張奎剛

(北京全路通信信號研究設(shè)計院集團(tuán)有限公司，北京 100070)

1 概述

2015 年國務(wù)院頒布《中國制造2025》,將機(jī)器人和軌道交通裝備都列為我國智能制造強國戰(zhàn)略的10 大重點領(lǐng)域[1]。

國內(nèi)信號機(jī)械室內(nèi)基礎(chǔ)設(shè)備均采用人工巡視方式維護(hù)。但是大量的重復(fù)性巡檢任務(wù)、多樣化測試作業(yè)不僅給維護(hù)帶來很多不便，而且人工巡視維護(hù)勞動強度大且質(zhì)量不可控。特別是偏遠(yuǎn)地區(qū)，無人值守車站，中繼站維護(hù)更加困難。發(fā)生故障時，往往因為位置偏遠(yuǎn)，搶修人員不能及時處置，導(dǎo)致設(shè)備故障延時超過2 h，造成D 類故障[2]。

操作機(jī)器人也是基于這方面的需求而設(shè)計開發(fā)的。它可以代替或部分代替人工完成巡檢、操作功能。出現(xiàn)應(yīng)急險情時，通過人工遠(yuǎn)程控制，對故障點進(jìn)行干預(yù)，重啟故障設(shè)備等，減小故障影響。

2 機(jī)械室內(nèi)操作機(jī)器人簡介

鐵路機(jī)械室智能操作機(jī)器人（簡稱操作機(jī)器人）應(yīng)用到鐵路各個機(jī)械室、中繼站以及無人值守站。通過自主定位，路徑規(guī)劃，實現(xiàn)對信號室內(nèi)設(shè)備自主巡檢和操作功能。

巡檢功能包括對預(yù)定位置信號設(shè)備指示燈狀態(tài)、防雷單元劣化指標(biāo)巡檢，將實時畫面通過網(wǎng)絡(luò)傳送至本地監(jiān)控端。本地監(jiān)控進(jìn)行圖像識別后，將識別結(jié)果通過網(wǎng)絡(luò)傳送至遠(yuǎn)端監(jiān)控[3]。

操作功能主要模擬人在機(jī)械室內(nèi)的維護(hù)操作，例如復(fù)位板卡等。操作裝置主要由多軸機(jī)械臂或可多維度靈活運動的模組裝置構(gòu)成。機(jī)械臂特別是工業(yè)機(jī)械臂在汽車制造、艦船制造及家電生產(chǎn)制造等領(lǐng)域應(yīng)用已經(jīng)相當(dāng)成熟[4]。在鐵路領(lǐng)域的應(yīng)用也逐步擴(kuò)大，比如神州高鐵已將機(jī)械臂應(yīng)用到列車檢修、列車清洗等。

目前，中國鐵路總公司正在加快無人值守站的推廣[5]。但還沒有一款操作功能的機(jī)器人應(yīng)用到無人值守站、中繼站以及各個路局站點。究其原因，人們還是對操作機(jī)器人持懷疑態(tài)度，包括工作是否安全可靠，是否有安全隱患等。

3 可靠性、安全性分析

安全是遠(yuǎn)離不可接受的損害的能力[6]。鐵路設(shè)備必須采用故障導(dǎo)向安全的機(jī)制保障設(shè)備的安全性。

執(zhí)行巡檢功能時，操作機(jī)器人按照固定的巡檢路線和預(yù)置點對信號設(shè)備巡檢。在此過程中，操作機(jī)器人通過攝像機(jī)對設(shè)備狀態(tài)進(jìn)行拍照，不會接觸任何信號設(shè)備，因此也不會影響信號設(shè)備的安全等級，所以屬于非安全功能[7]。

操作機(jī)器人在執(zhí)行操作功能時，會對信號設(shè)備施加外部的動作，例如操作開關(guān)等。當(dāng)操作裝置出現(xiàn)任意故障狀態(tài)或失控狀態(tài)下，可能會損壞室內(nèi)信號設(shè)備。

從設(shè)備安全性來分析，操作失控并沒有降低信號設(shè)備的固有安全等級。例如，因機(jī)械臂失控，導(dǎo)致相鄰設(shè)備掉電或損壞，信號設(shè)備故障導(dǎo)向安全，軌道繼電器落下。

