浅析自动售检票系统设备可靠性指标的计算方法

杨 姝

（广州市地下铁道总公司，广东广州 510380）

0 引言

可靠性是衡量产品质量的一项重要指标，可靠性分析的一个重要任务是保证所设计的设备能够在规定的工作时间内、在给定的条件下完成规定的功能。目前可靠性分析方法已渗透到机械设计的各个领域，为工程设计提供行之有效的分析方法和选用依据。

随着设备向结构复杂化、功能多样化方向发展，对设备可靠性的要求也越来越高，可靠性是一项综合技术指标，涉及到设备的设计、制造、安装、使用、维护、更新等各个环节，并受到设备的结构、性能、成本及市场需求等诸多方面的影响。其中，设计和制造对设备可靠性的影响最大。在这两个环节，要采取各种有效措施来提高设备的可靠程度，诸如充分考虑到设备的工作环境和使用条件，采用简单的结构形式，选用可靠的零部件，制定可靠的方案。

自动售检票系统（AFC 系统）是一个覆盖广州地铁全线网的计程计时的全自动收费系统，一旦出现故障，可能会导致严重的后果。在分析AFC 系统中各单项设备的组成、功能和原理的基础上，对系统的主要设备闸机（Gate）、自动售票机（TVM）、自动验票机（TCM）、票房售票机（BOM）、车站计算机（SC）和线路中央计算机（LCC）的各项可靠性指标进行建模分析。预先估计这些产品的可靠性参数，发现影响可靠性的主要因素。在设备系统的选型、开发、实施过程中高度关注可靠性问题，在硬件设计、制造、生产的各个环节采用既有的可靠性工程技术，提高系统的可靠性。

1 可靠性指标计算方法

1.1 术语定义与基本计算公式[1-2]

系统的可靠性，广义上称为RAMS，即可靠性、可用性、可维护性和安全性（Reliability，Availability，Maintainability and Safety）。RAMS 是系统服务质量衡量的一个重要特征。RAMS 的指标主要包括：MTBF （平均故障间隔时间）、MCBF（平均无故障使用次数）、MTTR（平均修复时间）和可用性（Availability）等。

（1）MTBF（Mean time between failures）：平均故障间隔时间，可修产品基本可靠性的度量参数。其度量方法为：在规定的条件下和规定的时间内，产品的寿命单位总数与故障次数之比。

一个可修产品在使用过程中发生了N0次故障，每次故障修复后又重新投入使用，测得其每次工作持续时间为t1，t2，…，tN。其平均故障间隔时间（用符号MTBF 表示）为：

其中，T为产品总的工作时间。

（2）MTTR（Mean time to repair）：平均修复时间，是产品维修性的一种基本参数。其度量方法为：在规定条件下和规定时间内，产品在任一规定的维修级别上，修复性维修总时间与在该级别上被修复的故障总数之比。

（3）MCBF（Mean cycle between failures）：平均无故障使用次数。其度量方法为：在规定的条件下和规定的时间内，产品的使用次数与故障次数之比。MCBF与MTBF的关系：

其中，C 为设备使用一次的平均时间。

（4）MTBSF （Mean time between significant failures）：平均严重故障间隔时间。MTBSF与MTBF度量的区别为，MTBSF度量忽略非关键模块的故障。

（5）故障率（用λ 表示）：即failure rate。指设备或部件在规定条件下，规定期限内发生故障的次数。故障率与MTBF关系：

（6）MDT （Mean down time）：平均停机时间。是将平均修复时间（MTTR）扩展至包括运营及维护员工到达现场前的响应时间及运营员工在现场的诊断时间。即：

