高速铁路信号系统可靠性及可用性建模与评估方法研究

摘要

中国高速铁路已具有世界领先水平和成熟完备的技术体系，运营里程和在建规模跃居世界第一。“一带一路”国家战略将进一步促进世界高速铁路快速发展。国家《中长期铁路网规划》勾画了新时期“八纵八横”高速铁路网的宏大蓝图。高速铁路信号系统是保障铁路设施和列车运行高效安全的运行的核心，必须具备高可靠性、高可用性和高安全性。作为安全苛求系统，高速铁路信号系统及设备一旦发生故障，将导致列车超速运行或冒进安全信号点，造成列车追尾、侧翻等严重事故。现代高速铁路信号系统设计、施工和运营阶段产生了重大变革，系统复杂程度愈加明显。高速铁路信号系统已革新为典型的结构复杂、高度集成的大规模系统。高速铁路营业里程的增加和装备水平的提高，导致控制系统和设备的使用数量和关联程度迅速增加，系统可靠性与可用性评估受到极大挑战。同时，高速铁路信号系统可靠性和可用性评估是安全风险评估的重要指标，对提高系统维修维护水平具有重要意义。因此，开展高速铁路信号系统及设备可靠性和可用性研究对高速铁路高效安全运营至关重要。　　论文结合数理统计、贝叶斯网络、“系统的系统”理论及模糊集等多学科理论与方法，开展高速铁路信号系统可靠性及可用性建模及评估研究。基于高速铁路信号系统RAMS相关标准，分析高速铁路信号系统可靠性、可维护性及可用性参数。基于现场维护经验与领域知识，开展高速铁路信号系统现场维修维护数据特点及统计分析，获取设备失效率及维修率等基础数据。论文主要工作包括：　　1.结合高速铁路信号现场运维数据及系统运营场景，构建基于动态贝叶斯网络的列控中心系统及CTCS-3级列控车载系统可靠性及可用性模型，解决共因失效、失效率不确定性、维修率不确定性、动态失效及恢复机制等难题，实现系统运行可靠性及可用性评估，识别系统薄弱环节，为提高系统可靠性及可用性提供依据；比较不同容冗余结构CTCS-3级列控车载系统可靠性及可用性差异，指导系统冗余结构的选择，结合现场运维数据验证模型评估结果，为维修维护提供决策支持。　　2.研究基于通用生成函数及动态贝叶斯网络的高速铁路信号系统多状态建模理论方法，考虑系统瞬间故障、间歇故障及永久故障等造成的系统多状态，完成基于多状态贝叶斯网络的系统可靠性及可用性建模。实现CTCS-3级列控车载系统存在完全维修、不完全维修及视情维修情况下的可靠性及可用性比较，讨论多状态发生概率对系统及设备的性能影响，为高速铁路信号系统多状态可靠性及可用性评估提供理论依据。　　3.研究基于“系统的系统”理论的高速铁路信号系统整体可靠性和可用性模型构建方法，分析系统间相互作用机理，解决系统间级联失效问题。结合贝叶斯网络、“系统的系统”及多层网络理论，论文提出一种基于分层贝叶斯网络模型的系统整体可靠性和可用性评估方法，讨论设备失效率、维修率、恢复机制对整体可靠性及可用性的影响，为系统整体可靠性及可用性改进提供理论支持，为系统可靠性及可用性标准建设提供理论依据；实现高速铁路信号系统车-地综合可靠性及可用性分析。　　4.结合故障树及模糊集理论，论文提出一种综合考虑系统硬件、软件、人因、环境等因素的高速铁路信号系统整体可靠性分析模型。系统硬件失效通过现场运维统计数据进行分析，系统软件、人因、环境等失效概率采用模糊集理论对专家经验评分进行量化。结合运营场景，将两种类型数据通过故障树进行融合，实现系统综合可靠性评估，通过底事件重要度排序得到系统薄弱环节，为维修维护提供决策支持；分析系统硬件、软件、人因、环境因素对系统可靠性敏感性。

