第一章 绪论
1.1研究背景和意义
中国铁路始创于 1876 年，至今已有 100 多年的历史。从当初的第一条通信闭塞业务到今天的全网可控，中国铁路的发展可谓是突飞猛进。这其中不得不提的即是中国铁路通信网络，这条中国铁路专用的网络承载了音视频、数据传输、直通电话等多项业务，为中国铁路稳定运行提供了坚实的基础。因此，如何确保通信网络稳定安全就显得尤为重要。时至今日，中国铁路实现了时速 350KM/时的速度，在国际上达到领先的位置。高铁通信网络自然需要得到实时的监控以确保能稳定运行。需要维护工作人员对高铁通信网络设备充分了解，熟知性能，对各设备数据掌握，通过对网络的实时监控来完成将故障的频率降到最低，并且努力将故障发生后的损失降到最低。
信息对铁路系统整体运行是至关重要的，因此需要这样的一个通信网络来准确传送所需要的信息，自然要靠设备来实现，就像人与人、人与设备、设备与设备之间的信息交互，正是网络监控信息需求的重要性，让高铁通信系统越来越完善，使维护工作中的网络监控越发的重要。高铁通信监控关键设备稳定运行也尤为重要。此篇文章将高铁通信监控关键设备日常运行数据进行收集整理和统计分析，来对故障进行汇总分析，利用 FMEA 和 FTA 以及风险优先数对设备进行故障研究，为系统中各关键设备制定最适合的维护方式选择方案，达到系统稳定运行的目的。
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1.2国内外研究现状
1.2.1 通信监控关键设备重要度评估研究现状
网管设备重要度评估可分为设备的维护方式的抉择、维护的顺序及风险评价等方面给与数据支持。徐贤东、谈敏佳[2-3]依据设备特征差异选用 RCM 和预测理论根据设备不同而求得的重要度指数，且构建对应模型来作为维护模式的标准；高萍、吴甦[4]发表了文章时选用 MonteCarlo 方法对设备的重要度做出评估，有助于设备在运行过程中状况维护的实时抉择；杜富豪、吴润泽、陈文伟等人[5-6]发表文章中选取的重要度为研究目标，在其工作的电务系统中为维护的设备做风险评估。在设备的重要度评估方法研究方面，在设备重要度的文章里还有杨淮、敬加强、唐宗文[7]提出设备在实际使用中存在分布有差异的现状，因此选择使用 AHP 方法来解决此问题；文献[8]提出主观的传统方式很难对设备重要度进行评估，解决方案是使用模糊的数学理论进行数据的统计，此方法可以克服主观方法来完成设备重要度评估；文献[9]提出图像质量没有标准的问题，解决方式是构建一类框架来为图像质量提供参考标准，并结合回归法来提升设备特性。在电务系统方面，邓彬、郭创新、王越等人[10]提出新的问题，即天气因素未被纳入考虑范围，他们认为是现在设备重要度评估方法的缺陷，且很多方法并不适合实际中状况，所以提出解决方案，是选用 well-being 方法来解决上述问题，完成设备重要度评估；赵登福、段小峰、张磊[11]发表的文章中认为所有的损失都可以具体化，将此设为研究指标来搭建电务系统设备的重要度评估框架；郭嘉、何宇斌、韩宇奇等人[12]发表的文章中表明，为了将电信网障碍对电力系统造成的损失降到最低，首先需清除每个节点与中心的距离，将此设为研究指标来做设备重要度评估；文献[13]是对泰国的电务系统设备做了重要度评估，将设备运行寿命、运行状态、抗击能力、损耗、衰退、安全等作为指标实施的研究。
上述所介绍的文献中共同点是均将外部因素和设备风险因素作为研究指标，涉及范围都是电务系统方面或者设备方面。但上述设备有个共同不足是均没有想到设备运行中会有实时的状态变化，而这些变化会使设备重要度评估的准确性受到影响，所以需要将设备最常出现或者频率很高的一些故障做障碍整理和统计，依据统计所得数据判断相应设备对在整个系统稳定运行中的重要度。此种解决方案能解决上述文献研究成果的不足。
图 1-1 研究路线图
第二章 相关理论研究
2.1高铁通信监控关键设备相关介绍
随着铁路向现代化企业的迈进，新业务不断涌现，无纸化办公、客运服务信息管理、互联网售票、货运电子商务、车辆和铁路基础设施信息化管理等业务量急剧增加。作为信息化等业务的基础平台，需求的推动是铁路通信网发展的重要内动力,科技进步也为铁路通信网的升级换代提供了条件。由此可见，高铁通信监控关键设备在铁路通信网络中的重要性，只有对网络实时监控，才能确保无人机房和线路通道都能稳定可靠的运行，下面对高铁通信监控系统中的四大关键设备进行介绍。
