(diǎn)的圖形及事件屬性編輯操作轉(zhuǎn)變?yōu)橥ㄟ^鼠標(biāo)消息處理函數(shù)來改變CFTANode類的相應(yīng)成員值的操作。然后，我們?cè)偈褂肕FC中支持CObject指針的數(shù)組CObArray類存儲(chǔ)大量模型節(jié)點(diǎn)CFTANode類對(duì)象，從而實(shí)現(xiàn)整個(gè)模型的生成，對(duì)數(shù)組的操作也就是對(duì)整個(gè)模型的操作。
2.2系統(tǒng)可靠性分析模塊
本模塊要求能夠?qū)σ延械南到y(tǒng)可靠性模型進(jìn)行自動(dòng)可靠性分析，即可以實(shí)現(xiàn)故障樹的定性定量分析。
1)系統(tǒng)故障樹模型的定性分析
對(duì)綜合監(jiān)控系統(tǒng)的可靠性定性分析要求分析出系統(tǒng)失效的所有故障模式、故障組合及能夠保證系統(tǒng)不失效的所有有效途徑，即是求出相應(yīng)系統(tǒng)故障樹模型的全部最小割集。對(duì)于含有非門的情況下，求出所有質(zhì)蘊(yùn)含割集;求出相應(yīng)模型的全部小路集，對(duì)于含有非門的模型，求出所有質(zhì)蘊(yùn)含路集。
2)系統(tǒng)故障樹模型的定量分析
對(duì)綜合監(jiān)控系統(tǒng)的可靠性定量分析要求分析出系統(tǒng)故障的發(fā)生概率、系統(tǒng)故障時(shí)系統(tǒng)下層子系統(tǒng)/設(shè)備對(duì)其的貢獻(xiàn)大小，即是求出相應(yīng)系統(tǒng)故障樹模型的頂事件的發(fā)生概率及各底事件的重要度。本軟件可以根據(jù)底事件的故障分布設(shè)置及分析時(shí)間參數(shù)計(jì)算出被分析事件按指定時(shí)間間隔的不同時(shí)間段內(nèi)的失效概率，各底事件不同時(shí)間段內(nèi)的概率重要度值，用戶可以列表查看被分析事件失效概率及底事件概率重要度隨時(shí)間的變化，同時(shí)，軟件還可以從模型結(jié)構(gòu)角度計(jì)算底事件的結(jié)構(gòu)重要度。
軟件中采用二元決策圖(BDD)法對(duì)故障樹模型進(jìn)行求解。二元決策圖(BinaryDecisionDiagrams)，簡稱BDD，由美國科學(xué)家SheldonB.Akers于1978年提出的，基本思想就是利用“圖”的形式定義一種數(shù)字函數(shù)，通過函數(shù)可以直觀地根據(jù)函數(shù)變量的輸入值確定函數(shù)輸出值，從而故障樹頂事件可以通過BDD直接表達(dá)成不交化路徑之和，它可以通過回溯BDD中所有葉節(jié)點(diǎn)為1的路徑，寫出相應(yīng)函數(shù)的不交化表達(dá)式，再利用互斥事件和的概率公式可計(jì)算出頂事件發(fā)生的概率。由于文章篇幅的限制，本文中就不再對(duì)BDD算法進(jìn)行詳細(xì)的介紹，讀者可以閱讀參考文獻(xiàn)加以了解。
2.3系統(tǒng)可靠性數(shù)據(jù)管理模塊
本模塊要求能夠?qū)崿F(xiàn)地鐵綜合監(jiān)控系統(tǒng)/設(shè)備的可靠性數(shù)據(jù)管理統(tǒng)計(jì)功能，不但要能對(duì)系統(tǒng)/設(shè)備的基本信息、運(yùn)行情況、故障檢修數(shù)據(jù)、可靠性試驗(yàn)數(shù)據(jù)等實(shí)現(xiàn)統(tǒng)一的管理平臺(tái)，而且要具有一定的統(tǒng)計(jì)分析功能，為系統(tǒng)建模時(shí)設(shè)備失效概率分布的確定提供參考作用。
2.3.1系統(tǒng)設(shè)備可靠性數(shù)據(jù)設(shè)計(jì)
本文中把系統(tǒng)/設(shè)備的可靠性數(shù)據(jù)分為三類：設(shè)備基礎(chǔ)信息、設(shè)備可靠性信息和計(jì)算機(jī)生成數(shù)據(jù)，具體描述如下。
(1)設(shè)備基礎(chǔ)信息
設(shè)備基礎(chǔ)信息包括：設(shè)備名稱、設(shè)備編號(hào)、設(shè)備類型、功能描述、設(shè)備制造廠商、制造型號(hào)、制造序列號(hào)、設(shè)備所在車站、設(shè)備所在系統(tǒng)、設(shè)備首次投入運(yùn)行時(shí)間、設(shè)備安全等級(jí)、設(shè)備設(shè)計(jì)參數(shù)、數(shù)據(jù)采集開始日期、運(yùn)行方式、故障方式或故障判斷標(biāo)準(zhǔn)等信息。
