Новые микропроцессорные и компьютерные системы электрической централизации, которые внедряются на сети дорог, должны иметь количественные оценки своей безотказности и безопасности. Это положение связано с требованием закона Российской Федерации «О федеральном железнодорожном транспорте» (1995 г.). В статье 13 этого закона записано, что технические средства и механизмы, поставляемые железнодорожному транспорту, подлежат обязательной сертификации на соответствие требованиям безопасности движения. По этой причине разработчики должны выполнять доказательство безопасности своих систем, конечной целью которого является обоснование декларируемых показателей безопасности и безотказности.

Для оценки безотказности систем и объектов используются четыре основных вероятностных показателя: вероятность безотказной работы , вероятность отказа , интенсивность отказов  и средняя наработка до отказа Т.

Вероятность безотказной работы  – вероятность того, что за время t отказ объекта не возникает.

Вероятность отказа  – вероятность того, что за время t объект откажет.

Исправная работа и отказ в течение времени t являются несовместными событиями. Поэтому

 +  = 1.                                     (3.1)

Интенсивность отказов  – отношение числа отказавших объектов в единицу времени к среднему числу объектов, исправно работавших в данном интервале времени при условии, что отказавшие объекты не восстанавливаются и не заменяются исправными.

Величина  указывается в справочниках и определяется статистически по формуле

,                             (3.2)

где  – интервал времени испытаний;  – число объектов, отказавших на интервале ; ;  – число исправных объектов в момент времени ;  – число исправных объектов в момент времени .

График зависимости  показан на рис. 3.5. Он имеет три участка: приработки ( ), нормальной работы ( ) и старения ( ). На участке нормальной работы, когда старение элементов отсутствует, величина  =  const. При этом справедлив экспоненциальный закон надежности:

, .                         (3.3)

Из формулы (3.3) следует, что надежность объекта убывает со временем по экспоненциальному закону (рис. 3.6) и тем быстрее, чем больше величина .

Средняя наработка до отказа Т есть математическое ожидание наработки объекта до первого отказа. Она определяется по формуле:

,                         (3.4)

т.е. при экспоненциальном законе надежности средняя наработка до отказа обратно пропорциональна величине интенсивности отказа.

Для оценки безопасности СЖАТ применяются аналогичные четыре показателя.

Вероятность безопасной работы  – вероятность того, что за время  опасный отказ объекта не возникает. При этом предполагается, что в начальный момент интервала времени  система находится в исправном или работоспособном состоянии, но не находится в защитном состоянии.

Вероятность опасного отказа  – вероятность того, что за время  опасный отказ объекта наступает хотя бы один раз.

Интенсивность опасных отказов  определяется в результате испытаний по формуле:

,                                   (3.2)

где  – интервал времени испытаний;  – число объектов, имевших опасный отказ за интервал времени  при условии, что объекты, которые имели защитный отказ, немедленно заменялись новыми.

Значение

,

где  – число работоспособных объектов в момент времени ;  – число работоспособных объектов, не имевших опасных отказов к моменту времени .

Средняя наработка до опасного отказа  – математическое ожидание наработки объекта до первого опасного отказа.

Указанные показатели безопасности рассчитываются по формулам, подобным формулам (3.1)–(3.4). Результаты расчетов, основанных на многолетних статистических данных, приведены в табл. 3.2 и 3.3 [3.3].

Т а б л и ц а  3.2

Устройство	Интенсивность опасных отказов  1/ч	Вероятность безопасной работы в течение 5 лет
Реле	1,4 × 10–11	0,9999994
Светофоры	2,4 × 10–10	0,9999895
Рельсовые цепи	2,7 × 10–9	0,9998817
Релейные шкафы	2,6 × 10–9	0,9998861

Т а б л и ц а  3.3

Устройство	Измеритель	Интенсивность опасных отказов  1/ч	Вероятность безопасной работы в течение 20 лет
Электрическая централизация	Станция	1,8 × 10–7	0,9685
	Стрелка	7,7 × 10–9	0,9987
Автоблокировка	Сигнальная точка	9,2 × 10–9	0,9984
	Протяженность линии, км	7,0 × 10–9	0,9988
Автоматическая переездная сигнализация	Переезд	5,6 × 10–9	0,9990

Данные значения показателей совместно с их экспертными значениями используются при нормировании безопасности вновь разрабатываемых систем. Особую роль играет величина  для реле первого класса надежности, с которой можно сравнивать показатели безопасности других элементов и систем. В табл. 3.2 для реле указана величина  = 1,4 × 10^–11 1/ч. Это значение достаточно близко совпадает с экспертными оценками, полученными различными методами [3.4]. Учитывая это, в качество оценки значения интенсивности опасных отказов для существующих реле первого класса надежности принят диапазон значений  = 10^–11…10^–12. Нижняя оценка (10^–12) определяет норму  для вновь разрабатываемых реле и безопасных элементов. При этом исходят из концепции «замещения риска», т.е. безопасность вновь разрабатываемых элементов должна быть по крайней мере не хуже безопасности существующих элементов. В соответствии с этой концепцией в табл. 3.4 приведены нормы  для элементов и устройств СЖАТ.

