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，并且相互實現(xiàn)信息共享的系統(tǒng)。其功能涉及運輸計劃、運行管理、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)可由站級設(shè)備管理系統(tǒng)、中央運行控制系統(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)是一個集成度極高的自動化系統(tǒng)，是一個復(fù)雜、動態(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、指揮列車運行。系統(tǒng)要如實地獲取各個車站中的設(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)備間的有效運行，實現(xiàn)列車的可靠、穩(wěn)定和高效運行。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化監(jiān)控系統(tǒng)。綜合自動化監(jiān)控系統(tǒng)已成為國內(nèi)城市軌道交通自動化系統(tǒng)的發(fā)展趨勢，有必要對綜合自動化系統(tǒng)進行可靠性分析評估。
1地鐵綜合監(jiān)控系統(tǒng)可靠性分析方法選擇
要對地鐵綜合監(jiān)控系統(tǒng)進行可靠性分析，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，從而進行下一步分析。該方法適用于對結(jié)構(gòu)較為簡單的系統(tǒng)進行可靠性分析。
(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，進行GO運算。此方法建立GO圖的過程較為簡單，但進行GO運算則相對繁瑣。該方法適合于在系統(tǒng)圖邏輯關(guān)系較清晰時進行可靠性分析。
(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)，進而對系統(tǒng)進行可靠性分析。該方法適合于對較復(fù)雜的系統(tǒng)進行可靠性分析。
(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，研究它的后果，決定它對系統(tǒng)的致命度。但隨著系統(tǒng)的`復(fù)雜度增加，要實際做完這樣的分析，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)相對復(fù)雜，信息量大，關(guān)注于系統(tǒng)成功運行或出現(xiàn)故障原因的分析，因此，GO法和故障樹分析法較適合于對地鐵綜合監(jiān)控系統(tǒng)進行可靠性分析。但采用GO法進行可靠性分析，符號使用復(fù)雜，同時還需定義一定數(shù)量的GO處理單元，工作量較大。采用故障樹分析法進行可靠性分析則相對簡便易行。因此，故障樹分析法更適合于對地鐵綜合監(jiān)控系統(tǒng)進行可靠性分析。基于以上原因，我們提出采用故障樹分析法對地鐵綜合監(jiān)控系統(tǒng)進行可靠性分析。
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
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現(xiàn)系統(tǒng)的計算機輔助故障樹建模這樣一個問題來展開，也就是必須使計算機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)和模型自動完整性檢查等功能。
軟件中將故障樹模型的節(jié)點抽象為派生于CObject類的CFTANode類，模型節(jié)點的圖形屬性和事件屬性都封裝作為CFTANode類的成員，對模型節(jié)點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，我們再使用MFC中支持CObject指針的數(shù)組CObArray類存儲大量模型節(jié)點CFTANode類對象，從而實現(xiàn)整個模型的生成，對數(shù)組的操作也就是對整個模型的操作。
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)可靠性模型進行自動可靠性分析，即可以實現(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。對于含有非門的情況下，求出所有質(zhì)蘊含割集;求出相應(yīng)模型的全部小路集，對于含有非門的模型，求出所有質(zhì)蘊含路集。
2)系統(tǒng)故障樹模型的定量分析
對綜合監(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)故障時系統(tǒng)下層子系統(tǒng)/設(shè)備對其的貢獻大小，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)置及分析時間參數(shù)計算出被分析事件按指定時間間隔的不同時間段內(nèi)的失效概率，各底事件不同時間段內(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間的變化，同時，軟件還可以從模型結(jié)構(gòu)角度計算底事件的結(jié)構(gòu)重要度。
軟件中采用二元決策圖(BDD)法對故障樹模型進行求解。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BDD算法進行詳細(xì)的介紹，讀者可以閱讀參考文獻加以了解。
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)計功能，不但要能對系統(tǒng)/設(shè)備的基本信息、運行情況、故障檢修數(shù)據(jù)、可靠性試驗數(shù)據(jù)等實現(xiàn)統(tǒng)一的管理平臺，而且要具有一定的統(tǒng)計分析功能，為系統(tǒng)建模時設(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
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)備可靠性信息和計算機生成數(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、設(shè)備類型、功能描述、設(shè)備制造廠商、制造型號、制造序列號、設(shè)備所在車站、設(shè)備所在系統(tǒng)、設(shè)備首次投入運行時間、設(shè)備安全等級、設(shè)備設(shè)計參數(shù)、數(shù)據(jù)采集開始日期、運行方式、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)(故障時間、故障等級、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)備不可用的時間等)、設(shè)備檢修數(shù)據(jù)(檢修時間、檢修原因、此次檢修所用時間等)、設(shè)備試驗數(shù)據(jù)(試驗時間、試驗類型、試驗方案、可替換或不可替換、試驗參數(shù)、此次試驗所用時間、試驗數(shù)據(jù)組(失效編號、失效簡述、原因分析、解決措施、失效時間、備注))、備注等信息。
(3)計算機生成數(shù)據(jù)
計算機生成可靠性數(shù)據(jù)包括：設(shè)備累計運行時間，設(shè)備累計不可用時間，運行故障率、平均故障維修時間、平均試驗間隔時間。
2.3.2軟件中的數(shù)據(jù)庫設(shè)計
軟件中的數(shù)據(jù)庫采用SQL設(shè)計，根據(jù)系統(tǒng)可靠性數(shù)據(jù)包含的信息，軟件中設(shè)計了7了個數(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)備可靠性試驗信息庫、設(shè)備可靠性試驗失效庫。其中設(shè)備可靠性數(shù)據(jù)庫為主要數(shù)庫，其它六個數(shù)據(jù)庫都為其的子級數(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
軟件完成以后，利用軟件的系統(tǒng)可靠性建模功能對地鐵綜合監(jiān)控系統(tǒng)進行建模，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方便快捷的調(diào)用已有的模型進行可靠性分析，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)者到地鐵自動化系統(tǒng)可靠性分析領(lǐng)域來，進一步充實完善地鐵綜合監(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)計的系統(tǒng)設(shè)備數(shù)據(jù)在建模時可直接提供參考，同時，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)計了地鐵綜合監(jiān)控系統(tǒng)故障樹模型圖庫，并初步充實了本圖庫。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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