地铁车辆逻辑控制单元可靠性分析

韦忠潮　朱伟健　谢喜佳

摘 要：本文主要对南宁轨道交通4号线车辆逻辑控制单元（LCU）可靠性进行分析，介绍了LCU装置的逻辑控制原理及机箱的硬件组成部分，利用RBD建模方法对整车LCU和单个机箱进行可靠性建模、可靠性计算及预计，计算出整车LCU平均无故障时间和平均无故障服务时间，与整车可靠性分配指标对比，满足整车对LCU可靠性指标分配要求，为车辆全寿命周期内的运营维护成本计算、新线项目技术方案选择等提供参考依据。

关键词：地铁车辆 LCU 可靠性建模 失效率 可靠性

Reliability Analysis of Logic Control Unit of Metro Vehicle

Wei Zhongchao， Zhu Weijian， Xie Xijia

Abstract：This paper mainly analyzes the reliability of the logic control unit of the train （LCU） of Line 4 of Nanning Rail Transit， introduces the logic control principle of LCU device and the hardware components of the chassis， uses RBD modeling method to model， calculate and predict the reliability of LCU of the whole train and a single chassis， calculates the mean time between failures and the mean time between failures of LCU of the whole train， and compares it with the reliability allocation index of the whole vehicle， so as to meet the allocation requirements of LCU reliability index for the whole vehicle life cycle and calculate the operation and maintenance cost.

Key words：subway vehicles， LCU， reliability modeling， failure rate， reliability

1 引言

随着我国经济快速发展、城市化进程快速推进，城市轨道交通也在快速发展，为有效地保证地铁建设、运营的安全，促进城市轨道交通健康发展；在轨道交通建设中，在不同领域、不同程度上运用了RAMS管理技术[1]，并对轨道交通装备的可靠性、可用性和安全性提出更高的要求。目前既有线路地铁车辆大多采用继电器硬线逻辑控制，列车控制系統存在故障率较高、可靠性较低、维护成本偏高等诸多缺点，现在地铁车辆普遍采用逻辑控制系统代替传统逻辑控制方案，以满足智能化、网络化、高可靠性、低维护成本和长寿命的要求[2]。

2 列车LCU配置方案

LCU（logic control unit 逻辑控制单元）是针对轨道车辆逻辑控制而设计的车载系统，采用系统稳定、成熟可靠的分布式网络技术，通过光耦和场效应管等无触点电路替代列车传统的中间继电器、时间继电器、双稳态继电器等有触点控制电路，实现列车逻辑控制、列车网络通信和故障诊断等功能。极大简化车辆整车控制电路、提升整车智能化水平，具有直接输人直流信号、输出大电流驱动负载的能力，还具有控制方式灵活、编程方便、布线简洁、检修方便等特点。

2.1 LCU拓扑结构图

LCU是专门为在轨道交通环境下应用而设计的数字逻辑控制装置，采集司机控制器、按键开关组、隔离开关、接触器辅助触点等DC110V的信号，经逻辑计算后，输出驱动车辆各类负载，完成指定的时序控制功能[3-4]。

南宁轨道交通4号线车辆为6节编组，采用LCU控制电路方案，整车配置4套LCU，采用分布式结构，其中Tc1、Tc2、Mp1、Mp2车各安装1套LCU，M1、M2车不安装LCU。其中，Tc1、Tc2车采用司机室3U机箱，Mp1、Mp2车采用客室3U机箱，各节车LCU之间通过CAN网络实现数据共享，Tc车的LCU通过MVB网关与TCMS建立数据连接，以实现整车逻辑控制、列车网络通信和故障诊断等功能，整车LCU拓扑结构图如图1所示。

2.2 硬件拓扑

LCU逻辑控制单元在硬件上采用模块化及安全冗余设计，LCU的机箱根据分布情况分为司机室3U机箱和客室3U机箱，两种机箱外形尺寸均一致，客室LCU比司机室LCU减少一块MVB网板、一组IO板，接口板X3不接线，其余接口均一致。

2.2.1 司机室3U机箱

司机室3U机箱包括2块电源板、2块主控板、3块通信板（MVB、CAN、ETH各1块）、10块数字量IO板（8块DIO板、2块GIO板）、3块接线板，硬件拓扑如图2所示。

2.2.2 客室3U机箱

客室3U机箱包括2块电源板、2块主控板、2块通信板（CAN、ETH各1块）、3块接线板，8块数字量IO板（6块DIO板、2块GIO板）、3块接线板，硬件拓扑如图3所示。

