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RAMS管理在城市轨道交通弱电系统设计中的应用


RAMS管理在城市轨道交通弱电系统设计中的应用

作者:石小忠

摘要:结合上海轨道交通10号线弱电系统设计项目的RAMS(可靠性、可用性、可维修性、安全性)管理实践经验,介绍了城市轨道交通设计中相关的RAMS的要素和作用、设计执行RAMS管理计划的目标,以及设计过程中的RAMS管理的实施方法等。在城市轨道交通项目中加强RAMS的应用有助于提高工程建设的质量。

关键词:城市轨道交通;RAMS;工程设计;弱电系统

上海轨道交通10号线的建设目标是建成一条高水准的线路,按照具备实行无人驾驶能力的标准(运营初期按有人驾驶方式过渡)进行建设。10号线施行综合监控,由线路控制中心对全线的视频监控、通信广播、列车控制、设备监控、防灾报警、乘客信息、时钟、自动售检票等系统实施高度统一的管理和调度,以进一步提高运营的效率和安全性。在10号线中还采用了基于通信的列车控制(CBTC)等关键性技术,以提高运营效率。

为保证线路在建成后能提供满意的服务和高度的安全性,并且超越既有轨道交通线路的自动化程度,项目研究阶段采纳了法国SYSTRY公司提供的咨询建议,决定对项目实施RAMS(可靠性、可用性、可维护性、安全性)管理程序。10号线于2010年4月正式投入运行,至今效果良好。

1 城市轨道交通RAMS管理的要素及其相互关系

RAMS管理是指可靠性、可用性、可维修性、安全性管理。轨道交通l认MS各要素之间的关系如

图1所示。欧洲标准EN 50126和国家标准GB/T21 526--201)8中,对城市轨道交通应用RAMS进行了描述:(1)可靠性(Reliability),指系统或产品在规定的条件和规定的时间间隔内,完成规定功能的能力;(2)可用性(Availability),在要求的外部资源得到保证的前提下,系统或产品在规定的条件和规定的时间间隔内处于可执行规定功能状态的能力;(3)可维修性(Maintainability),在规定的条件下,使用规定的程序和资源进行维修时,对于给定条件下的产品在规定的时间间隔内,能完成指定的实际维修工作的能力;(4)安全性(Safety),无不可接受的风险影响的特性。

图1轨道交通RAMS各要素之间的关系图

轨道交通系统RAMS受来自3个方面因素的影响:来源于系统生命周期任何阶段的系统内部的失效(系统环境)、运营过程中强加给系统的失效(运营环境)和在系统维修工作中强加给系统的失效(维修环境)。为实现可靠的系统,需要确定影响系统RAMS的因素,估计其影响,并且在系统生命周期内应用适当的控制手段,使系统性能得以优化,影响得到控制。RAMS和保障管理的主要方面如下:

(1)施工阶段的人身安全。包括了工地事故和对周围建筑物的破坏,需按照合适的设计方案和工作程序进行处理。

(2)运营期乘客和运营人员的安全,包括可预见性事故。这一部分包括了对乘客和员工可能产生的伤害。这些事故需按照合适的设计和运营程序进行处理。

(3)系统的安全。保护系统不受外部因素的影响,包括人为因素对系统造成的破坏。这些破坏会按照接入控制和现场监控的适当方法进行处理。

(4)运营和施工阶段的环境保护。这一部分包括了因系统本身而造成的环境破坏。这些破坏会按照合适的设计和运营程序进行处理。

2 设计执行RAMS管理计划的目标

实施RAMS保障管理计划是为了使RAMS和保障文件能成为工程建设方、设计方、系统总(分)承包商、运营部门工作的一部分。因此,RAMS和保障问题是建设、设计、施工、运营等各个阶段分开处理的主题,但同时,它们之间又是密不可分的一部分。因此,在建设方案研究和设计阶段,实施RAMS管理程序必须要进行充分的研究和策划,以保证运营后能达到以下目标:

1)实现主要安全和保障。预见并保护城市轨道交通运营后的人身及设备环境,避免因设备的设置和维修而产生伤害,有效地预防危险事故的发生。保护人身及设备环境的途径主要有保证各设备正常运行、防止事故的发生,以及降低事故的影响程度并减少其范围。项目开展的安全活动立足于避免潜在事故对运营活动的影响,并采取相应措施以证明达到或者超过了设定的安全目标。如应避免的主要潜在事故有:乘客或员工在车站或车辆上的意外受伤、触电、烧伤、火灾或爆炸等。

2)实现良好的可靠性、可使用性和可维修性。包括:保证服务的连续性;从设计人手,减少系统的故障可能性;按服务质量要求,优化冗余设备的数量,减少设备的维修次数;限制特殊设备的数量;简化维修。

