轨道交通自动售检票系统可靠性设计探讨

黎 江

（中铁第四勘察设计院集团有限公司，430063，武汉∥高级工程师）

随着轨道交通建设的快速发展，轨道交通自动售检票（AFC）系统的建设也进入高速发展阶段。由于AFC系统是典型的机电一体化设备，涉及计算机、信息电子、软件工程、数据加密、机械制造、IC芯片、网络等多学科和多种技术，其可靠性技术复杂。提高AFC系统可靠性需要运营、建设、设计、制造和施工等各方面密切配合。可靠性工作重点在设计阶段，采用可靠性工程的理念，通过对AFC系统的固有可靠性和使用可靠性进行详细分析和研究，提出合适的可靠性指标，生产出高品质的产品，构建安全可靠的系统，并在各个阶段进行相关验证。

随着各方对AFC系统可靠性的重视，在可靠性设计方面的工作逐步系统化和深化。AFC系统可靠性方面的文章也多了起来，但是对于可靠性计算及测试方面的描述还不够深入。本文尝试对AFC系统可靠性进行定量分析，采用可靠性的基本计算方法分析5层结构中各部分的可靠性指标。同时分析和总结了AFC系统的可靠性测试方法。

1 AFC系统可靠性设计

1.1 AFC可靠性影响因素

对于AFC系统的可靠性影响因素（见表1），应根据AFC系统的特点进行考虑。AFC系统一般采用标准5层架构，主要分为清分及线路中央计算机系统、网络及车站现场终端设备。由于车站现场终端设备是乘客直接操作使用的，需要特别注意可靠性的特性，即分为固有可靠性和使用可靠性。固有可靠性是AFC产品在设计、制造中赋予的可靠性；使用可靠性，表示AFC产品在使用中表现出的一种能力特性，它与固有可靠性、安装、操作、维修等有关。

表1 可靠性影响因素

1.2 AFC系统可靠性设计方法

主要包含以下几种设计方法。

（1）可靠性概率设计法。先规定系统可靠度，再按机械设备零部件的失效概率大小来衡量零件的可靠性。

（2）预防故障设计法。有如下6个原则：① 技术上成熟。选用可靠的硬件和软件方案，有效利用过去的经验与实验结果。② 简单化。要求结构简单、工艺简单、使用方便和维修简单。③ 标准化、通用化和系列化。对AFC系统级设备采用标准化设计，减少备品备件种类，提高运营维修效率。④ 考虑使用性和维修性。⑤ 优化材料及关键零部件的可靠性。⑥ 充分运用故障分析的成果，反馈给设计。

（3）冗余设计法。在AFC系统中，主要在中央级采用冗余设计法，对可靠性要求高的环节，如通信服务器及核心交换机采用1＋1热备，数据库服务器采用1＋1热备或群集（Cluster）结构。也可采用具有硬件容错结构的服务器。

1.3 AFC系统可维修性设计

可维修性设计应密切结合可靠性、安全性、可使用性、可测试性、零配件总量设计等进行。提高AFC系统可维修性可以从设备、维修人员及维修体制3个层面入手。

（1）对于AFC设备，设备具有完善的自诊断措施，有故障指示；设备模块化设计，支持热插拔；部件设计标准化，可互换性、可修复性高。

（2）不断提高维修人员的维修水平，设立AFC模拟仿真和培训系统，经常进行维修演练。较为复杂的维修项目也可委托专业厂家完成。

（3）通过设置维修机构和科学合理的维修方式来保障AFC系统的可维修性；通过及时准确的故障检测与报警，可以保证维修人员及时有效地处理设备故障，缩短维修时间。

随着线网化运营的需求，对维修管理体制提出新的需求。应尽快建立完善的线网维修管理系统，在运营期有长期稳定的故障维修记录和统计，就能及时分析AFC系统及设备的使用可靠性，并对设计可靠性指标做出合理的评估。

2 AFC系统可靠性分析

2.1 概述

AFC系统的可靠性设计需要进行定量分析，即可靠性预计及分配。可靠性预计是对AFC系统及设备的可靠性进行定量的估计，推测其可能达到的可靠性水平，寻找设计中可能存在的可靠性薄弱环节，进行适当的设计调整。可靠性分配是把经过论证的可靠性目标值或可靠性预计值，从系统开始，自上而下地分配给各个子系统、部件，以满足系统的可靠性设计要求。

