道路交通信号控制机可靠性设计与分析
曾艳萍
连云港杰瑞电子有限公司，连云港 222006
【摘要】针对道路交通信号控制机使用环境、功能和结构特点，提出了道路交通信号控制机的可靠性设计与分析方法。结合可靠性设计理念，提出了面向道路交通信号控制机的可靠性设计原则，并基于实践经验提出了针对性设计解决措施，建立了整机可靠性模型，进行了可靠性预计、分析和验证，为同类道路交通信号控制机的研发设计和现场运行维护提供了理论依据。
【关键词】道路交通；信号控制机；可靠性设计；可靠性分析
Reliability Design and Analysis of Road Traffic Signal Controller
Zeng Yanping
Lianyungang JARI Electronics Co.，Ltd.，Lianyungang 222006
Abstract: according to the use environment, function and structure characteristics of road traffic signal controller, the reliability design and analysis method of road traffic signal controller is proposed. Combined with the concept of reliability design, this paper puts forward the reliability design criteria for the road traffic signal controller, and puts forward the targeted design solutions based on practical experience, establishes the reliability model of the whole machine, and carries out the reliability prediction, analysis and verification, which provides a theoretical basis for the R& D design and field operation and maintenance of similar road traffic signal controllers.
Key words：road traffic;signal controller;reliability design;reliability analysis
1 引言
道路交通信号控制机作为道路交通信号控制系统的前端设备，需长时间不间断运行，且主要安装在城市道路交叉路口，甚至是绿化带等区域，其运行环境有着明显的日晒、雨淋、高湿、雷电等露天恶劣环境特征，同时还需应对周围环境中各种电磁源干扰，这些因素对道路交通信号控制机的可靠性提出了更高的要求。因此，本文基于可靠性设计方法，在满足道路交通信号控制机功能和性能基本需求基础上，着重结合道路交通信号控制领域工程实践和经验，针对影响道路交通信号控制机可靠性的关键问题和潜在问题逐一进行了分析和强化设计，实现道路交通信号控制机的可靠性能力提升。
2 道路交通信号控制机功能分析
道路交通信号控制机的主要功能单元包括：供电单元、主控单元、驱动输出单元、人机交互单元、检测单元和应急黄闪单元等，其主要功能是根据主控单元中预设运行参数及实时采集的现场交通流数据等信息形成优化配时方案，并根据方案实时输出对交叉路口道路交通信号灯的驱动控制指令，实现对交叉路口道路交通信号灯的实时控制，达到对交叉路口各方向交通流进行实时有序控制及疏导的目的，其功能单元组成如图1所示。其中，主控单元负责与远程的城市交通指挥控制中心、人机交互单元及道路交叉路口的倒计时器等现场设备进行信息交互，对采集的交叉路口交通流数据进行综合分析和处理，生成配时优化方案；供电单元负责为道路交通信号控制机各功能单元提供稳定可靠的DC24V/DC5V工作电源；驱动输出单元按接收的控制指令控制交叉路口各方向道路交通信号灯的显示状态，并实时检测道路交通信号灯工作状态，将检测的信息反馈给主控单元进行道路交通信号灯状态诊断和控制；人机交互单元通过触摸操控和显示界面等方式，负责为道路交通信号控制机参数设置和查询提供人机交互，并能进行道路交通信号控制机运行状态和参数配置的综合显示；检测单元负责实时检测交叉路口各车道通行车辆的车速、车型及数量等信息；当主控单元、驱动输出单元或交叉路口道路交通信号灯等设备异常时，应急黄闪单元负责接管并控制交叉路口道路交通信号灯的驱动输出，道路交通信号控制机控制结构如图2所示。
