TELKOM NIKA Indonesia n  Journal of  Electrical En gineering   Vol. 12, No. 8, August 201 4, pp. 5877 ~ 5885   DOI: 10.115 9 1 /telkomni ka. v 12i8.604 4          5877     Re cei v ed Ap ril 2, 2014; Re vised J une 8,  2014; Accept ed Ju ne 20, 2 014   Resear ch of Reliabilit y, Availability and Maintainability  on the All-electronic Computer Interlocking System      He Tao * 1 , Re n Jianxin  2   T he Ke y  La b of Opto-T echnol og y an d Intell ig ent  Contro l, La nzho u Jia o  ton g  Univ ersit y     An Nin g district   w e st ro ad No. 88, Lanz ho u,  Gansu, Chi na. T e lephon e No. : 86+ 093 1-4 956 369    Corresp ond in g author, em ail :  hetao@ma il.l z jtu.cn 1 , 8243 5 951 9@q q .com 2       A b st r a ct   High  leve ls of relia bi lity an d hi gh secur i ty are  the  basic ch ar acteristics an d  requ ire m e n ts o f  railw ay  signal system s .  So, reliability, availability and m a in tainability (RAM) are necessa r ily analy z ed befor e the  computer i n terl ocking system  w ill be adopted. The All- el ectronic C o m p uter  Interlocki ng S ystem , w h ich i s   a  new  kind of i n terlocki ng system , still needs to analy z e  it s R A M before bei ng put to us e. In this paper, the  relia bi lity  meth ods  an d Mark ov  mo del  ar e  ad opte d  to  a naly z e  th e RA M in dexes  of  the Al l-el ectro n i c   Co mp uter Interlockin g  Syste m  w hen its execution l a ye r eq u i pp ed w i th the singl e confi gur ation or the d u a l- redu nda nt conf igur ation, t he  p aper  also c o mpares th e in de xes w i th  that o f  the traditio nal  computer- bas ed   interl ockin g  sy stem. F i n a lly, t he  pap er w ill  b r iefly i n clu d e  s ugg estio n s o n   how  the A ll-e l e c tronic C o mp uter   Interlocki ng Sy stem’ s  RAM i n dexes  may b e  i n creas ed a nd  also, how  the s ystem  may b e  used pr actical l y .     Ke y w ords : Ra ilw ay sign ali ng;  Computer i n te rlockin g ; All-e l e c tronic; Rel i ab il ity: Availab ility;  Maintai nab ility       1. Introduc tion  The int e rlo c ki ng  system  is mainly  use d  to en su re  th e safe o p e r at ion of  ru nnin g  trai ns.  Therefore it  own s  the qu alities of hig h -a cc urate p e rform a n c e  and vital respon sibility. High- reliability an d  high-safety l e vels a r e the  two mo st co mmon  cha r a c teri stics an d  requi rem ent s of  the system.  Con s e quently , it is of great impor tan c e t hat the syste m ’s RAM b e  analyzed bef ore  putting to use. Scientists  and re se arch ers a r o und the wo rld hav e spe n t a significa ntly large   amount  of time re se arch ing the  rail way si gnal i n g syste m ’ RAM [1]. The All- ele c tro n ic  Interlocking System has  obviously increased  signaling system 's efficiency and intelligence,  lowe red  the   entire  cost,  simplified the   maintena nce  and  p r olo n g ed the  life  cy cle  of  sign aling   system. Whil e, the syste m 's safety has bee n prev i ously di scussed in other  p apers [2], so  this   pape r is  gea red toward s a nalyze th e rel i ability,  availability and mai n tainability (RAM) of the All- electroni c Interlo cki ng System.       2.  Analy s is  of RAM of th e tradit ion a l computer interlocking s y stem.   There are a  con s ide r a b l e  numb e r of  pape rs a n d  techni cal d o cum ents th at have  analyzed an d  calculated t he RAM in de x of traditi onal com puter i n terlo cki ng  system in det ails,  while  the s e  a nalyse s   are  o n ly abo ut the  interlo cki ng system’s  logi c part;  they are   not relevant  t o   the relay im plementatio n  pa rt [3-5]. Take  for exa m ple, a n  int e rlo cki ng  system existin g   in a   railway statio n that ha s  1 20 railw ay switch es,  so t he tra d itional  com pute r  int e rlo cki ng  ch a r t in  Figure 1  displays the  syst em’s  reliability after the  rel a y execut ion  part of the sy stem has been  c o ns ide r ed .    2.1 Calculating the reliabilit y  of trad itional computer interlocking s y stem.   Let’s a s sume  that the sin g l e safety rel a y’s relia bility index is  10 7 h,  so the  wh ol e relay  combi nation’ s reliability ind e x of the tra d it ional  comp uter inte rlo cki ng sy stem wi ll be 10 6 h [6] .   