城市軌道交通信號系統(tǒng)RAM指標(biāo)驗(yàn)證方法

葉云龍 劉華祥 劉楊

(卡斯柯信號有限公司，200071，上海//第一作者，工程師)

針對城市軌道交通信號系統(tǒng)的可靠性、可用性和可維護(hù)性(RAM)指標(biāo)需求，確定指標(biāo)驗(yàn)證方法，制定現(xiàn)場數(shù)據(jù)收集過程，監(jiān)控并確認(rèn)RAM性能。本文提供的整套R(shí)AM指標(biāo)驗(yàn)證方法可以對信號設(shè)備供應(yīng)商提供的信號設(shè)備進(jìn)行RAM指標(biāo)驗(yàn)證,以保證信號設(shè)備能夠真實(shí)地滿足實(shí)際項(xiàng)目需求。

1 RAM驗(yàn)證方法

本文所采用的RAM驗(yàn)證方法參考了國際電工委員會(huì)標(biāo)準(zhǔn)IEC 61124[1]，驗(yàn)證目的是從統(tǒng)計(jì)學(xué)角度證明信號設(shè)備的實(shí)際平均故障間隔時(shí)間(MTBF)是否達(dá)到用戶的目標(biāo)值要求。

假定信號系統(tǒng)設(shè)備的故障率為常數(shù)(即產(chǎn)品壽命服從指數(shù)分布)，并且設(shè)備故障時(shí)能得到及時(shí)替換。假設(shè)：

H0:tMTBF>tMTBF0

H1:tMTBF

其中：

tMTBF0——用戶要求的目標(biāo)MTBF值；

tMTBF1——用戶最低可接受的MTBF值。

定義a為允許故障數(shù)，T為觀測周期，k為實(shí)際故障數(shù)。

用戶接收準(zhǔn)則：如果在觀測周期T內(nèi)，k>a，那么假設(shè)H0被拒絕，即驗(yàn)證失敗；如果k≤a，那么假設(shè)H0被接受，即驗(yàn)證通過。

還需定義如下輸入：

鑒別比D=tMTBF0/tMTBF1;

供應(yīng)商風(fēng)險(xiǎn)α——產(chǎn)品合格，但被用戶拒絕的概率；

用戶風(fēng)險(xiǎn)β——產(chǎn)品不合格，但被用戶接收的概率。

用于計(jì)算α、β的公式(1)、(2)引自標(biāo)準(zhǔn)IEC 61124。

計(jì)算方法：輸入α0、β0、T、tMTBF0；輸出a、D。

計(jì)算過程：首先確定α0、β0，并將T、tMTBF0代入式(1)，再令a從0開始不斷地+1迭代計(jì)算，直到α逼近目標(biāo)值α0，得到此時(shí)的a值并將其代入式(2)；迭代計(jì)算直到β逼近目標(biāo)值β0，求取tMTBF1值，并最終得到D。

2 項(xiàng)目工程案例

2.1 用戶需求

本文以《城市軌道交通信號系統(tǒng)用戶需求書》[2]中的用戶需求，進(jìn)行驗(yàn)證分析RAM指標(biāo)。文獻(xiàn)[2]中已經(jīng)對項(xiàng)目的RAM指標(biāo)進(jìn)行了詳細(xì)定義,在此僅列舉本文需要驗(yàn)證的RAM指標(biāo)。

RAM指標(biāo)驗(yàn)證方案僅統(tǒng)計(jì)與運(yùn)營相關(guān)的指標(biāo)。關(guān)于單機(jī)單通道相關(guān)的RAM指標(biāo)屬產(chǎn)品層指標(biāo)，可通過理論分析證明;可維護(hù)性指標(biāo)也屬產(chǎn)品層指標(biāo),可通過產(chǎn)品可維護(hù)性試驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證。根據(jù)此統(tǒng)計(jì)分析原則,對文獻(xiàn)[2]中的RAM指標(biāo)進(jìn)行提取，得到需要現(xiàn)場驗(yàn)證的RAM指標(biāo)，如表1所示。

表1 信號系統(tǒng)待驗(yàn)證的RAM指標(biāo)

經(jīng)過轉(zhuǎn)換,表1中運(yùn)營相關(guān)RAM指標(biāo)均可轉(zhuǎn)化為對系統(tǒng)tMTBF值的要求,如表2所示。

表2 轉(zhuǎn)換后的tMTBF指標(biāo)

供貨合同所有的RAM需求經(jīng)歸納和轉(zhuǎn)化后可統(tǒng)一為兩條需求，這兩條需求也是RAM指標(biāo)驗(yàn)證的統(tǒng)計(jì)對象，如表3所示。