（一）传输设备相关介绍
传输网设备是数据传送的通道，其功能是实现数据的传送，如终端与交换机之间、交换机自连接之间的信息传送。传输系统将终端和交换机搭建一起，构成网络。传输网设备在网络中承载各种语音、数据以及可视业务的传送任务。如果没有传输网设备就不能搭建网络，也就无法实现信息的传播。有线传输包含光电缆传输；无线传输包含 GSM-R、微波传输、卫星传输等。传输设备的优劣将导致网络运行的稳定与否。
传输网设备位于铁路传输网汇聚层和接入层，现有传输技术包含 SDH、MSTP、WDM、和 OTN 等。选取 SDH 多途径传输(MSTP)，建设时依据本线骨干和接入两层网设计,选取既有骨干层实施重要保护。干线通信线路采用两条分设在线路两侧的光缆，地区和站场内以光缆为主，根据业务需要适当布放相应的电缆。本线骨干层传输系统节点设备布设在通信枢纽、较大的车站、与既有网互联点，接入层传输系统节点设备可以布设在沿线多处机房。传输系统能提供 2.5 Gbit/s、622 Mbit/s、155 Mbit/s 光口，POS(622 Mbit/s、155 Mbit/s)接口，2 Mbit/s 电接口，以及 FE、GE 接口等。
高铁传输链路应用多种径路搭建。本线局干层传输系统以线性 1+1 拓扑网络为主,选取大于等于 SDH 2.5 Gbit/s 的指数级别，与既有通信传输系统的互联采用 SDH 155 Mbit/s 及以上光口；接入层构成一个和多个自愈环，选取不低于SDH 622 Mbit/s 速率等级；站内多个通信接入接点搭建环型网络。
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2.2设备故障诊断方法相关介绍
设备故障诊断是确保设备稳定运行的保障手段，需要对设备充分了解才可以轻松实现，故障诊断有很多方法，分为三大类大类。
第一类是传统的故障诊断方法，此方法属于主观故障诊断方法。主观的故障诊断主要是指人为判断，根据日常对设备的维护和检测，熟知设备正常运行时的状况，发现异常可轻松判断设备出现了故障。设备的故障征兆是此种方法判断设备故障的重要信号，需要根据这些征兆信号对号入座来判断相应的故障。比如依据设备运行的指示灯有无异常、声音有无异常、有无告警、数据检测是否正常等来判断。此种方法的优点是可以根据设备故障征兆快速直接的判断故障，但是缺点是可以监测的范围非常有限，且不能预测即将发生或者会发生的故障。同样，还会有一些判断方法，比如层次分析法（AHP），此种方法需要人为主观的打分来算出权重，这样也接入主观因素，这种方法缺点是人为因素会干扰故障诊断的准确性。
第二类是故障智能诊断方法，此种方法是结合第一种方法，再将人工智能融入进来，是当前最普遍使用的方法，也是故障诊断领域开辟出的一条新道路。故障智能诊断方法是将曾经需要交给人工完成的推理、统计、决策、抽象等功能交由计算机来完成，实现人工智能化。当前，基于浅知识和深知识的专家系统反响很好，且被普遍选用。深知识专家系统是有浅知识专家系统发展而来，克服了浅知识的缺点，获得了新的算法。当遇到复杂的设备时，可将甚至是专家系统与浅知识专家系统相结合，取得更好的效果。
第三类是故障诊断的数学方法，需要不断学习科技最前沿的知识，并选用相对性的数学方法。若将故障诊断看作一门学科，那么这门学科仍在不断探索和发展的阶段里。当前利用数学工具实现的故障诊断方法有基于模式识别的诊断方法、基于概率统计的诊断方法、基于模糊数学的诊断方法、基于可靠性分析和故障分析的诊断方法，以及神经网络、小波变换、分形几何等。
表 3-1 传输网设备故障统计分析表
第三章 高铁通信监控关键设备故障统计分析 ................................ 13
3.1 传输网设备故障模式统计分析 ................................................... 13
3.2 接入网主系统设备故障模式统计分析 ......................................... 16