Con s e quently , the Mea n  Ti me to F a ilure s of th e  syste m   S MTTF  shoul d b e   cal c ulate d  u s i ng the  followin g  Formula:          ） （ 1 year 0.33 h 10 898 . 2 1 1 3 1 n i i S S MTTF Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                               ISSN: 23 02-4 046                     TELKOM NI KA  Vol. 12, No. 8, August 2014:  587 7 –  5885   5878   Figu re 1. Th e reliability bl ock diag ram  of  traditional  comp uter inte rlockin g  syste m       2.2 Calculati ng the maintainabilit y  and av ailab ilit y of the  tradi t ional computer interlocki ng  s y stem.  Acco rdi ng to the previ ous exp e rie n ce  a nd te chni cal p a ra meters provi ded by  manufa c turers, the maintainability ind e x of t he traditional sy ste m  is about  30 minute s  that  includes the  system’ s  relay execution part, so t he  availability of the syst em i s  determined by  the  followin g  Formula:              Here, the   S MTTR   is set as 0.5 h o u r, S MTBF ≈ S MTTR .      3 An aly s is  of RAM  of the  All-ele c troni c In te rlocking Sy stem b ased  on th e si ngle  configur atio n.  As for  co mp uter inte rlo c king sy stem, t he inte rlo ckin g  co nsole i s  re spo n si ble  for the  interlo cki ng o peratio n of the whol e rail way stati on si g naling  syste m , if one tiny probl em ari s es  from the  inte rlocking  con s o l e, the  whol e  system   will  b e  pa ralyzed.  Therefore,  we have  to a d opt  a redu nda nt approa ch to improve the  system’s av ail ability, howev er, the su dde n failure on t he  execution layer will impact  some parts  of the sy stem  such as a  si ngle rail way  swit ch. With the  inspi r ation of the traditional  compute r  interlo cki ng sy stem, the syste m ’s  executio n layer can b e   desi gne d as t he sin g le con f iguration.   Acco rdi ng to the reliability enginee rin g  theorie s, the system' s  reliability is decid ed by  each si ngle  u n it and it s o w n structu r e. A s  for thi s   syst em, the reliab ility block dia g ram i s   sh own   as Figu re 2  with rega rd to the sin g le con f iguration  system.        Figure 2 The  reliability block diagram of  All-elec troni c  interlocki ng system on single configuration      The reli ability indexes in  Figure 2 are  the pr edi ctio ns u s ing it s compl e xity, shown as  followin g  Tabl e 1.  ） （ 2 % 99.983 S S S S MTTR MTBF MTBF A Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
TELKOM NIKA   ISSN:  2302-4 046     Research of Reliability, Ava ilability and Maintainability on t he All-el ectronics … (He Tao)  5879 T abl e 1. The reliability index of each assembly part （ 10 -6 /h ）   Assembly Part  Failure Rate    Fail Rate on  con d ition of Wa rm  Stand-by   Powe r 8  ——   Interlockin g  console    4  ——   Comm uni cati on boa rd   3  ——   Rail way Switch module  9  7  Signal mod u le  8  7  Switch value  module   5  ——   Tra ck m odule   7  6.5      3.1 Calculati ng th e reliab ilit y  of the  All-elect r onic  computer interlocking sy stem b ased  on  single confi guration.     Let’s a s sume  that each uni t in Fig.2 is mutua lly indep ende nt, the failure rate of each u n it  is a con s tant , namely, the unit module  obeys ex po nential dist rib u tion, so the  Mean Time  to   Failur e s of  t h e sy st em ( S MTTF ) is :                  3.2 Calculati ng the maintainab ilit y  of the  All-electronic co m puter interlocking sy ste m   based on sin g le configur ation.   The  entire   maintainin g t i me of th e  system  can  be divid ed i n to fou r   ste p s: the   "approa ching  step", th e "d iagno sing   ste p ", the  "chan ging  step"  an d the " a ffirmi ng  step". As  for  maintena nce  predi ction,  we usually an a l yze it from  th e syste m ’s  b o ttom to its top, for exam ple,  the railway switch u n it module, whi c h i s  sh ow n in Table 2. Its "appro a ching  step" mean s the  time that  serviceman  spe nds in  getting  to the  rail wa y station  sp ot; the "diag n o s ing  ste p " is  the  time that se rvicem an  sp end s in det ermini ng th e  positio n of  the failure  throug h sy stem’s  indication of lamps a nd m a intaining m a chin e; the "Changi ng step " is the amou nt time taken  to   repla c e the fa ilure unit; the  "affirming ste p " is t he time used to reco ver to norm a l  operatio n after  failure unit m odule h a s b e en su cce ssful ly replaced.       