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。
　　
　　關鍵詞ZPW—2000A；無絕緣軌道電路；可靠性
　　
　　鐵路信號設備的主要功能是保障行車安全和提高運輸效率。信號設備可以分為車站信號設備和區(qū)間信號設備兩大類，閉塞設備就是用來保障列車在區(qū)間內運行安全，并提高區(qū)間通過能力的區(qū)間信號設備。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)點的基礎上，結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再開發(fā)，并實現了設備國產化。
　　
　　
　　ZPW—2000A型無絕緣軌道電路系統(tǒng)由室外設備和室內設備兩大部分組成，其中室外設備有調諧區(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、調諧區(qū)設備引接線等組成，室內設備有電纜模擬網絡、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)構成
　　
　　二、ZPW—2000A型無絕緣移頻自動閉塞系統(tǒng)設備可靠性分析
　　
　　提高可靠性可以通過避錯技術和容錯技術來實現。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”熱備冗余結構，接收器采用”1+1”雙機并聯(lián)冗余結構。
　　
　　ZPW—2000A型無絕緣移頻自動閉塞系統(tǒng)是一個串聯(lián)結構的系統(tǒng)，系統(tǒng)的可靠性就是各部分設備可靠性的乘積，而除發(fā)送器和接收器外其它設備的可靠性都不受結構變化的影響，因此下面就這兩種冗余結構的可靠性作一簡單分析。
　　
　　1．“N+1”熱備冗余結構
　　
　　傳統(tǒng)自動閉塞設備一般采用單套電子設備，難以保證系統(tǒng)的高可靠性，ZPW—2000A發(fā)送器采用“N+1”熱備冗余結構。即系統(tǒng)按N臺主用工作設備備用一臺熱機設備。當設備故障檢測裝置檢測到主用設備之一發(fā)生故障時，“+1”備用設備自動投入使用。邏輯框圖如圖2所示。
　　
　　
　　圖2N＋1熱備冗余結構邏輯框圖
　　
　　（1）“N+1”熱備冗余結構的構成原則
　　
　　Ø系統(tǒng)工作按N臺主用設備，熱機備用一臺“+1”設備的原則。
　　
　　Ø主用設備及“+1”備用設備均設有故障檢測報警。
　　
　　Ø主用設備之一發(fā)生故障時，備用“+1”設備立即自動投入。
　　
　　Ø主用設備從故障狀態(tài)恢復正常時，立即與“+1”設備自動脫離，恢復其原有熱機備用狀態(tài)。
　　
　　Ø發(fā)送器故障轉換及故障恢復時，均應保證地面信號機和機車信號機的不滅燈。故障轉換時間應不大于1.1S。
　　
　　Ø應考慮緊急處理故障過程中對設備的帶電拔插，誤拔單臺設備時，亦不應影響系統(tǒng)的正常工作。
　　
　　Ø更換故障設備時，應不影響系統(tǒng)的正常工作。
　　
　　Ø當同時發(fā)生兩臺及其以上同類設備故障時，僅能保證一臺正常工作，故障轉換投入應考慮優(yōu)先順序，優(yōu)先級由工程設計人員確定，一般將一離去區(qū)段設置為最高優(yōu)先級。
　　
　　（2）可靠性計算
　　
　　為了簡化計算設各發(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時間均為指數分布，假定切換開關安全可靠，“＋1”備用設備的切換可靠度為1。所有這些隨機變量相互獨立，故障部件修復后壽命分布和新部件一致。
　　
　　且“N+1”熱備冗余結構的工作原理：
　　
　　Ø設備都正常工作時，系統(tǒng)正常工作；
　　
　　Ø主用設備之一發(fā)生故障時，備用“+1”設備立即自動投入，且更換故障設備時其它設備不出故障；
　　
　　Ø當N臺設備同時有兩臺或兩臺以上設備發(fā)生故障時，系統(tǒng)不能正常工作。
　　
　　
　　根據以上設定繪出“N+1”熱備冗余結構狀態(tài)轉移圖，如圖3所示。
　　
　　圖3“N+1”熱備冗余結構狀態(tài)轉移圖
　　
　　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”設備立即自動投入，且更換故障設備時其它設備不出故障；S2當N臺設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)轉移矩陣T為
　　
　　(1)
　　
　　根據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）
　　
　　
　　
　　根據平均無故障工作時間MBTF的定義：
　　
　　
　　2．“1＋1”雙機并聯(lián)冗余結構
　　
　　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)冗余結構。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)冗余結構，就是利用兩臺接收器主機部分和并機部分相互構成熱機并聯(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)冗余結構邏輯框圖
　　
　　（1）“1＋1”雙機并聯(lián)冗余結構的構成原則
　　
　　如圖4所示，在ZPW—2000A系統(tǒng)中，A、B兩臺接收器構成了成對雙機并聯(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主機相應執(zhí)行對象。
　　
　　（2）可靠性計算
　　
　　由上可以看出當切換開關可靠性為“1”，且N=1時N+1熱備冗余結構就近似為“1＋1”雙機并聯(lián)冗余結構。因此其可靠性指標R(t)和MTBF分別為：

　　
　　三、結論
　　
　　（1）單機結構的可靠性小于“N+1”熱備冗余結構，而N+1熱備冗余結構的可靠性又小于“1＋1”雙機并聯(lián)結構，在考慮設備投資和故障安全的情況下，發(fā)送器選用“N+1”熱備冗余結構，接收器選用“1＋1”雙機并聯(lián)結構；
　　
　　（2）采用“N+1”熱備冗余結構時，N與λ和μ有關，當N太大時提高系統(tǒng)的可靠性不明顯；
　　
　　（3）設備故障時立即修復，可延長系統(tǒng)的平均無故障時間。
　　
　　
　　
　　參考文獻：
　　
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　　【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