应答器及地面电子单元系统的可靠性分析.docx
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应答器及地面电子单元系统的可靠性分析
应答器及地面电子单元系统的可靠性分析
学院:
电子信息工程学院
专业:
控制工程、双控
学生姓名:
史印良、李梦
学号:
14125116、14120210
一、RAMCommander概述
RAMCommander是一款专业的可靠性、安全性软件。
为专业人士提供独特的、准确的、方便的计算分析工具,可应用于电子、机械、机电领域。
RAMCommander软件模块包括:
可靠性、维修性、RBD、故障树(FTA)、事件树(ETA)、安全性评估、备件优化、降额、FMECA&测试性分析、工艺&过程FMEA等.RAMCommander(可靠性、可用性、维修性预计和分析)是集成的32位单机版/网络版Windows软件包,可用于:
系统结构定义和图形化表示、可靠性,可用性和维修性预计、依据用户定义的复杂度系数进行可靠性和维修性分配、依照任务剖面定义,比如工作和非工作阶段的环境、温度和持续时间,进行可靠性和维修性参数的权衡和优化、使用图形界面创建、维护和评估功能的可靠性框图、对图形表示的系统配置进行可靠性和可用性评估、降额准则定义和和过应力元器件分析、备件数量评估和优化、故障模式和影响危害度分析(FMECA)、测试性分析、过程和设计FMEA、故障树分析(FTA)、事件树分析(ETA)、马尔科夫链、安全性分析(FHA、SSA、PHA、MMEL)、自动化数据验证和纠正、生成专业报告等。
RAM软件能够把做基于动态的仿真,例如它可以求出最小割集的结果,而且不同于最小割集的是,它可以分析出安全序列发生的时序关系还有鼓胀裂传递导致不期望结果的发生概率。
FMECA可以产生各种形式的表格以适应不同国家或者组织的标准需求,它还具有良好的可视化的建模窗口,快捷的操作界面,清晰明了的菜单。
在RAMCommander上建模,其通俗易懂的层次化结构,十分贴近真实系统的架构。
其他同行软件并不是“基于模型”的,可靠性、维修性、可用性及安全性制定模型必须由认为更新;在系统设计和可靠性、维修性、可用性及安全性模型间没有一致性和相关性的保障。
在这一方面,比传统的安全分析更有效率而且大大减少了工程师们的工作量。
传统安全分析如故障树分析,基于的是从多个来源综合得来的信息,包括非正式的系统设计模型和需求文件。
这些分析高度主观并且依赖工程师的技术。
作为最为常见的安全性分析技术,不同的安全性工程师对于同一个系统可以做出不同的故障树。
最终的故障树经常通过评审过程达成一致确定,系统设计人员与安全性工程师要同时参加。
可见传统的安全分析方法所耗费的时间与人力很大,可操作性不是很高。
RAM改善了这些方法的不足。
RAM是在一个形式化的模型上对系统的正常状态和故障状态展开描述。
我们的目的是提供一个准确的可描述系统行为的模型,自动进行某些可靠分析过程,从而节省人力物力并提高可靠性分析结果的质量。
具体来说,RAM主要是通过软件对系统各个模块进行建模,包括机械结构、物理部件和软件模块。
通过各个部件的相互联系与逻辑关系,得到系统特性。
该模型可描述系统出现一个或多个故障时的特性。
RAM在某种层面上讲,它只是提供了一个模型的平台,为得出可靠度分析结果提供了计算机这一便捷工具,其实目的上并非与传统可靠分析方法有太大的差异。
FMEA与传统可靠方法目标一致,无非是列举出危险发生的可能原因,做出系统设计的可靠性评估。
为了支持基于模型的可靠性分析,传统的可靠性流程被修改,从而使得可靠性性分析活动植根于形式化的系统与故障模型当中。
这些模型被同时用于系统设计和可靠性分析,是系统研发流程的核心部分。
得到扩展的系统模型后,可靠性分析流程由定义反映系统可靠性需求的一组正式属性和利用正式的分析技术以确定系统设计架构是否满足安全性属性等活动组成。
故障树与FMEA都可以在正式分析中像副产品一样自动生成。
RAM的工作重点在于建模,采用自上而下的建模方式。
要进行系统级别的可靠性分析,我们必须考虑系统运行的环境,这通常包含电子和机械部件。
基于模型的工具与技术同样可以用以对物理部件进行建模。
通过将电子部件(软件和硬件)与机械部件模型(泵、阀等)结合,可以得到系统特性。
此后该模型可以通过加入数字与机械的故障模型建立扩展的系统模型。
该模型可以用来描述系统出现一个或多个故障时的特性。
RAM的过程是:
1)对系统进行抽象化。
此内容理解为要对真实系统信息、功能、层次、结构、输入输出进行了解与抽象化,把其与真实系统作对比,看是否能描述真实系统各方面情况。
2)对系统进行形式化建模。
利用RAM软件根据系统结构建成产品树。
由单元故障失效率计算得出系统可靠度。
并得到各单元占总系统失效率的百分比。
3)RBD分析。
画出系统可靠性框图。
4)FTA分析。
在RAMCommander中,根据RBD中定义的可靠性框图,我们可以对系统的进行故障分析,根据RBD中定义的系统可靠性框图,我们得到的系统故障树。
5)自动得出可靠性分析结果,如故障树、FMEA等。
二、应答器与地面电子单元简介
应答器的主要用途是向车载ATP控制设备提供可靠的地面固定信息和可变信息。
