全自动驾驶车辆车门系统的方案设计

杜岩琰

(上海轨道交通设备发展有限公司， 201100， 上海∥工程师)

全自动无人驾驶车辆采用自动化等级GoA3或GoA4，分别适用DTO(有人值守)或UTO(无人值守)的列车运行方式。本文以上海某采用无人值守的全自动无人驾驶项目为例，运用OMPD(运营模式和规则定义)的方法来分析定义运营需求，从而明确全自动无人驾驶车辆的车门系统功能设计，并提出可靠性计算方法验证车门系统的可靠性。

1 OMPD定义

OMPD共分为3大运营场景：正常场景、故障场景、应急场景。各运营场景分别定义了场景描述、基本流程、注意事项和功能分配4部分。

正常场景是指系统正常运行情况下从早间运营前的准备，到车辆回库休眠的一系列正常工作场景下，车辆、信号、综合监控、通讯、其他机电设备的功能实现和联动要求，以及运营、客服和检修等专业工作人员应执行的工作内容。

故障场景描述整个全自动驾驶系统在执行正常场景功能时发生故障，为保证系统的可用性和安全性，系统自动处置的动作、应具备的功能和联动机制。

应急场景中描述突发事件的应急处置预案，使整个全自动驾驶运营系统具备自动对突发事件的处置能力，最大限度地预防和减少突发事件的发生及其造成的损害。

2 OMPD与车门功能解析

2.1 车门系统功能配置

每种场景下所需的车门系统功能如表1～表3所示。

表1 正常场景

表2 故障场景

表3 应急场景

2.2 车门功能设计优化

结合OMPD定义，针对GoA4等级下列车出库、运行无乘务员值守的情况，即当出现故障时，OCC(运营控制中心)仅能通过车载设备进行处理，或列车进站后工作人员登乘处理。因此，对车门的自动唤醒、出现故障乘务员蹬车、门系统出现故障自动隔离等需求进行了功能优化。

1) 对列车唤醒阶段中需求：“在全自动运行模式下，必需的列车功能执行综合自检(包括车辆设备自检、车载信号设备自检以及开关车门、施放制动等联合测试)”。针对上述需求，重新设计了车门上电自检功能。

车门上电自检功能如下：收到TCMS(列车控制与管理系统)发送的自检信号，车门系统将进行自检测，检测门控器内部的硬件及软件是否工作正常，并将结果信号反馈给TCMS。

2) 对无人驾驶列车降级运行的需求：列车在ATP(列出自动保护系统)防护下以有人驾驶模式(AM、CM或RM模式)运行优化了电解锁功能。

电解锁功能如下：工作人员可通过主控钥匙，在列车任何区间内操作解锁登车。

3) 对故障模式下，如车门或屏蔽门出现故障无法正常开关门，列车到站对位后，对应的屏蔽门或车门则保持关闭，不会打开，设计优化了对位隔离功能。

对位隔离功能如下：

1) 门系统故障。全自动驾驶情况下，门控器可以自动将无法开/关门的故障信息和门的地址信息上传给TCMS。TCMS再将故障信息和门地址发送给信号系统和列车广播系统，通过信号系统控制实现下一站屏蔽门对位切除；通过列车广播系统触发相对应的隔离车门上方的动态地图LCD显示器，显示此门不打开的信息，点亮红色指示灯，并进行车门隔离故障广播，如图1所示。

2) 屏蔽门系统故障。当前方站台单个或多个屏蔽门故障时，通过信号系统在车辆停站前将对应车门切除信息和地址信息传送给车载信号设备，车辆的信号系统再通过TCMS系统按照地址信息将切除指令发送给对应的门控器和车载PA系统。门控器在开关门时保持切除状态，此时车门内侧切除显示灯点亮，提前提示乘客此门不打开；通过车载PA系统触发相对应的故障车门上方的动态地图LCD显示器，显示此门不打开的信息，点亮红色指示灯，并进行车门故障广播，如图2所示。

图1 门系统故障对位隔离示意图

图2 屏蔽门故障对位离示意图

通过对场景文件的梳理，共对车门系统8个功能进行了优化或新增，从根本上保证了车门系统在使用功能上满足用户的实际需求。

3 车门系统方案设计

根据上文中总结出的功能需求及设计方案，配置车门系统的硬件。本项目车门系统采用的是一种电动双开内藏门系统，主要由承载机构、驱动机构、门页、内外门槛、辅助支撑、内外紧急解锁、电解锁装置、门控器等组成，如图3所示。