T abl e 2.  The  Maintaina b ility Prediction o f   T r ack Switch Module     Failure Mode  Failur e   Ra te  (10 -6 /h)   Maintaining time （ h ）   MTTR i   Failure  Rate×MTT R   app ro ac hin g diagnos ing changin g  affirming   Measurable F a ilure   8.66   0.1  0.02  0.05   0.1  0.27   2.3382   Immeasura b l e   Failure but Failure  loc a tion Clear   0.123  0.1  0.2  0.05   0.1  0.45   0.0553 5   Immeasura b l e   Failure and F a ilure  locat i o n  un cle a r   0.013  0.1  1  0.3  0.3  1.7  0.0221   In all  8.796   ——   2.4156 5       ） （ 3 493h 1 1 1 n i i S S MTTF Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                               ISSN: 23 02-4 046                     TELKOM NI KA  Vol. 12, No. 8, August 2014:  587 7 –  5885   5880 So, the Mea n  Time to  Rep a ir of the  unit  module  ( M TTR ) a c cordin g to a b o v e Table  2  is:               Becau s e  the   stru cture of  th e railway  swit ch  unit m odul e is mu ch  mo re  so phi sticat ed tha n   any other mo dule s , it can be assum ed that the  other unit module' s maintain abi lity index is the  same  a s  the   railway switch even  und er the  wors t  co ndition,  so th e Mea n  Tim e  to Repai r of  the  sy st em ( s MTTR ) is:             So,  r=1/ s MTTR =3.64    3.3 Calc ulati ng av ailabilit y  of the  All-elec tr onic c o mputer   interlocking s y stem  b ased  on   single confi guration.   The sy stem's availability can be cal c ul ated by the following Form ul a:                                                          Here, the  s MTTR  is 0.2746 3 hou r, s MTBF ≈ s MTTF .              Obviou sly, we are n o t satisfied with  the  RAM indexe s  wh e n  syst em a dopts the  si ngle   config uratio n. In order to a c hieve the hi gh leve l of re liability and a v ailability of the syste m , we  will ado pt a redun dant ap p r oa ch.       4. Analy s is  of RAM o f  the  All-el ectro nic interlocking s y stem based on redun dan t   configur atio n.  Comm on  red unda nt co nfig uration s   su ch  as th e Stan dby Switch o r  Dual-ma c hi ne Hot  Standby a r e   usu a lly u s ed  in th e inte rl ocking  sy ste m . In terms  of the  syste m  which b o th ha s  control o u tpu t s and  colle cting se ction,  its sta ndby  mode tri e s to po ssi bly in sulate th e m a in  system to d e c re ase the  Common M o d e  Fault; ho we ver, the interl ocking  syste m  is not e qui pped  with load -bea ring. So, precisely spe a ki n g , t he system  adopts the m ode  of "Warm  Standby", both   the rail way switch m odul e  and si gnal m odule s  a r e su itable for "Wa r m Standby". While the t r a ck  module  ge ne rally ad opts  a spe c ial  re dund ant mo d e  (a n in direct redu nda nt  way)  by getti ng   throug h a matchin g  unit and dou ble redun dant pa rallel com pute r s, but switch value mod u le   employs di re ct doubl e co mputer  redu n dan cy.    4.1 Calcula t ing the RAM i ndex of u n it module on the  w a rm sta ndb y   mode.    (1) Reliability      The switch  module   shoul d be  a dded  t o  the  sy stem  whe n   wa rm  standby. Let’ s   take  an   example of the track switch mod u le, the relia b ility  block diag ra m of a single  unit module after  achi eving sta ndby appli c ati on is sho w n a s  Figu re  3.  ） 4 （ minutes 5 . 16 27463 . 0 796 . 8 41565 . 2 h f MTTR f MTTR i i i ） 5 （ 27463 . 0 1 h MTTR MTTR MTTR i S n i i i S ） （ 6 % 99.945 S S S S MTTR MTBF MTBF A Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
