摘要隨著列車貨、客流的增加，列車的高速運行對區(qū)間信號設(shè)備的可靠性和安全性提出了更高的要求。針對于這種情況本文就ZPW—2000A型無絕緣移頻自動閉塞系統(tǒng)的可靠性作簡單分析。
　　
　　關(guān)鍵詞ZPW—2000A；無絕緣軌道電路；可靠性
　　
　　鐵路信號設(shè)備的主要功能是保障行車安全和提高運輸效率。信號設(shè)備可以分為車站信號設(shè)備和區(qū)間信號設(shè)備兩大類，閉塞設(shè)備就是用來保障列車在區(qū)間內(nèi)運行安全，并提高區(qū)間通過能力的區(qū)間信號設(shè)備。隨著列車貨、客流的增加，列車的高速運行對區(qū)間信號設(shè)備的可靠性和安全性提出了更高的要求。針對于這種情況本文就ZPW—2000A型無絕緣移頻自動閉塞系統(tǒng)設(shè)備的可靠性作簡單分析。
　　
　　一、ZPW—2000A型無絕緣移頻自動閉塞系統(tǒng)的構(gòu)成
　　
　　ZPW—2000A型無絕緣移頻自動閉塞系統(tǒng)是在繼承法國UM71系統(tǒng)和WG－21A型無絕緣自動閉塞系統(tǒng)優(yōu)點的基礎(chǔ)上，結(jié)合我國國情在提高系統(tǒng)安全性、可靠性和系統(tǒng)傳輸性等方面進行技術(shù)再開發(fā)，并實現(xiàn)了設(shè)備國產(chǎn)化。
　　
　　
　　ZPW—2000A型無絕緣軌道電路系統(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)、機械絕緣節(jié)或電氣絕緣節(jié)、匹配變壓器、補償電容、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型無絕緣軌道電路系統(tǒng)構(gòu)成
　　
　　二、ZPW—2000A型無絕緣移頻自動閉塞系統(tǒng)設(shè)備可靠性分析
　　
　　提高可靠性可以通過避錯技術(shù)和容錯技術(shù)來實現(xiàn)。ZPW—2000A型無絕緣移頻自動閉塞系統(tǒng)一方面通過完善系統(tǒng)設(shè)計、高可靠性標準元器件、先進的施工安裝工藝和良好的工作環(huán)境等措施提高可靠性，另一方面又通過冗余技術(shù)在系統(tǒng)發(fā)生故障時仍能保證系統(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”雙機并聯(lián)冗余結(jié)構(gòu)。
　　
　　ZPW—2000A型無絕緣移頻自動閉塞系統(tǒng)是一個串聯(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)的可靠性作一簡單分析。
　　
　　1．“N+1”熱備冗余結(jié)構(gòu)
　　
　　傳統(tǒng)自動閉塞設(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臺主用工作設(shè)備備用一臺熱機設(shè)備。當設(shè)備故障檢測裝置檢測到主用設(shè)備之一發(fā)生故障時，“+1”備用設(shè)備自動投入使用。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臺主用設(shè)備，熱機備用一臺“+1”設(shè)備的原則。
　　
　　Ø主用設(shè)備及“+1”備用設(shè)備均設(shè)有故障檢測報警。
　　
　　Ø主用設(shè)備之一發(fā)生故障時，備用“+1”設(shè)備立即自動投入。
　　
　　Ø主用設(shè)備從故障狀態(tài)恢復(fù)正常時，立即與“+1”設(shè)備自動脫離，恢復(fù)其原有熱機備用狀態(tài)。
　　
　　Ø發(fā)送器故障轉(zhuǎn)換及故障恢復(fù)時，均應(yīng)保證地面信號機和機車信號機的不滅燈。故障轉(zhuǎn)換時間應(yīng)不大于1.1S。
　　
　　Ø應(yīng)考慮緊急處理故障過程中對設(shè)備的帶電拔插，誤拔單臺設(shè)備時，亦不應(yīng)影響系統(tǒng)的正常工作。
　　
　　Ø更換故障設(shè)備時，應(yīng)不影響系統(tǒng)的正常工作。
　　
