某轨道交通综合监控系统的RAMS设计与实施

2022-11-08张冰

电气自动化 2022年3期

张冰

(上海电气自动化设计研究所有限公司，上海 200023)

0 引言

在轨道交通综合监控系统中，本文采用了可靠性(reliability)、可用性(availability)、可维修性(maintainability)和安全性(safety)管理(RAMS)，确保系统在全生命周期中的风险均控制在可接受水平。采用了危险与可操作性评估(HAZOP)、接口安全隐患分(IHA)、量化风险分析(QRA)、故障模式和影响分析(FMECA)、故障分析和更正程序(FRACAS)等方法，分成初步设计,详细设计,采购与制造,调试与移交,以及运营和质保等时间阶段，实现了风险可预测、问题可追溯的闭环控制。其中，FMECA也可以采用故障树分析(FTA)、事件树分析(ETA)、贝叶斯网络(BN)、人工神经网络(ANNS)等评估方法。

1 设计方法

RAMS设计分成可靠性、可用性、可维修性和安全性四个方面。可靠性指系统在规定条件下和时间内，能够无故障地完成所要求功能的概率。可用性指在所需外部条件已经全部满足的前提下，系统在给定的条件和时间间隔内，完成所要求功能的能力[1]。可维修性指在给定的条件下，按照指定的程序，使用给定的资源进行维护工作，可在指定的时间间隔内完成指定维护工作的可能性[2]。安全性指没有无法接受的伤害风险，本质上属于风险管理。

系统的设计要求为系统平均无故障间隔时间(MTBF)≥ 10 000 h，系统平均修复时间(MTTR)≤1 h，总体系统服务可使用性目标达到 99.95%。

1.1 可靠性设计

1.1.1 串联系统

在一个系统中，任何一个子系统故障，都会导致整个系统故障，这种系统称为串联系统[3]。可靠性的计算如下：

(1)

式中:Rs(t)为系统在t时的可靠性；Ri(t)为第i个子系统在t时的可靠性；Fs(t)为系统在t时不可靠性；Fi(t)为第i个子系统在t时不可靠性；n为单元数目。若各个子系统的故障率服从指数分布，则：

(2)

式中:λi为第i个子系统的故障率；MTTF为系统平均故障间隔时间。

1.1.2 并联系统

在一个系统中，组成系统的所有子系统同时工作，只要有一个子系统在工作，整个系统就能完成规定的功能，这种系统称为并联系统。其可靠性的计算如下：

(3)

若n个子系统相同，则：

(4)

子系统越多，可靠性越大，平均寿命越长。

1.1.3r/n系统

在一个系统中，组成系统的所有子系统同时工作，至少r个在工作，整个系统才能完成规定的功能，这种系统称为r/n系统。若各子系统相同，其可靠性的计算如下：

(5)

1.2 可用性设计

可用性本质上是系统在任务开始时处于可使用状态的概率。其设计吸取在轨道交通系统方面的经验，使用其反馈数据。努力消除任何隐患。可用性的计算如下：

(6)

式中:A为可用度;U为产品的可用时间;D为产品的不可用时间;D为维修性。减低D可以使A提高，D可用MTBF表示，U可用MTTR表示。故可用性的计算如式(7)所示。

(7)

MTBF根据系统不同，计算如下。

(8)

并联系统：MTBF并联=MTBF1×MTBF2×…×MTBFn

(9)

r/n系统：MTBFr/n=MIN(MTBF1,MTBF2,…,MTBFn)

(10)

式中：MIN(·)为取最小值。

1.3 可维修性设计

可维修性本质上可用MTTR来衡量。可维修性的计算如下：

(11)

式中:ti为第i个子系统的修复时间；N为修复次数。当系统由n个可修复子系统组成时，可维修性可用式(12)计算。

(12)

1.4 安全性设计

安全性设计需符合安全完善度等级(SIL)中的等级2，如表1所示。

表1 SIL等级

2 实施

2.1 HAZOP实施

危险与可操作性评估(hazard and operability，HAZOP)，用于识别设计缺陷、过程危险及操作性问题，本质上是通过系列的会议对工艺图样和操作规程进行分析[4]。在实施过程中，由各专业人员组按规定的方式系统地研究每一个分析节点，识别出具有潜在危险的偏差，对每个有意义的偏差进行分析，分析它们的可能原因、后果和已有安全保护等，提出应该采取的措施[5]。HAZOP实施流程如图1所示。

图1 HAZOP实施流程

2.2 IHA实施

接口安全隐患分析(interface hazard analysis，IHA)，用于识别和分析系统内部和外部接口相关的潜在隐患，分析需要执行的隐患消除或减轻措施。

以综合监控系统(ISCS)和闭路电视监控系统(CCTV)之间的接口举例，如图2所示。

当ISCS发出联动请求时，CCTV系统可根据预先设定的模式自动显示相应的画面，实现联动控制功能。ISCS实时监视CCTV设备运行状态、网络通信状态和故障报警信息，实现设备监控功能。

IHA在后续寿命周期阶段中不断修改，以确定改进是否引入隐患。

2.3 QRA实施

本文系统RAMS的安全隐患管理包括安全隐患识别、安全隐患分析和安全隐患评估。其中，安全隐患评估采用的方法是量化风险分析(quantitative risk assessment，QRA)[6]。

通过QRA实施，比较不同设计的安全隐患，确定关键因素、重要条件和关键子系统。分析不同安全隐患控制措施的效果，改善其中的安全薄弱环节，确定系统能够满足安全性要求，并采用预防措施，有效降低全寿命周期安全隐患损伤概率。

图2 接口划分图

2.4 FMECA实施

故障模式和影响分析(failure mode and effect criticality analysis,FMECA)，包括故障模式、影响分析(FMEA)和危害性分析(CA)两部分，前者属定性分析，后者属定量分析[7]。

本文系统RAMS的FMECA实施流程图如图3所示。

图3 FMECA实施流程

2.5 FRACAS实施

故障分析和更正程序(failure report analysis and corrective action system，FRACAS)。本文系统的RAMS实施了FRACAS，实现了及时报告产品故障和分析故障原因，采取了有效的纠正措施以防止故障再现，改善了产品可靠性和维修性。

实施的FRACAS基于系统配置数据管理，整合了运营等各单位对故障信息数据分析的需求，量化了故障信息采集字段，形成了从功能、时间、里程、区域、模式和技术等多个维度进行聚合分析的故障数据库。实施后，能够追溯系统发生的故障等事件信息，利用得到的数据拟合出功能系统寿命分布威布尔曲线，以预测风险。

3 结果分析

轨道交通综合监控系统的RAMS，通过系统的上线运行，验证了实施效果。系统的RAMS活动符合管理计划组织和程序等，得到了有效的执行，进行了纠正、预防和改进。确保安全保证和保障的可追溯性达到了以下目标：通过系统和子系统要求、设计和工程报告、支持程序，确保执行安全要求可追溯性；通过测试和试运转报告，确保检验安全和保障要求的执行的可追溯性；通过系统开发各个阶段中产生的质量保证记录，确保用于设计、开发和系统分析程序和标准执行的可追溯性；通过安全隐患记录，确保可追溯性与安全要求一致。

通过RAMS设计与实施，保证了系统性能指标符合运营需求，并且风险在可接受范围内。以系统控制时间性能指标举例，如表2所示。