一種實驗室仿真系統(tǒng)的可靠性成本模型

馮浩楠，劉相龍，付連著，付 偉

（1.中國鐵道科學研究院集團有限公司通信信號研究所，北京 100081；2.國家鐵路智能運輸系統(tǒng)工程技術研究中心，北京 100081；3.大秦鐵路股份有限公司侯馬電務段，山西臨汾 043003；4.鐵科院（深圳）研究設計院有限公司，廣東深圳 518000）

0 引言

在鐵路、軌道交通、電網(wǎng)系統(tǒng)等工業(yè)領域中，為保障安全苛求系統(tǒng)在現(xiàn)場應用中的安全性和可靠性，通常采用冗余架構［1-2］。冗余架構在提升系統(tǒng)可靠性的同時，也增加了系統(tǒng)的建設造價和維護成本。為此，通過可靠性成本效益模型評估系統(tǒng)的可靠性和成本關系，是系統(tǒng)最優(yōu)設計中必不可少的過程。

安全苛求系統(tǒng)在投入工程應用之前，一般須在實驗室搭建仿真系統(tǒng)用以功能測試和故障排查。在進行功能測試時，仿真系統(tǒng)模擬現(xiàn)場系統(tǒng)的功能；在現(xiàn)場系統(tǒng)運行期間出現(xiàn)的故障時，仿真系統(tǒng)需進行故障復現(xiàn)和排除［3-4］。由此可知，與現(xiàn)場系統(tǒng)的高可靠性和安全性需求不同，仿真系統(tǒng)在這些方面要求弱化。進行仿真系統(tǒng)建設和維護期間，可采用簡易的系統(tǒng)架構和簡化的維修策略［5］。目前，軌道交通［6］、電網(wǎng)［7-8］等現(xiàn)場應用工業(yè)系統(tǒng)的可靠性成本模型是基于復雜的現(xiàn)場維護策略，對實驗室仿真系統(tǒng)不合適。在對實驗室常用冗余架構的可靠性和簡易維護策略分析基礎上，提出一種簡化的可靠性成本模型，客觀評價實驗室仿真系統(tǒng)的可靠性成本，為實驗室仿真系統(tǒng)設計和維修提供了理論依據(jù)。

1 冗余系統(tǒng)

可靠性是衡量產品功能穩(wěn)定持久程度的重要性能指標，反映產品在規(guī)定條件下完成規(guī)定功能的能力［9-10］。冗余技術是復雜系統(tǒng)提高可靠性和安全性的重要技術途徑，也是進行故障檢測及通信安全信息防護的有效手段［11-12］。

在IEC61508 標準中，提出MooN（M≤N）的冗余結構，表示在N個獨立的相同功能的子系統(tǒng)結構中的M個子系統(tǒng)。當以M為判值的表決原則構成冗余時，MooN轉化為標準可靠性模型中的m/n［G］表決系統(tǒng)。冗余系統(tǒng)功能完好的條件為：N 個子系統(tǒng)中有至少M個子系統(tǒng)完好。常見的冗余架構包括1oo1、1oo2、2oo2、2oo3 和2 ×2oo2 5 種［13-14］。

2 仿真系統(tǒng)的可靠性成本建模

2.1 冗余系統(tǒng)可靠性模型

系統(tǒng)故障分布可用概率密度函數(shù)表示，常見的概率密度函數(shù)p（t）包括：指數(shù)分布、威布爾分布和線性分布等多種類型［15-16］。其中，威布爾分布最為常用：

式中：α為形狀參數(shù)；β 為尺度參數(shù)。兩個參數(shù)可通過系統(tǒng)的歷史失效數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析得到。

伴隨應用時間的增長，系統(tǒng)可靠性逐步減低，故障次數(shù)也會隨著維修次數(shù)n 的增加而增多，引入故障率因子gn，反映系統(tǒng)在不同維護周期（Tn，Tn+1）內系統(tǒng)可靠性的變化

系統(tǒng)的可靠度：

系統(tǒng)的穩(wěn)定運行須滿足約束條件：

式中，Rg為可靠度門限。即系統(tǒng)的可靠度須大于系統(tǒng)設計的可靠度門限。

在完全忽略系統(tǒng)內部比較、切換和相關同步機制的失效因素的前提下，5 種冗余架構的實驗室仿真系統(tǒng)的可靠度計算公式見表1。

表1 5 種冗余架構的實驗室仿真系統(tǒng)可靠度

2.2 實驗室仿真系統(tǒng)可靠性成本模型

現(xiàn)場情況復雜多變，為保證冗余系統(tǒng)連續(xù)正常安全運轉，現(xiàn)場系統(tǒng)的維修策略較為復雜，包括日常檢修、加固維修、周期性預防維修、替換性維修等多種維修方式。與現(xiàn)場冗余系統(tǒng)的需求不同，實驗室仿真系統(tǒng)功能需求不高，維修策略僅為周期預防性維修，這種維修可緩解系統(tǒng)性能的劣化速度，但無法改變系統(tǒng)可靠性。實驗室仿真系統(tǒng)的全壽命周期成本（Life Cycle Cost，LCC）為周期維修成本C1和最終失效成本C2之和：