3 设计项目中RAMS管理的重点

城市轨道交通项目需在系统规划和设计过程中,制定明确且量化的可靠性指标,故障影响的可能性:(1)提供良好的系统设计质量以保证服务的连续性;(2)在设计过程中提供必要的手段,大幅度降低系统整体故障的可能性;(3)按系统的服务质量要求,设计方案中设置合理的设备冗余措施,提出合理的设备寿命指标,来优化设备的可使用性,减少设备维修次数和时间;(4)系统设计中,注重系统结构和设备配置的标准化,限制特殊设备使用量并力求简化系统结构,以降低维修和系统局部更新维护的难度,提高运营期的可维修和可管理性。

3.1系统安全管理

安全风险的控制采取由上至下和由下至上的程序相结合的方法来完成。由上至下的程序是由业主组织的初步危险分析为主导,设计方主要控制技术方案对于建设过程及运营过程的影响。由下至上的程序是由各子系统承包商通过相关具体安全分析完成的。在收到详细的设计方案后,系统总承包商需在他们的工作范围内进行危险鉴别,以系统地鉴别相关的危险,避免危险的发生。

3.1.1初步危险分析

设计方需要按照已批准的《设计系统安全计划》的规定,开展初步安全设计,进行初步危害分析。初步危险分析鉴别了所有的危险情况(风险)。危险情况是指在特定地点和时间发生的一般危险的集合。初步风险分析的基础在于:建立在运营商经验的基础上的风险调查列表、同类项目的危险因素分析结果和各子系统本身的安全风险标准要求。以上海轨道交通10号线项目为例,设计方编制完成了信号系统、通信系统、自动售检票、综合监控系统(供电监控PSCADA单元、车站设备监控单元、乘客信息PIS单元、视频监视CCTV单元、广播信息PA发布单元、火灾自动报警FAS子系统、门禁自动控制ACS子系统、车载运输管理TMS子系统、运输调度管理TDMS子系统)的设计关键事项登录表。同时分别对轨旁ATP/ATo(列车自动保护/列车自动运行)、数据通信子系统DCS轨旁骨干网、列车自动监控系统ATS、通信传输线路与系统、无线通信、车站设备监控、闭路电视中断、广播信息中断、FAS、ACS危害进行分析,编制完成弱电各子系统的初步危害分析记录表。

3.1.2提出危险发生的频率、程度等通常,初步危险分析应将各类风险进行分类,以方便制定项目建设过程中系统的安全风险管理。风险是指危险事件发生的可能性和严重性的集合。报告的内容一般宜包括概况、设计关键事项登录、初步危害分析记录表、危害统计、结论、其它需要跟踪处理的事项实施建议等。

初步危害分析文件中的《危害记录表》,在施工图设计阶段应保持继续更新和跟踪处理。在项目的后续阶段,需由各阶段的承包或实施单位指派专人负责,对危害记录表罗列的危害事项和保持更新识别的危害进行减低风险处理和持续监察,确保所有危害不再对最终的安全有影响,并将处理事项和结果补充记录在表中。

(1)危险事件的发生频率。危险事件的发生频率按照系统寿命周期内发生的可能性,可分为6个等级,如表1所示。

表1危险事件的可能性分级


(2)危险事件的严重程度。危险事件对人身或环境造成影响的严重程度,可分为4个等级,如表2所示。

表2危险事件影响分级

若危险事件对环境、个人和服务同时造成影响时,其严重等级应上调一级。假如一个事件对个人和服务同时造成了“次要”级影响,该事件的严重等级应被识别为“严重”。

(3)安全风险分类。安全风险分类必须综合发生频率和危险事件的严重程度,据此来评估和分类各自造成的危害。风险分类的划分等级如表3所示。

表3记录的重大危险应由业主定期进行审核。所有1、2级的危险必须保持被有效监督并持续处理,直到它们降级为3或4级的危险。

如果设计发生更改,系统总承包商、其他承包商和相关的分包商等应在他们所负责的项目范围内,审核因设计方案变化而引起的所有可能发生的危险,并确定设计上的更改是否引起了新的危险,相关危险的描述、风险等级及风险降低方法是否需要更改。系统总承包商应对此进行审核。并需要特别重视相互间的接口。同时,还应确定项目新的风险等级和降低风险的方法。

表3安全风险分类

3.1.3提出危害分析结论意见+

根据危害记录统计数据,针对在初期危害分析中发现的不理想和可容忍级风险,必须按照要求在后续设计中落实采取的各种技术措施,使其风险程度得到降低和消除,保证系统设备的安全程度可以被接受。分析报告必须提出相关的具体建议,从技术方案上形成可以追踪的指导性文件,使得在初步危害分析中发现的危害,一方面在施工图方案中提供相应的技术措施予以克服;另一方面,在施工图设计阶段后,危害的分析和建议必须交给承包商继续跟进,由其通过结合具体实施方案进一步研究和分析这些危害,提出进一步减轻危害的措施,并在后续过程中予以实施。上海轨道交通10号线建设工程技术要求较高,尤其是信号和综合监控系统采用了最新技术,其风险因素涉及运营、设备及人身安全。在设计、招标、安装施工、调试和试运营等阶段,重点对这两个系统的风险因素进行了研究并保证降低其风险等级。