TELKOM NIKA   ISSN:  2302-4 046     Research of Reliability, Ava ilability and Maintainability on t he All-el ectronics … (He Tao)  5881 Acco rdi ng to reliability theorie s, the module A an d "the openi ng circuit invalidity of  swit ch m odul e" ca n b e   co nsid ere d  a s   an integ r at io n. So, the  system  will h a ve four types  of  states.   State 1: Module A and Mo dule A' are b o t h in normal o peratio n.  State 2: Module A is in normal ope ration , Module A' is not.  State 3: Module A operation is failing,  Module A' is i n  norm a l ope ration.   State 4 : Module A and Mo dule A'  both are not in no rmal ope ration .    Assu me that module  can b e  repai re d or  repla c e d  wh e n  fails to operate.      M odu le A M odu le A’ I O Switch module  op en circuit  fa i l u r e Switch module  sh ort circuit  fa i l u r e     Figure 3. The  reliability blo ck di agr am of  unit module  on wa rm sta n dby.       So, accordi n g to the above assumptio n ,  the  state transition di agra m  of unit module on  the warm sta ndby ca n be  sho w n a s  Fig u re 4.       A A A ’ A ’     Figure 4. The  state tran sition diag ram of  unit module  at standby m ode       The sy stem' s  state tran sitio n  matrix is sh own b e lo w according to Fig u re 4.               Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                               ISSN: 23 02-4 046                     TELKOM NI KA  Vol. 12, No. 8, August 2014:  587 7 –  5885   5882                   With the consideration of  the system's self-r epairing ability, the Transition Matri x  A can   be tran sfo r m ed a s  Fo rmul a 1 [7], just b y  repla c ing th e red und ant  equatio n with  the last lin e  in  the Trans i tion Matrix.  At this  point,   and   both co ntain  swit ch  module ' s fail ure s ,   and   ar e   r e s p ec tive ly   predi cted a s  the followi ng:      =8. 796 ×1 0 -6 +0. 1 0 105 ×1 0 -6 = 8.8970 5×1 0 -6    ' A =7. 1 7 8 × 1 0 -6 +0.0672 ×1 0 -6  = 7.24520 ×1 0 -6    The  avera ge  lifetime of the  syste m  i s   co mposed  by th e sum lifetim e of e a ch  stat e, that i s   to s a y,  θ = θ 1+ θ 2+ θ 3. As m entione d in re feren c e [8] Formul a 4-2 6 ,  θ A= -Qw(0),  we set the initial  con d ition Q w (0)=(1,0,0 ), when the two  module s  a r e  norm a l wo rki ng at t=0.   So, the reliabi lity index of tr ack switch m odule o n  wa rm standby is  :        MTTF =  θ  =  θ 1 + θ 2 + θ 3  = 8.47 ×10 10  h                                          (8)    And then   =1/ MTTF =1.181 E-11       (2) Av ailabilit y   The ste ady-st a te sol u tions  of modul e s   can be  cal c ula t ed by Form u l a 1,  ,  and r.  So the steady -state availa b ility of unit mo dule when it adopt s stan d b y mode is:     A= P 1 +P 2 +P 3 =0.9999 999 99 9902 7.      4.2 Calculati ng th e  RAM index  of  unit modul e   w h en  dual  s y stem are  indirectly  but  parallell y  used.                                                                            The relia bility block  di agra m  of the  track mod u l e  whe n  the  dual sy stem  adopt s indi re c t   collate ral mo de is sho w n a s  Figu re 5.         ） （ ） （ ） （ 7 0 0 0 0 0 ) ( ' ' ' ' r r r r r r A A A A A A A A A Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
TELKOM NIKA   ISSN:  2302-4 046     Research of Reliability, Ava ilability and Maintainability on t he All-el ectronics … (He Tao)  5883 Module A M odu le A’ I O Matching  u n it  side 1 ' s failure Matching  u n it  side 2 ' s failure Ma tchin g  unit  original side’s  failure     Figure 5. The  reliability blo ck di agram s of the  dual sy stem are of indire ct collate ral mode               The  relia bility  index  of  track  unit  mo dule   is 1.17E-6 cal c ul ate d  by the method s   mentione d in 4.2.            Its steady-state availability is:              A= P 1 +P 2 +P 3 =0.9 999 9 9871 4208 7.       4.3 Calcula t i ng the  RAM index of  unit modul e   w h e n  du al s y stems are directly  and   parallell y  used .  The switch value mod u le,  powe r  mod u l e, interlockin g  boa rd an d the comm uni cation   board all a d o p ts the d ual  system direct  and p a rall el  mode, its  reli ability block d i agra m  is  sh o w n   as Figu re 6.           Figure 6. The  reliability blo ck di agram o n  dire ct and p a rallel m ode       Similarly, the reliability index of switch  value module is  4.579E-12  cal c ulat ed by the  method s me n t ioned in 4.2,  its relia bility is 0. 