基于层次分析法的CTCS3-300T型列控车载设备可靠性分析

尹洪志

(南京电务段，南京 210011)

基于层次分析法的CTCS3-300T型列控车载设备可靠性分析

尹洪志

(南京电务段，南京 210011)

300T型列控车载设备作为CTCS-3级列控系统的重要组成部分，在目前上线运用的车载设备中占有较重比例，其运用可靠性对于CTCS-3级列控系统整体可靠性有着至关重要的影响。通过对列控系统工作原理及故障的分析总结，运用层次分析法理论，得出影响整个列控系统运用可靠性因素的权重及排序，明确在提高列控车载系统可靠性应注意的主要方面，为优化系统结构设计以及设备日常维护管理提供参考。

CTCS3-300T；列控车载设备；可靠性；层次分析法

中国列车控制系统（Chinese Train Control System，CTCS）的主要功能是有效的保证列车安全运行，并以分级形式满足不同线路、不同列车的运营需求。根据不同的线路条件和功能、不同的信息传输方式和闭塞技术，可以将CTCS系统划分为5个等级，依次为CTCS-0～CTCS-4级。CTCS-3级是基于无线传输信息并采用轨道电路等方式检查列车占用的列车运行控制系统，主要面向提速干线、高速线路或特殊线路。

本文所要完成的目标是：以300T型列控车载设备为例，统筹考虑CTCS-3级列控系统各个环节，运用层次分析法理论，量化计算得出影响整个列控系统运用可靠性因素的权重及排序，明确在提高列控车载系统可靠性应注意的主要方面，为优化系统结构设计以及设备日常维护管理提供参考。

1 CTCS3-300T型列控车载设备构成

CTCS3-300T型设备（以下简称300T）由北京全路通信信号研究设计院集团有限公司开发研制，基于瑞典庞巴迪公司的产品原型，结合我国CTCS-3级系统需求加以优化，目前装备于CRH2C、CRH3、CRH380A/B/D等车型,适应于时速300 km线路。在装备300T车载设备的动车组中，ATP设备与动车组的通信接口采用继电器或MVB总线方式，CRH2C及CRH380A/AL动车组采用继电器接口，ATP通过继电器采集车辆驾驶室激活、手柄位置、制动反馈信号等信息，并通过继电器向车辆输出切牵引、常用制动、紧急制动等命令。300T型列控车载设备采用分布式结构,结构框如图1所示。

2 层次分析法原理介绍

20世纪70年代中期，美国著名运筹学T.L. Saaty教授提出层次分析法（Analytic Hierarchy Process，简称AHP）的基本架构和原理，其主要特征是合理的将定性与定量的决策结合起来，具有系统性、层次性、实用简洁性等优点，特别适用于一些难于完全定量分析的问题。运用层次分析法建立模型时，一般遵循以下4个步骤。

图1 CTCS3-300T设备C2/C3通用结构框图

1）建立递阶层次结构模型

应用AHP分析决策问题时，基本思路是先分解、后综合，将问题层次化、条理化，根据总目标，分解成不同组成因素，依据相互隶属关系，形成层次聚集组合，进而构建层次结构模型。层次分析法结构如图2所示。

图2 层次分析法结构

2）构造层次判断矩阵

采用两两比较的方法来建立判断矩阵，层次结构反映各因素之间的相互关系。如图2所示，设目标任务分解为V={v1，v2,…，vn}，vn={vn1，vn2，…vnk}，对目标V进行分解，经两两比较评价因素中的元素，建立判断矩阵为

元素Vi和Vj的比较结果记作bij，一般情况下采用的比例标度用1-9标度进行衡量，其具体含义如表1所示。

3）一致性检验及层次单排序

所谓层次单排序是指，对于上一层某因素而言，本层次各因素之间的重要性排序。在单一准则下，计算各因素的相对权重，可以通过求解特征根和特征向量得出，对于BnW＝λmaxW；其中Bn的最大特征根记为λmax，对应λmax的特征向量记为W 。

表1 层次分析法比例标度

对矩阵Bn的各个行向量进行几何平均，然后进行归一化处理，

即求得单一准则下各因素的相对权重，记作W=[w1，w2，…wn]T。对判断矩阵进行一致性检验，

定义C.R.为随机一致性比率，R.I.为平均随机一致性指标，其中，R.I.取判断矩阵特征值的算术平均数，而矩阵特征值是基于超过500次以上重复计算随机得出的。本文R.I.的取值是基于重复计算1 000次得出的结果，如表2所示。