第四章 高铁通信监控关键设备故障模式影响分析 ............................... 25
4.1 使用阶段 FMEA 分析方法特性 ........................................... 25
4.2 传输网设备故障模式影响分析 ................................ 26
第五章 高铁通信监控关键设备故障树分析 ............................. 45
5.1 故障树技术 ........................................... 45
5.2 高铁通信监控关键设备故障树模型建立 .......................... 47
第六章 基于设备重要度及风险优先数的维护策略研究
6.1设备重要度分析
本小节选用了一种评估方式，是基于第四章 FMEA 和第五章 FTA 的关键设备重要度评估方式。此种方式是基于 FMEA 理论依据对收集的高铁通信监控关键设备故障数据进行分门别类，在第三章和第四章整理的 FMEA 数据结果上，构建高铁通信监控关键设备的FTA框架，并对其FTA框架进行定性和定量分析，通过上一章节中对高铁通信监控关键设备进行定量分析，在有备用的情况下和无备用的情况下分别计算其失效率和可靠度。与此同时，本章节将统计高铁通信监控关键设备的概率重要指数，还需对每个关键设备重要指数进行统计比较，分析得出传输设备、接入网主系统、V5 接入设备和接入网用户系统中哪些设备是对高铁通信监控系统影响较大的设备。
需要被检测的设备在所检测的整体中所占的比例即为该设备重要指数。对高铁通信监控关键设备的重要指数进行统计比较，可以为日常维护工作人员的工作安排及相关维修措施的改进提出有效依据。
根据以上统计比较可以推出，关键设备的重要指数与最小故障树的数量密切相关，对最小故障树的数量进行从少到多的排列。
根据定量分析原理，高铁通信监控关键设备的元器件差异障碍分类产生的差异，及元器件有效年限的差异，分布函数必然有差异；所以，只有对高铁通信监控关键设备的重要指数进行定量统计，并对其重要度指数结果采取比较的形式，这样的统计结果才更有依据。此篇论文将传输设备、接入网主系统、V5 接入设备和接入网用户系统这四个关键设备作为统计的元素进行重要指数的统计和比较，对每个关键设备重要比例的描述选择采用重要指数来进行。
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第七章 总结与展望
7.1论文总结
此篇论文选用故障模式影响分析法（FMEA）根据现有工作岗位上收集并整理了高铁通信监控关键设备的相关数据，包括设备日常运行可能出现的所有故障类型和设备维修方式等信息对设备现存维护模式提出改进。FMEA 分为四个阶段，即：设计阶段、制造阶段、使用阶段、建筑施工阶段。本篇论文属于使用阶段，对已投放使用的设备进行故障模式影响分析。文章逻辑是首先利用故障模式影响分析法（FMEA），根据在现场整理出来的这些设备故障模型的相关信息，建立这些关键设备的故障逻辑分析表，通过 FMEA 分析多得数据来构建系统故障树（FTA），对故障树进行定性和定量分析来得出高铁通信网络监控关键设备的各个重要度，并将重要度最高的设备进行风险优先数计算。来提升对设备的了解度，依此数据对每个关键设备制定符合的维护模式，来实现对现有设备维护模式的改进，具体如下：
首先，整理故障统计分析表。本文将高铁通信监控关键设备从功能实现出发，将日常运行中最常出现及可能会出现的故障数据进行收集整理，依据部件、潜在失效模式、潜在失效原因分析及维修措施等项目统计汇总成故障统计分析表。
其次，对故障模式进行故障影响模式分析（FMEA）并构建故障树（FTA）。本文选用使用阶段故障模式影响分析法（FMEA）对故障统计分析表中的潜在失效模式依据故障征兆、检测方法、原因分析和维护措施等项目进行分析并汇总成FMEA 表。利用故障树法将上述分析所得潜在失效模式绘制成故障树模型，依据最小故障树底事件概率推算出各设备重要度数值。
最后，计算重要度及风险优先数（RPN）。依据维护模式特性要求将计算所得重要度数值最高的设备进行风险优先数计算。根据计算结果改善现有维护模型，并对改善后的效果进行阐述。
参考文献（略）