3 LCU可靠性建模

整车分配给逻辑控制单元的可靠性指标如下：

（1）MTBF——系统平均无故障时间：5439h。

（2）MTBFS——系统平均无故障服务时间：51287h。

3.1 可靠性建模

可靠性分析假设条件如下：

（1）假设各分部件都在同机工作，而且任务时间相同。

（2）假设各分部件的故障率（失效率）均为常数，即寿命分布为指数型。

（3）假设各分部件的故障是相互独立的。

（4）假设各分部件的工艺成熟度基本相同。

（5）整机产品的结构尺寸不大，且其内部没有大功率的发热部件，故假设各分部件所处的环境相同。

3.2 可靠性定义

（1）MTBF——系统平均无故障时间：LCU系统任意板卡发生任意单点故障的失效率，任意单点故障发生后LCU的系统控制功能不受影响，也不会影响列车正常的运行功能，列车可以维持当天运营。

（2）MTBFS--系统平均无故障服务时间：LCU系统两块冗余板卡发生故障并导向安全的失效率，此类故障会影响LCU的控制功能，会对列车的正常运营功能造成影響。

3.3 LCU模型

根据整车LCU系统硬件架构和单个3U机箱板卡配置，进行整车LCU和3U机箱可靠性模型的构建，如下图4和图5所示：

3.4 可靠性计算公式

3.4.1 LCU整机失效率

λS=ΣNiλi=NPWRλPWR+NMCUλMCU+NDIOλDIO+Ncanλcan+NMVBλMVB+N背板λ背板+N接口板λ接口板

其中：Ni为单元的数量，λi为单个单元的故障率，若该模块为冗余设计，则λi为冗余板卡的故障率。

3.4.2 LCU冗余失效率

LCU机箱对PWR、MCU、DIO进行了冗余设计，冗余可靠性模型如图6所示，对于A、B热备冗余系统：

1/λi*Kt=1/λiA+1/λiB-1/（λiA+λiB）

由于A、B板卡为软硬件完全一致的冗余板卡λiA=λiB，所以冗余板卡故障率λi =2/3tλiA =2/3tλiB；

其中：λiA为A板卡的故障率，λiB为B板卡的故障率，Kt为板卡故障检测和更换板卡时间的修正系数。

3.4.3 单板DIO板建模

以DIO输入输出板卡为例进行可靠性建模，如下图7，DIO板单板的失效率：

λDIO=λcpu+（λ输入+λ输入自检）*14+（λ输出+λ输出反馈）*10+λcan*2+λ连接器

=0.05E-06+0.0627E-06*14+0.06E-06*10+0.016E-06*2+0.0122E-06

=1.5735E-06

4 LCU可靠性数据

4.1 单板失效率

根据“GJBZ 299C-2006 电子设备可靠性预计手册”及硬件电路进行单板失效率计算，得出单板的失效率如下表1所示：

4.2 MTBF系统平均无故障时间

4.2.1 MTBF理论计算值

（1）司机室3U机箱故障率

λ3U1=ΣNiλi=NPWRλPWR+NMCUλMCU+NDIOλDIO+ Ncanλcan +NMVBλMVB+N背板λ背板+N接口板λ接口板=2.48E-05（1/h）

（2）客室3U机箱故障率

λ3U2=ΣNiλi=NPWRλPWR+NMCUλMCU+NDIOλDIO+ Ncanλcan+N背板λ背板+N接口板λ接口板=2.14E-05（1/h）

（3）整车LCU系统可靠性计算

失效率λtrain=2*λ3u1+ 2*λ3u2=9.24E-05（1/h）

平均无故障时间：MTBF=1/λtrain =10822.5（h）

4.2.1 MTBF实际计算值

实际南宁4号线整车LCU的所有点位并未全部使用，每列车LCU取代点位数量为输入通道和输出通道（为260路，一列车所使用的LCU点位为所有输入输出通道的63.1%，则：

DIO板通道失效率占DIO板单板失效=（0.0627E-06*14+0.06E-06*10）/1.5735E-06=96.1%

将未使用的IO通道和对应板卡剔除后LCU的失效率：

（1）司机室3U机箱故障率

λ3U1=ΣNiλi= NPWRλPWR+NMCUλMCU+NDIOλDIO*63.1%/96.1%+ Ncanλcan +NMVBλMVB+N背板λ背板+N接口板λ接口板=1.94E-05 （1/h）