图1 道路交通信号控制机功能单元组成
图2 道路交通信号控制机控制结构
3 道路交通信号控制机可靠性设计
3.1 器件选型
在元器件选型时，优先选用满足可靠性要求的相应质量等级标准元器件。如道路交通信号控制机主控单元中所使用的关键ARM处理模块、CPLD可编程逻辑处理器、DC/DC电源变换器及RS485、LAN、USB、RS232等各接口类型的通信芯片等元器件的选型，除考虑各元器件的温湿度、抗电磁干扰能力、封装形式等相关指标外，还针对道路交通信号控制机在道路交叉路口露天工作的特殊环境特点考虑了其环境适应性及维修性指标，并综合设备成本及经济效益等因素考虑了元器件的自身处理能力、容量、功耗及可扩展资源等重要性能及技术指标。对于未明确可靠性指标的元器件，在道路交通信号控制机的设计过程中，进行了可靠性预计。
3.2 降额设计
采用降额使用的设计方式，使元器件工作时所受的应力低于其规定的额定值。如在道路交通信号控制机驱动输出单元中晶闸管控制电路的使用及设计时，针对其所带负载的大小及类型不同，以及控制输出状态的频繁闪烁的使用要求，除采用加装散热面积大、导热性好的散热片进行传导散热的热设计外，还针对其动态特性dVD/dt和dlcom/dt及极限特性dlT/dt和IT（RMS）等电性能参数依据相关降额等级和降额因子进行了一定程度的降额设计，确保驱动输出控制单元的低故障率和高可靠性。
3.3 模块化设计
道路交通信号控制机主控插箱采用模块化设计思想，各功能单元板均使用标准4U（1U=44.45mm）插件式结构，所有功能单元板通过底板上的数据总线接口进行相互连接和信息交互，可保证相同功能的插件能够互换，以提升可维修性，有效减少道路交通信号控制机内部接线和接口设计，其结构外形如图3所示。该主控插箱也可作为独立于室外柜体的单元进行生产、调试及维修，携带方便，拆卸简单，可维修性强。
图3 道路交通信号控制机主控插箱结构外形
3.4 冗余设计
针对道路交通信号控制机的可靠性薄弱环节及其关键性功能进行冗余设计。如道路交通信号控制机对道路交通信号灯的驱动输出及控制设计中，采用了“负载状态自检测”的电路设计和“应急黄闪单元”的冗余设计，通过驱动输出单元上的道路交通信号灯状态自检测功能实时检测交叉路口道路交通信号灯的当前状态与驱动输出控制信号的一致性。当检测到两者状态不一致时，则认为故障，主控单元将自动隔离驱动输出单元，并强制切换为由“应急黄闪单元”接管道路交通信号灯状态的输出控制，确保道路交叉路口道路交通信号灯正常显示输出，并将道路交叉路口的现场故障情况实时上报至远程的城市道路交通指挥控制中心，便于交通管理部门及时掌控交叉路口的现场故障状态，及时安排故障维修。
3.5 电磁兼容和抗干扰设计
为确保道路交通信号控制机检测单元检测的数据准确，并避免将外部干扰信号引入检测单元，检测单元采用光耦器件隔离的方式进行线圈信号接收和处理，防止由线圈引入的外部干扰信号对检测单元中CPLD可编程逻辑处理器和DC/DC电源变换芯片造成随机性损坏；同时在CPLD可编程逻辑处理器中使用了成熟的消抖电路对检测到的线圈信号进行预处理，防止主控单元因误检测所形成的不真实数据而导致的配时优化方案不合理或误动作等，如图4所示。同时在进行道路交通信号控制机主控单元和驱动输出单元等其他功能单元电路板设计时，还充分考虑了强电、高频信号、电磁传导及耦合等电磁干扰因素，采用了屏蔽、隔离、滤波、接地等设计方式进行了电磁兼容和抗干扰处理。
图4 检测单元检测信号消抖实现电路示意图
3.6 热设计
针对道路交通信号控制机驱动输出单元中晶闸管工作时发热量大的特点，热设计时进行了冷却方法的选择、元器件的安装与布局、印制电路板散热结构的设计和室外机柜散热结构的设计等综合热设计。一是通过在热源晶闸管上安装导热系数大的散热片及主控插箱等结构件选用导热性好的金属材料以增强传导散热；二是通过主控插箱开孔（图3）及室外机柜顶部加装风扇增强对流来散热；三是通过对晶闸管之间和其他元器件之间进行合理布局及加大印制电路板相关印制线宽度增强辐射散热，保证了道路交通信号控制机驱动输出单元长时间运行的热可靠性。
3.7 防雷设计
因道路交通信号控制机处于露天工作环境，对其采取必备的防雷措施必不可少。道路交通信号控制机主要进行了加装线路避雷器、降低接地电阻、加强线路绝缘等防雷设计。如道路交通信号控制机供电单元在系统供电前端配备了防雷器、过电压过电流开关和滤波器等防护装置，并对道路交叉路口每台道路交通信号控制机按规定的要求进行地线埋设和施工接线，以实现对由外界环境引起的浪涌、过电压、过电流等不利因素进行防护处理，确保道路交通信号控制机在雷雨等恶劣天气条件下的工作电源稳定、可靠。