　　Ø當同時發(fā)生兩臺及其以上同類設(shè)備故障時，僅能保證一臺正常工作，故障轉(zhuǎn)換投入應(yīng)考慮優(yōu)先順序，優(yōu)先級由工程設(shè)計人員確定，一般將一離去區(qū)段設(shè)置為最高優(yōu)先級。
　　
　　（2）可靠性計算
　　
　　為了簡化計算設(shè)各發(fā)送器為同型部件，且每個部件的壽命分布和故障后的修復(fù)時間均為指數(shù)分布，假定切換開關(guān)安全可靠，“＋1”備用設(shè)備的切換可靠度為1。所有這些隨機變量相互獨立，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，系統(tǒng)正常工作；
　　
　　Ø主用設(shè)備之一發(fā)生故障時，備用“+1”設(shè)備立即自動投入，且更換故障設(shè)備時其它設(shè)備不出故障；
　　
　　Ø當N臺設(shè)備同時有兩臺或兩臺以上設(shè)備發(fā)生故障時，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有一個部件故障，備用“+1”設(shè)備立即自動投入，且更換故障設(shè)備時其它設(shè)備不出故障；S2當N臺設(shè)備中有二個以上同時發(fā)生故障時,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)馬爾柯夫隨機過程理論，系統(tǒng)處于各個狀態(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)的對立事件，則有：
　　
　　
　　（3）
　　
　　
　　
　　根據(jù)平均無故障工作時間MBTF的定義：
　　
　　
　　2．“1＋1”雙機并聯(lián)冗余結(jié)構(gòu)
　　
　　A主機輸入
　　
　　A并機輸入
　　
　　B并機輸入
　　
　　B主機輸入
　　
　　A主機輸出
　　
　　A并機輸出
　　
　　B并機輸出
　　
　　B主機輸出
　　
　　B
　　
　　A
　　
　　
　　ZPW—2000A接收器采用“1＋1”雙機并聯(lián)冗余結(jié)構(gòu)。即每臺接收器均由功能完全相同的兩部分組成，即主機部分和并機部分，接收器的雙機并聯(lián)冗余結(jié)構(gòu)，就是利用兩臺接收器主機部分和并機部分相互構(gòu)成熱機并聯(lián)系統(tǒng)，以保證系統(tǒng)的不間斷工作。
　　
　　圖4“1＋1”雙機并聯(lián)冗余結(jié)構(gòu)邏輯框圖
　　
　　（1）“1＋1”雙機并聯(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兩臺接收器構(gòu)成了成對雙機并聯(lián)運用系統(tǒng)，即：
　　
　　A主機輸入接至A主機，且并聯(lián)接至B并機；
　　
　　B主機輸入接至A主機，且并聯(lián)接至A并機。
　　
　　A主機輸出與B并機輸出并聯(lián)，動作A主機相應(yīng)執(zhí)行對象；
　　
　　B主機輸出與A并機輸出并聯(lián)，動作B主機相應(yīng)執(zhí)行對象。
　　
　　（2）可靠性計算
　　
　　由上可以看出當切換開關(guān)可靠性為“1”，且N=1時N+1熱備冗余結(jié)構(gòu)就近似為“1＋1”雙機并聯(lián)冗余結(jié)構(gòu)。因此其可靠性指標R(t)和MTBF分別為：

　　
　　三、結(jié)論
　　
　　（1）單機結(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”雙機并聯(lián)結(jié)構(gòu)；
　　
　　（2）采用“N+1”熱備冗余結(jié)構(gòu)時，N與λ和μ有關(guān)，當N太大時提高系統(tǒng)的可靠性不明顯；
　　
　　（3）設(shè)備故障時立即修復(fù)，可延長系統(tǒng)的平均無故障時間。
　　
　　
　　
　　參考文獻：
　　
　　【1】郭進王曉明交互式熱備冗余微機聯(lián)鎖系統(tǒng)的可靠性研究蘭州鐵道學(xué)院學(xué)報，17（4）：1998，62～67
　　
　　【2】林瑜筠區(qū)間信號自動控制中國鐵道出版社，2007，120～173
　　
　　【3】林瑜筠張鐵增區(qū)間信號自動控制中國鐵道出版社，1996，132～147