榮 軍 劉敏敏 徐旺鋒 吳社杰

(1. 中車浦鎮(zhèn)龐巴迪運(yùn)輸系統(tǒng)有限公司，241060，蕪湖;2. 南京康尼機(jī)電股份有限公司,210046，南京//第一作者，工程師)

無人駕駛作為軌道交通行業(yè)的新興浪潮,是未來發(fā)展的方向。無人駕駛軌道交通車輛的運(yùn)行條件與有人駕駛情況下的運(yùn)行條件存在著根本性的差異：無人駕駛下的軌道交通車輛在正常運(yùn)行過程中所有作業(yè)均由系統(tǒng)自動實(shí)施，不需司機(jī)或站務(wù)員進(jìn)行干預(yù)?？褪臆囬T作為車輛系統(tǒng)中安全級別較高的系統(tǒng)，其設(shè)備可靠性直接關(guān)系到乘客的出行安全。因此，無人駕駛車輛的車門緊急解鎖裝置需要進(jìn)行專門的設(shè)計(jì)，以確保在正常運(yùn)營和緊急情況下都能可靠保障乘客的生命安全。蕪湖市跨坐式單軌2號線(以下簡稱“蕪湖2號線”)采用了PBTS跨坐式單軌車輛，列車不設(shè)置司機(jī)室，采用無人駕駛(UTO)模式運(yùn)營。本文對蕪湖2號線無人駕駛車輛車門緊急解鎖裝置的設(shè)計(jì)優(yōu)化方案進(jìn)行介紹。

1 城市軌道交通車輛車門緊急解鎖裝置現(xiàn)狀[1]

目前國內(nèi)軌道交通車輛的車門緊急解鎖裝置大多采用機(jī)械式解鎖。車門緊急解鎖裝置和車門隔離裝置獨(dú)立設(shè)計(jì)，隔離裝置在車門系統(tǒng)中擁有最高優(yōu)先級。車門緊急解鎖裝置的操作把手僅通過易碎的透明保護(hù)蓋進(jìn)行防護(hù)，日常運(yùn)行過程中需要司機(jī)進(jìn)行一些輔助操作：

1) 車門內(nèi)緊急解鎖裝置的透明保護(hù)蓋為易碎品,從設(shè)計(jì)上就要求容易打破,因此不能防止個(gè)別乘客對車門緊急解鎖裝置實(shí)施非法操作。一旦車門緊急解鎖裝置在車輛運(yùn)行過程中被操作，列車將觸發(fā)緊急制動，此時(shí)需要司機(jī)將被操作的車門緊急解鎖裝置實(shí)施手動復(fù)位并關(guān)閉車門,車輛方可繼續(xù)運(yùn)行。

2) 隔離裝置安裝在車體內(nèi)部，在乘客視野內(nèi)完全隱蔽,且只能通過乘務(wù)員專用鑰匙操作。當(dāng)車門被隔離時(shí)，一旦發(fā)生如火災(zāi)等緊急情況，需要司機(jī)先將車門系統(tǒng)解除隔離,再操作車門緊急解鎖裝置將門系統(tǒng)解鎖并打開，乘客才能從該門疏散。

無人駕駛軌道交通在運(yùn)行時(shí)不配備司機(jī),而以上設(shè)計(jì)在沒有司機(jī)輔助操作下,功能的安全性完全喪失。因此，如何有效阻止乘客非法操作緊急解鎖,以及在緊急情況下乘客如何快速解鎖被隔離的門系統(tǒng)，是無人駕駛軌道交通車輛在設(shè)計(jì)階段時(shí)需要考慮的重點(diǎn)內(nèi)容。

2 無人駕駛車輛車門緊急解鎖裝置的功能需求分析

常規(guī)軌道交通車輛的緊急解鎖功能在優(yōu)先級設(shè)計(jì)和動作許可設(shè)置方面均無法滿足無人駕駛的運(yùn)行條件，因此，蕪湖2號線的車輛在設(shè)計(jì)時(shí)，重新對無人駕駛車輛的車門緊急解鎖裝置進(jìn)行了功能需求分析，并與有人駕駛的常規(guī)軌道交通車輛進(jìn)行了功能差異對比，如表1所示。

表1 車門緊急解鎖裝置的功能差異對比

根據(jù)對車門緊急解鎖裝置功能的分析和比較，蕪湖市2號線按照以下設(shè)計(jì)原則對列車的車門緊急解鎖裝置進(jìn)行了設(shè)計(jì)優(yōu)化：

1) 增加了操作把手的抑制功能。列車在運(yùn)行過程中禁止乘客通過操作車門緊急解鎖裝置打開車門；

2) 緊急解鎖功能擁有著最高優(yōu)先級。在發(fā)生緊急情況時(shí)，即便車門被隔離，也能通過操作緊急解鎖裝置來實(shí)現(xiàn)解鎖開門動作。

