摘要：在轨道交通车辆运营中，乘客信息系统（PIS）的设备的可靠性是车辆制造厂家、车辆运营业主、乘客关注的焦点，产品可靠性的缺失不仅会降低顾客满意度，甚至会引发车辆下线运营或人身财产损失事故。本文以车载乘客信息系统产品可靠性为研究主体，通过对系统功能分解、RAMS指标分解、产品MTBF计算、可靠性预计、可靠性模型计算等阐述了车载乘客信息系统在设计阶段可靠性的预计方法，并通过实际的运行结果对可靠性预计进行了验证。对设计工程师提升产品可靠性具有一定的意义。
关键词：车载乘客信息系统；RAMS；MTBF
一、概述
现代城市轨道交通系统的运营管理越来越注重对乘客服务质量的提高，车载乘客信息系统就是依托多媒体网络技术，以计算机技术为核心，以车载显示终端为媒介向乘客提供信息服务的系统。其产品可靠性直接影响客户感知，因此对系统的可靠性分析是设计工作的重要任务。
本文通过理论计算和交付使用数据收集比对方法对笔者单位（常州泰勒维克今创电子有限公司）所设计的武汉大汉阳低地板车项目车载乘客信息系统进行分析，得出产品在可靠性在设计阶段可控可计算结论。
二、分析条件
（一）项目简介：
武汉大汉阳地区现代有轨电车试验线工程线路全长全长约 19.955km，全线共设车29座，均为地面站。线路西起黄陵官莲湖东侧，沿凤凰大道、硃山二路、全力三路、后官湖大道、车城西路、东风大道走行，终点位于东风大道、三角湖路口西侧绿化带内。车辆采用100%低地板钢轮钢轨现代有轨电车，正线和车辆段采用储能式供电方式。是湖北省第一条有轨电车线路。
（二）车载乘客信息系统系统简介：
本项目车载乘客信息系统以采用PORT TRUNK技术组建的冗余车载以太网和UIC568冗余模拟音频线为骨干通信网络，加各类终端设备而成。为进一步提高系统的可靠性，两司机主机互为热备份，系统网络框图如下：
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图表 1：系统框图
（三）系统运行环境
□每年行程 70000 公里
□每天平均运行时间 18 小时／辆
□服务时间 365 天／年
□寿命周期 ≥30 年
□平均旅行速度 18 公里/小时（暂定）
（四）客户要求
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图表 2：系统可靠性要求
其中：
□A 类故障——列车在运营期间，列车晚点、掉线、清客和救援故障。
□B/C 类故障——列车在运营期间，列车运行延误达5 分钟以内的初始延误，对商业运行造成了影响。初始延误，指的是乘客在事故地点发生故障的列车上经历的行程时间延长。
（五）系统部件清单
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图表 3：部件清单
（六）分析标准：
目前，对电子产品可靠性分析最通用的权威性标准是MIL-HDBK-217、GJB/Z299B，分别用于军工产品和民用产品。其中，MIL-HDBK-217是由美国国防部可靠性中心及Rome实验室提出并成为行业标准，专门用于军工产品MTBF值计算，GJB/Z299B是我国军用标准；本文的可靠性分析基于MIL-HDBK-217标准展开。
三、预计过程
（一）可靠性预计
为了使车辆不会因为乘客信息系统故障而导致运营受影响，必须保证在车辆运行时，最重要的语音广播功能处于正常运行状态。
（二）预计方法说明
□乘客信息系统选择相似产品评估分配法进行分配。
□建立产品可靠性模型的假设条件如下：
■各元器件或部件的失效率认为都是常数，即它们的寿命特征服从指数分布；
■产品只有正常和故障两种状态；
■产品中各元器件或部件均是相互独立的，即某一元器件或部件正常或故障不会对别的元器件或部件的正常或故障产生影响；
（三）预计数据说明
MTBF：平均无故障时间，可修复产品两次相邻故障之间的平均时间。
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其中R（t）为可靠性功能。
为了计算一个系统的MTBF，必须要有失效概率（λ）或者每个子系统的MTBF。它们能用以下三种方法确定：
□在相同环境下的实地试验已经在使用中，它基于运行反馈。它可从外部（用户）或内部提供得到。
□全球可靠性数据库。它是可靠性信息的来源。这个数据库可以被分为工业领域或者普通领域和标准领域。