(2)設(shè)備可靠性信息
設(shè)備可靠性信息包括：設(shè)備狀態(tài)變換數(shù)據(jù)、設(shè)備故障數(shù)據(jù)(故障時(shí)間、故障等級(jí)、故障模式、故障簡述、故障原因、解決措施、此次故障導(dǎo)致設(shè)備不可用的時(shí)間等)、設(shè)備檢修數(shù)據(jù)(檢修時(shí)間、檢修原因、此次檢修所用時(shí)間等)、設(shè)備試驗(yàn)數(shù)據(jù)(試驗(yàn)時(shí)間、試驗(yàn)類型、試驗(yàn)方案、可替換或不可替換、試驗(yàn)參數(shù)、此次試驗(yàn)所用時(shí)間、試驗(yàn)數(shù)據(jù)組(失效編號(hào)、失效簡述、原因分析、解決措施、失效時(shí)間、備注))、備注等信息。
(3)計(jì)算機(jī)生成數(shù)據(jù)
計(jì)算機(jī)生成可靠性數(shù)據(jù)包括：設(shè)備累計(jì)運(yùn)行時(shí)間，設(shè)備累計(jì)不可用時(shí)間，運(yùn)行故障率、平均故障維修時(shí)間、平均試驗(yàn)間隔時(shí)間。
2.3.2軟件中的數(shù)據(jù)庫設(shè)計(jì)
軟件中的數(shù)據(jù)庫采用SQL設(shè)計(jì)，根據(jù)系統(tǒng)可靠性數(shù)據(jù)包含的信息，軟件中設(shè)計(jì)了7了個(gè)數(shù)據(jù)庫：設(shè)備可靠性數(shù)據(jù)庫、設(shè)備所在位置信息庫、設(shè)備狀態(tài)信息庫、設(shè)備故障信息庫、設(shè)備維修信息庫、設(shè)備可靠性試驗(yàn)信息庫、設(shè)備可靠性試驗(yàn)失效庫。其中設(shè)備可靠性數(shù)據(jù)庫為主要數(shù)庫，其它六個(gè)數(shù)據(jù)庫都為其的子級(jí)數(shù)據(jù)庫。
2.4地鐵綜合監(jiān)控系統(tǒng)可靠性模型圖庫的設(shè)計(jì)
軟件完成以后，利用軟件的系統(tǒng)可靠性建模功能對(duì)地鐵綜合監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行建模，可以從系統(tǒng)設(shè)備結(jié)構(gòu)失效、系統(tǒng)常見故障、系統(tǒng)常用功能失效等多角度建模，并將建好的模型文件統(tǒng)一記錄存檔，使用戶能夠在需要時(shí)方便快捷的調(diào)用已有的模型進(jìn)行可靠性分析，快速查找，精確定位系統(tǒng)故障部位，可以稱之為地鐵綜合監(jiān)控系統(tǒng)故障樹圖庫，軟件中已經(jīng)對(duì)地鐵綜合監(jiān)控系統(tǒng)中部分子系統(tǒng)或子設(shè)備故障進(jìn)行了初步建模，但還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠。本文希望起到拋磚引玉的作用，吸引更多學(xué)者到地鐵自動(dòng)化系統(tǒng)可靠性分析領(lǐng)域來，進(jìn)一步充實(shí)完善地鐵綜合監(jiān)控系統(tǒng)故障樹模型圖庫，最終形成以此為基礎(chǔ)的地鐵故障診斷系統(tǒng)。
3結(jié)束語
地鐵綜合監(jiān)控系統(tǒng)可靠性分析及數(shù)據(jù)管理軟件集可靠性建模分析與可靠性數(shù)據(jù)管理于一身，使得收集統(tǒng)計(jì)的系統(tǒng)設(shè)備數(shù)據(jù)在建模時(shí)可直接提供參考，同時(shí)，系統(tǒng)分析的結(jié)果也可作為設(shè)備可靠性數(shù)據(jù)組成部分。軟件中設(shè)計(jì)了地鐵綜合監(jiān)控系統(tǒng)故障樹模型圖庫，并初步充實(shí)了本圖庫。我們認(rèn)為建立全面的地鐵綜合監(jiān)控系統(tǒng)故障樹圖庫具有極其深遠(yuǎn)的意義，因此，我們?nèi)孕栝L期工作于此。
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