基于動(dòng)態(tài)故障樹的ctcs-3級(jí)atp系統(tǒng)可靠性評(píng)估方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了基于動(dòng)態(tài)故障樹的CTCS-3級(jí)ATP系統(tǒng)可靠性評(píng)估方法，本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是根據(jù)CTCS-3級(jí)ATP系統(tǒng)模型建立CTCS-3級(jí)ATP系統(tǒng)失效的動(dòng)態(tài)故障樹模型和主控制單元失效的動(dòng)態(tài)故障樹模型；采用深度優(yōu)先最左遍歷算法搜索模型，判斷各子樹模塊的獨(dú)立性；采用可修系統(tǒng)的馬爾科夫模型求解子樹，可得子樹的可靠性指標(biāo)；結(jié)合分層迭代方法合成子樹模塊的求解結(jié)果，可得系統(tǒng)的可靠性指標(biāo)；采用系統(tǒng)可靠性指標(biāo)對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行評(píng)估。本發(fā)明的有益效果是采用能夠表述系統(tǒng)動(dòng)態(tài)失效過(guò)程的動(dòng)態(tài)故障樹方法，能夠更好的描述系統(tǒng)的特點(diǎn)，評(píng)估過(guò)程簡(jiǎn)單，準(zhǔn)確率高。
【專利說(shuō)明】 基于動(dòng)態(tài)故障樹的CTCS-3級(jí)ATP系統(tǒng)可靠性評(píng)估方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于鐵路信號(hào)系統(tǒng)【技術(shù)領(lǐng)域】，涉及基于動(dòng)態(tài)故障樹的CTCS-3級(jí)ATP系統(tǒng)可靠性評(píng)估方法。
【背景技術(shù)】
[0002]動(dòng)態(tài)故障樹(dynamic fault tree, DFT): 一種分析具有動(dòng)態(tài)隨機(jī)性故障特點(diǎn)系統(tǒng)的可靠性的方法。CTCS-3 級(jí) ATP 系統(tǒng)(theautomatic train protection of Chinesetrain control system-3, theATP ofCTCS-3):中國(guó)列車運(yùn)行控制系統(tǒng)中用于監(jiān)測(cè)、防護(hù)、控制高速列車安全運(yùn)行的車載子系統(tǒng)?？煽啃栽u(píng)估(reliability evaluation, RE):通過(guò)求解表征系統(tǒng)可靠性的關(guān)鍵指標(biāo)來(lái)評(píng)估系統(tǒng)的可靠性。
[0003]近年來(lái)隨著高速鐵路的開通運(yùn)行，為了保證高速列車的安全運(yùn)行及列車間追蹤間隔短的要求，中國(guó)列車控制系統(tǒng)被開發(fā)，且廣泛的應(yīng)用。中國(guó)列車控制系統(tǒng)根據(jù)應(yīng)用于不同的速度的線路分為四級(jí)。CTCS-3 (Chinese Train Control System-3)是中國(guó)列車控制系統(tǒng)-3的簡(jiǎn)稱，用于監(jiān)控高速列車在C3級(jí)高速線路的安全可靠運(yùn)行。研究CTCS-3級(jí)列控系統(tǒng)的可靠性，有助于指導(dǎo)CTCS-3級(jí)列控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和維護(hù)，為進(jìn)一步完善系統(tǒng)及制定維修策略奠定基礎(chǔ)。CTCS-3級(jí)ATP (Automatic Train Protection)系統(tǒng)是C3級(jí)列控系統(tǒng)的車載子系統(tǒng)，CTCS-3級(jí)ATP系統(tǒng)的可靠性分析對(duì)整個(gè)C3級(jí)列控系統(tǒng)可靠性研究至關(guān)重要。
[0004]CTCS-3級(jí)ATP系統(tǒng)在保證高速列車的安全運(yùn)行上具有重要的作用，因而對(duì)其的可靠性要求很高，需要滿足歐洲標(biāo)準(zhǔn)IEC61508的SIL (safety integrity level,安全完整性水平)4級(jí)要求。CTCS-3級(jí)ATP系統(tǒng)因其高安全可靠性的要求，系統(tǒng)中的多數(shù)模塊采用冗余設(shè)計(jì)，具有容錯(cuò)功能。而傳統(tǒng)的可靠性分析方法:可靠性框圖、故障樹等在分析可修的、復(fù)雜的、冗余的、容錯(cuò)的系統(tǒng)時(shí)不能很好表述系統(tǒng)的特點(diǎn)，因而引入動(dòng)態(tài)故障樹分析CTCS-3級(jí)ATP系統(tǒng)的可靠性。
