铁路机械室内智能操作机器人安全分析

张奎刚

(北京全路通信信号研究设计院集团有限公司，北京 100070)

1 概述

2015 年国务院颁布《中国制造2025》,将机器人和轨道交通装备都列为我国智能制造强国战略的10 大重点领域[1]。

国内信号机械室内基础设备均采用人工巡视方式维护。但是大量的重复性巡检任务、多样化测试作业不仅给维护带来很多不便，而且人工巡视维护劳动强度大且质量不可控。特别是偏远地区，无人值守车站，中继站维护更加困难。发生故障时，往往因为位置偏远，抢修人员不能及时处置，导致设备故障延时超过2 h，造成D 类故障[2]。

操作机器人也是基于这方面的需求而设计开发的。它可以代替或部分代替人工完成巡检、操作功能。出现应急险情时，通过人工远程控制，对故障点进行干预，重启故障设备等，减小故障影响。

2 机械室内操作机器人简介

铁路机械室智能操作机器人（简称操作机器人）应用到铁路各个机械室、中继站以及无人值守站。通过自主定位，路径规划，实现对信号室内设备自主巡检和操作功能。

巡检功能包括对预定位置信号设备指示灯状态、防雷单元劣化指标巡检，将实时画面通过网络传送至本地监控端。本地监控进行图像识别后，将识别结果通过网络传送至远端监控[3]。

操作功能主要模拟人在机械室内的维护操作，例如复位板卡等。操作装置主要由多轴机械臂或可多维度灵活运动的模组装置构成。机械臂特别是工业机械臂在汽车制造、舰船制造及家电生产制造等领域应用已经相当成熟[4]。在铁路领域的应用也逐步扩大，比如神州高铁已将机械臂应用到列车检修、列车清洗等。

目前，中国铁路总公司正在加快无人值守站的推广[5]。但还没有一款操作功能的机器人应用到无人值守站、中继站以及各个路局站点。究其原因，人们还是对操作机器人持怀疑态度，包括工作是否安全可靠，是否有安全隐患等。

3 可靠性、安全性分析

安全是远离不可接受的损害的能力[6]。铁路设备必须采用故障导向安全的机制保障设备的安全性。

执行巡检功能时，操作机器人按照固定的巡检路线和预置点对信号设备巡检。在此过程中，操作机器人通过摄像机对设备状态进行拍照，不会接触任何信号设备，因此也不会影响信号设备的安全等级，所以属于非安全功能[7]。

操作机器人在执行操作功能时，会对信号设备施加外部的动作，例如操作开关等。当操作装置出现任意故障状态或失控状态下，可能会损坏室内信号设备。

从设备安全性来分析，操作失控并没有降低信号设备的固有安全等级。例如，因机械臂失控，导致相邻设备掉电或损坏，信号设备故障导向安全，轨道继电器落下。

但从可靠性分析，因操作功能的失控，会降低信号设备的使用寿命，并增大故障的恢复时间。例如，出现失控情况下，机械臂在损坏设备的同时，也将安装设备的接口损坏，导致不能快速更换新设备。故障持续时间加长，导致列车运行延误迟于规定的时间，造成一定的经济损失。

如何提高机械臂的可靠性和可控性是减少操作失控的关键。机械臂包含机械、电子、电气、以及传动、软件控制等，对其进行可靠性研究比较复杂，需要综合考虑末端位姿精度、末端速度精度和末端力精度等各方面的评价标准。目前这方面的研究较少。

可靠性数学模型一般表达式为：

公式（1）中，Rs(t)为系统总可靠度；Ri(t)为元器件的可靠度（i=1,2,…,n）;n 为元件的总数量。

公式（2）、（3）中，λs为系统失效率；N 为子系统数量，λsi为第i 个子系统的失效率。

公式（4）中，m 为第i 个子系统中元器件的数量；nj为相同型号元件的数量；λj为第i 个子系统第j 种型号元件的失效率。

机器人详细设计阶段，按照故障率预计法计算：

公式（5）中，λbj为第j 种元件的基本失效率；πkj为第j 种元件的环境因子； Djπkj为第j 种元件的减额因子。

计算出失效率后，通过以上公式，得到：

通过对机械臂优化模型仿真，运行可靠性可达到73.7%[8]。

所以必须采取安全措施，降低机器人操作失效的风险。

4 策略分析

4.1 失效风险

上面章节分析了操作机器人执行操作功能的安全性，机器人存在失效风险，主要表现在以下几点。

1) 驱动机构失效

失效形式：失去驱动能力，不能执行相关操作功能。

失效影响：影响可用性，但无破坏信号室内设备风险。

2) 控制程序失效

失效形式：操控机械臂失效，发送位置点错误等。

失效影响：机械臂按照错误位置执行动作，有可能损坏设备。

3) 制动系统失效

失效形式：紧急停止失效，机械臂失去制动控制。

失效影响：在紧急情况下，失去对机械臂控制，导致设备损坏。

4.2 防护策略

通过以上失效情况，在执行操作功能时需要有防护策略，防止操作装置失效带来危害。

1) 必须有完备的操作说明和培训体系。

2) 必须安排专门的人员控制和操作监督。

3) 机械臂必须使用协作机器人，而非工业机器人。

4) 机械臂操作区域在满足要求的前提下尽可能的小；以标准机柜为依据。高度不超过2 250 mm，宽度不超过1 000 mm。

5) 必须要有一种安全的远程急停装置，当机械臂失控时，可靠关闭。

4.3 策略分析

1) 条件1 保证了操作人员的专业技能水平。

2) 条件2 降低了机械臂的误操作，同时，人员干预降低了危害的影响。

3) 条件3 保证了机械臂碰触到设备后会自动停止动作。

4) 条件4 限制机械臂的工作区域，降低发生危害的范围。

5) 条件5 保障了机械臂失控情况下的可靠关闭，阻止危害的发生。

5 结论

提高操作机器人可靠性和安全性是目前试用和推广操作机器人的首要前提条件。通过加强相关的措施，使得机器人代替人工执行维护操作功能更加安全和可靠，从而实现真正的无人值守成为可能，并且降低了劳动强度和经济损失，同时为铁路安全运输提供有力保障。