城市轨道交通信号系统RAM指标验证方法

叶云龙 刘华祥 刘杨

(卡斯柯信号有限公司，200071，上海//第一作者，工程师)

针对城市轨道交通信号系统的可靠性、可用性和可维护性(RAM)指标需求，确定指标验证方法，制定现场数据收集过程，监控并确认RAM性能。本文提供的整套RAM指标验证方法可以对信号设备供应商提供的信号设备进行RAM指标验证,以保证信号设备能够真实地满足实际项目需求。

1 RAM验证方法

本文所采用的RAM验证方法参考了国际电工委员会标准IEC 61124[1]，验证目的是从统计学角度证明信号设备的实际平均故障间隔时间(MTBF)是否达到用户的目标值要求。

假定信号系统设备的故障率为常数(即产品寿命服从指数分布)，并且设备故障时能得到及时替换。假设：

H0:tMTBF>tMTBF0

H1:tMTBF

其中：

tMTBF0——用户要求的目标MTBF值；

tMTBF1——用户最低可接受的MTBF值。

定义a为允许故障数，T为观测周期，k为实际故障数。

用户接收准则：如果在观测周期T内，k>a，那么假设H0被拒绝，即验证失败；如果k≤a，那么假设H0被接受，即验证通过。

还需定义如下输入：

鉴别比D=tMTBF0/tMTBF1;

供应商风险α——产品合格，但被用户拒绝的概率；

用户风险β——产品不合格，但被用户接收的概率。

用于计算α、β的公式(1)、(2)引自标准IEC 61124。

计算方法：输入α0、β0、T、tMTBF0；输出a、D。

计算过程：首先确定α0、β0，并将T、tMTBF0代入式(1)，再令a从0开始不断地+1迭代计算，直到α逼近目标值α0，得到此时的a值并将其代入式(2)；迭代计算直到β逼近目标值β0，求取tMTBF1值，并最终得到D。

2 项目工程案例

2.1 用户需求

本文以《城市轨道交通信号系统用户需求书》[2]中的用户需求，进行验证分析RAM指标。文献[2]中已经对项目的RAM指标进行了详细定义,在此仅列举本文需要验证的RAM指标。

RAM指标验证方案仅统计与运营相关的指标。关于单机单通道相关的RAM指标属产品层指标，可通过理论分析证明;可维护性指标也属产品层指标,可通过产品可维护性试验进行验证。根据此统计分析原则,对文献[2]中的RAM指标进行提取，得到需要现场验证的RAM指标，如表1所示。

表1 信号系统待验证的RAM指标

经过转换,表1中运营相关RAM指标均可转化为对系统tMTBF值的要求,如表2所示。

表2 转换后的tMTBF指标

供货合同所有的RAM需求经归纳和转化后可统一为两条需求，这两条需求也是RAM指标验证的统计对象，如表3所示。

表3 需要验证的最终RAM指标

2.2 计算过程

按照文献[2]和以往项目经验，确定α0、β0为30%；根据用户需求确定观测周期为1年，tMTBF0分别取为2 613 h和93 h；利用Maple软件计算得到允许故障数a和鉴别比D，如表4所示。

每月允许的故障数如表5所示,每周允许的故障数如表6所示。每月、每周的故障记录表格仅用作RAM性能监控，1年的总允许故障数作为RAM性能确认的参考判断值。

表4 1年内允许故障数

表5 1个月内允许故障数

表6 一周内允许故障数

3 故障数据收集、分析和处理

3.1 工作流程

故障收集与分析，以及后续的系统RAM指标验证的工作流程如图1所示。

图1 信号系统故障数据收集、分析和统计流程图

由图1可见，流程包含故障收集与分析、RAM指标验证两大部分。在故障收集与分析阶段，信号设备供应商应配合用户认真处理每一个现场发生的故障；在RAM指标验证阶段，将对纳入RAM验证的故障数量进行统计并最终确认系统性能，具体步骤如下。

