芜湖市跨坐式单轨2号线无人驾驶车辆车门紧急解锁装置的设计优化

2019-11-12刘敏敏徐旺锋吴社杰

城市轨道交通研究 2019年10期

荣军刘敏敏徐旺锋吴社杰

(1. 中车浦镇庞巴迪运输系统有限公司，241060，芜湖;2. 南京康尼机电股份有限公司,210046，南京//第一作者，工程师)

无人驾驶作为轨道交通行业的新兴浪潮,是未来发展的方向。无人驾驶轨道交通车辆的运行条件与有人驾驶情况下的运行条件存在着根本性的差异：无人驾驶下的轨道交通车辆在正常运行过程中所有作业均由系统自动实施，不需司机或站务员进行干预。客室车门作为车辆系统中安全级别较高的系统，其设备可靠性直接关系到乘客的出行安全。因此，无人驾驶车辆的车门紧急解锁装置需要进行专门的设计，以确保在正常运营和紧急情况下都能可靠保障乘客的生命安全。芜湖市跨坐式单轨2号线(以下简称“芜湖2号线”)采用了PBTS跨坐式单轨车辆，列车不设置司机室，采用无人驾驶(UTO)模式运营。本文对芜湖2号线无人驾驶车辆车门紧急解锁装置的设计优化方案进行介绍。

1 城市轨道交通车辆车门紧急解锁装置现状[1]

目前国内轨道交通车辆的车门紧急解锁装置大多采用机械式解锁。车门紧急解锁装置和车门隔离装置独立设计，隔离装置在车门系统中拥有最高优先级。车门紧急解锁装置的操作把手仅通过易碎的透明保护盖进行防护，日常运行过程中需要司机进行一些辅助操作：

1) 车门内紧急解锁装置的透明保护盖为易碎品,从设计上就要求容易打破,因此不能防止个别乘客对车门紧急解锁装置实施非法操作。一旦车门紧急解锁装置在车辆运行过程中被操作，列车将触发紧急制动，此时需要司机将被操作的车门紧急解锁装置实施手动复位并关闭车门,车辆方可继续运行。

2) 隔离装置安装在车体内部，在乘客视野内完全隐蔽,且只能通过乘务员专用钥匙操作。当车门被隔离时，一旦发生如火灾等紧急情况，需要司机先将车门系统解除隔离,再操作车门紧急解锁装置将门系统解锁并打开，乘客才能从该门疏散。

无人驾驶轨道交通在运行时不配备司机,而以上设计在没有司机辅助操作下,功能的安全性完全丧失。因此，如何有效阻止乘客非法操作紧急解锁,以及在紧急情况下乘客如何快速解锁被隔离的门系统，是无人驾驶轨道交通车辆在设计阶段时需要考虑的重点内容。

2 无人驾驶车辆车门紧急解锁装置的功能需求分析

常规轨道交通车辆的紧急解锁功能在优先级设计和动作许可设置方面均无法满足无人驾驶的运行条件，因此，芜湖2号线的车辆在设计时，重新对无人驾驶车辆的车门紧急解锁装置进行了功能需求分析，并与有人驾驶的常规轨道交通车辆进行了功能差异对比，如表1所示。

表1 车门紧急解锁装置的功能差异对比

根据对车门紧急解锁装置功能的分析和比较，芜湖市2号线按照以下设计原则对列车的车门紧急解锁装置进行了设计优化：

1) 增加了操作把手的抑制功能。列车在运行过程中禁止乘客通过操作车门紧急解锁装置打开车门；

2) 紧急解锁功能拥有着最高优先级。在发生紧急情况时，即便车门被隔离，也能通过操作紧急解锁装置来实现解锁开门动作。

3 芜湖2号线车辆车门内紧急解锁的功能及其原理

根据车门紧急解锁装置的功能需求和设计原则，芜湖2号线车辆针对车门紧急解锁装置进行了设计优化。优化后车门紧急解锁装置主要由车门内解锁机构、车门外解锁装置和车门解锁装置等3大机械组件构成(见图1)，机械组件间通过钢丝实现车门紧急解锁装置触发、复位的传动和同步。现对这3大机械组件的相关功能进行介绍。

3. 1 车门内紧急解锁抑制功能

芜湖2号线车门车内紧急解锁装置增加了紧急解锁抑制功能，可彻底防止乘客随意操作车门内部紧急解锁开关，实现在非指定场景(如非逃生疏散通道侧)乘客无法操作车门车内紧急解锁进行机械解锁的功能。该抑制功能通过“门抑制”信号控制电磁铁的得、失电来实现(见图2)。考虑到车辆在紧急情况下有断电的可能性，因此默认设计电磁铁在失电状态下“门抑制”功能失效。