[0005]現(xiàn)有技術(shù)方案，可靠性框圖法:從系統(tǒng)的功能層次關(guān)系和硬件結(jié)構(gòu)關(guān)系出發(fā)，逐層的建立系統(tǒng)串、并聯(lián)混合結(jié)構(gòu)的可靠性框圖。在分析模型時(shí)，串聯(lián)部分采用可靠性求解公式計(jì)算，并聯(lián)部分采用馬爾科夫模型分析計(jì)算。結(jié)合串、并聯(lián)可靠性框圖歸并、化簡(jiǎn)的原則，將系統(tǒng)的可靠性框圖化簡(jiǎn)為一個(gè)等效模塊，進(jìn)而得到系統(tǒng)的可靠性指標(biāo)。
[0006]故障樹法:從系統(tǒng)失效的角度出發(fā)，從上到下逐層的列出導(dǎo)致系統(tǒng)失效的原因，直到不能再細(xì)化的最小單元，所建立表述系統(tǒng)故障的倒立狀樹形結(jié)構(gòu)圖。結(jié)合歐洲標(biāo)準(zhǔn)CENELEC在ATP系統(tǒng)研發(fā)階段對(duì)其進(jìn)行安全設(shè)計(jì)及安全評(píng)估，并建立ATP系統(tǒng)失效的故障樹模型，定量評(píng)估系統(tǒng)的安全性。
[0007]馬爾科夫過(guò)程方法:采用馬爾科夫鏈研究城軌ATP系統(tǒng)的可靠性，計(jì)算了雙機(jī)冗余子系統(tǒng)的可用性指標(biāo)，穩(wěn)態(tài)可用度來(lái)評(píng)估城市軌道交通ATP系統(tǒng)的可靠性。馬爾科夫模型能夠描述系統(tǒng)失效的動(dòng)態(tài)過(guò)程，但是隨著系統(tǒng)規(guī)模的增加，其狀態(tài)空間規(guī)模呈指數(shù)增長(zhǎng)，導(dǎo)致求解過(guò)程繁瑣、耗時(shí)、且容易出錯(cuò)。
[0008]傳統(tǒng)的可靠性分析方法如可靠性框圖法、故障樹法、馬爾科夫過(guò)程方法?？煽啃钥驁D從系統(tǒng)正常工作的角度結(jié)合可靠性指標(biāo)計(jì)算公式估算系統(tǒng)的可靠性指標(biāo)，評(píng)價(jià)系統(tǒng)的可靠性，但所得的結(jié)果不能很好的反映系統(tǒng)的容錯(cuò)，冗余等特點(diǎn)。故障樹是基于靜態(tài)故障邏輯或靜態(tài)故障機(jī)理的分析方法，不適合于描述系統(tǒng)失效的動(dòng)態(tài)過(guò)程，如故障修復(fù)、冷儲(chǔ)備、熱儲(chǔ)備等。馬爾科夫模型能夠描述系統(tǒng)失效的動(dòng)態(tài)過(guò)程，但是隨著系統(tǒng)規(guī)模的增加，其狀態(tài)空間規(guī)模呈指數(shù)增長(zhǎng)，導(dǎo)致求解過(guò)程繁瑣、耗時(shí)、且容易出錯(cuò)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0009]本發(fā)明的目的在提供基于動(dòng)態(tài)故障樹的CTCS-3級(jí)ATP系統(tǒng)可靠性評(píng)估方法，解決了現(xiàn)有的CTCS-3級(jí)ATP系統(tǒng)可靠性評(píng)估方法過(guò)程繁瑣、耗時(shí)且準(zhǔn)確率低的問(wèn)題。
[0010]本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是:
[0011]步驟1:根據(jù)CTCS-3級(jí)ATP系統(tǒng)模型建立CTCS-3級(jí)ATP系統(tǒng)失效的動(dòng)態(tài)故障樹模型和主控制單元失效的動(dòng)態(tài)故障樹模型；
[0012]步驟2:采用深度優(yōu)先最左遍歷算法搜索模型，判斷各子樹模塊的獨(dú)立性；
[0013]步驟3:采用可修系統(tǒng)的馬爾科夫模型求解子樹，可得子樹的可靠性指標(biāo)；
[0014]步驟4:結(jié)合分層迭代方法合成子樹模塊的求解結(jié)果，可得系統(tǒng)的可靠性指標(biāo)；
[0015]步驟5:采用系統(tǒng)可靠性指標(biāo)對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行評(píng)估。