表2 基于1 000次计算下的平均随机一致性指标

当指标C.R.＜0.1时，判断认为矩阵一致性检查可以接受。

4）层次总排序及一致性检验

组合权重是在单层次排序的基础上，根据递进层次结构，自上而下地将单准则下的权重进行合成。令二阶评价因素V11，Vi2，…，Vnk相对于Vi的权重分别记为l1i，l2i，…，lmi，计算二阶评价因素相对于总目标的权重，按表3所示方式进行，得出各因素的层次总权重排序。

总权重排序同层次单排序一样，也应作一致性检验，其步骤从最高层开始、逐层进行。在单一准则下构建二阶评价因素v11，vi2，…vnk关于Vn有关因素的比较判断矩阵，且满足一致性检验，计算得出一致性指标为C.I.（j），（j=1，2，…n），其对应的平均随机一致性指标为R.I.（j），则该层元素相对于总目标的随机一致性比率为：

当C.R.＜0.1时，则判定层次总权重的排序结果具有满意的一致性。

表3 评价因素权重系数

3 基于层次分析法的300T型列控车载设备可靠性分析

300T型列控车载设备按照故障-安全原则进行设计，有2套独立的工作系统，定义为A系、B系，硬件冗余为冷备。如若主用系统故障时，可由司机通过转换冗余开关，倒向备用系统工作，单系独立设备故障后，不影响整个系统的正常运用。车载设备主要由车载主机和车载外围设备组成，并通过车载设备外部接口与动车组、动态监测设备等外部设备连接。300T设备系统框如图3所示。

针对300T列控车载设备故障，一般可概括为两种类型。

一种为ATP设备自身故障，体现在各部件未能正常工作或自身逻辑处理单元工作异常而导致的。可以分为软件、硬件问题两大类。软件问题主要是因ATP设备处理逻辑可能存在的偶发计算问题，或ATP设备逻辑处理与地面信号设备之间可能存在一定的不匹配问题所导致的；另一种为结合部故障，体现在运用途中因设备软件逻辑缺陷或外部信息的变化，使得ATP设备自身为确保列车运行安全而输出的异常制动停车。

基于以上分析，引起300T型列控车载设备工作异常的原因可归为3类。

1）主控设备侧故障：主要包括硬件设备故障和软件设备故障。硬件设备故障主要有车载计算机主控单元模块故障、BTM、STM接收单元工作异常、Profibus总线异常等；软件故障主要有A/B比较不一致等。

2）车辆接口侧故障：此类故障主要是继电器故障、车辆生命信号异常故障以及VDX安全输入输出异常等。

图3 CTCS3-300T设备系统框图

3）车地通信侧故障：此类问题可能存在于RBC故障、无线通信故障、地面应答器及发码异常以及CTC/联锁接口传输异常等方面。

3.1 建立可靠性影响因素层次结构模型

CTCS3-300T型列控车载系统可靠性影响因素层次结构如图4所示。图中最上层系统失效定义为A层，引起系统失效的3个方面原因定义为B层，具体故障因素定义为C层。

图4 CTCS3-300T型列控车载系统可靠性影响因素层次结构

3.2 设备运用可靠性影响因素重要性排序

1）构造B层的元素对A层的判断矩阵，并进行一致性检验。

将矩阵A按行归一化

W=[0.122 0.230 0.648]T

因此

矩阵A一致性可接受。

2）构造C层的元素对B层的判断矩阵，并进行一致性检验。

归一化

根据表3，计算一致性比例，得：

由此可判断矩阵B1、B2、B3一致性可接受。

3）计算C层相对与A层的总权重和排序，并进行一致性检验

根据前两个步骤的计算结果，得出总权重和排序表，如表4所示。

表4 CTCS3-300T型列控车载系统可靠性因素影响权重系数

从表4中可以看出，CTCS3-300T型列控车载系统可靠性影响因素按权重排序依次为列车接口模块故障、车辆生命信号异常、无线管理模块故障、接口继电器故障、Profibus总线异常、系统软件异常、RBC无线闭塞中心故障、速传设备故障、无线电台故障、GSM-R天线故障、ATP主控单元故障、DMI故障以及BTM故障。