应答器系统是一种采用电磁感应原理构成的高速点式数据传输设备,用于在特定地点实现地面与机车间的相互通信。
安装于两根钢轨中心枕木上的地面应答器不要求外加电源,平时处于休眠状态,仅靠瞬时接收车载天线的功率而工作,并能在接收到车载天线功率的同时向车载天线发送大量的编码信息。
安装于机车底部的车载天线不断向地面发送功率并在机车通过地面应答器时接收来自应答器的编码信息。
地面电子单元(LEU)是故障安全型设备,为信号系统与应答器之间提供接口,主要有以下功能:
1)接收外部发送的应答器报文并连续向应答器转发。
2)当输入通道故障或LEU内部有故障时,向应答器发送预先存储的默认报文。
3)当有车载天线经过有源应答器上方时,LEU不转换新的报文。
4)一台LEU可以同时向4台有源应答器发送4种不同的报文。
5)设备自检及事件记录,并向外部设备上传。
三、模型建立
模型的建立采用的方法即自上而下的建模方式,首先将模型大致的功能模块划分后,再将每个功能模块下涉及到的物理结构填补完整,展开为各个子系统。
应答器及地面电子单元建模的顶系统分为六部分:
LEU、四个应答器、车载设备。
由于四个应答器内部结构一致,因此可靠性分析过程中只选用一个应答器作为分析对象。
如图3.1所示:
图3.1顶系统模型
1.LEU内部建模分为四部分:
电源板、处理器板、串行通信板、应答器驱动板。
如图3.2所示:
图3.2LEU内部建模
2.应答器内部建模分为五部分:
与LEU接口模块、应答器控制模块、与车载设备接口模块、报文存储、制造信息存储。
如图3.3所示:
图3.3应答器内部建模
1)与LEU接口模块建模如图3.4所示:
图3.4与LEU接口模块建模
2)与车载设备接口模块建模如图3.5所示:
图3.5与车载设备接口模块建模
3.应答器车载设备模块如图3.6所示:
图3.6车载设备模块
四、模型可靠性分析
4.1系统可靠性分析
由第三节中系统的组成单元及关系,画出产品树。
在此说明,由于此系统的各个单元的失效率参数没有找到,这些单元的失效率参数是自己设定的,仅供实验。
如图4.1所示:
图4.1应答器和地面电子设备系统产品树
由前述可知,此系统主要有三大模块组成,在此对三大模块的失效率百分比进行了分析,分析结果如下图4.2所示:
图4.2各单元失效率百分比
图4.3产品树结构
4.2RBD分析
由应答器和地面电子单元设备系统的结构可得画出此系统的RBD框图,由于框图单元过多,而每个RBD中最多只能添加8个框图,故使用RBD嵌套进行分析。
如下图所示:
图4.4系统RBD框图
其中,COMPONENT1和COMPONENT2如下图所示:
图4.5COMPONENT1框图
图4.6COMPONENT2框图
实验结果如图4.7所示,MTBCF=21347.37。
图4.7RBD分析结果
4.3故障树(FTA)生成和分析
RAMCommander是基于组件的建模,FTA的事故致因模型也是事件链的致因模型,即认为一个组件的失效导致另一个组件的失效。
因此,一个故障的产生是由与其相连的组件导致的。
因此模型安全分析需要以生成系统故障树为前提。
首先要明确组件之间的联系,确定每个组件的状态以及相邻组件之间的影响;其次需要对最顶层的系统模型中各个模块进行设置。
最终生成系统SYSTEM故障树如图4.8所示:
图4.8SYSTEM故障树
4.4最小割集计算
引起顶事件发生的基本事件的最低限度的集合叫最小割集。
应答器与地面电子单元模型中顶事件为行车许可发送,其输出的最小割集如下图4.9所示。
图4.9最小割集计算
最小割集在安全分析中的作用:
1、表示系统的危险性。
每一个最小割集都表示顶事件发生的一种可能,最小割集越多,说明系统的危险性越大。
2、表示顶事件发生的原因组合。
事故树顶事件的发生,必然是某个最小割集中基本事件同时发生的结果。
一旦发生事故,就可以方便地知道所有可能发生事故的途径,较快地查出本次事故的最小割集,就是导致本次事故的基本事件的集合。
3、为降低系统的危险性提出了控制方向和预防措施。
由事故树的最小割集可以直观的判断哪种事故模式最危险,哪种次之,哪种可以忽略,以及如何采取措施使事故发生概率降低。
由此可知,最小割集的计算将在实际应用中对整个系统的优化和故障分析起到很大作用。
五、总结
系统可靠性设计与分析这门课布置的这次作业是通过RAMCommander软件,对列车运行控制系统的应答器及地面电子单元部分进行模型的建立,并对模型进行一系列可靠性方面的分析。
在我看来作业只是一个学习和认识分析方法的一个过程,RAMCommander是一个使用起来很方便的软件,但是在以后分析问题的过程中不是每次都会利用RAMCommander,因此掌握RAM分析方法是我们以后做可靠性分析问题的关键。
而RAM分析方法的重中之重就在于在分析问题的过程中简化出正确的模型,再在生成故障树的基础上进行一系列的可靠性、故障树分析。
在刘老师的努力下,我们才有如此好的条件,利用RAMCommander软件对列车运行控制系统进行建模分析,从而对RAM分析方法有了深层次的了解。
实践一直是学习的最有效手段,如果没有实际动手操作的过程,是很难做到对方法的真正掌握的。
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- 关 键 词:
- 应答器 地面 电子 单元 系统 可靠性分析