（2）客室3U机箱故障率

λ3U2=ΣNiλi=NPWRλPWR+NMCUλMCU+NDIOλDIO*63.1%/96.1%+Ncanλcan+N背板λ背板+N接口板λ接口板

=1.72E-05（1/h）

（3）整车LCU系统可靠性计算

λtrain =2*λ3u1+ 2*λ3u2=7.32E-05（1/h）

平均无故障时间：MTBF=1/λtrain=13661（h）

4.3 MTBFS系统平均无故障服务时间

4.3.1 MTBFS理论计算值

（1）司机室3U机箱故障率

λ3U1=ΣNiλi=NPWRλPWR+NMCUλMCU+NDIOλDIO+ Ncanλcan +NMVBλMVB+N背板λ背板+N接口板λ接口板

=1*0.57E-07+1*0.121E-06+5*0.181E-06 + 1*0.12E-06+1*0.13E-06+1*5.034E-07 + 3*5.13E-07=3.37E-06（1/h）

（2）客室3U机箱故障率

λ3U2=ΣNiλi=NPWRλPWR+NMCUλMCU+NDIOλDIO+Ncanλcan+N背板λ背板+N接口板λ接口板

=1*0.57E-07+1*0.121E-06+4*0.181E-06+1*0.12E-06+1*5.034E-07+3*5.13E-07

=3.0644E-06（1/h）

（3）整车LCU系统可靠性计算

基于南宁4号线整车LCU的配置为3U机箱4台，整车LCU系统：

失效率λtrain =2*λ3u1+2*λ3u2==1.28688E-05（1/h）

平均无故障服务时间：MTBFS=1/λtrain =77707（h）

4.3.2 MTBFS实际计算值

实际南宁4号线整车LCU的所有点位并未全部使用上，每列车LCU取代点位数量为输入通道和输出通道为260路，一列车所使用的LCU点位为所有输入输出通道的63.1%。本次理论计算的MTBFS值未将监视信号故障（不影响列车运营）和旁路开关设计考虑在内。

DIO板通道失效率占DIO板单板失效=（0.0627E-06*14+0.06E-06*10）/1.5735E-06=96.1%

将未使用的IO通道和对应板卡剔除后LCU的失效率：

（1）司机室3U机箱故障率

λ3U1=ΣNiλi=NPWRλPWR+NMCUλMCU+NDIOλDIO*63.1%/96.1%+Ncanλcan+NMVBλMVB+N背板λ背板+N接口板λ接口板=3.064E-06（1/h）

（2）客室3U机箱故障率

λ3U2=ΣNiλi=NPWRλPWR+NMCUλMCU+NDIOλDIO*63.1%/96.1%+Ncanλcan+N背板λ背板+N接口板λ接口板

=2.81E-06 （1/h）

（3）整车LCU系统可靠性计算

λtrain =2*λ3u1+2*λ3u2=1.17E-05（1/h）

平均无故障时间：MTBF=1/λtrain=13661（h）

平均无故障服务时间：MTBFS=1/λtrain =85037（h）

大于整车给LCU系统分配的MTBF可靠性指标（5439h）和MTBFS可靠性指标（51287h）。

（4）基于运营数据的整车LCU系统可靠性计算

2020年11月开通到2022年12月底，南宁4号线整个项目LCU发生B组电源板等7起轻微故障，未发生对运营任务有影响的故障。MTBF的评估方式采用测试时间内与故障次数的比值，表达式如下：

MTBF=∑d/V平均/r

其中：

∑d是指一个给定的项目的全部运行公里数；

V平均是指一个给定的项目的平均旅行速度；

r是指在∑d运行距离内车辆子系统的故障数。

平均无故障时间：MTBF =4252117/7/35=17356（h），从开通试运营2年以来LCU故障数据统计分析，LCU可靠性高于理论建模计算。

5 结语

南宁轨道交通4号线地铁列车采用基于目前城市轨道交通中常用的双机热备冗余LCU方案，具有高可靠性、高安全性，LCU 采用无触点逻辑控制，实现了替换列车非安全功能部分的继电器和时间继电器，从根本上避免继电器卡滞、抖动、接触不良等先天缺陷。整列车通过LCU可靠性建模分析，逻辑控制单元预计的平均无故障时间（MTBF）和平均无故障服务时间（MTBFS）满足整车可靠性指标分配要求，将会进一步降低逻辑控制单元的全寿命周期内的运营维护成本。

参考文献：

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