摘要隨著列車(chē)貨、客流的增加，列車(chē)的高速運(yùn)行對(duì)區(qū)間信號(hào)設(shè)備的可靠性和安全性提出了更高的要求。針對(duì)于這種情況本文就ZPW—2000A型無(wú)絕緣移頻自動(dòng)閉塞系統(tǒng)的可靠性作簡(jiǎn)單分析。
　　
　　關(guān)鍵詞ZPW—2000A；無(wú)絕緣軌道電路；可靠性
　　
　　鐵路信號(hào)設(shè)備的主要功能是保障行車(chē)安全和提高運(yùn)輸效率。信號(hào)設(shè)備可以分為車(chē)站信號(hào)設(shè)備和區(qū)間信號(hào)設(shè)備兩大類(lèi)，閉塞設(shè)備就是用來(lái)保障列車(chē)在區(qū)間內(nèi)運(yùn)行安全，并提高區(qū)間通過(guò)能力的區(qū)間信號(hào)設(shè)備。隨著列車(chē)貨、客流的增加，列車(chē)的高速運(yùn)行對(duì)區(qū)間信號(hào)設(shè)備的可靠性和安全性提出了更高的要求。針對(duì)于這種情況本文就ZPW—2000A型無(wú)絕緣移頻自動(dòng)閉塞系統(tǒng)設(shè)備的可靠性作簡(jiǎn)單分析。
　　
　　一、ZPW—2000A型無(wú)絕緣移頻自動(dòng)閉塞系統(tǒng)的構(gòu)成
　　
　　ZPW—2000A型無(wú)絕緣移頻自動(dòng)閉塞系統(tǒng)是在繼承法國(guó)UM71系統(tǒng)和WG－21A型無(wú)絕緣自動(dòng)閉塞系統(tǒng)優(yōu)點(diǎn)的基礎(chǔ)上，結(jié)合我國(guó)國(guó)情在提高系統(tǒng)安全性、可靠性和系統(tǒng)傳輸性等方面進(jìn)行技術(shù)再開(kāi)發(fā)，并實(shí)現(xiàn)了設(shè)備國(guó)產(chǎn)化。
　　
　　
　　ZPW—2000A型無(wú)絕緣軌道電路系統(tǒng)由室外設(shè)備和室內(nèi)設(shè)備兩大部分組成，其中室外設(shè)備有調(diào)諧區(qū)、機(jī)械絕緣節(jié)或電氣絕緣節(jié)、匹配變壓器、補(bǔ)償電容、傳輸電纜、調(diào)諧區(qū)設(shè)備引接線等組成，室內(nèi)設(shè)備有電纜模擬網(wǎng)絡(luò)、發(fā)送器、接收器、衰耗器等組成。如下圖1所示。
　　
　　圖1ZPW-2000A型無(wú)絕緣軌道電路系統(tǒng)構(gòu)成
　　
　　二、ZPW—2000A型無(wú)絕緣移頻自動(dòng)閉塞系統(tǒng)設(shè)備可靠性分析
　　
　　提高可靠性可以通過(guò)避錯(cuò)技術(shù)和容錯(cuò)技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)。ZPW—2000A型無(wú)絕緣移頻自動(dòng)閉塞系統(tǒng)一方面通過(guò)完善系統(tǒng)設(shè)計(jì)、高可靠性標(biāo)準(zhǔn)元器件、先進(jìn)的施工安裝工藝和良好的工作環(huán)境等措施提高可靠性，另一方面又通過(guò)冗余技術(shù)在系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)仍能保證系統(tǒng)的可靠性，其中發(fā)送器采用“N+1”熱備冗余結(jié)構(gòu)，接收器采用”1+1”雙機(jī)并聯(lián)冗余結(jié)構(gòu)。
　　
　　ZPW—2000A型無(wú)絕緣移頻自動(dòng)閉塞系統(tǒng)是一個(gè)串聯(lián)結(jié)構(gòu)的系統(tǒng)，系統(tǒng)的可靠性就是各部分設(shè)備可靠性的乘積，而除發(fā)送器和接收器外其它設(shè)備的可靠性都不受結(jié)構(gòu)變化的影響，因此下面就這兩種冗余結(jié)構(gòu)的可靠性作一簡(jiǎn)單分析。
　　
　　1．“N+1”熱備冗余結(jié)構(gòu)
　　