□制造资料。在这种情况下，要求供应商提供与其相关部件的可靠性数据。
本项目乘客信息系统可靠性数据是资深工程师根据经验，按照复杂度、技术发展水平、重要度等因素对系统中的单元进行评估，系统主要是由接口机架、车厢控制器、DACU、PECU、扬声器、摄像机、LED显示器及电缆、控制软件及其他项。当遇到特殊使用环境时，须考虑环境因素。
□复杂部件分配较低的可靠性指标；
□技术上不成熟的自制件分配较低的可靠性指标；
□工作环境恶劣的部件分配较低的可靠性指标；
□重要部件分配较高的可靠性指标；
□工作时间长的部件分配较低的可靠性指标；
□不易维修、更换的部件分配较高的可靠性指标
计算失效概率：假设所有构成部件为一个连续的模型时它成指数分布，使用以下公式：
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图表 4：部件可靠性数据清单
（四）可靠性模型说明
可靠性框图模型（RBD）的建立按IEC 61078-2006：可靠性分析技术-可靠性框图和布尔代数法进行。
可靠性框图（RBD）是用一种图形的方式显示了系统所有成功或故障的组合，因此系统的可靠性框图显示了系统、子系统和部件的逻辑关系。目前跟据建模目的可分为基本可靠性模型和任务可靠性模型，并用RBD表示出来。
基本可靠性模型是用以估计产品及其组成单元可能发生的故障引起的维修以及保障要求的可靠性模型。可以看到，该模型是对系统每个单元发生故障都进行考虑维修，故其是一个大的串联模型，即使是冗余单元，也都按照串联处理。明显的，贮备单元越多，系统的基本可靠性越低。
任务可靠性模型是用以估计产品在执行任务过程中完成规定功能的概率，描述完成任务过程中产品各单元的预定作用并度量工作有效性的一种可靠性模型。其体现的是对任务完成的可靠度，故系统中对某一单元的冗余数越多，子单元可靠性也就越大。
可靠性模型中采用任务可靠性模型。本文对系统可靠性影响最大的设备进行模型分析。对于对可靠性影响较小的设备暂不讨论。
（五）可靠性模型分类
1.串联模型
系统的所有组成单元中的任一单元故障都会造成整个系统故障的系统称为串联模型。其是最简单的最常用的模型之一。
串联可靠性框图如右图，其可靠性的数学模型为：
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因此，如果忽略所有子系统的故障时间随机变量的概率密度函数形式，在所有的子系统故障时间随机变量是独立的假设条件下系统的故障率是子系统故障率之和。
2.并联模型
组成系统的所有党员都发生故障时，系统才发生故障的系统称为并联系统。并联模型是最简单的有贮备模型。其可靠性框图可如右图。其可靠度的数学模型为：
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（六）A类故障预计结果
A类故障——列车在运营期间，列车晚点、掉线、清客和救援故障。对于本系统来讲，如果两个IR同时失效并且任意一个DACU或司机麦克风失效则系统为A类故障，由于两个IR是互为热备冗余，其可靠性模型为混型模型，具体如下：
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图表 8：A类故障模型框图 其失效率如下表：
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图表 9：A类故障部件失效率
（七）B/C类故障预计结果
B/C类故障——列车在运营期间，列车运行延误达5分钟以内的初始延误，对商业运行造成了影响。初始延误，指的是乘客在事故地点发生故障的列车上经历的行程时间延长。对于本系统如果两个IR同时失效且任意一个CC失效为B/C类故障，由于两个IR是互为热备冗余，其可靠性模型为混型模型，具体如下：
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图表 12：实际各类故障部件失效率
五、结束语
在设计阶段，基于MIL-HDBK-217标准，通过各类失效模型分析、计算，提前预计产品的可靠性数据，并做好备品备件准备工作、对降低产品可靠性测试成本，提升产品可靠性，加快产品研发周期具有一定的积极意义。同时，可靠性分析工作也是提高客户满意度，提升企业竞争力的重要手段。
论文作者:郭连东
论文发表刊物:《基层建设》2019年第33期
论文发表时间:2020/4/30