3 蕪湖2號線車輛車門內(nèi)緊急解鎖的功能及其原理

根據(jù)車門緊急解鎖裝置的功能需求和設(shè)計(jì)原則，蕪湖2號線車輛針對車門緊急解鎖裝置進(jìn)行了設(shè)計(jì)優(yōu)化。優(yōu)化后車門緊急解鎖裝置主要由車門內(nèi)解鎖機(jī)構(gòu)、車門外解鎖裝置和車門解鎖裝置等3大機(jī)械組件構(gòu)成(見圖1)，機(jī)械組件間通過鋼絲實(shí)現(xiàn)車門緊急解鎖裝置觸發(fā)、復(fù)位的傳動和同步?，F(xiàn)對這3大機(jī)械組件的相關(guān)功能進(jìn)行介紹。

3. 1 車門內(nèi)緊急解鎖抑制功能

蕪湖2號線車門車內(nèi)緊急解鎖裝置增加了緊急解鎖抑制功能，可徹底防止乘客隨意操作車門內(nèi)部緊急解鎖開關(guān)，實(shí)現(xiàn)在非指定場景(如非逃生疏散通道側(cè))乘客無法操作車門車內(nèi)緊急解鎖進(jìn)行機(jī)械解鎖的功能。該抑制功能通過“門抑制”信號控制電磁鐵的得、失電來實(shí)現(xiàn)(見圖2)?？紤]到車輛在緊急情況下有斷電的可能性，因此默認(rèn)設(shè)計(jì)電磁鐵在失電狀態(tài)下“門抑制”功能失效。

圖1 蕪湖2號線車輛車門緊急解鎖裝置互連示意圖

圖2 電磁鐵“門抑制”功能原理

1) “門抑制”信號無效。如圖3所示，電磁鐵失電釋放狀態(tài)下，制動桿在過渡盤之外，車門車內(nèi)緊急解鎖功能可以正常使用，緊急情況下乘客可操作緊急解鎖把手至解鎖位置，此時(shí)過渡盤轉(zhuǎn)動，實(shí)現(xiàn)車門解鎖。

圖3 電磁鐵失電狀態(tài)

2) “門抑制”信號有效。如圖4所示，電磁鐵得電吸合狀態(tài)下，制動桿因電磁鐵吸合作用發(fā)生轉(zhuǎn)動并插入到過渡盤預(yù)留缺口中，實(shí)現(xiàn)對過渡盤的制動，乘客無法操作車內(nèi)緊急解鎖把手，從而實(shí)現(xiàn)了抑制功能。

圖4 電磁鐵得電狀態(tài)

3. 2 隔離及解鎖聯(lián)動功能

2號線車門車內(nèi)緊急解鎖裝置設(shè)計(jì)時(shí)集成了車門隔離裝置功能的特點(diǎn)，在車內(nèi)緊急解鎖正面有一個(gè)供司機(jī)操作的隔離裝置，可以使用專用的司機(jī)鑰匙進(jìn)行操作(見圖5)。該設(shè)計(jì)既能實(shí)現(xiàn)車門故障時(shí)將車門隔離的功能，同時(shí)解鎖鋼絲繩連接解鎖輪(見圖6)也能實(shí)現(xiàn)車門被隔離后操作車內(nèi)及車外車門緊急解鎖裝置聯(lián)動解鎖隔離的功能。具體功能原理描述如下：

圖5 車門隔離操作示意圖

圖6 車門內(nèi)緊急解鎖裝置未隔離狀態(tài)

考慮到蕪湖2號線為無人駕駛的運(yùn)營場景，發(fā)生緊急情況時(shí)車內(nèi)沒有司機(jī)協(xié)助將隔離的車門復(fù)位，而未受過專業(yè)培訓(xùn)的乘客對車門結(jié)構(gòu)并不了解，唯一醒目且可操作的裝置是車門內(nèi)緊急解鎖手柄，因此，車門內(nèi)緊急解鎖的優(yōu)先級必須要高于隔離裝置。鑒于以上情況，蕪湖2號線車輛將緊急解鎖與隔離裝置進(jìn)行了聯(lián)動，具有即使車門被隔離后，也可以操作車門內(nèi)緊急解鎖或車外緊急解鎖將門系統(tǒng)打開的功能(即聯(lián)動功能)。

