RAMS在城市轨道交通牵引系统设计中的应用

朱鹏举+董 凯 胡彩凤 吴能峰 杨北辉



RAMS在城市轨道交通牵引系统设计中的应用

朱鹏举+董 凯 胡彩凤 吴能峰 杨北辉

摘 要：城市轨道交通牵引系统的RAMS（可靠性、可用性、可维护性和安全性）特性，在牵引系统的设计开发中具有非常重要的作用。介绍牵引系统的基本组成以及影响系统RAMS的因素，从需求定义、系统设计、设计与实现、实施与制造、测试与验证、安全证据及交付这6个阶段简单描述了 RAMS 实施的过程。

关键词：地铁车辆；牵引系统；设计；RAMS

朱鹏举：广州市地下铁道总公司，工程师，广东广州660431

最近十余年来，中国的城市轨道交通建设已经逐步进入到了高速有序发展的阶段，产品的RAMS（可靠性、可用性、可维护性和安全性）越来越受到大家的关注，同时RAMS作为产品非常重要的属性，在衡量牵引系统综合性能的时候，已经越来越重要。本文从系统设计开发的角度，介绍了将RAMS需求引入到产品设计中的过程，提高产品的可靠性、可用性、可维护性和安全性。

1　RAMS定义

RAMS：Reliability（可靠性）、Availiability（可用性）、Maintainability（可维修性）、Safety（安全性）。RAMS是城市轨道交通牵引系统的长期工作特性，在系统的整个生命周期内，它通过系统的设计，运用各种技术方法和工具而实现。

2　牵引系统RAMS标准与要素

2.1牵引系统RAMS标准

城市轨道交通牵引系统，参照GB/T21562-2008《轨道交通 可靠性、可用性、可维修性和安全性规范及示例》、EN50128:2011《铁路应用—通信、信号和处理系统—铁路控制和防护系统软件》、EN50129:2003《铁路应用—通信、信号和过程控制系统—信号的安全相关电子系统》等标准进行系统的 RAMS 设计，具体标准对照如图1所示。

图1　牵引系统 RAMS 标准对照

2.2牵引系统 RAMS 要素

影响牵引系统的 RAMS 要素，主要来自3个方面：来源于在系统生命周期中任何阶段系统内部的失效（系统环境）、运营过程中强加给系统的失效（运营环境）以及在系统维修工作中强加给系统的失效（维修环境），这些失效能够相互作用，其关系见图2。

图2　影响牵引系统的 RAMS 因素

3　牵引系统概要

牵引系统是地铁车辆的核心，完整的牵引系统如图3所示，包括牵引变流器、辅助电源、牵引电机。

图3　牵引系统功能结构图

牵引变流器主要由高压输入电路、滤波电路、逆变单元、制动斩波电路、制动电阻、牵引控制单元、信号检测电路等组成。它的基本功能是，把地铁车辆从直流电源获取的高压直流电变换成幅值和频率都可调的三相交流电，并给异步牵引电机供电，实现了直流侧和交流侧的能量传输。

辅助电源由辅助变流器主回路、充电机主回路、强迫风冷单元、紧急启动单元和低压控制单元共5个部分组成，用于向地铁车辆上辅助负载提供三相交流电源，同时还为蓄电池和控制负载提供直流110 V 电源。

牵引电机是地铁列车牵引的动力传动装置，是车辆运行的动力源泉。

4　牵引系统功能实现

4.1牵引变流器结构设计

牵引变流器及异步牵引电机构成交流电传动系统，是列车的重要控制和动力系统，牵引变流器将地铁车辆由直流电源获取的高压直流电变换为幅值和频率可调的三相交流电，并给异步牵引电机供电，实现列车的牵引及制动；同时牵引系统具备网络通信、故障保护、自诊断及监控功能。牵引变流器结构如图4所示。

4.2辅助电源结构设计

辅助电源由辅助变流器主回路、充电机主回路、强迫风冷单元、紧急启动单元和低压控制单元共5个部分组成，实现三相交流380 V 和直流110 V 的输出。系统结构如图5所示。

牵引变流器由受电弓受流供电，然后转入辅助电源，直流电经辅助变流器主回路单元逆变后输出三相380 V 交流电，交流电经充电机主回路整流后输出110 V直流电。其中，低压控制单元控制系统运行，强迫风冷单元为系统通风，紧急启动单元实现辅助电源的自激启动。