[0016]本發(fā)明的有益效果是采用能夠表述系統(tǒng)動(dòng)態(tài)失效過(guò)程的動(dòng)態(tài)故障樹方法，能夠更好的描述系統(tǒng)的特點(diǎn)，評(píng)估過(guò)程簡(jiǎn)單，準(zhǔn)確率高。
【專利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0017]圖1是CTCS-3級(jí)ATP系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖；
[0018]圖2是CTCS-3級(jí)ATP系統(tǒng)失效的動(dòng)態(tài)故障樹模型；
[0019]圖3是主控制單元失效的動(dòng)態(tài)故障樹模型；
[0020]圖4是深度優(yōu)先左遍歷算法搜索流程圖；
[0021 ]圖5是D3子樹模塊的狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖；
[0022]圖6是C5子樹模塊的狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖；
[0023]圖7是B3子樹模塊的狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖；
[0024]圖8是C3子樹模塊的狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖。
【具體實(shí)施方式】
[0025]下面結(jié)合附圖和【具體實(shí)施方式】對(duì)本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明。
[0026]如圖1所示為現(xiàn)有的CTCS-3級(jí)ATP系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖，其中的C3控制單元2用于C3控制模式。C2控制單元I用于C2控制模式。
[0027]CTCS-3級(jí)ATP系統(tǒng)采用分布式結(jié)構(gòu)、模塊化設(shè)計(jì)，以保證模塊的故障只影響本模塊的輸出，使備份功能不受其它模塊的影響。其中C2控制單元、TCR(軌道電路信息接收模塊)、C3控制單元、無(wú)線管理模塊、列車接口模塊、PR0FIBUS總線、無(wú)線電臺(tái)、GSM-R天線采用雙系熱備幾余結(jié)構(gòu)，BTM、DMI米用雙系冷備幾余結(jié)構(gòu)。
[0028]采用動(dòng)態(tài)故障樹方法評(píng)估CTCS-3級(jí)ATP系統(tǒng)可靠性具體的步驟如下:
[0029]1.引入可修系統(tǒng)可靠性指標(biāo):穩(wěn)態(tài)可用度A、首次失效前平均工作時(shí)間MTTFFjI態(tài)故障頻度Μ、平均開工時(shí)間MUT、平均停工時(shí)間MDT、平均周期時(shí)間MCT。
[0030]2.分析CTCS-3級(jí)ATP系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和功能，建立CTCS-3級(jí)ATP系統(tǒng)失效的動(dòng)態(tài)故障樹模型。參考文獻(xiàn)[6]。
[0031]3.采用深度優(yōu)先最左遍歷算法搜索模型，判斷各子樹模塊的獨(dú)立性。
[0032]4.采用可修系統(tǒng)的馬爾科夫模型求解子樹，可得子樹的上述可靠性指標(biāo)。
[0033]5.結(jié)合分層迭代方法合成子樹模塊的求解結(jié)果，可得系統(tǒng)的可靠性指標(biāo)。
[0034]6.所得的系統(tǒng)的可靠性指標(biāo)用于系統(tǒng)可靠性的評(píng)估。
[0035]圖2、3是建立的CTCS-3級(jí)ATP系統(tǒng)失效和主控制單元失效的動(dòng)態(tài)故障樹模型。
[0036]本發(fā)明引入可修系統(tǒng)可靠性指標(biāo):穩(wěn)態(tài)可用度Α、首次失效前平均工作時(shí)間MTTFF、穩(wěn)態(tài)故障頻度Μ、平均開工時(shí)間MUT、平均停工時(shí)間MDT、平均周期時(shí)間MCT。