3.8 软件可靠性设计
道路交通信号控制机软件作为运行在主控单元ARM模块中的“信号控制中枢”，是道路交通信号控制机通信、配时优化、参数设置、方案调度和状态诊断等多功能于一体的可视化应用软件，其结构框图如图5所示。为确保道路交通信号控制机控制软件的稳定性和可靠性，道路交通信号控制机可靠性设计针对软件主要是强化避错设计和容错设计。首先，在避错设计方面，从模块化、模块独立、信息隐蔽及局部化等可靠性软件设计准则角度出发，用可靠、成熟的模块来构造道路交通信号控制机软件，使每一个模块实现一个相对独立的特定子功能，各模块之间也相对简单和独立，模块中使用局部数据元素使一些关系密切的软件元素物理上彼此靠近，有助于实现信息隐蔽，从而提高道路交通信号控制机软件的可靠性。其次，在容错设计方面，软件设计人员采用了恢复块法，当道路交通信号控制机通过自诊断方式检测到出现驱动输出信号紊乱等严重故障时，将会强行切换至黄闪控制模式，以实现容错的目的。
图5 道路交通信号控制机主控单元软件结构框图
4 道路交通信号控制机可靠性分析与建模
道路交通信号控制机在运行时，其供电单元、主控单元、检测单元和人机交互单元必须同时工作，而驱动输出单元和应急黄闪单元两者间为冗余互备，其基本可靠性模型如图6所示。
如图6所示，道路交通信号控制机可采用串联模型来计算其可靠性相关参数。根据串联系统的定义，道路交通信号控制机的可靠度可用各组成单元的可靠度的乘积来表示，该串联模型的数学模型为
图6 道路交通信号控制机基本可靠性模型
由于各组成单元及模块独立且主要为电子元器件，其寿命服从指数分布，则可靠度为
整个道路交通信号控制机产品也服从指数分布，其可靠度为
整个道路交通信号控制机产品的故障率为
整个道路交通信号控制机产品的平均故障间隔时间（MTBF）为
式（1）～式（5）中，λs为道路交通信号控制机的故障率；λi为道路交通信号控制机第i个单元的故障率；MTBF为道路交通信号控制机的平均故障间隔时间；Ri（t）为道路交通信号控制机的第i个单元的可靠度；Rs（t）为道路交通信号控制机的可靠度；n为组成道路交通信号控制机的单元数。
同理，道路交通信号控制机第i个单元的故障率可用下式表示
式中，λij为道路交通信号控制机的第i个单元中第j个模块的故障率；m为组成道路交通信号控制机的第i个单元的模块数。
5 道路交通信号控制机可靠性预计与验证
道路交通信号控制机可靠性预计采用的是“元器件计数法”，其预计模型为
式中，λij为模块故障率的预计值；λGk为模块第k种元器件的通用故障率；πQk为模块第k种元器件的通用质量系数；Nk为模块第k种元器件的数量；p为模块所用元器件的种类数目。
按照上述预计模型，基于各模块元器件参数和指标，统计出组成道路交通信号控制机的各功能单元的故障率，具体见表1;再按照前文可靠性框图及可靠性数学模型计算出整个道路交通信号控制机的可靠性参数值，从而得到道路交通信号控制机的预计可靠性值。通过将预计的可靠性值与要求的可靠性值相比较，可以发现可靠性分配是否合理，以及设计中的薄弱环节，必要时进行可靠性的再分配，以及改进原方案和设计以提高道路交通信号控制机的可靠度。
表1 道路交通信号控制机各功能单元可靠性预计数据
通过上述计算可以得到该型道路交通信号控制机的平均故障间隔时间MTBF可达16080h，可以满足该型道路交通信号控制机设计指标中的运行时间要求，且该型道路交通信号控制机产品通过了依据GB 25280—2016《道路交通信号控制机》进行的产品性能、功能及稳定性等相关指标的检测，其中试验过程中的部分温度运行曲线如图7所示。
该型道路交通信号控制机自2007年投入市场以来，已经在江苏、湖北和西安等省份及城市安装运行，地域分布跨度大，环境适应性强，运行状况良好，深受用户好评。
图7 道路交通信号控制机可靠性研制试验温度运行曲线
6 结语
当今社会，城市化加剧，车辆保有量急剧增加，城市基础设施无法快速适应这些变化，致使存在道路交通经常性拥堵、人们出行困难等问题，道路交通信号控制机的使用不仅极大地缓解了上述问题，且在城市智慧化进程中也发挥了积极作用。但交叉路口高湿、振动及电磁干扰等环境特征，以及长时间不间断的运行要求，均对道路交通信号控制机可靠性提出了更高的要求。本文基于可靠性设计方法，在满足道路交通信号控制机功能和性能基本需求的基础上，着重结合领域工程实践和经验，针对影响道路交通信号控制机可靠性的关键问题和潜在问题逐一进行了分析和强化设计，实现道路交通信号控制机的可靠性能力提升，可为同类道路交通信号控制机的研发和运维提供参考。
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