每节车厢有10套门，分居两侧，每侧5套。每套门均由一台门控器来控制。1号和2号配备以太网接口和MVB(多功能车辆总线)网卡，它们作为主门进行RS485通讯。门3到10作为S485网络的从门，其中，TC车的1号车门、2号车门配有电解锁和外紧急解锁，9号车门、10号车门配有外紧急解锁，其余车型仅在1号门、2号门配有外紧急解锁。

图3 车门系统硬件方案

4 车门系统硬件系统RAMS计算

车门系统可靠性预计是在设计阶段对客室侧门的可靠性进行定量的估计，是根据历史的产品可靠性数据、系统的构成和结构特点、系统的工作环境等因素估计组成系统的部件及系统可靠性[1]。根据重新配置后的车门系统硬件，验算已满足功能需求的车门系统是否达到已下发的车门系统的RAMS(可靠性、可用性、可维护性和安全性)指标。

4.1 车门系统RAMS指标分配

为保证整车设计达到用户招标文件中可靠性需求，整车可靠性指标需分配到各子系统。整车RAMS团队基于比例分配法，对子系统可靠性分配。车门系统可靠性指标分配如表4所示。

表4 可靠性指标分配

故障定义如下：

1) A类故障，是指无法实现某一特定功能而造成车辆非正常停车/部分功能的丧失而不能正常运转，元器件因为失效而更换或修复。

2) B类故障，是指因某一特定功能不能实现而导致列车晚点，列车甚至不能投入或继续维持商业运营。运营故障包含：救援(即需要另外一列车将故障列车拖回车辆段)、清客(需要疏散乘客，列车空车返回车辆段)、晚点(列车因故障在线路上停车时间超过2 min，对商业运行造成了影响，不能投入商业运营。

3) C类故障，是指造成列车5 min及以上运营晚点的故障。

4.2 发布可靠性信息

列车基本运营信息如表5所示。

表5 基本运营信息

4.3 故障模式、影响及危害性分析(FMECA)更新及故障类别识别

根据最新配置的车门系统硬件设备，重新更新FMECA中可更换单元，同时参考以往供应商经验数据初步更新对应的故障率，作为可靠性计算的数据来源。

依据FMECA中每个可更换单元的故障模式栏，分析确定故障影响后果及其导致的延误时间，判断是否计入B类故障或C类故障。

4.4 可靠性图框

对系统各零部件功能进行分析，系统的基本可靠性模型符合串联系统，可靠性框图如图4所示。

图4 可靠性框图

4.4.1 数学模型[2]

故障率为：

(1)

式中：

λ——系统的故障率；

λi——各单元的故障率。

平均无故障间隔时间(MTBF)为：

(2)

式中：

tMTBF——系统平均无故障间隔时间。

在进行列车可靠性计算中将采用以下公式：

tMTBF=T1/N1

(3)

式中：

tMTBF——平均无故障间隔时间；

T1——列车运行的时间总和；

N1——在T1时间内发生的故障总数。

在进行列车可靠性计算中将采用以下公式：

LMDBF=Li/Ni

(4)

式中：

LMDBF——平均故障间隔里程；

Li——所有运营列车在正线上运行总里程；

Ni——在Li距离内所有运营列车上所发生的列车运营故障总数。

4.4.2 计算结果

将FMECA中故障率数据代入式(1)，得到A类故障可靠性图框，如图5所示。

图5 A类故障可靠性框图

将FMECA中导致B类故障的故障率代入式(1)，得到B类故障可靠性图框，如图6所示。

由于车门系统中并无更换单元的失效会导致造成列车5 min及以上运营晚点的故障，因此无C类故障。

将上述单门计算结果转换成一列车车门故障率，代入式(2)，计算出每种故障的tMTBF。

图6 B类故障可靠性框图

将每年平均运行距离、每年平均上电运行时间、tMTBF代入式(3)、式(4)，计算出每种故障的tMTBF及LMDBF，计算结果如表6所示。

表6 各故障类型故障率

5 结语

本文通过对OMPD深入研究解析，从而明确车门系统功能需求，对车门系统功能进行了优化；初步通过可靠性计算，验证了车门系统方案的可靠性，从而明确了车门系统的方案设计，为后续的系统设计打下基础。