(1) 故障发生：故障来源为用户报告的故障信息，用户需填写故障报告。

(2) 故障分析：信号设备供应商负责对故障进行分析并填写故障分析报告。

(3) 制定并实施纠正措施：信号设备供应商和用户共同制定修正措施并实施。

(4) 统计纳入RAM验证的故障数：采用故障审核委员会(FRB)评审方式，根据相应的判断原则对需纳入RAM验证统计的故障数据进行统计处理。

(5) RAM性能监控和确认：根据上述统计结果，由系统RAM保证经理编写RAM性能监控和确认报告。

FRB的成员包括：客户代表、项目经理、技术经理、维修经理、系统RAM保证经理、调试经理。FRB的角色是监督RAM指标验证过程，并对调试人员或维保人员上报的争议故障进行仲裁，决定其是否计入RAM验证的统计范围。FRB应确保: ①研究观察到的系统故障; ②研究观察到的维护过程; ③跟踪会议确定的纠正性活动; ④裁决故障责任，每月月末举行一次FRB会议，若当月未出现需纳入RAM验证统计的故障，可不召开FRB会议。

3.2 人员与职责

相关人员及其职责如表7所示。

表7 RAM验证人员与职责

3.3 纳入RAM验证的故障统计原则

FRB根据如下原则对纳入RAM验证统计的故障数据进行处理。

(1) 总原则：由信号供货商设备故障导致“列车发生2 min或以上初始延误”的，计1次故障；

(2) 由非信号供应商供货设备引发的信号供应商设备故障，不计入故障计数；

(3) 由于破坏活动或不可抗力等引起的信号供应商设备故障，不计入故障计数；

(4) 由人为违规行为(不适当使用、未按操作规程进行操作、未按维护规程进行维护、未按照维护规程进行预防性维护等)导致的信号供应商设备故障，不计入故障计数；

(5) 当证实多种故障模式由同一原因引起时，整个事件计为1次故障；

(6) 有多个部件同时失效时，所有部件的失效合计为1次故障。

所有不能立即判断原因的故障由FRB进行评估。

4 RAM性能监控和确认报告

RAM性能监控和确认报告由项目RAM保证经理编写，并由项目经理提交给用户。RAM性能监控报告定期呈现信号系统在合同RAM验证指标方面的性能表现，如果暂未达到要求，还需提出改善系统性能的初步结论。RAM性能确认报告集中展现系统所有合同RAM验证指标的表现，并给出信号系统是否通过验证的最终结论。

图2为RAM性能监控报告的示例。在整个观测期(1年)内，RAM性能监控报告每月提交1次，RAM性能确认报告在观测期结束后提交。

RAM性能监控报告呈现以下内容：RAM验证指标；RAM指标的详细监控结果。

图2 信号系统RAM性能监控报告

4.1 纳入RAM验证的故障数监控

对每个待现场验证的RAM指标，按照2.2节计算结果统计每月发生的纳入RAM验证的故障数，并绘制相应监控曲线图。每月允许的故障数如表8所示，每周允许的故障如表9所示。

表8 1个月内允许故障数监控分析表

表9 1周内允许故障数监控分析表

4.2 系统MTBF监控

除每月故障数，RAM性能监控还需定期统计系统MTBF的性能表现，如图3所示。图3中点估计值代表信号系统的实际tMTBF值，实际tMTBF值大概率地落在其上、下边界之间。由图3可见，实际tMTBF值会上下浮动，但不会越过点估计值的上、下边界，即某时期系统设备故障率可能会比较高，但都在正常范围内。

根据RAM性能监控报告，可及时发现RAM性能是否有偏离，是否需开展整改活动；还可分析故障原因，比如故障是系统性失效问题引起，还是供应商批次问题引起，等等。

图3 系统MTBF监控曲线

4.3 Pareto图

RAM性能监控报告还需给出Pareto图，用于详细描述各子系统对当前RAM指标的贡献百分比排序情况，如图4所示。

图4 信号系统故障贡献排序Pareto图

5 结语

通过本文的RAM指标验证方案和方法，能够验证信号系统实际RAM指标与用户合同制定的性能指标之间的差异，以及与运营部门制定的运营指标之间的差异。从统计学角度提供了重要的与RAM指标验证相关的输入数据来源，可作为提升信号系统RAM性能、改进产品RAM设计的参考。