[0037]穩(wěn)態(tài)可用度A表示系統(tǒng)達(dá)到穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)時(shí)可使用的概率。通常對(duì)于需要長(zhǎng)期連續(xù)、穩(wěn)定工作的高可靠性、高安全性的系統(tǒng)，其可用性采用穩(wěn)態(tài)可用度或者平均可用度來(lái)衡量。
[0038]故障頻度M是指單位時(shí)間內(nèi)，可維修系統(tǒng)發(fā)生故障的頻率。
[0039]首次失效前平均工作時(shí)間MTTFF是系統(tǒng)首次失效前工作的時(shí)間度量，是評(píng)估可維修系統(tǒng)可用性的重要的指標(biāo)之一。
[0040]平均開工時(shí)間MUT是系統(tǒng)處于可工作狀態(tài)的時(shí)間，平均停工時(shí)間MDT是系統(tǒng)處于維修狀態(tài)的時(shí)間，平均周期時(shí)間MCT是平均開工時(shí)間和平均停工時(shí)間之和。
[0041]本發(fā)明的具體步驟如下:
[0042]步驟1:分析CTCS-3級(jí)ATP系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和功能，建立CTCS-3級(jí)ATP系統(tǒng)失效的動(dòng)態(tài)故障樹模型。如圖2所示為CTCS-3級(jí)ATP系統(tǒng)失效的動(dòng)態(tài)故障樹模型，故障樹模型構(gòu)造方法采用文獻(xiàn):張文晰著，城市軌道交通ATP安全可靠性分析及安全措施[D]成都:西南交通大學(xué)，2007。圖3為圖2中轉(zhuǎn)移事件Β3，即主控制單元失效的動(dòng)態(tài)故障樹模型。
[0043]圖2和圖3中，G表示底事件，□表示頂事件/中間事件，△表示轉(zhuǎn)移事件。
圖2，圖3是分析CTCS-3級(jí)ATP系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和功能的基礎(chǔ)上，建立的系統(tǒng)失效的動(dòng)態(tài)故障樹模型。
[0044]步驟2:采用深度優(yōu)先最左遍歷算法搜索模型，判斷各子樹模塊的獨(dú)立性；深度優(yōu)先最左遍歷算法是基于Tarjan算法的實(shí)質(zhì)，將動(dòng)態(tài)故障樹模型進(jìn)行兩次深度優(yōu)先最左遍歷搜索，得到獨(dú)立的子樹模塊，圖4是采用深度優(yōu)先左遍歷算法搜索的流程。其中子樹模塊是指通過(guò)邏輯門聯(lián)系的包含上層事件和下層事件的模塊。包含Τ，Β1-Β5, C3，C5，C6，CS,D3-D8。
[0045]以主控制單元故障Β3子樹模塊為例進(jìn)行搜索，得到獨(dú)立的子樹模塊，結(jié)果如表1所示。
[0046]圖中Ml表示第一次搜索到該事件的步數(shù)，M2表示第二次搜索到該事件的步數(shù)，M3表示最后一次搜索到該事件的步數(shù)，Min表示與其相連的下層事件Ml的最小值，Max表示與其相連的下層事件M2的最大值。Υ/Ν表示是否為獨(dú)立的子樹模塊。Β3子樹模塊化分析結(jié)果如表1所示:深度優(yōu) 先最左遍歷算法該方法是已知的，采用該方法結(jié)合圖2、圖3的算例，可以得到表1的結(jié)果。[0047]表1
[0048]
【權(quán)利要求】
1.基于動(dòng)態(tài)故障樹的CTCS-3級(jí)ATP系統(tǒng)可靠性評(píng)估方法，其特征在于按照以下步驟進(jìn)行: 步驟1:根據(jù)CTCS-3級(jí)ATP系統(tǒng)模型建立CTCS-3級(jí)ATP系統(tǒng)失效的動(dòng)態(tài)故障樹模型和主控制單元失效的動(dòng)態(tài)故障樹模型； 步驟2:采用深度優(yōu)先最左遍歷算法搜索模型，判斷各子樹模塊的獨(dú)立性； 步驟3:采用可修系統(tǒng)的馬爾科夫模型求解子樹，可得子樹的可靠性指標(biāo)； 步驟4:結(jié)合分層迭代方法合成子樹模塊的求解結(jié)果，可得系統(tǒng)的可靠性指標(biāo)； 步驟5:采用系統(tǒng)可靠性指標(biāo)對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行評(píng)估。
【文檔編號(hào)】G06F17/30GK103955616SQ201410187088
【公開日】2014年7月30日 申請(qǐng)日期:2014年5月4日 優(yōu)先權(quán)日:2014年5月4日
【發(fā)明者】張友鵬, 張文韜, 石建強(qiáng), 車玉龍, 趙斌, 李軍莉, 李小凡, 王文斌 申請(qǐng)人:蘭州交通大學(xué)