MDT=MTTR＋故障响应时间＋故障诊断时间。

1.2 MTBF/MCBF计算方法[3]

根据GJB813－90《可靠性模型的建立和可靠性预计》中提到的可靠性框图模型的方法进行可靠性建模及计算。

可靠性建模及计算中采用以下假设：

设备及组成单元只有故障与正常两种状态，不存在第三种状态；

设备单个模块的故障会造成整个设备的故障，特别说明的除外；

设备各个模块的故障概率是相互独立的；

当人员可靠性没有纳入到设备可靠性模型时，假设人员是完全可靠，而且人员与设备之间没有相互作用。

基于以上假设，设备可靠性计算的数学模型为：

其中，Rs（t）为设备的可靠度，Ri（t）为第i个模块的可靠度，λi（t）为第i个模块的故障率，n为组成设备的模块数。

进一步推导，得到设备故障率计算公式：

其中，λs为系统的故障率，λi为第i 个模块的故障率，n为组成设备的模块数。

根据公式（2）、公式（3）与公式（5），得到MTBF计算公式：

式（6）中，MTBFs为系统的MTBF，λi为第i个模块的故障率，n为组成设备的模块数。

MCBF计算公式：

式（7）中，MCBFs为系统的MCBF，MTBFs为系统的MTBF，C 为设备使用一次的平均时间。

1.3 MTTR计算方法[4-5]

采用GJB/Z57-94 《维修性分配与预计手册》中方法205 时间累计预计法进行维修性预计，该方法用于预计航空、地面及舰载电子设备在各级维修的维修性参数，也可用于任何使用环境的其它各种设备的维修性预计。

时间累计法是根据历史经验或现成的数据、图表，对照设备的设计或设计方案和维修保障条件，一次对一个可维修单元维修活动的时间进行分解，分别收集，累加成该可更换单元的维修时间，再依据可更换单元的故障率，经过累加或求均值，预计设备或系统的维修性参数。

其中，MTTR 为系统的MTTR，λi为第i个模块的故障率，Ri为第i个模块的维修时间，n为组成设备的模块数。

1.4 设备可用性（Availability）计算方法

通过分析设备的平均修复时间（MTTR），维修响应时间和故障诊断时间，可以计算得到设备的平均停机时间（MDT）。设备可用性计算公式：

式（9）中，As为系统的可用性，MTBF 为系统的平均故障间隔时间，MDT 为系统的平均停机时间。

在不考虑维修响应时间和故障诊断时间的情况下，该公式也可以简化成：

2 AFC系统设备可靠性设计目标

根据地铁运行多年经验，对AFC 系统设备可靠性设计目标做了如表1所示要求。

表1 广州地铁AFC系统设备可靠性设计目标

3 AFC系统设备的可靠性计算及说明[6-7]

通过上述推导，可知计算AFC 系统设备可靠性流程如下：

（1）筛选各设备的关键模块；

（2）收集这些关键模块的MTBF/MCBF数据；

（3）根据公式（2）和（3）计算出这些模块的故障率λ；

（4）根据公式（6）和（7），计算出设备的MTBF和MCBF；

（5）统计设备关键模块的分解、更换、结合和上电检测等作业时间，得到各模块的维修时间R；

（6）根据公式（8）和（9），计算出设备的MTTR和可用性As。

因此，筛选设备的关键模块尤为重要，这些模块的性能，直接影响了设备的可靠性。根据广州地铁AFC 系统运行经验，各设备的关键模块如表2～表7 所示。

表2 闸机设备的主要模块单元

表3 TVM设备的主要模块单元

表4 TCM设备的主要模块单元

表5 BOM设备的主要模块单元

表6 SC主要设备模块单元

4 结束语

以上探讨，对AFC 系统设备可靠性指标的计算方法提供了一定参考。但地铁客流量的大小对设备可靠性影响不可忽视：闸机的平均无故障间隔时间，和客流量成反比；而TVM每天发售单程票数量、TCM 和BOM 的使用次数、SC 和LCC 处理的交易数都和客流量成正比。因此，在进行设备选型时，要充分考虑客流预测，选取能满足工程需求的设备型号，更好地为地铁服务。

表7 LCC系统主要设备模块单元

［1］EN 50126-1999.Railway Applications-The Specification and Demonstration of Reliability，Availability，Maintainability and Safety（RAMS）［S］.

［2］GB 7289-1987.可靠性、维修性与有效性预计报告编写指南［S］.

［3］GJB813-90.可靠性模型的建立和可靠性预计［S］.

［4］GJB451-90.可靠性维修性术语［S］.

［5］GJB/Z 57-1994.维修性分配与预计手册［S］.

［6］GJB/Z 299B-1998.电子设备可靠性预计手册［S］.

［7］GB 5081-1985.电子产品现场工作可靠性、有效性和维修性数据收集指南［S］.