Т а б л и ц а  3.4

Элемент, устройство	Норма безопасности  1/ч (не больше)
Безопасный элемент	10–12
Реле I класса надежности	10–12
Рельсовая цепь	10–9
Схема управления светофором	10–10
Схема релейного шкафа	10–9

Рассмотрим теперь вопрос нормирования безопасности для МПЦ. Одна из первых таких оценок была принята на совещании экспертов стран Восточной Европы по теме «Централизация стрелок и сигналов на микропроцессорах» (Румыния, 1984 г.) относительно управляющего вычислительного комплекса (УВК) микропроцессорной централизации (без напольных устройств). Безопасность МПЦ определена как вероятность  того, что в системе в течение заданного интервала времени  произойдет опасный отказ при условии, что в начале интервала система была в исправном состоянии. Было установлено, что для нормированного маршрута при средней нагрузке 50 рейсов в сутки должно выполняться неравенство

,

где  – период диагностики системы.

Если принять  = 10 мин, то получаем

 1/ч.

Данное значение близко к оценке интенсивности опасных отказов японской системы микропроцессорной централизации SMILE  [3.5]. Реальное значение  (табл. 3.3) определялось с учетом отказов и напольных устройств. Поэтому в качестве норм безопасности для МПЦ принимается значение  на одну стрелку и  для управляющего вычислительного комплекса (табл. 3.5).

Т а б л и ц а  3.5

Система	Измеритель	Норма безопасности  1/ч (не больше)
МПЦ	Стрелка
	УВК

В эксплуатируемых на сети релейных системах ЭЦ число реле, приходящееся на одну централизованную стрелку в среднем  = 60¸80, в том числе для наборной группы  = 12¸16, для исполнительной группы = 48¸64. Интенсивность защитных отказов реле I класса надежности  = (1,1¸1,3) × 10^–7 1/ч, интенсивность опасных отказов  = .

Для указанных значений можно определить укрупненные показатели величин  и  постовой аппаратуры ЭЦ, приходящихся на одну стрелку:

 =  = 1,3 × 10^–7 × 80 = 1,04 × 10^–5 1/ч,

 =  = 64 × 10^–12 = 6,4 × 10^–11 1/ч.

Таким образом, для данной станции с известным числом стрелок, оборудованной микропроцессорной централизацией, можно определить нижние допустимые значения  и .

При разработке МПЦ целесообразно выполнить разбиение ее структуры на три подсистемы: ядро управляющего вычислительного комплекса (УВК), устройство сопряжения с объектами (УСО), схемы непосредственного управления и контроля напольных объектов (СНУК) [3.6]. Для каждой подсистемы определяется удельный вес в сумме интенсивностей защитных и опасных отказов МПЦ. Будем считать, что интенсивность отказов УВК не зависит от числа стрелок на станции (с увеличением числа стрелок увеличивается в основном только объем используемого ЗУ). Кроме того, на первой очереди внедрения МПЦ схемы СНУК выполняются релейными и в системе остается в среднем  = 27¸30 реле на стрелку. Тогда в пересчете на одну стрелку имеем

 =  = 1,3 × 10^–7 × 30 = 0,39 × 10^–5 1/ч,

 =  = 30 × 10^–12 = 3 × 10^–11 1/ч.

Для  гипотетической  станции  с  одной стрелкой будем пренебрегать защитными отказами УСО. Тогда, считая, что  = 10^–11 1/ч (см. табл. 3.5) имеем

 =  –  = 0,65 10^–5 1/ч,

 =  –  –  = 2,4 10^–11 1/ч.

При большем числе стрелок N на станции в соответствии с принятыми допущениями принимаем, что  и  постоянны, величины  и  растут пропорционально N, а оставшаяся часть нормированных значений  и  приходится на аппаратуру УСО.

В табл. 3.6 приведено распределение защитных и опасных отказов между подсистемами МПЦ. Интенсивность отказов МПЦ определяется в основном УСО и СПУК, поскольку они имеют большой удельный вес в объеме аппаратуры и работают в сложных эксплуатационных условиях.

Т а б л и ц а  3.6

Параметр	Интенсивность отказов 1/ч при N
	1	30	50	100
	0,65 10–5	0,65 10–5	0,65 10–5	0,65 10–5
	–	18,85 10–5	31,85 10–5	64,35 10–5
	0,39 10–5	11,7 10–5	19,5 10–5	39 10–5
	1,04 10–5	31,2 10–5	52 10–5	104 10–5
	1 10–11	0,01 × 10–9	0,01 × 10–9	0,01 × 10–9
	2,4 10–11	1,01 × 10–9	1,69 × 10–9	3,39 × 10–9
	3 10–11	0,9 × 10–9	1,5 × 10–9	3,0 × 10–9
	6,4 10–11	1,92 × 10–9	3,2 × 10–9	6,4 × 10–9