图4　牵引变流器结构图

图5　辅助电源结构图

4.3牵引电机结构设计

牵引电机是完整的牵引系统驱动装置的一部分，是牵引驱动的动力设备，将牵引变流器送过来的电能转化为车辆行驶的机械能。电机采用鼠笼铜条转子，定子绕组采取防电晕的绝缘结构，且要采取特殊措施，防止水对电机绝缘的损伤；轴承采取绝缘结构，防止变频电源对轴承造成电腐蚀。

5　牵引系统RAMS实施关键阶段

牵引系统 RAMS 的实施主要有6个关键阶段，包括需求定义、系统设计、设计与实现、实施和制造、测试和验证、安全证据及交付等。

5.1需求定义阶段

需求定义阶段是牵引系统设计开发的早期阶段，其重要活动包括如下几点。

（1）定义系统。确定系统的任务、范围和应用条件。

（2）建立项目 RAMS 组织，依据系统定义的功能等相关需求进行危害分析，识别安全需求，完善系统需求。

（3）建立系统保证计划、安全计划、验证和确认计划。

在这几个任务中，对牵引系统安全性起到重要作用的工作是危害分析。危害分析是一个系统工程，完整的危害分析包括初步危害分析、系统危害分析、子系统危害分析、部件/单元危害分析、接口危害分析、操作危害分析等，危害分析贯穿与整个牵引系统的设计开发，具体过程如图6所示（其中：ALARP 即最低合理可行）。

5.2系统设计阶段

经过系统定义阶段之后，系统的需求以及RAMS需求都已经明确。在这个基础上，系统设计阶段主要的工作是明确系统硬件、软件、结构要求，确定系统的硬件、软件、结构需求以及安全需求，确定系统的安全设计原则，指导硬件、软件、结构的具体设计工作开展。

牵引系统采用故障导向安全的机制，主要安全设计原则有系统设备器件冗余、故障诊断及状态监控、性能余量设计。

（1）关键列车信号采用硬线和网络冗余的设计。列车牵引控制采用网络优先的控制方式，硬线紧急牵引控制作为备用。在列车控制网络正常时，牵引和制动的控制通过列车控制网络来实现；当列车控制网络故障时，采用备用模式，由继电器逻辑电路和列车硬线来实现列车的牵引和制动控制。

（2）牵引系统实时动态监控设备部件运行的状态。系统及设备与列车控制和诊断系统（TCMS）通过多功能车辆总线（MVB）交换数据，完成地铁车辆的通信管理、功能控制、故障诊断、信息显示和事件记录等主要功能。

（3）牵引系统与列车级网络的通信时，系统自动检测牵引控制单元（DCU）与中央控制单元（CCU）之间的MVB网络是否完整，校验信息是否一致，有无网络生命信号，以保证车辆级和列车级网络通信的安全。

（4）牵引系统故障诊断和保护策略，主要体现为反作用故障安全条件下。即牵引系统及设备发生故障时，在系统安全的条件下，对故障做出相应的反应。

图6　危害分析过程图

5.3设计与实现阶段

系统的设计与实现阶段，主要活动是将系统设计定义好的意见、软件、结构等设计要求以及 RAMS 要求，落实到具体的硬件、软件、结构设计中，具体包括如下几点。

（1）将系统硬件、软件、结构需求通过设计开发，依照安全设计原则，将需求转换成相应的技术图纸，最终转换成顾客所需要的产品。

（2）通过安全设计、分析、评估来实施安全计划，论证安全相关的设计决策，开展安全管理，准备安全论据。

（3）进行系统 RAMS 的预计，确保系统 RAMS 在设计中符合要求，其中 RAMS 的设计包括可靠性分析、可维护性分析以及可用性分析。下面举例简要说明可靠性分析和可维护性分析。