2.2 可靠性计算方法

（1）串联系统可靠性计算。设组成串联系统的第i个元件的可靠度为Ri，而全系统的可靠度为R，则有：R＝R1，R2，…，Rn，系统的可靠度取决于最低的一环。

设组成串联系统的第i个元件的故障率为λi，则全系统的故障率λ为：λ＝λ1＋λ2＋…＋λi＋…＋λn。

（2）并联系统可靠性计算。如果n个元件是相互独立的，即一个元件发生故障与否与另一元件无关，则系统的故障率则为；λ＝λ1λ2…λi…λn。

可靠度R：R＝1－λ＝1－λ1λ2…λi…λn＝1－（1－R1）×（1－R2）×（1－R3）×…×（1－Rn）。

AFC系统设备大多是串、并联混合系统，应通过建立适当的数学模型，把大系统分割成若干子系统，可以简化其分析过程。

2.3 AFC系统可靠性计算

2.3.1 中央及车站系统

以AFC系统的线路中央计算机（LCC）为例。LCC是AFC系统的线路级控制核心，实现对线路各站AFC系统所有设备的监控，定时从各车站计算机系统（SC）收集全线的票务交易及设备状况信息，实现系统运作、收益及清分审核、设备维护集中管理功能，实现与清分中心（ACC）的数据接口。

LCC系统一般由中央数据服务器、通信服务器、报表服务器、数据存储设备、各种监控管理操作工作站及其他外围设备等组成。

从任务流程的角度分析，LCC整体上是一个串、并联复杂系统（见图1）。

图1 LCC系统构成示意图

设LCC系统的每个部分可靠度为Ri，分别为UPS电源、防火墙、交换机、数据库服务器及各种应用服务器、操作员工作站等。

LCC全系统的可靠度为R，则有：R＝R1，R2，…，Rn，系统的可靠度取决于最低的一环。

根据AFC系统的基本需求，一般要求中央计算机层达到99.9%的可用度。可以得出每个环节的大致可靠性指标，一般不小于99.99%，按照每年停机时间推算应不多于53 min。

LCC系统的可靠度取决于最薄弱的环节，即数据库服务器。为提高该部分的可靠性，AFC系统的数据库服务器系统一般采用冗余设计，由2台小型机、2台SAN交换机以及磁盘阵列和磁带库组成群集系统。由于其最薄弱的环节是磁带库，需要通过提高其可维修性以达到较高的可靠性（见图2）。

图2 LCC数据库服务器系统构成示意图

2.3.2 车站终端设备

AFC系统的主要特点之一是它的现场终端设备，自动售票机（TV M）和自动检票机（AGM）都是乘客直接操作使用的。TV M及AGM是典型的机电一体化复杂设备，由智能控制单元（ECU）控制对车票、现金的机械操作。TV M及AGM可根据机电一体化系统的故障特点进行可靠性分析及研究。其基本组成也符合复杂串、并联系统的特点。

机电一体化系统主要由电子系统、机械系统级接口组成，假设各部分可靠度分别为R1、R2及R3。根据系统结构，串行系统总可靠度R为各部分可靠度之积：R＝R1R2R3。

下面以TV M为例进行说明。TV M主要完成单程票的发售，可选择储值票充值、验票功能。TV M从任务流程的角度分析整体上是一个串、并联复杂系统，总体上可视为串联系统。TV M的电子系统部分包括ECU、交换机、电源系统、乘客显示器、维修显示器、状态显示器；机械部分包括硬币处理模块、纸币处理及找零模块、车票发售模块等部件。在ECU的统一控制下实现相关功能。机电接口部分除了电源接口外，基本都采用数字通信接口，如RS232、USB、以太网接口实现，并集成在ECU上（见图3）。

设TVM的每个部分可靠度为Ri，分别为电源、交换机、主控单元、维修单元、乘客显示器及状态显示器，硬币处理模块、纸币处理及找零模块、车票发售模块等。假设TVM的可靠度为R，则有：R＝R1，R2，…，Rn，系统的可靠度取决于最低的一环。TVM可靠度取决于硬币、纸币处理器以及车票处理机构，这些机构本身也是复杂的机械电子一体化部件。

图3 TV M系统构成示意图

根据AFC系统的特点，TV M为高可用性（99.9%）设备，各环节的可用性需不小于99.99%，包括以上核心模块。根据可用性定义，由于TV M的MTTR（平均维修时间）为0.5 h，则各部分的MTTR不高于0.5 h，MTBF（平均无故障时间）为不小于5 000 h。