　　傳統(tǒng)自動(dòng)閉塞設(shè)備一般采用單套電子設(shè)備，難以保證系統(tǒng)的高可靠性，ZPW—2000A發(fā)送器采用“N+1”熱備冗余結(jié)構(gòu)。即系統(tǒng)按N臺(tái)主用工作設(shè)備備用一臺(tái)熱機(jī)設(shè)備。當(dāng)設(shè)備故障檢測(cè)裝置檢測(cè)到主用設(shè)備之一發(fā)生故障時(shí)，“+1”備用設(shè)備自動(dòng)投入使用。邏輯框圖如圖2所示。
　　
　　
　　圖2N＋1熱備冗余結(jié)構(gòu)邏輯框圖
　　
　　（1）“N+1”熱備冗余結(jié)構(gòu)的構(gòu)成原則
　　
　　Ø系統(tǒng)工作按N臺(tái)主用設(shè)備，熱機(jī)備用一臺(tái)“+1”設(shè)備的原則。
　　
　　Ø主用設(shè)備及“+1”備用設(shè)備均設(shè)有故障檢測(cè)報(bào)警。
　　
　　Ø主用設(shè)備之一發(fā)生故障時(shí)，備用“+1”設(shè)備立即自動(dòng)投入。
　　
　　Ø主用設(shè)備從故障狀態(tài)恢復(fù)正常時(shí)，立即與“+1”設(shè)備自動(dòng)脫離，恢復(fù)其原有熱機(jī)備用狀態(tài)。
　　
　　Ø發(fā)送器故障轉(zhuǎn)換及故障恢復(fù)時(shí)，均應(yīng)保證地面信號(hào)機(jī)和機(jī)車(chē)信號(hào)機(jī)的不滅燈。故障轉(zhuǎn)換時(shí)間應(yīng)不大于1.1S。
　　
　　Ø應(yīng)考慮緊急處理故障過(guò)程中對(duì)設(shè)備的帶電拔插，誤拔單臺(tái)設(shè)備時(shí)，亦不應(yīng)影響系統(tǒng)的正常工作。
　　
　　Ø更換故障設(shè)備時(shí)，應(yīng)不影響系統(tǒng)的正常工作。
　　
　　Ø當(dāng)同時(shí)發(fā)生兩臺(tái)及其以上同類(lèi)設(shè)備故障時(shí)，僅能保證一臺(tái)正常工作，故障轉(zhuǎn)換投入應(yīng)考慮優(yōu)先順序，優(yōu)先級(jí)由工程設(shè)計(jì)人員確定，一般將一離去區(qū)段設(shè)置為最高優(yōu)先級(jí)。
　　
　　（2）可靠性計(jì)算
　　
　　為了簡(jiǎn)化計(jì)算設(shè)各發(fā)送器為同型部件，且每個(gè)部件的壽命分布和故障后的修復(fù)時(shí)間均為指數(shù)分布，假定切換開(kāi)關(guān)安全可靠，“＋1”備用設(shè)備的切換可靠度為1。所有這些隨機(jī)變量相互獨(dú)立，故障部件修復(fù)后壽命分布和新部件一致。
　　
　　且“N+1”熱備冗余結(jié)構(gòu)的工作原理：
　　
　　Ø設(shè)備都正常工作時(shí)，系統(tǒng)正常工作；
　　
　　Ø主用設(shè)備之一發(fā)生故障時(shí)，備用“+1”設(shè)備立即自動(dòng)投入，且更換故障設(shè)備時(shí)其它設(shè)備不出故障；
　　
　　Ø當(dāng)N臺(tái)設(shè)備同時(shí)有兩臺(tái)或兩臺(tái)以上設(shè)備發(fā)生故障時(shí)，系統(tǒng)不能正常工作。
　　
　　
　　根據(jù)以上設(shè)定繪出“N+1”熱備冗余結(jié)構(gòu)狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖，如圖3所示。
　　
　　圖3“N+1”熱備冗余結(jié)構(gòu)狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖
　　
　　其中，λ為失效率，μ為維修。S0部件都正常工作；S1有一個(gè)部件故障，備用“+1”設(shè)備立即自動(dòng)投入，且更換故障設(shè)備時(shí)其它設(shè)備不出故障；S2當(dāng)N臺(tái)設(shè)備中有二個(gè)以上同時(shí)發(fā)生故障時(shí),系統(tǒng)不能正常工作。
