基于车车通信的信号系统运行服务可用性分析

李梅，孔维杰，南楠，刘晓

基于车车通信技术的信号系统的特征是以车载为控制核心,由车载设备基于自身的运行任务和当前位置,主动与相邻列车直接进行信息交互,并根据交互信息自主计算与更新移动授权、控车曲线及所需的轨旁资源,控制列车安全可靠运行。与传统的车地通信信号系统相比,车车通信信号系统无需通过轨旁设备获知其他列车的信息,减少了轨旁设备的使用数量,使得系统接口简约化,数据信息传输路径减少,操作方式更灵活,提高了系统的运行效率,大幅降低了信号系统的投入成本,同时便于后期维护［1-3］。

考虑到信号系统的运行服务可用性水平是评价城市轨道交通运行服务能力的一个重要指标,如何有效分析系统故障对运行延误的影响越来越受到客户关注。常用的故障模式、影响及危害性分析（FMECA）方法是一种单点故障分析方法,对于复杂场景下系统故障后的操作过程及对应的时间分析显得比较困难。故本文结合公理化思想,从车车通信信号系统运行延误角度出发,探讨影响信号系统服务可用性的因素,分析车车通信信号系统在运行服务可用性上的提升,并给出改善建议。

1 基于公理化思想的运行服务可用性分析

1.1 公理化思想概念

在科学设计准则缺失的推动下,Suh［4-5］提出了将公理用作设计的科学基础。公理化思想可以帮助设计者迅速了解系统内部各层级之间的关系和解决问题的方法,减少随机探索时间。在可靠性工程领域,如故障模式、影响分析（FMEA）、故障树分析（FTA）等,文献［6-7］也尝试结合公理化思想研究可靠性。

公理化思想中的域是不同设计活动的界限线,即用户域、功能域、物理域和过程域［8］。域的结构以及域间的关系见图1。本文利用公理化思想指导可用性分析,将可用性相关的需求定义为需求域（对应图1中的用户域）,利用域与映射的关系,分析产品的可用性与失效原因之间的映射关系,从而确定是哪些功能因素影响了产品的可用性水平,以及影响的程度大小。

图1 域与映射

1.2 基于公理化思想的运行服务可用性分析过程

在可用性分析中,可以转换思想,巧妙使用映射之间的矩阵形式来实现对运行服务可用性的分析。

1.2.1 构建可用性需求域—功能失效域

产品可用性需求域—功能失效域之间的映射关系为

式中:{FR}m×1为需求域向量；{FF}n×1为功能失效域向量；[A]m×n为映射矩阵。

1.2.2 构建功能失效域—子系统故障域功能失效域—子系统故障域之间的映射关系为

式中:{EF}p×1为子系统故障域向量；{FF}n×1为功能失效域向量；[B]n×p为映射矩阵。某一功能失效与子系统故障之间的关联关系可以通过映射矩阵[B]n×p中的元素Bn×1…Bn×p等表示,而Bn×p的值可以用子系统故障的失效率来表示,这样映射矩阵中每一行元素的和即为第一个功能的失效率,依次类推,可以评估出每个功能失效的失效率。

1.2.3 构建子系统故障域—故障后操作域

子系统故障域—故障后操作域之间的映射关系为

式中:{MP}f×1为故障后操作域向量；{EF}p×1为子系统故障域向量；[C]p×f为映射矩阵。

这里假定公式（3）中的矩阵元素[C]p×f是相应的操作步骤所使用的时间（单位为min）,则映射矩阵[C]p×f中的每一行元素和即是某个子系统故障后操作所使用的时间总和,tfailure=再根据操作规程查询对应功能无故障时的正常时间tnormal,进而可得到该子系统故障后对运行的延迟时间,即

再根据图1,从右往左分析,结合公式（1）、（2）、（3）可以得到可用性需求的失效率,并通过文献［9］中公式可以评估出系统的运行服务可用性。整体分析流程见图2。

图2 分析流程图

2 车车通信信号系统可用性分析

2.1 车车通信信号系统

车车通信信号系统主要包含列车自动监控系统、目标控制器、车载子系统、轨旁列车管理器、轨旁资源管理器、数据通信系统,以及信标等其他轨旁设备。其中,列车自动监控系统主要负责监督和控制列车的运营,如运行调整、操作控制等功能；目标控制器负责轨旁设备的驱动与状态采集等功能；车载子系统负责列车位置计算、路径规划及资源申请与释放等功能；轨旁列车管理器主要管理临时限速和非通信列车等；轨旁资源管理器负责轨旁资源分配与回收等功能；数据通信系统负责轨旁设备间、列车与地面设备间、车与车间的双向实时通信等；其他轨旁设备负责定位或人员防护等功能。