图1 芜湖2号线车辆车门紧急解锁装置互连示意图

图2 电磁铁“门抑制”功能原理

1) “门抑制”信号无效。如图3所示，电磁铁失电释放状态下，制动杆在过渡盘之外，车门车内紧急解锁功能可以正常使用，紧急情况下乘客可操作紧急解锁把手至解锁位置，此时过渡盘转动，实现车门解锁。

图3 电磁铁失电状态

2) “门抑制”信号有效。如图4所示，电磁铁得电吸合状态下，制动杆因电磁铁吸合作用发生转动并插入到过渡盘预留缺口中，实现对过渡盘的制动，乘客无法操作车内紧急解锁把手，从而实现了抑制功能。

图4 电磁铁得电状态

3. 2 隔离及解锁联动功能

2号线车门车内紧急解锁装置设计时集成了车门隔离装置功能的特点，在车内紧急解锁正面有一个供司机操作的隔离装置，可以使用专用的司机钥匙进行操作(见图5)。该设计既能实现车门故障时将车门隔离的功能，同时解锁钢丝绳连接解锁轮(见图6)也能实现车门被隔离后操作车内及车外车门紧急解锁装置联动解锁隔离的功能。具体功能原理描述如下：

图5 车门隔离操作示意图

图6 车门内紧急解锁装置未隔离状态

考虑到芜湖2号线为无人驾驶的运营场景，发生紧急情况时车内没有司机协助将隔离的车门复位，而未受过专业培训的乘客对车门结构并不了解，唯一醒目且可操作的装置是车门内紧急解锁手柄，因此，车门内紧急解锁的优先级必须要高于隔离装置。鉴于以上情况，芜湖2号线车辆将紧急解锁与隔离装置进行了联动，具有即使车门被隔离后，也可以操作车门内紧急解锁或车外紧急解锁将门系统打开的功能(即联动功能)。

如图6所示，隔离锁轴上有两个解锁轮，分别与车门内紧急解锁装置和外紧急解锁装置相连接。在非隔离状态下，操作紧急解锁把手后，因为差动连接设计，解锁轮不会发生动作；一旦车门被隔离，隔离锁舌的转动会带动解锁轮转动，差动连接被补偿，此时操作车门内紧急解锁装置或者车门外紧急解锁装置，隔离锁舌均会复位，车门退出隔离并同时完成解锁。

4 安全验证与计算

芜湖2号线在正常运营中，电磁铁必须处于常得电的状态。电磁铁功能不能受到自身的温升、高低温、高低压等环境状态的影响。一旦电磁铁失效，将导致抑制功能失效。因此电磁铁的可靠性和安全性十分重要，需要分别进行测试。

4. 1 温升测试

电磁铁在DC 110 V电压下连续通电4 h后,电磁铁壳体温度稳定在68.6 ℃，未超过80 ℃，符合设计要求。

4. 2 环境测试

设置环境测试箱交变环境循环,其中：低温环境为-25 ℃，0%湿度，持续1 h；高温环境为70 ℃，95%湿度，持续1 h；

测试时，每2 h完成1次高低温循环，累计测试时间为48 h。使用外部电路控制电磁铁0.5 s吸合，1.5 s释放。持续循环测试48 h后验证得知，电磁铁功能正常。

4. 3 寿命试验

在工作电压下，设置电磁铁0.05 s吸合、0.95 s释放，反复循环试验了2.07×106次后电磁铁功能正常，满足不低于2.00×106次的试验要求。

4. 4 风险评估

以上所有相关试验已确定当前电磁铁可以满足设计需求。除此以外，还需要通过可靠性指标对电磁铁整体的安全性进行评估。

电磁铁安全性分析基于以下5个假设：

1) 每3个月进行一次安全检查,包括检查车门内紧急解锁的功能检查。所以，任务隐蔽故障在定期检查时,100%可以被探测出。

2) 假设1天内单个电磁铁需要持续运营16 h,1年运营365天，即1年累计运营5 840 h,3个月累计运营时间1 460 h。

3) 车辆软件安全等级满足SIL2级,假设软件失效率为1×10-6次/h。

4) 列车在运行过程中始终有“门抑制”信号。

5) 不考虑列车信号错误。

表2为参照相关标准明确定义的4种严重性等级[2]及6个危险发生频度[2]。表3为不同危险发生频度对应的取值区间。

利用故障树分析法对“列车运行时,乘客操作紧急解锁,车门被打开”风险进行分析(见图7)。评定该风险事件的失效率为4.269×10-12次/h。则由表3可知，因“列车运行时,乘客操作紧急解锁,车门被打开”的危险发生频度为“F-难以置信”。故根据表2，将该风险事件严重性等级定义为II级，其综合风险等级为R1，即“可忽略的”风险。