基于 Petri网的铁路信号综合系统可靠性分析

陈红霞

*南京铁道职业技术学院 讲师,210015 南京

为了确保铁路各部门协调工作,保证铁路运输高速、安全、正点,许多涉及到列车调度、控制、监测的信息,都需要通过通信系统进行远距离、快速传送,通信和信号信息相互渗透结合,形成一个包括通信、调度指挥、自动控制和信息处理在内的智能化综合系统。

铁路信号综合系统的可靠性由硬件和软件共同决定,本文主要分析其硬件可靠性。以主、备设备为例,实行 1+l热备份,在主、备用之间设有切换装置。为了保证信息传输的可靠性,传输通道也是采用冗余方式。这几个因素在实际系统中是以动态行为来保证系统的可靠运行。利用目前分析动态并发系统最有效的 Petri网分析方法,并以主、备用光纤处在不同光缆中统一路由的光纤通信系统为传输通道,来进行系统建模,对整个系统进行如下可靠性分析。

1 建立系统模型

Petri网用于描述异步并发能力,并将动态行为同构于连续时间马尔可夫链的离散动态系统,可以方便地对离散动态系统进行建模,并对其性能和可靠性进行分析。图 1所示为利用 Petri网对于基于光纤通信的铁路信号系统的建模模型。

图1 系统模型

图1中 A、B两个终端之间的信息传输需要信号设备和路由设备 2个子系统,信号设备子系统包括主机、备机和切换装置,路由设备子系统由统一路由构成。由于是串联连接,因此整个信号系统的可靠性由信号设备子系统和路由设备子系统可靠性的乘积决定。

2 系统可靠性建模

2.1 信号设备子系统建模

信号设备子系统为双机热备,主机与备机同时处于工作状态,并且备机同主机一样具有特定的失效率。在切换装置正常时,当主机故障,备机会升级为主机。通常热备份状态下的主、备机切换时间很短,假设转换时间为零。图 2是处于双机热备保护的可维修信号设备子系统的模型。

图2 信号设备子系统 Petri网模型

图2中 p1表示主机工作正常;p2表示切换装置工作正常;p3表示备机工作正常;p4表示主机失效待修;p5表示切换装置失效待修;P6表示备机失效待修;p7表示主机故障、切换装置故障下的信号设备失效状态;p8表示主机、备机均失效情况下的信号设备失效状态,有标记表示失效发生;t1表示模拟主机失效过程;t2表示模拟切换装置失效过程;t3表示模拟备机失效过程;t4表示主机、切换装置均故障下的信号设备失效;t5表示模拟设备子系统未失效情况下,对切换单元进行维修的过程;t6表示主机、备机均故障情况下的信号设备失效;t7表示模拟设备子系统未失效情况下,对备用单元进行维修的过程;t8表示模拟 p7失效情况下,对故障单元进行集中抢修的过程;t9表示模拟 p8失效情况下,对故障单元进行集中抢修的过程;t10表示模拟主机故障、备机正常、切换装置正常情况下的主备机切换。

2.2 路由设备子系统建模

路由设备子系统采用冗余技术,即并联使用。因此只有在路由设备都故障的情况下路由设备子系统才失效。但是信号系统要求冗余系统不能影响整个系统的工作,只能在降级状态下运行,所以维修人员要在路由设备子系统失效,造成整个系统不可用时对其进行紧急抢修。路由设备子系统的模型如图3所示。

图 3中,p1表示有标记表示路由系统 A工作正常;p2表示有标记表示路由系统 B工作正常;p3表示路由系统A故障;p4表示路由系统B故障;p5表示路由子系统故障;t1表示模拟路由系统 A失效过程;t2表示模拟路由系统 B失效过程;t3表示路由系统 A失效待修;t4表示路由系统 B失效待修;t5表示对路由进行抢修过程。

3 系统可靠性分析及计算

对图 2的模型建立可达树,如图4所示。其初始状态按照 [p1,p2,p3,p4,p5,p6,p7,p8,p9,]的顺序,为 (11100000)。

一般电子设备都服从指数分布,假设主备机的失效率 λ1=0.001,切换装置的失效率为 λ2=0.0005,对设备的日常维修率 μ1=0.01,抢修维修率 μ2=0.05,根据随机过程的相关知识和马尔可夫过程可得出图 4实存状态的稳定概率分布 Y,Y=(0.80736, 0.14525, 0.03833, 0.00528,0.00289,0.00076,0.00007,0.00006),即对应图 4中每个状态。当位置有标记时信号设备子系统可用,根据串联可靠度的计算方法可得到信号设备子系统可靠度为 0.99622(即前 4个状态的和)。同样可以计算出路由设备子系统的可靠度。设其失效率为0.001,维修率为 0.1,则路由设备子系统可靠度为 0.999902。整个信号系统的可靠性为信号设备可靠度与路由设备可靠度的乘积,即为 0.995902。

4 结论

在传输通道采用光缆的情况下,分析铁路综合信号系统的可靠性,对系统进行了建模,并考虑了系统的动态可变性和实际情况的对应,最后采用马尔可夫过程进行了计算分析,计算了其可靠度,一方面说明了 Petri网分析动态系统的优势,另一方面对于信号系统的设计提供了一定的参考价值。

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