5.3.1可靠性分析

典型的牵引系统针对的是4动2拖（即4辆动车和2辆拖车）的列车编组模式，系统基本可靠性模型为串联，系统所有部件均为串联结构。

牵引系统采用普通概率法，用普通的概率公式拟定可靠性模型，假定各单元寿命服从指数分布，即具有恒定的失效率，计算过程如下。

可靠度函数为：

系统可靠度为：

系统失效率为：

系统平均无故障时间为：

5.3.2可维护性分析

可维护性分析的目的是分析系统是否达到了用户要求的平均维修时间（MTTR）目标。我们采用按系统各个元件失效率进行加权平均的平均值的方法来计算MTTR，如下所示：

5.4实施和制造阶段

经过系统定义、系统设计、设计与实现这几个阶段以后，牵引系统的需求以及 RAMS 需求，都具体落实在了设计中。在实施和制造阶段，除了依据设计图纸、技术要求等进行硬件制造、单元测试外，还需要确认制造出来的产品或系统是否与设计相符合，确保 RAMS 要求落实在系统或产品的实施制造中，同时在这个阶段中需要不断地维护危害日志，把影响系统安全的因素都进行指第 i 个单元的失效率，有效的管控与处理。

5.5测试和验证阶段

系统或产品实施制造完成后，为了确保实施和制造的结果符合要求，需要根据系统安全计划、系统质量保证计划、系统验证和确认计划、系统测试规范以及相关测试案例，对牵引系统进行测试，验证系统需求包括 RAMS 需求是否都已经实现，系统安全可靠；同时维护并更新危害日志，确保安全相关措施均已落实，经过测试验证有效。在这个阶段，主要的验证措施如下。

（1）需求检查。采用需求跟踪矩阵检查的方式，确保需求实现无遗漏。

（2）文档检查。检查系统或产品设计开发过程中的所有文档，依此反应过程的有序、规范，各过程活动严谨。

（3）系统功能测试。基于良好定义的测试用例进行全面功能测试，以证实达到了预定的特征和安全需求。

（4）环境条件下的功能测试。在指定环境条件下进行安全相关功能和其他功能的测试。

（5）浪涌抗扰度测试。进行比实际运行条件边界值更高的浪涌抗扰度测试。

（6）评审。在生命周期的适当阶段进行评审，以证实实现了指定的特征和安全性需求。

5.6安全证据及交付阶段

随着系统的测试和验证环节结束，安全证据及交付阶段主要活动是对整个产品开发过程中的质量管理、技术安全、安全管理活动进行整理，完成安全案例，并经过系统验收，发布系统，主要评估包括以下内容。

（1）评估系统需求规范中的需求均已在系统设计中实现，对系统故障后果进行了安全分析，系统在设计过程中考虑了不同的功能模块相互独立，以消除内部功能相互影响。

（2）对牵引系统的结构、接口、软硬件安全设计准则、故障影响、操作和外部影响以及正确功能性操作保证等方面进行全面综合的评估，评估牵引系统的RAMS需求是否已经满足。

（3）评估危害日志，确保所有的危害都有效控制与处理，满足系统安全要求。

6　结语

随着城市轨道交通行业的深入发展，牵引系统是否安全可靠越来越受到重视，而 RAMS 作为提高产品安全可靠性能的一种方法，正在逐步应用于产品设计中，已成必然趋势。本文阐述了牵引系统采用的 RAMS 相关标准，以及影响牵引系统 RAMS 的要素，通过生命周期的各个阶段活动，简要阐述了 RAMS 工作在各阶段中的活动过程，有效地预防、控制、减少各种不利因素对系统RAMS 的影响，从而最终提高产品的竞争力，为客户提供满意的产品。

参考文献

［1］ CENELEC. EN50126-1999Railway applications —The specification and demonstration of Reliability，Availability，Maintainability and Safety （RAMS）［S］.

［2］ BS EN50129:2003Railway applications —Communications，signaling and processing systems —Safety related electronic systems for signaling［S］.

［3］ BS EN50128:2001Railway applications —Communications，signaling and processing systems —Software for railway control and protection systems［S］.

［4］ GB/T21562-2008轨道交通可靠性、可用性、可维修性和安全性规范及示例［S］.

责任编辑 冒一平

Application of RAMS in Transit Traction System Design

Zhu Pengju, Dong Kai, Hu Caifeng, et al.

Abstract:RAMS (reliability, availability, maintainability and safety) of urban rail transit traction system, plays a very important role in the design and development of traction system. Traction system of basic composition and effect of RAMS system factors are introduced and described, including the six stages from requirements definition, system design, design and implementation, implementation and manufacturing, testing and validation, and security evidence and delivery of RAMS in implement process.

Keywords:metro vehicle, traction system, design, RAMS

中图分类号：U260.2

收稿日期2015-07-03