目录

声明

第1 章绪论

1.1研究背景及意义

1.2国内外研究综述

1.2.1铁路信号单个系统可靠性及可用性研究

1.2.2铁路信号系统整体可靠性及可用性研究

1.2.3存在的问题和不足

1.3研究内容及技术路线

1.3.1论文主要研究内容

1.3.2技术路线

第2 章铁路信号系统可靠性及可用性研究基本原理

2.1高速铁路信号系统概述

2.2 铁路信号系统 RAMS 相关标准

2.3铁路信号系统RAM参数分析

2.3.1铁路信号系统可靠性参数

2.3.2铁路信号系统可维护性参数

2.3.3铁路信号系统可用性参数

2.4铁路信号系统可靠性数据分析

2.5本章小结

第3 章基于动态贝叶斯网络的高速铁路信号子系统可靠性及可用性研究

3.1 贝叶斯网络简介

3.1.1贝叶斯网络简介

3.1.2动态贝叶斯网络

3.2 基于 DBN的列控中心系统可靠性及可用性研究

3.2.1 列控中心系统简介

3.2.2列控中心动态故障树建模

3.2.3故障树转换DBN分析

3.2.4考虑共因失效的DBN可靠性建模

3.2.5 基于 DBN的列控中心系统可靠性及可用性评估

3.3 基于 DBN的 CTCS-3 车载系统运行可靠性及可用性研究

3.3.1 CTCS-3车载系统简介

3.3.2 CTCS-3车载系统 RBD建模

3.3.3 CTCS-3车载系统运行可靠性及可用性评估

3.4 考虑不同冗余结构的 CTCS-3 车载系统可靠性及可用性评估

3.4.1 不同冗余结构的 CTCS-3 车载系统可靠性及可用性建模

3.4.2 不同冗余结构的 CTCS-3 车载系统可靠性及可用性比较

3.4.3 结果验证

3.5 本章小结

第4 章基于多状态理论的高速铁路信号子系统可靠性及可用性研究

4.1多态系统建模

4.1.1 多状态系统简介

4.1.2 基于 Markov模型的多状态系统建模

4.1.3 基于通用生成函数的多状态系统可靠性建模

4.2 基于 DBN的多状态系统建模

4.2.1多状态DBN建模方法

4.2.2 案例分析

4.3基于多状态DBN的CTCS-3车载系统可靠性及可用性研究

4.3.1基于多状态DBN的CTCS-3级列控车载系统建模

4.3.2降级状态对系统可靠性及可用性影响

4.3.3模型验证

4.4 本章小结

第5 章基于“系统的系统”的高速铁路信号整体可靠性及可用性研究

5.1 “系统的系统”简介

5.1.1 “系统的系统”

5.1.2 铁路信号“系统的系统”特性分析

5.2 “系统的系统”建模方法

5.2.1 多层网络理论简介

5.2.2 基于多层网络的“系统的系统”建模

5.2.3系统间相关性分析

5.2.4基于多层网络的高速铁路信号SoS模型

5.3 基于分层贝叶斯网络的“系统的系统”可靠性及可用性建模

5.3.1 分层贝叶斯网络模型

5.3.2 基于分层贝叶斯网络的“系统的系统”模型

5.4 高速铁路信号整体可靠性及可用性研究

5.4.1 子系统层可靠性及可用性分析

5.4.2 系统层可用性分析

5.4.3 SoS层可用性分析

5.5 本章小结

第6 章考虑综合因素的高速铁路信号系统可靠性研究

6.1 高速铁路信号复杂系统故障因素综合分析

6.1.1高速铁路信号复杂系统故障综合因素

6.1.2考虑综合因素的高速铁路信号系统可靠性分析流程

6.2 基于模糊故障树的系统可靠性分析

6.2.1 模糊集理论

6.2.2 基于模糊方法的 UBEs 失效概率分析

6.2.3 基于统计方法的 KBEs 失效概率分析

6.2.4 重要度分析和敏感性分析

6.3 考虑综合因素的高速铁路信号系统整体可靠性研究

6.3.1 基于 FTA高速铁路信号系统可靠性模型构建

6.3.2 故障树中 UBEs 失效概率计算

6.3.3 故障树中KBEs 失效概率计算

6.3.4 重要度分析及敏感性分析

6.4 本章小结

结论及展望

致谢

参考文献

攻读博士学位期间发表的论文及科研成果