　　
　　由圖3得出系統(tǒng)狀態(tài)轉(zhuǎn)移矩陣T為
　　
　　(1)
　　
　　根據(jù)馬爾柯夫隨機(jī)過(guò)程理論，系統(tǒng)處于各個(gè)狀態(tài)概率的拉氏變換如下式成立：
　　
　　(2)
　　
　　其中為系統(tǒng)在t時(shí)刻處于i狀態(tài)的概率的拉氏變換，根據(jù)可靠性定義可知系統(tǒng)可靠是處于S2狀態(tài)的對(duì)立事件，則有：
　　
　　
　　（3）
　　
　　
　　
　　根據(jù)平均無(wú)故障工作時(shí)間MBTF的定義：
　　
　　
　　2．“1＋1”雙機(jī)并聯(lián)冗余結(jié)構(gòu)
　　
　　A主機(jī)輸入
　　
　　A并機(jī)輸入
　　
　　B并機(jī)輸入
　　
　　B主機(jī)輸入
　　
　　A主機(jī)輸出
　　
　　A并機(jī)輸出
　　
　　B并機(jī)輸出
　　
　　B主機(jī)輸出
　　
　　B
　　
　　A
　　
　　
　　ZPW—2000A接收器采用“1＋1”雙機(jī)并聯(lián)冗余結(jié)構(gòu)。即每臺(tái)接收器均由功能完全相同的兩部分組成，即主機(jī)部分和并機(jī)部分，接收器的雙機(jī)并聯(lián)冗余結(jié)構(gòu)，就是利用兩臺(tái)接收器主機(jī)部分和并機(jī)部分相互構(gòu)成熱機(jī)并聯(lián)系統(tǒng)，以保證系統(tǒng)的不間斷工作。
　　
　　圖4“1＋1”雙機(jī)并聯(lián)冗余結(jié)構(gòu)邏輯框圖
　　
　　（1）“1＋1”雙機(jī)并聯(lián)冗余結(jié)構(gòu)的構(gòu)成原則
　　
　　如圖4所示，在ZPW—2000A系統(tǒng)中，A、B兩臺(tái)接收器構(gòu)成了成對(duì)雙機(jī)并聯(lián)運(yùn)用系統(tǒng)，即：
　　
　　A主機(jī)輸入接至A主機(jī)，且并聯(lián)接至B并機(jī)；
　　
　　B主機(jī)輸入接至A主機(jī)，且并聯(lián)接至A并機(jī)。
　　
　　A主機(jī)輸出與B并機(jī)輸出并聯(lián)，動(dòng)作A主機(jī)相應(yīng)執(zhí)行對(duì)象；
　　
　　B主機(jī)輸出與A并機(jī)輸出并聯(lián)，動(dòng)作B主機(jī)相應(yīng)執(zhí)行對(duì)象。
　　
　　（2）可靠性計(jì)算
　　
　　由上可以看出當(dāng)切換開(kāi)關(guān)可靠性為“1”，且N=1時(shí)N+1熱備冗余結(jié)構(gòu)就近似為“1＋1”雙機(jī)并聯(lián)冗余結(jié)構(gòu)。因此其可靠性指標(biāo)R(t)和MTBF分別為：

　　
　　三、結(jié)論
　　
　　（1）單機(jī)結(jié)構(gòu)的可靠性小于“N+1”熱備冗余結(jié)構(gòu)，而N+1熱備冗余結(jié)構(gòu)的可靠性又小于“1＋1”雙機(jī)并聯(lián)結(jié)構(gòu)，在考慮設(shè)備投資和故障安全的情況下，發(fā)送器選用“N+1”熱備冗余結(jié)構(gòu)，接收器選用“1＋1”雙機(jī)并聯(lián)結(jié)構(gòu)；
　　
　　（2）采用“N+1”熱備冗余結(jié)構(gòu)時(shí)，N與λ和μ有關(guān)，當(dāng)N太大時(shí)提高系統(tǒng)的可靠性不明顯；
　　
　　（3）設(shè)備故障時(shí)立即修復(fù)，可延長(zhǎng)系統(tǒng)的平均無(wú)故障時(shí)間。
　　
　　
　　
　　參考文獻(xiàn)：
　　
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　　【3】林瑜筠張鐵增區(qū)間信號(hào)自動(dòng)控制中國(guó)鐵道出版社，1996，132～147