基于动态故障树的高速铁路ATP系统可靠性研究

摘要

高速铁路 ATP(Automatic Train Protection,列车自动防护)系统是高速列车运行控制系统的车载子系统,是用于保证高速列车安全可靠运行的重要装备。高速铁路 ATP系统作为一个复杂且安全苛求的系统,研究系统的可靠性对于完善系统的设计和制定维修策略具有重要的作用。本文以高速铁路ATP系统及其双系热备冗余子系统为研究对象,通过建模对系统的可靠性评估和多因素对系统可靠性的影响进行研究。
　　高速铁路 ATP系统具有复杂性、可修性、冗余性、容错性等特性,传统的可靠性分析方法如可靠性框图、故障树、马尔科夫过程等在分析其可靠性时存在一定的不足。针对传统的可靠性分析方法分析高速铁路 ATP系统动态失效问题的不足,本文提出采用动态故障树方法分析其可靠性。首先,分析系统的结构和功能建立高速铁路 ATP系统失效的动态故障树模型;其次,采用深度优先最左遍历算法搜索动态故障树模型,得到独立的子树模块;最后,在引入可修系统可靠性指标如可用度、故障频度、MTTFF(Mean Time to First Failure,首次失效前平均工作时间)等的基础上,采用解析法和马尔科夫矩阵迭代法求解子树模块,结合分层迭代方法对动态故障树分析法优化,以减小运算量,使得上述可靠性指标能够用于高速铁路 ATP系统的可靠性评估。计算所得可靠性指标与可靠性框图结合马尔科夫过程分析方法得到的结果对比表明:高速铁路ATP系统具有较高的可靠性,且动态故障树能够更好的描述系统的冗余性和容错性等特点,提高了可靠性指标的精度。
　　高速铁路 ATP系统的子系统如安全计算机、应答器信息传输模块、轨道电路信息接收模块等,广泛的采用双系热备冗余结构。CCF(Common Cause Failure,共因失效)、故障检测、状态维修等都是影响其可靠性的重要因素,本文采用马尔科夫过程方法综合考虑上述因素,建立双系冗余子系统的可靠性分析模型,通过对模型进行仿真表明,提高系统的维修率和故障检测覆盖率、降低系统部件间的相关失效是提高系统可靠性的有效的方法。分析结果为完善高速铁路 ATP系统的可靠性设计及其制定维修策略提供借鉴。

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1 绪论

1.1 选题背景和意义

1.2 国内外研究现状

1.3 主要研究工作内容

2 高速铁路ATP系统及可靠性基本概念

2.1 高速铁路ATP系统概述

2.2 高速铁路ATP系统的结构和功能

2.3 可靠性基本概念

3 动态故障树理论

3.1 故障树基本理论

3.2 动态逻辑门的引入和转化

3.3 动态故障树模块化方法

3.4 子树模块分析方法

3.5子树模块分析结果合成

4 基于动态故障树的CTCS-3级ATP系统可靠性评估

4.1 动态故障树模型的建立

4.2 动态故障树模型的模块化

4.3 子树模块求解及结果合成

4.4 传统方法分析所得结果对比

5 考虑多因素的双系热备冗余子系统可靠性分析

5.1 双系热备冗余子系统及分析条件

5.2 考虑多因素的可靠性分析模型的建立

5.3 多因素影响的双系热备冗余子系统可靠性分析

结论

致谢

参考文献

攻读学位期间的研究成果