表3 需要驗(yàn)證的最終RAM指標(biāo)

2.2 計(jì)算過程

按照文獻(xiàn)[2]和以往項(xiàng)目經(jīng)驗(yàn)，確定α0、β0為30%；根據(jù)用戶需求確定觀測周期為1年，tMTBF0分別取為2 613 h和93 h；利用Maple軟件計(jì)算得到允許故障數(shù)a和鑒別比D，如表4所示。

每月允許的故障數(shù)如表5所示,每周允許的故障數(shù)如表6所示。每月、每周的故障記錄表格僅用作RAM性能監(jiān)控，1年的總允許故障數(shù)作為RAM性能確認(rèn)的參考判斷值。

表4 1年內(nèi)允許故障數(shù)

表5 1個(gè)月內(nèi)允許故障數(shù)

表6 一周內(nèi)允許故障數(shù)

3 故障數(shù)據(jù)收集、分析和處理

3.1 工作流程

故障收集與分析，以及后續(xù)的系統(tǒng)RAM指標(biāo)驗(yàn)證的工作流程如圖1所示。

圖1 信號系統(tǒng)故障數(shù)據(jù)收集、分析和統(tǒng)計(jì)流程圖

由圖1可見，流程包含故障收集與分析、RAM指標(biāo)驗(yàn)證兩大部分。在故障收集與分析階段，信號設(shè)備供應(yīng)商應(yīng)配合用戶認(rèn)真處理每一個(gè)現(xiàn)場發(fā)生的故障；在RAM指標(biāo)驗(yàn)證階段，將對納入RAM驗(yàn)證的故障數(shù)量進(jìn)行統(tǒng)計(jì)并最終確認(rèn)系統(tǒng)性能，具體步驟如下。

(1) 故障發(fā)生：故障來源為用戶報(bào)告的故障信息，用戶需填寫故障報(bào)告。

(2) 故障分析：信號設(shè)備供應(yīng)商負(fù)責(zé)對故障進(jìn)行分析并填寫故障分析報(bào)告。

(3) 制定并實(shí)施糾正措施：信號設(shè)備供應(yīng)商和用戶共同制定修正措施并實(shí)施。

(4) 統(tǒng)計(jì)納入RAM驗(yàn)證的故障數(shù)：采用故障審核委員會(huì)(FRB)評審方式，根據(jù)相應(yīng)的判斷原則對需納入RAM驗(yàn)證統(tǒng)計(jì)的故障數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)處理。

(5) RAM性能監(jiān)控和確認(rèn)：根據(jù)上述統(tǒng)計(jì)結(jié)果，由系統(tǒng)RAM保證經(jīng)理編寫RAM性能監(jiān)控和確認(rèn)報(bào)告。

FRB的成員包括：客戶代表、項(xiàng)目經(jīng)理、技術(shù)經(jīng)理、維修經(jīng)理、系統(tǒng)RAM保證經(jīng)理、調(diào)試經(jīng)理。FRB的角色是監(jiān)督RAM指標(biāo)驗(yàn)證過程，并對調(diào)試人員或維保人員上報(bào)的爭議故障進(jìn)行仲裁，決定其是否計(jì)入RAM驗(yàn)證的統(tǒng)計(jì)范圍。FRB應(yīng)確保: ①研究觀察到的系統(tǒng)故障; ②研究觀察到的維護(hù)過程; ③跟蹤會(huì)議確定的糾正性活動(dòng); ④裁決故障責(zé)任，每月月末舉行一次FRB會(huì)議，若當(dāng)月未出現(xiàn)需納入RAM驗(yàn)證統(tǒng)計(jì)的故障，可不召開FRB會(huì)議。

3.2 人員與職責(zé)

相關(guān)人員及其職責(zé)如表7所示。

表7 RAM驗(yàn)證人員與職責(zé)

3.3 納入RAM驗(yàn)證的故障統(tǒng)計(jì)原則

FRB根據(jù)如下原則對納入RAM驗(yàn)證統(tǒng)計(jì)的故障數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。

(1) 總原則：由信號供貨商設(shè)備故障導(dǎo)致“列車發(fā)生2 min或以上初始延誤”的，計(jì)1次故障；

(2) 由非信號供應(yīng)商供貨設(shè)備引發(fā)的信號供應(yīng)商設(shè)備故障，不計(jì)入故障計(jì)數(shù)；

(3) 由于破壞活動(dòng)或不可抗力等引起的信號供應(yīng)商設(shè)備故障，不計(jì)入故障計(jì)數(shù)；

(4) 由人為違規(guī)行為(不適當(dāng)使用、未按操作規(guī)程進(jìn)行操作、未按維護(hù)規(guī)程進(jìn)行維護(hù)、未按照維護(hù)規(guī)程進(jìn)行預(yù)防性維護(hù)等)導(dǎo)致的信號供應(yīng)商設(shè)備故障，不計(jì)入故障計(jì)數(shù)；

