地铁闭路电视监视系统的可靠性和可维护性分析

文｜华北电力大学能源动力与机械工程学院 刘燕平河北软件职业技术学院 刘媛媛

1 前言

当前我国城市轨道交通处于高速发展建设期，当车站发生灾情时，闭路电视监视系统（Closed Circuit Television：CCTV）可作为防灾调度员指挥抢险的指挥工具。同时，目前国际防恐形势严峻，它已经成为防恐的重要手段，所以在地铁电视监视系统招标时就要定出合适的可靠性指标，投标方通过技术方案满足招标要求，但国内研究系统集成的可靠性分析工作还不够深入，基本上也不知如何进行分析计算，下面就以常见地铁闭路电视监视系统实际为例，分析它的可靠性和可维护性，以期对类似工程有指导意义。

所谓可靠性，是指产品（系统）在规定条件下（使用条件=工作条件+环境条件）和规定时间内完成规定功能的能力。在可靠性特征中，常用平均寿命与可靠寿命来表示可靠性水平。平均寿命以t表示，对于可维修产品而言，t就是平均无故障时间MTBF（Mean Time Between Failure）。例如以计算机系统为例，具体就是用计算机系统的有效使用时间（小时）除以故障发生的次数，所以其单位是“小时”，例如一台计算机系统使用了50000小时，其间发生了5次故障，那么其MTBF为50000小时/5=10000小时。定量表示可靠性的数学特征量很多，工程采用其最常用的特征量是平均无故障时间MTBF作为衡量系统（产品）可靠性的技术指标。可维护性根据以往类似系统出现故障，维修人员到达现场开始维修到故障排除时间的记录，取多次排除故障时间平均值就是可维修性MTTR（Mean Time to Repair），它须包括诊断时间、组件修理及替换时间、现场的调整及测试时间。常见地铁闭路电视监视系统招标中的可靠性和可维护性目标有：平均无故障时间（MTBF）大于等于5000小时，可维护性（MTTR）小于等于4小时。

2 地铁闭路电视监视系统构成

举例说明，现在常见地铁电视监控系统构成如图1所示，地铁监控方案采用模拟视频+数字视频混合搭建模式，前端摄像机采用模拟高清摄像机，经视频分配为两路，一路通过视频矩阵切换到车站综合控制室监视器，图像没有延时，另一路通过视频编码器采用H.264压缩格式，以4CIF@25fps，IP SAN（Internet Protocol Storage Area Network）存储和上传本站和线路控制中心数字监控控制终端，为了减少存储空间，可采用双码流，磁盘阵列采用2Mbps码流存储，上传控制终端和大屏系统采用6～8Mbps码流，视频管理服务器是将前端摄像机发送过来的视频流进行封装和转发到磁盘阵列存储，同时要响应线路控制终端的实时和录像的请求，从磁盘阵列存储中取出对应摄像机的视频流，选用开放式智能化视频管理平台软件，中心采用IP SAN备份集中存储，当某一车站IP SAN发生故障，中心IP SAN备份集中存储接管，控制中心设置网管服务器来监控全线设备，当在线设备发生故障时及时告警通知维护人员，控制中心设置对外系统接口协议转换服务器，负责接收时钟信号对全线设备校时，负责将设备告警信息上传集中告警平台，负责调用车载监控图像上传中心，负责其他系统调用本系统的监控图像。

3 数学模型

一般而言，电子元件在使用寿命则服从指数分布，其电子产品组成串并联系统的可靠性概率也服从指数分布，失效率（故障率）λ也是产品可靠性的一种基本参数，MTBF和λ互为倒数。

图1

4 可靠性、可维护性计算

故障定义：故障是指在任何情况下，导致系统或设备不能执行其应有功能。但是不包括那些因为外部输入失效所引起的情况，例如外部的电力供应中断等。

第一步：需将系统图变成可靠性方框图（如图2所示），对系统图进行可靠性方图简化，有些辅助设备发生故障不会对系统的主要功能如视频传输、控制切换、显示、录像主流信息产生影响。

第二步：需产品供应商提供产品平均无故障时间MTBFi，求出失效率λi,并根据维修经验和水平估算出每个单元发生故障时平均修复时间MTTRi。

地铁闭路电视监视系统设备可靠性MTBF、MTTR统计及失效率λ换算表，如表1所示。

第三步：以可靠性方框图进行串并联MTBF计算。

（1）车站闭路电视监视系统MTBF计算

节点1到节点2，是40个相同固定摄像机并联，都取λ1，以下为了文章简洁直接将各设备失效率λi代入公式，得出结果，减去计算过程。

40个摄像机至少一个摄像机正常工作，系统就能正常工作，即为并联系统，并联可靠性概率：

节点1到节点2系统的平均无故障时间是：

节点3到节点4，是40路视频编码器并联系统，取λ3-4：

节点5到节点6，是视频管理服务器和磁盘阵列2个不同的设备串联，取λ5-6：

节点5到节点7，可以看成是2个不同的系统并联，取λ5-7：

图2 全线闭路电视监控系统可靠性方框图

表1

节点3到节点7，是3个不同的设备串联，取λ3-7：

节点8到节点9，可以看成是3个不同的系统并联，取λ8-9：

节点3到节点9，是2个不同的设备串联，取λ3-9：

节点3到节点10，可以看成是2个不同的系统并联，取λ3-10：

车站闭路电视监视系统可以看成是3个不相同的设备串联，所以系统失效率λ车站是：

（2）控制中心闭路电视监视系统MTBF计算

节点3到节点4，是视频管理服务器和磁盘阵列2个不同的设备串联，取λ3-4：

节点3到节点5，可以看成是2个不同的系统并联，取λ3-5：

节点2到节点6，是12个相同的视频解码器并联，都取λ2-6：

节点7到节点8，是12个相同的46″监视器并联，都取λ7-8：

节点2到节点8，是3个不同的设备串联，取λ2-8：

节点9到节点10，是4个相同的控制终端并联，都取λ9-10：

节点2到节点11，可以看成是3个不相同的设备并联，取λ2-11：

控制中心闭路电视监视系统可以看成是2个不相同的设备串联，所以系统失效率λ中心是：

（3）地铁闭路电视监视系统MTBF计算

整条线闭路电视监视系统可以看成是20个车站并联再和控制中心系统串联，但从业主角度考虑系统可靠性问题，应该是对整条地铁线闭路电视监控系统只要有1个车站和控制中心闭路电视监控系统同时瘫痪，确定整条地铁线闭路电视监控系统监控功能瘫痪，所以系统失效率λ系统是1个车站和控制中心闭路电视监控系统串联。

系统的平均无故障时间是：

第四步：系统可维修性MTTR计算，可根据以往类似系统出现故障，维修人员到达现场开始维修到故障排除时间记录，取多次排除故障时间平均值就是可维修性MTTRi（小时），它须包括诊断时间、组件修理及替换时间、现场的调整及测试时间。

在根据上述表格和公式计算出系统可维修性MTTR。

式中：MTTRi是某单元平均排除故障时间；λi是某单元的失效率。

结论：通过建立与实际相符可靠性数学模型，计算得出地铁闭路电视监视系统平均无故障时间MTBF为12380小时，系统可维修性MTTR为0.4小时，满足招标文件闭路电视监视系统的平均无故障时间（MTBF）大于等于5000小时、闭路电视监视系统的平均维护时间（MTTR）小于等于4小时的要求，此可靠性分析模型在国内多条新建地铁的投标可靠性应答和中标后深化可靠性设计中得到应用，也得到业主、设计和专家的认可。