障碍物检测装置试验方法研究

汪林峰，龚 卫，贺世忠，孙志明，周 利，司尚卓

(中车株洲电力机车有限公司 产品研发中心，湖南 株洲 412001)

0 引言

近年来无人驾驶轨道交通地铁列车越来越多地在城市中上线运营，对于地铁列车的安全性能提出了更高的要求。障碍物检测装置作为一种安全防护装置得到了广泛的应用，尤其是采用压力式原理(接触式)的障碍物检测装置，其技术成熟、可靠性高，是无人驾驶地铁列车中的基本配置装置[1,2]。一般在每列车的头车安装障碍物检测装置，当检测到线路有障碍物时，系统将向控制中心发出警报。梁少喆[3]和侯志轩[4]介绍了地铁障碍物检测装置的设计以及关键部件的设计。龚卫等[5]介绍了障碍物检测装置在地铁列车上的安装方案。对于障碍物检测装置的试验方法很少有文献资料介绍，如何对障碍物检测装置进行功能验证是一大难题。本文结合无人驾驶项目的执行，介绍了静态和动态下的障碍物检测装置功能验证试验方法，确保其功能满足设计要求。

1 障碍物检测装置的检测方案

由于地铁列车为载客运行，故对于障碍物检测装置的要求为实时性高、检测距离远、检测精度高、设备轻巧、可靠性高。目前采用非接触方式的障碍物检测系统均停滞在理论研究或少量安装试验阶段，而且由于轨道列车通过曲线时，对前方障碍物检测有很大的距离限制，无法正常发挥检测装置的检测功能，故非接触式障碍物检测装置在无人驾驶项目中没有得到广泛应用。

目前使用最多的障碍物检测方案为采用压力式原理(接触式)的障碍物检测方案，即在列车前、后端的第一个转向架上安装障碍物检测装置(如图1所示)，当列车运行过程中与轨道上的障碍物相撞时，障碍物检测系统将触发列车紧急制动，从而阻止更严重的事故发生，保护列车安全。

图1 障碍物检测装置安装示意图

2 障碍物检测装置功能验证试验方法

当障碍物检测装置装车后，如何对其功能进行验证是一大难题，原因是很难模拟线路上的实际障碍物形状，以及障碍物撞击的方式、部位、速度等。目前，有静态和动态两种障碍物检测装置功能验证试验方法，即用静态的压力模拟障碍物撞击检测装置和设置固定大小、固定位置的障碍物，在地铁列车低速运行下让检测装置去撞击障碍物，验证是否能触发紧急制动，其功能是否满足设计要求。

2.1 静态试验验证方法

静态方法是使用一个专用测力设备(如图2所示)在障碍物检测装置横梁上施加一定的压力，用于模拟障碍物撞击，进而触发地铁列车紧急制动施加。

图2 专用测力设备 图3 专用测力设备固定 图4 动态试验撞击示意图

试验步骤如下：

(1) 将专用测力设备锁固结构架于前进方向左侧铁轨上，使用扳手拧紧锁固螺栓，固定测力设备，如图3所示。

(2) 操作施力扳手，顺时针缓慢旋转丝杆头，推动施力接触件抵着障碍物检测装置横梁移动，观察力显示仪表显示的实时力值。试验时施力范围为0～1 200 N，最大不宜超过2 000 N。

(3) 操作测力设备丝杆向前顶出，监测力值逐步由0上升到1 200 N，车上人员观察主机指示灯状态，记录障碍物报警指示灯点亮时测力设备监测的力值应为1 000 N±100 N，检查司机室屏上障碍物检测界面，应显示图标(检测到障碍物)；检查地铁列车EB制动是否已施加。

(4) 操作测力设备丝杆向后退出，监测力值回归ON，记录障碍物报警指示灯保持点亮；按压障碍物检测装置主机“缓解”按钮，障碍物报警指示灯熄灭，检查司机室屏上障碍物检测界面，图标消除。

(5) 操作司机室紧急制动缓解按钮，EB制动能正常缓解。

(6) 在右侧铁轨上重复步骤(2)～(5)。

(7) 记录触发的力值，试验完成。若触发的力值不在1 000 N±100 N，则需要对障碍物检测装置进行拆解调整，并重新进行功能验证试验。

2.2 动态试验验证方法

利用在轨道中间设置固定大小的橡胶障碍物(重量约5 kg，尺寸为180 mm×180 mm×40 mm)，并让地铁列车以低速运行，障碍物检测装置撞击到事先准备好的橡胶障碍物，观察地铁列车是否施加紧急制动，验证其功能是否满足设计要求。

动态试验撞击示意图如图4所示。试验步骤如下：

(1) 先进行静态功能试验，确保障碍物检测装置功能正常。

(2) 如图4所示，将障碍物支座固定在地沟中间位置，障碍物置于障碍物支座上。障碍物通过绑带与支架连接(限制掉落后障碍物行程，确保掉落地沟中，防止不可预见性飞窜)。

(3) 在障碍物检测装置检测箱内板簧上布置传感器，测量并记录碰撞过程中板簧的应力变化，要求能够测量到障碍物检测警报触发时板簧对应的应力值。

(4) 给障碍物检测主机上电，观察面板指示灯状态,此时障碍物检测主机显示状态如图5所示，PWR和ETH1指示灯绿灯亮起，拍照记录状态。

图5 未触发时主机状态灯示意图

(5) 列车匀速行驶冲撞障碍物，车速10 km/h,若触发，则测试结束；若没触发，将车速提高至15 km/h、20 km/h，直到触发为止。触发时主机状态灯示意图如图6所示。

图6 触发时主机状态灯示意图

(6) 记录紧急制动触发时地铁列车的车速，试验结束。

2.3 两种试验验证方法对比

本文从复杂度、可操作性、现场资源要求等方面对静态和动态两种试验方法进行对比，如表1所示。

表1 两种试验方法对比

由表1可以看出:动态方法相对于静态方法，对现场资源(包括场地、人员、工装设备)要求更高、操作更复杂。对于静态方法，主要是保证障碍物检测装置本身功能上需要满足设计要求;而对于动态方法，主要用于保证在地铁列车运营状况下，能应对各种复杂的线路条件下发生的障碍物碰撞，避免地铁列车发生更坏的事故。故建议在地铁列车型式试验中采用动态方法进行功能验证，在例行试验时采用静态方法进行功能验证，这样既能保证障碍物检测装置的功能满足设计要求，也最大限度地减少了现场资源的占用。

3 结束语

本文提出了静态和动态下的障碍物检测装置功能验证试验方法，并介绍了详细的试验步骤，对两种方法进行了对比分析，提出了优化方向，为后续障碍物检测装置的设计提供了参考依据。