(5) 當(dāng)證實(shí)多種故障模式由同一原因引起時(shí)，整個(gè)事件計(jì)為1次故障；

(6) 有多個(gè)部件同時(shí)失效時(shí)，所有部件的失效合計(jì)為1次故障。

所有不能立即判斷原因的故障由FRB進(jìn)行評估。

4 RAM性能監(jiān)控和確認(rèn)報(bào)告

RAM性能監(jiān)控和確認(rèn)報(bào)告由項(xiàng)目RAM保證經(jīng)理編寫，并由項(xiàng)目經(jīng)理提交給用戶。RAM性能監(jiān)控報(bào)告定期呈現(xiàn)信號系統(tǒng)在合同RAM驗(yàn)證指標(biāo)方面的性能表現(xiàn)，如果暫未達(dá)到要求，還需提出改善系統(tǒng)性能的初步結(jié)論。RAM性能確認(rèn)報(bào)告集中展現(xiàn)系統(tǒng)所有合同RAM驗(yàn)證指標(biāo)的表現(xiàn)，并給出信號系統(tǒng)是否通過驗(yàn)證的最終結(jié)論。

圖2為RAM性能監(jiān)控報(bào)告的示例。在整個(gè)觀測期(1年)內(nèi)，RAM性能監(jiān)控報(bào)告每月提交1次，RAM性能確認(rèn)報(bào)告在觀測期結(jié)束后提交。

RAM性能監(jiān)控報(bào)告呈現(xiàn)以下內(nèi)容：RAM驗(yàn)證指標(biāo)；RAM指標(biāo)的詳細(xì)監(jiān)控結(jié)果。

圖2 信號系統(tǒng)RAM性能監(jiān)控報(bào)告

4.1 納入RAM驗(yàn)證的故障數(shù)監(jiān)控

對每個(gè)待現(xiàn)場驗(yàn)證的RAM指標(biāo)，按照2.2節(jié)計(jì)算結(jié)果統(tǒng)計(jì)每月發(fā)生的納入RAM驗(yàn)證的故障數(shù)，并繪制相應(yīng)監(jiān)控曲線圖。每月允許的故障數(shù)如表8所示，每周允許的故障如表9所示。

表8 1個(gè)月內(nèi)允許故障數(shù)監(jiān)控分析表

表9 1周內(nèi)允許故障數(shù)監(jiān)控分析表

4.2 系統(tǒng)MTBF監(jiān)控

除每月故障數(shù)，RAM性能監(jiān)控還需定期統(tǒng)計(jì)系統(tǒng)MTBF的性能表現(xiàn)，如圖3所示。圖3中點(diǎn)估計(jì)值代表信號系統(tǒng)的實(shí)際tMTBF值，實(shí)際tMTBF值大概率地落在其上、下邊界之間。由圖3可見，實(shí)際tMTBF值會(huì)上下浮動(dòng)，但不會(huì)越過點(diǎn)估計(jì)值的上、下邊界，即某時(shí)期系統(tǒng)設(shè)備故障率可能會(huì)比較高，但都在正常范圍內(nèi)。

根據(jù)RAM性能監(jiān)控報(bào)告，可及時(shí)發(fā)現(xiàn)RAM性能是否有偏離，是否需開展整改活動(dòng)；還可分析故障原因，比如故障是系統(tǒng)性失效問題引起，還是供應(yīng)商批次問題引起，等等。

圖3 系統(tǒng)MTBF監(jiān)控曲線

4.3 Pareto圖

RAM性能監(jiān)控報(bào)告還需給出Pareto圖，用于詳細(xì)描述各子系統(tǒng)對當(dāng)前RAM指標(biāo)的貢獻(xiàn)百分比排序情況，如圖4所示。

圖4 信號系統(tǒng)故障貢獻(xiàn)排序Pareto圖

5 結(jié)語

通過本文的RAM指標(biāo)驗(yàn)證方案和方法，能夠驗(yàn)證信號系統(tǒng)實(shí)際RAM指標(biāo)與用戶合同制定的性能指標(biāo)之間的差異，以及與運(yùn)營部門制定的運(yùn)營指標(biāo)之間的差異。從統(tǒng)計(jì)學(xué)角度提供了重要的與RAM指標(biāo)驗(yàn)證相關(guān)的輸入數(shù)據(jù)來源，可作為提升信號系統(tǒng)RAM性能、改進(jìn)產(chǎn)品RAM設(shè)計(jì)的參考。