99 999 999 9996 22. The  power m odul e's  relia bility is  1.172E-11, the main bo ard reli ability is 2.930E-1 2, and the com m unication b oard  relia bility is  1.648E-12.     4.4 The reliabilit y  of All-electronic  Interlocking S y stem on standb y   mode.    Acco rdin g to  pra c tical sit uation, both  the rail way  switch  unit m odule  and  si gnal u n it  module  ad op t the warm  st andby m ode,  the tra c k u n i t  module  ad o p ts  paralle l re dun da nt mode   b y   ma tch i ng  un i t   module, th e  swit ch valu e  unit mod u le,  power m odul e, and i n terlo cki ng m odule  all  adopt  dire ct  parall e l mo d e . So the  reli ability blo c k  diagram  of th e whole  sy stem is sho w n  as  Figure 7.       Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                               ISSN: 23 02-4 046                     TELKOM NI KA  Vol. 12, No. 8, August 2014:  587 7 –  5885   5884     Figure 7. The reliability block  di agram of  the whole  system       So, the Mean Time to Failure ( S MTTF ) of the system is:                                          System's avai lability is:                                    Her e ,  S MTTF  is 0.27 463 ho ur ,MT B FS ≈ S MTTF .       5.  Conclusi ons   With the anal ysis above,  it is cl ear that the reli ability a nd availability  of the All-electroni c  Interlockin g  S y stem is n o t as g ood a s  th e traditi on al i n terlo cki ng  system, but its  maintaina b ility is  much  better  than the tra d i tional one; t he reli ability, availability and maintai n a b ility have been  g r e a t ly impr ove d  w h en  the  All- e l ec tr onic  In te r l oc kin g  System ad opts redu nda nt configu r ati on.  So , th e  tr ack   lin e   w h ich  has  low e r  e ffic i en c y  an d  is  not ve r y  b u s y  bu t s e n s itive  to  loc a l ec on om y   can be e quip ped with the  singl e config uration of  All-electroni c Interlo cki ng System, but for the  busy tra c k lin e, the red und ant All-ele c tronic Inte rl o c king System i s  the be st cho i ce. Of course,  the red und an t configu r atio n can  be b o th  adopted i n  st ation bottlene ck  and the m a in tra ck lin e  so  as to improve  the system' s  av ailability and the local e c onomy.    ） （ 9 years 1.77 h 10 55 . 1 1 1 4 1 n i i S S MTTF ） （ 10 % 99.9982 S S S S MTTR MTBF MTBF A Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
TELKOM NIKA   ISSN:  2302-4 046     Research of Reliability, Ava ilability and Maintainability on t he All-el ectronics … (He Tao)  5885 Referen ces   [1]    Yuan C h u n x in.  Rail w a y   Sig n a l  F ault T o lerant  T e chnol og y. B e iJin g: Chi na R a il w a y   Pub lish i ng Ho use.   [2]    T ao He. Safety anal ys is an d desi gn for the  s w itc h   contro l unit of all- elect r onic com puter  interlock i n g   sy s t e m .  T E LK OMNIKA Indon esia n Journ a l o f  Electrical Eng i ne erin g . 201 2; 10(5): 105 7-1 061.   [3]    Qi Z h ihu a , W ang H a ifen g. D e sig n  of An E m bed ded Do u b le 2-VOT E -2  F ault  T o lerant   Comp uter- Based Interl oc king S y stem. BeiJin g.  T he Jou r nal of BeiJ ing  JiaoT o ng Un iv ersity .  [4]    Liu F a n g , W ang Haife ng. Co mpariso n  of s y stem  performa nce on 2-VOT E -2 s y stem an d Dual Mo du l e   Hot Spare   [5]    Zhang  Pin g , Z hao  Ya ng. An a l y s is o n  th e R e liab ilit y  an d S a fet y   of the I n te rlockin g   Contro l S y stem  of  Rail w a y C o mp uter.  Chin a Saf e ty Science Jo urna l . 200 3; 13 (4) : 48 - 50.  [6]    Li Men g , W u  Fangme i , Mu Jianc hen g. T h e Rel i ab ilit y A nal ysis  of Rai l w a y  Sig nal. B e iJin g:Ch in a   Rail w a y Pu blis hin g  Hous e, 20 08:15 8.  [7]    (USA) Char les  E.Ebeli ng, tra n slate d  b y  Ka ng Ru i. An Introducti on to R e liab ilit y a nd M a inta ina b il it y  Engi neer in g. BeiJin g: T s ing Hua Un iversit y  P r ess, 2010: 2 0 4 .  [8]    Guo Yuqi n, W ang Yan.S ystem  Relia bi lit y T heories. B e iJin g: Chi n a  Coal Ind u stry Pub lis hin g   Hous e,19 91:76 .  Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.