但從可靠性分析，因操作功能的失控，會降低信號設(shè)備的使用壽命，并增大故障的恢復(fù)時間。例如，出現(xiàn)失控情況下，機(jī)械臂在損壞設(shè)備的同時，也將安裝設(shè)備的接口損壞，導(dǎo)致不能快速更換新設(shè)備。故障持續(xù)時間加長，導(dǎo)致列車運行延誤遲于規(guī)定的時間，造成一定的經(jīng)濟(jì)損失。

如何提高機(jī)械臂的可靠性和可控性是減少操作失控的關(guān)鍵。機(jī)械臂包含機(jī)械、電子、電氣、以及傳動、軟件控制等，對其進(jìn)行可靠性研究比較復(fù)雜，需要綜合考慮末端位姿精度、末端速度精度和末端力精度等各方面的評價標(biāo)準(zhǔn)。目前這方面的研究較少。

可靠性數(shù)學(xué)模型一般表達(dá)式為：

公式（1）中，Rs(t)為系統(tǒng)總可靠度；Ri(t)為元器件的可靠度（i=1,2,…,n）;n 為元件的總數(shù)量。

公式（2）、（3）中，λs為系統(tǒng)失效率；N 為子系統(tǒng)數(shù)量，λsi為第i 個子系統(tǒng)的失效率。

公式（4）中，m 為第i 個子系統(tǒng)中元器件的數(shù)量；nj為相同型號元件的數(shù)量；λj為第i 個子系統(tǒng)第j 種型號元件的失效率。

機(jī)器人詳細(xì)設(shè)計階段，按照故障率預(yù)計法計算：

公式（5）中，λbj為第j 種元件的基本失效率；πkj為第j 種元件的環(huán)境因子； Djπkj為第j 種元件的減額因子。

計算出失效率后，通過以上公式，得到：

通過對機(jī)械臂優(yōu)化模型仿真，運行可靠性可達(dá)到73.7%[8]。

所以必須采取安全措施，降低機(jī)器人操作失效的風(fēng)險。

4 策略分析

4.1 失效風(fēng)險

上面章節(jié)分析了操作機(jī)器人執(zhí)行操作功能的安全性，機(jī)器人存在失效風(fēng)險，主要表現(xiàn)在以下幾點。

1) 驅(qū)動機(jī)構(gòu)失效

失效形式：失去驅(qū)動能力，不能執(zhí)行相關(guān)操作功能。

失效影響：影響可用性，但無破壞信號室內(nèi)設(shè)備風(fēng)險。

2) 控制程序失效

失效形式：操控機(jī)械臂失效，發(fā)送位置點錯誤等。

失效影響：機(jī)械臂按照錯誤位置執(zhí)行動作，有可能損壞設(shè)備。

3) 制動系統(tǒng)失效

失效形式：緊急停止失效，機(jī)械臂失去制動控制。

失效影響：在緊急情況下，失去對機(jī)械臂控制，導(dǎo)致設(shè)備損壞。

4.2 防護(hù)策略

通過以上失效情況，在執(zhí)行操作功能時需要有防護(hù)策略，防止操作裝置失效帶來危害。

1) 必須有完備的操作說明和培訓(xùn)體系。

2) 必須安排專門的人員控制和操作監(jiān)督。

3) 機(jī)械臂必須使用協(xié)作機(jī)器人，而非工業(yè)機(jī)器人。

4) 機(jī)械臂操作區(qū)域在滿足要求的前提下盡可能的??；以標(biāo)準(zhǔn)機(jī)柜為依據(jù)。高度不超過2 250 mm，寬度不超過1 000 mm。

5) 必須要有一種安全的遠(yuǎn)程急停裝置，當(dāng)機(jī)械臂失控時，可靠關(guān)閉。

4.3 策略分析

1) 條件1 保證了操作人員的專業(yè)技能水平。

2) 條件2 降低了機(jī)械臂的誤操作，同時，人員干預(yù)降低了危害的影響。

3) 條件3 保證了機(jī)械臂碰觸到設(shè)備后會自動停止動作。

4) 條件4 限制機(jī)械臂的工作區(qū)域，降低發(fā)生危害的范圍。

5) 條件5 保障了機(jī)械臂失控情況下的可靠關(guān)閉，阻止危害的發(fā)生。

5 結(jié)論

提高操作機(jī)器人可靠性和安全性是目前試用和推廣操作機(jī)器人的首要前提條件。通過加強相關(guān)的措施，使得機(jī)器人代替人工執(zhí)行維護(hù)操作功能更加安全和可靠，從而實現(xiàn)真正的無人值守成為可能，并且降低了勞動強度和經(jīng)濟(jì)損失，同時為鐵路安全運輸提供有力保障。