2.3.3 核心部件

核心部件主要包括TV M的硬币、纸币处理器以及车票发售机构；AGM的扇门机构及车票回收机构。

由于部件本身的关键性和复杂性，可采用可靠性分析软件对其进行可靠性预测，再通过可靠性测试来验证其可靠性指标。

一般采用美国军方发布的MIL－HDBK－217F表框中的零件数量（PART COUNT METHOD）方法进行电子及机械部件寿命预测。其基本步骤如下：

（1）编制相关核心部件的构成模块目录；

（2）编制各构成模块的配件单；

（3）把各模块的构成配件按 MIL－HDBK－217F／NPRD－95的分类标准进行分类；

（4）对各构成模块，利用 MIL－HDBK－217F／NPRD－95的故障率数据，算出构成零件的故障率；

（5）对各构成模块，利用MIL－HDBK－217F／NPRD－95的故障率数据，把算出的构成配件的故障率相加；

（6）把上一步骤故障率相加的值取逆数，算出构成模块的MTBF。

由于可靠性预测的复杂性，现在有较多成熟的计算软件产品进行系统分析，如Relex Studio、Isograph等。AFC系统生产厂商可采用合适的可靠性预测工具完成对设备及部件的可靠性分析、预测及评估。

3 AFC系统环境及可靠性测试

3.1 概述

由于AFC系统设备的特殊性，除了其较高的可靠性要求，也必须提高产品的环境适应性。两者相辅相成。在产品研制阶段，主要是通过测试试验来发现设计缺陷且加以改进，并通过进一步的试验来发现新的问题。经验表明，70%左右的设计缺陷要靠对样机进行试验才能发现。

为达到产品可靠性的要求，试验、评价和改进贯穿整个产品研制和生产过程，主要包括研制试验、鉴定试验、验收试验和例行试验。

3.2 AFC系统环境及安全测试

环境试验主要是考核产品对预期工作环境的适应性，包括耐受最恶劣的储存与运输环境而不致损坏和在合理极值环境条件下正常工作的能力。一般要求对AFC系统的现场终端设备TV M与AGM在样机阶段进行型式试验。对TV M与AGM样机进行包括安全试验、电磁兼容性测试、环境试验、防尘、防水特性以及机械振动等破坏性试验。终端设备的型式试验一般委托给具有计量认证合格资质的第三方检测单位完成。

3.3 AFC系统可靠性测试

可靠性试验基本上采用实验室试验方法，由设备供货商或集成商组织实施。可靠性试验在典型环境条件下进行，按可靠性要求设计和进行，以验证AFC产品在规定条件下和规定时间内能否实现预定可靠性功能，达到设计的可靠性指标。一般是对固有可靠性指标进行测试和验证。

对于AFC系统（如LCC及SC系统）的可靠性试验，一般以软件功能性测试及网络数据测试为主，以验证功能和大数据量传输处理为主要目标。由于轨道交通AFC系统的规模较大，组织全线级别的系统测试较为复杂和不便，一般建立模拟仿真测试平台；在AFC系统样机完成之前也可以采用AFC终端模拟器作为测试手段。

对于AFC终端设备（如TV M、AGM）的可靠性试验，以MTBF、MCBF（平均无故障次数）的固有可靠性测试为主。对已定型的批量生产产品进行抽样试验，以考核材料和工艺的稳定性，大多数情况都在模拟环境下进行。对于TV M，主要以机械次数测试方式为主，反复用现金购买单程票，以验证其可靠性指标。对于AGM则反复测试进、出闸机，同时进行车票检查及回收操作。

对于AFC核心模块，主要包括现金模块、车票处理（发售及回收模块）及扇门门芯机构的可靠性试验，以MCBF的可靠性测试为主。如硬币、纸币模块进行2万次投币测试，扇门的100万次开关测试等。由于可靠性测试费时费人力，需要设计和应用可靠性测试设备进行长时间、大数据量的重复试验。如日本高见泽公司的硬币模块可靠性测试平台，可以对硬币模块进行多币种重复测试，最后自动给出测试分析报告和计算结果。

4 结语

AFC系统作为轨道交通运营公司的准财务系统，是乘客直接操作使用的系统，与维修运营、票务管理密切相关，体现了运营质量的高低。随着各地网络化运营体系的形成，以及金融卡、移动支付技术的应用，对AFC系统的可靠性及安全体系提出越来越高的要求。

为有效提高AFC系统的可靠性，必须在方案设计阶段即对可靠性进行过程控制，在系统生命周期全过程制定具体的实施细则和控制目标。在设计阶段需要细化可靠性指标的分析，做好可靠性的预测和分配；根据可靠性指标要求生产相关设备，在各个实施阶段通过详细的测试手段进行验证；应高度关注可靠性测试技术，促进相关可靠性检测手段的完善和检测设备的研制生产。在运营阶段则通过维修管理系统收集整理AFC系统的可靠性数据，进行长期分析和评估，并指导AFC系统可靠性设计和生产。

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