4 提高CTCS3-300T型列控车载设备的可靠性措施

基于层次分析法的运用，对影响300T型列控车载系统可靠性有关因素进行定性定量分析，得出各因素影响力权重排序，找出在提高列控车载系统可靠性时应重点关注的关键环节，进而作为日常设备维护的工作重点，制定有针对性地维修策略加以防范。

通过表4所示各影响因素的排序结果可以看出，车辆接口侧和车地通信侧设备故障对整个系统可靠性的影响相对较大，其中，设备硬件故障占较大比例。通过分析可知，在设备硬件故障率一定的条件下，设备冗余会给系统可靠性带来关键影响。除此以外，车辆生命信号异常、Profibus总线异常、系统软件异常带来的影响也不可忽视。

1）提高系统硬件设备的可靠性：通过对CTCS3-300T型列控车载系统故障因素定位结果可以看出，硬件设备故障会给系统可靠性带来较大的影响，尤其是车地通信侧和列车接口侧相关设备的可靠性。因此，在对硬件设备进行选择时，应尽量提高筛选的标准和条件，严格控制筛选的实验环境，加大元器件的筛选力度，尽可能选用高可靠性的硬件设备。

此外，为有效防止硬件偶然性和耗损性失效带来的设备故障，提高列控硬件设备的可靠性，非常有效的手段主要有强化设备的日常维护以及严格落实修程修制等措施。

2）适当提高设备冗余度：由可靠性理论中混联系统可靠性模型得知，系统部件的冗余度越高，系统的可靠性就越高。因此，在选取合理的系统架构情况下，适当增加硬件设备的冗余度，如列车接口模块、无线管理模块、C3主控单元、BTM以及测速设备等都采用双套冗余，针对安全数字输出单元相关环节无冗余问题，可采取增设冗余继电器的方式，在系统中增设EB1等非冗余的继电器，并增加选择电路，由既有VDX单元判断是否存在继电器内部存在异常或动作超时情况，一旦发现则控制选择电路切换VDX相关的端口，在较短时间内自动进行切换，这样会大大提高系统的可靠性；针对与车辆通信接口的AG继电器接点可靠性等问题，应在接点冗余方面加以改进，采取增加继电器内部接触点的方式，提高接点接触稳定性，将既有的接点一分为二，确保接点接触良好。

3）完善系统软件功能：针对软件存在的缺陷，通过增加数据检测及错误诊断功能来进一步改善功能执行条件，同时在软件因素上按照EN 50128开发达到安全等级要求的软件、增加软件误差校正能力来提高整个系统运用的稳定性，进一步优化完善各类软件的逻辑控制，减少由于软件缺陷导致的各项控车功能异常。

5 总结及结束语

CTCS-3级列车控制系统是基于欧洲ETCS2的基础上，结合中国铁路实际，不断改进创新发展起来的，是高速列车安全、可靠、高效运行重要控制系统。300T型列控车载设备作为CTCS-3级列车控制系统的重要组成部分，其运用可靠性将给CTCS-3级列控系统的运用可靠性和安全性带来关键影响。因此，关于CTCS3-300T型列控车载设备运用可靠性的分析研究，对优化系统的可靠性设计及制定维修标准具有重要的现实意义。本文主要的研究成果有：一是对300T型列控车载设备的故障进行规范分类，运用层次分析法对各影响因素进行权重量化排序，找出关键环节以进行针对性防范；二是除了考虑300T型列控车载设备本身可靠性之外，综合CTCS-3级列控系统整体运用所涉及的通信设备侧和地面设备侧的相关设备，从整体上分析系统的可靠性；论文也存在较多不足，如运用层次分析法进行定量分析时，只考虑了影响可靠性的关键因素，未能完全涵盖影响CTCS3-300T型列控车载设备系统的各个环节，与实际结果间存在一定的误差，还需要作进一步研究完善。

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As an important part of the CTCS-3 train control system, 300T onboard train control device occupies a heavier proportion of current onboard equipment in services. The reliability of the CTCS-3 300T device has important signifi cance for the reliability of the whole CTCS-3 system. The paper concludes the weight and order of factors that affect the reliability of the whole system based on the system operation principles and fault analysis by using analytic hierarchy process (AHP) analysis method. At the same time, it puts forward main aspects for improving the reliability of CTCS-3 300T train control system, in order to provide reference for the system structure optimization design and routine maintenance management.

CTCS-3 300T device; onboard train control equipment; reliability; Analytic Hierarchy Process

10.3969/j.issn.1673-4440.2016.06.004

2016-07-19）