在實驗室建設中，需要考慮資金時間價值的影響。依據(jù)資金等值原理，周期維修成本：

式中：Cn為單次故障維修費用；i為折現(xiàn)率。

仿真系統(tǒng)可靠運行時間：

式中，N為系統(tǒng)最優(yōu)維修次數(shù)。

考慮資金時間價值作用的系統(tǒng)最終失效成本：

式中，Ck為冗余系統(tǒng)中單個子系統(tǒng)最終失效成本。

用平均全壽命周期成本指標衡量仿真系統(tǒng)的可靠性成本。仿真系統(tǒng)的最優(yōu)可靠性成本約束為：

3 實例分析

以計算機聯(lián)鎖系統(tǒng)實驗室仿真系統(tǒng)為例，從最優(yōu)維修次數(shù)、可靠度門限和折現(xiàn)率3 個指標，對5 種冗余架構的簡化可靠性成本模型進行性能分析。根據(jù)計算機聯(lián)鎖系統(tǒng)歷史故障數(shù)據(jù)，擬合故障率因子gn=，并且假設故障率因子在每個維修周期（Tn，Tn+1）內恒定。計算機聯(lián)鎖系統(tǒng)實驗室仿真系統(tǒng)的參數(shù)見表2。

表2 計算機聯(lián)鎖系統(tǒng)的實驗室仿真系統(tǒng)參數(shù)

3.1 最優(yōu)維修次數(shù)分析

5 種冗余架構的實驗室仿真系統(tǒng)的維修次數(shù)與平均全生命周期維修費用變化趨勢如圖1 所示。

圖1 5種冗余架構的實驗室仿真系統(tǒng)費用隨維修次數(shù)變化趨勢

由圖1 可知，5 種架構仿真系統(tǒng)的平均全壽命周期成本均呈現(xiàn)先低后高的趨勢。在相同的維修次數(shù)下，1oo2 架構系統(tǒng)的平均全壽命周期成本最低，與其架構可靠性高、便于維修的特點有關；2oo2 架構的平均全壽命周期成本最高，由其可靠度低的特點決定。1oo1 架構在維修次數(shù)較少的情況下，平均全壽命周期成本不高，略高于1oo2 架構，但是隨著維修次數(shù)的增加，1oo1 架構的系統(tǒng)平均全壽命周期成本快速增加。如果系統(tǒng)的全生命周期內進行12 次維修時，1oo1 架構的平均全壽命周期成本超過2oo3 和2 ×2oo2 兩種架構，經濟效率變差。

5 種架構的最優(yōu)維修次數(shù)也不同。1oo1 架構的系統(tǒng)最優(yōu)維修次數(shù)為4 次，1oo2 架構為9 次；2oo2 架構為5 次；2oo3 架構為9 次；2 ×2oo2 架構為9 次。

3.2 可靠度門限分析

5 種冗余架構實驗室仿真系統(tǒng)的平均全壽命周期成本與可靠度門限的變化趨勢如圖2 所示。

圖2 5種冗余架構實驗室仿真系統(tǒng)費用隨可靠度門限變化趨勢

圖2 可知，隨著可靠度門限增長，5 種架構的平均全壽命周期成本也相繼增長。這是因為可靠度門限提高引起維修次數(shù)增加，影響平均全壽命周期成本的增加。從增長幅度看，以1oo2 增幅為基準，在可靠度門限為［0.5 0.95］區(qū)間，2oo3 架構和2 ×2oo2 架構增幅相當，相對增長率分別為246%和365%，2oo2 增長率最高，相對增長率達到10 803%，表明隨著可靠度門限的提升，2oo2 架構系統(tǒng)的維修成本快速增加，經濟效益不佳，最不適合用作實驗室仿真系統(tǒng)的架構方案。1oo1 架構的曲線表明該系統(tǒng)呈現(xiàn)兩階段增長趨勢：在可靠度門限為［0.5 0.75］范圍時，平均全壽命周期成本增速一般，相對增長率為1 186%；在可靠度門限為0.7 時，與2 ×2oo2 架構的平均全壽命周期成本接近；當可靠度門限為［0.75 0.95］區(qū)間時，平均全壽命周期成本快速增加，相對增長率達到4 122%，在可靠度門限為0.95 時，平均全壽命周期成本是1oo2 架構的13.7 倍。這表明1oo1 架構作為一種簡單結構，在可靠性要求不高的應用場景，適合作為仿真系統(tǒng)的備選方案，但當可靠性要求較高的場景，其簡易結構會造成維修費用的增長，不再適用。

3.3 折現(xiàn)率分析

圖3 展示折現(xiàn)率對系統(tǒng)平均全壽命周期成本的影響。由圖3 可知，5 種冗余架構仿真系統(tǒng)的平均全壽命周期成本對折現(xiàn)率整體呈現(xiàn)類似線性下降的趨勢。5 種架構對折現(xiàn)率的靈敏度不同，以1oo2 架構的平均全壽命周期成本減少量為基準，2oo3 架構，2 ×2oo2 架構，1oo1 架構，2oo2 架構減少量的相比下降率分別為262%、341%、391%、1 342%?？梢?，在資金時間價值經濟性效益方面，1oo2 架構展現(xiàn)了良好的經濟優(yōu)越性，2oo3 架構，2 ×2oo2 架構，1oo1 架構三者次之，2oo2架構最差。

圖3 5種冗余架構實驗室仿真系統(tǒng)費用隨折現(xiàn)率變化趨勢

4 結語

針對5 種冗余系統(tǒng)架構，結合實驗室仿真系統(tǒng)建設的實際需求，建立一種簡易可靠性成本模型。以計算機連鎖仿真系統(tǒng)為例，對常用的5 種冗余系統(tǒng)架構進行了綜合評價，得到結果如下：

（1）1oo2 冗余架構最適合作為仿真系統(tǒng)的備選架構，最優(yōu)維修次數(shù)為9 次；2oo2 架構最不合適。

（2）隨著可靠度門限的增長，5 種架構的平均全壽命周期成本不同程度地增長。1oo2 架構的可靠性成本增長幅度最小，2oo2 架構的增長幅度最大。

（3）1oo2 架構對資金時間價值變化的敏感度最低，具有良好的經濟效益。