3.2系统RAM管理

城市轨道交通的运营目标是提供具有可靠性、可维修陛、可使用性的服务。其服务的可靠性取决于对城市轨道交通车辆运行造成影响的故障,服务的可维修陛取决于故障发生后迅速恢复服务的能力,而服务的可用性则取决于可靠性和可维修性两方面的综合。可靠性和可用性设计必须系统地进行,可选用如事件树分析(ETA)、故障树分析(FTA)和故障模式影响和严重性分析(FMECA)等技术。

1)RAM目标。RAM目标分为服务和技术2个层面。

(1)高水平的服务,取决于列车的准点程度以及延误的频次和程度。影响系统服务可靠性的故障被分类为严重、重要、次要。

(2)系统设备具有的高可靠性、高可维修性和高可用性,并考虑结合维修人员的能力以及使用要求使设备在生命周期内满足使用指标。服务可使用性的目标应明确各子系统的平均故障时间间隔(MTBF)和平均修理时间(MTTR)。设备故障可导致线路运营的混乱。故障影响可分成严重、重要、一般、非紧急4类。

(3)对服务的可靠性会产生严重影响的设备鉴别,需建立在初步分析的基础上。初步分析应汲取各参与方在同类系统的建设经验,特别是需要收集承包方的反馈数据,在初始阶段努力消除任何隐患。

2)RAM设计。一方面,要定义RAM要求,并最终通过工程承包商审核MTTR和MTBF要求;另一方面,设计阶段进行RAM设计应考虑初步设计阶段和施工图的分阶段设计。RAM活动应考虑故障模式影响和严重性分析(FMECA),高级可行性计算(硬件和软件),最终应由承包商通过在运营后保证期内的定期跟踪,并完成RAM目标的验证。

3.3安全保障要求

根据我国的项目建设体制,在项目设计阶段,需由设计院进行设计、接口、测试、试验、试运行、运营和维修方面的危险分析。系统总承包商则应承担协调、管理、审核危险分析活动。所有危险分析的结果必须被记录在危险日志中,其中包括所作的假设和深入的分析、测试试验阶段的试验和审核、具体的运营培训程序等。

安全风险管理建立在安全风险目标的基础上。安全风险目标应考虑到合理可行的最低限度原则(ALARP)。在实际过程中,系统总承包商可以提出其它的补充原则,前提是这些原则是行业公认的,并且至少能满足ALARP的要求。

对于轨道交通项目而言,无论是针对乘客个人、员工个人还是公共群体的风险,都必须考虑可容忍的限度(LOT)和可接受的限度(LOA)两个指标,并确定一个能够实施的指标值。在建设过程中,建立在系统风险目标基础上并分配到各子系统的风险标准,在确保得到业主同意后实施方能形成实际效果。

4 设计项目中RAMS管理的实施

RAMS管理计划的目标是一个覆盖从建设到运营全过程的活动,业主牵头组织下编制的工程建设阶段RAMS管理计划将作为指导方针,指导各承包商建立各自部分的RAMS管理计划。因此,建设、设计、施工、运营等各方都需各司其职,针对不同的阶段、需求分别进行编制,最终形成一个完整的计划文件。

由于地铁运营方式的高效性和机电系统的复杂性,以及各种设备之间与土建工程的高度相关性,某一系统的RAMS管理并不能仅仅局限于系统本身。如综合监控系统管理计划除了必须考虑综合监控系统平台、列车自动控制、列车自动监控、电力远动、通信、屏蔽门、自动售检票、设备监控、防灾报警等系统之外,还必须应用于区间线路、轨道、车辆段(停车场)、设备机房、车辆、运营控制中心、供电、牵引供电系统及其他相关的设施。

项目的总体设计单位和分项设计单位,根据计划的开展时机,需在各设计阶段考虑设置RAMS组织机构(项目总体负责人、安全保障设计负责人、专业),编制并提交针对设计工作展开的RAMS管理计划,并在计划得到批准后负责实施;通过编制技术规格书、参加工程协调会和设计联络会等方式,检查、协调、审核设计阶段的设计技术质量和安全保障,并督促按照计划进行落实。

5 结语

通过近几年的摸索,城市轨道交通项目RAMS管理虽已有了一定的经验,但在实际操作中依然存在一定的困难和不适应。为了进一步提高工程建设的质量,加速建设、设计、施工、监理等各方面的经验积累,防止质量缺陷等现象,加强RAMS管理等手段的应用是极其必要的。



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