如圖6所示，隔離鎖軸上有兩個(gè)解鎖輪，分別與車門內(nèi)緊急解鎖裝置和外緊急解鎖裝置相連接。在非隔離狀態(tài)下，操作緊急解鎖把手后，因?yàn)椴顒舆B接設(shè)計(jì)，解鎖輪不會發(fā)生動作；一旦車門被隔離，隔離鎖舌的轉(zhuǎn)動會帶動解鎖輪轉(zhuǎn)動，差動連接被補(bǔ)償，此時(shí)操作車門內(nèi)緊急解鎖裝置或者車門外緊急解鎖裝置，隔離鎖舌均會復(fù)位，車門退出隔離并同時(shí)完成解鎖。

4 安全驗(yàn)證與計(jì)算

蕪湖2號線在正常運(yùn)營中，電磁鐵必須處于常得電的狀態(tài)。電磁鐵功能不能受到自身的溫升、高低溫、高低壓等環(huán)境狀態(tài)的影響。一旦電磁鐵失效，將導(dǎo)致抑制功能失效。因此電磁鐵的可靠性和安全性十分重要，需要分別進(jìn)行測試。

4. 1 溫升測試

電磁鐵在DC 110 V電壓下連續(xù)通電4 h后,電磁鐵殼體溫度穩(wěn)定在68.6 ℃，未超過80 ℃，符合設(shè)計(jì)要求。

4. 2 環(huán)境測試

設(shè)置環(huán)境測試箱交變環(huán)境循環(huán),其中：低溫環(huán)境為-25 ℃，0%濕度，持續(xù)1 h；高溫環(huán)境為70 ℃，95%濕度，持續(xù)1 h；

測試時(shí)，每2 h完成1次高低溫循環(huán)，累計(jì)測試時(shí)間為48 h。使用外部電路控制電磁鐵0.5 s吸合，1.5 s釋放。持續(xù)循環(huán)測試48 h后驗(yàn)證得知，電磁鐵功能正常。

4. 3 壽命試驗(yàn)

在工作電壓下，設(shè)置電磁鐵0.05 s吸合、0.95 s釋放，反復(fù)循環(huán)試驗(yàn)了2.07×106次后電磁鐵功能正常，滿足不低于2.00×106次的試驗(yàn)要求。

4. 4 風(fēng)險(xiǎn)評估

以上所有相關(guān)試驗(yàn)已確定當(dāng)前電磁鐵可以滿足設(shè)計(jì)需求。除此以外，還需要通過可靠性指標(biāo)對電磁鐵整體的安全性進(jìn)行評估。

電磁鐵安全性分析基于以下5個(gè)假設(shè)：

1) 每3個(gè)月進(jìn)行一次安全檢查,包括檢查車門內(nèi)緊急解鎖的功能檢查。所以，任務(wù)隱蔽故障在定期檢查時(shí),100%可以被探測出。

2) 假設(shè)1天內(nèi)單個(gè)電磁鐵需要持續(xù)運(yùn)營16 h,1年運(yùn)營365天，即1年累計(jì)運(yùn)營5 840 h,3個(gè)月累計(jì)運(yùn)營時(shí)間1 460 h。

3) 車輛軟件安全等級滿足SIL2級,假設(shè)軟件失效率為1×10-6次/h。

4) 列車在運(yùn)行過程中始終有“門抑制”信號。

5) 不考慮列車信號錯(cuò)誤。

表2為參照相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)明確定義的4種嚴(yán)重性等級[2]及6個(gè)危險(xiǎn)發(fā)生頻度[2]。表3為不同危險(xiǎn)發(fā)生頻度對應(yīng)的取值區(qū)間。

利用故障樹分析法對“列車運(yùn)行時(shí),乘客操作緊急解鎖,車門被打開”風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行分析(見圖7)。評定該風(fēng)險(xiǎn)事件的失效率為4.269×10-12次/h。則由表3可知，因“列車運(yùn)行時(shí),乘客操作緊急解鎖,車門被打開”的危險(xiǎn)發(fā)生頻度為“F-難以置信”。故根據(jù)表2，將該風(fēng)險(xiǎn)事件嚴(yán)重性等級定義為II級，其綜合風(fēng)險(xiǎn)等級為R1，即“可忽略的”風(fēng)險(xiǎn)。

表2 故障風(fēng)險(xiǎn)矩陣[2]

表3 危險(xiǎn)發(fā)生頻度的取值

圖7 “列車運(yùn)行時(shí)，車門內(nèi)緊急解鎖被打開”場景故障樹分析

5 結(jié)語

蕪湖市跨坐式單軌2號線車輛車門的緊急解鎖裝置和隔離裝置在設(shè)計(jì)上充分考慮了無人駕駛車輛的特點(diǎn),既保證了緊急情況下乘客從車門緊急疏散的可用性，也保證了非疏散平臺側(cè)車門不可被解鎖的安全性，可以作為未來無人駕駛車輛車門緊急解鎖設(shè)計(jì)的參考。