本文以某一特定应用的车车通信信号系统为工程案例,分析其可用性水平。

2.2 子系统故障域—故障后操作域

考虑到子系统故障域-故障后操作域涉及较多场景,本文仅以列车在两站中间时连续2个信标故障为例,展示具体实施过程,见表1。车载子系统、道岔、目标控制器、通信等其他子系统的实施过程与表1相同,这里不赘述。

表1 连续2个信标故障的延迟时间分析

2.3 功能失效域—子系统故障域

本文主要考虑关键子系统的故障与系统功能失效之间的关系,见式（5）。

矩阵中的失效率指标依据IEC标准理论计算,仅供参考。

2.4 运行服务可用性需求域—功能失效域

根据各子系统故障域—故障后操作域以及公式（5）,可得到系统的运行服务可用性需求域与功能失效域之间的关系,矩阵中的失效率是某功能失效对运行延误的影响,不会造成延误的矩阵元素为0,见公式（6）。

式中[A ]m×n为

矩阵[A]m×n中的元素可根据表1的方法分析各子系统故障对运行服务的延误影响,以及公式（5）中子系统故障造成功能失效的失效率综合得出,即表示功能失效对运行服务可用性是否有影响,以及影响程度。

3 车车通信与车地通信信号系统运行服务可用性对比

本文分别从运行服务延误、维修与可用性定量评估的角度对车车通信与车地通信信号系统进行对比分析。

3.1 运行服务延误对比

本文选取列车运行至两站中间时车载子系统故障以及列车刚刚离站时地面控制器（车车通信信号系统的轨旁列车管理器和车地通信系统的线路控制器）故障2个场景,对车车通信与车地通信信号系统的延误时间进行对比分析,分别见表2和表3。

从表2可知,若车载子系统在两站之间故障时,对于车地通信系统需要在紧急制动后等待调度员授权,而车车通信信号系统不需要等待调度员授权即可切换模式运行到下一站,在该场景下,车车通信信号系统能减少故障对运行服务延误的影响。

表2 车载子系统故障时车车通信与车地通信延误时间对比分析

从表3可知,车车通信信号系统的轨旁列车管理器与车地通信的线路控制器功能相似,在列车刚刚离站时,轨旁列车管理器故障后,无需触发紧急制动,可直接控制列车低速运行；而线路控制器故障后则需触发紧急制动,等待授权后切换模式运行,在该场景下,车车通信信号系统对运行服务延误的影响更小。

表3 地面控制器故障时车车通信与车地通信延误时间对比分析

3.2 运行服务链路与维修对比

与传统的车地通信信号系统相比,车车通信信号系统减少了联锁机柜及机柜间的接口、线缆、继电器等轨旁设备数量,而继电器易受环境影响且有电气寿命限制,极大地增加了系统故障率与维修成本。车车通信信号系统因为减少了这些轨旁设备与接口数量,从而降低了备品备件的数量以及人工维修成本。另外,传统的车地通信信号系统中移动授权信息传输需要经过区域控制器,而车车通信信号系统可通过车车之间直接交互信息自行计算移动授权信息［10］,极大地缩短了移动授权更新时间。

3.3 运行服务可用性定量指标对比

本文以某项目的线路配置为例,利用公式（6）中车车通信的自动监控系统、目标控制器、车载子系统、数据通信系统与轨旁资源管理器等子系统的失效率,结合维修时间及可用性计算公式［9］,定量分析了车车通信信号系统运行服务可用性水平；同理,按照此车车通信项目的线路配置,配置车地通信信号系统的线路,参照车车通信信号系统运行服务可用性定量分析的方法,根据车地信号系统中的车载子系统、线路控制器、联锁系统、继电器等子系统的失效率与维修时间,利用可用性计算公式［9］可得车地通信信号系统的运行服务可用性水平,其对比见表4。

表4 某工程案例同配置下的运行服务可用性评估结果%

4 结论及建议

1）本文通过对车车通信信号系统的车载设备、轨旁设备等各个系统故障的延误影响分析,为信号系统的故障延误影响分析提供了一种分析思路和方法,并为其运行服务可用性水平评估提供了指导依据。

2）从运行延误、运行服务链路与维修,及运行服务可用性的定量分析角度,可知车车通信信号系统的运行服务可用性水平相比车地通信信号系统有较大的提升。

3）车车通信技术用于信号系统,其运行服务的可用性水平仍是未来系统设计和实现关注的重点。根据研究分析过程提出以下建议:①由于轨旁驱动与状态采集、轨旁设备间数据通信等功能失效导致的运行延误时间大于15 min,系统设计时应着重提高其可靠性,且可考虑在线路上配置备用的轨旁资源管理器；②设备的失效率会影响系统的可用性,故应选择可靠性高的设备；③建议设计人员关注故障在线检测与模式切换方式,考虑检测到故障并成功切换模式所需的时间与授权的时间,从而缩短延误时间。