列車(chē)全自動(dòng)駕駛模式下的站臺(tái)門(mén)全壽命周期管理

張銀龍

（中鐵第四勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，430063，武漢∥助理工程師）

全自動(dòng)駕駛技術(shù)包括列車(chē)的全自動(dòng)運(yùn)行技術(shù)和車(chē)站設(shè)備的全自動(dòng)運(yùn)行技術(shù)。智能運(yùn)轉(zhuǎn)的功能保障體系可實(shí)現(xiàn)更精準(zhǔn)的控制，具有更高的安全性、可靠性、可用性和可維護(hù)性，滿(mǎn)足行車(chē)自動(dòng)化、檢修智能化和乘客服務(wù)自助化等功能［1］。

站臺(tái)門(mén)，又稱(chēng)屏蔽門(mén)或安全門(mén)，是隔絕軌行區(qū)與站臺(tái)候車(chē)區(qū)的安全屏障［2］。在全自動(dòng)駕駛模式下,站臺(tái)門(mén)的開(kāi)關(guān)完全由控制系統(tǒng)根據(jù)信號(hào)指令進(jìn)行控制。因此，為了保證站臺(tái)門(mén)系統(tǒng)安全穩(wěn)定的運(yùn)營(yíng)，需從設(shè)計(jì)、安裝、維修維護(hù)及狀態(tài)監(jiān)控等方面對(duì)站臺(tái)門(mén)系統(tǒng)進(jìn)行全壽命周期的管理。

1 站臺(tái)門(mén)系統(tǒng)全壽命周期管理

設(shè)備的全壽命周期管理涵蓋設(shè)計(jì)制造、施工安裝、狀態(tài)監(jiān)控、維修維護(hù)、運(yùn)營(yíng)管理等方面［3］。通過(guò)全壽命周期管理可實(shí)現(xiàn)設(shè)備的定制化設(shè)計(jì)及自適應(yīng)運(yùn)營(yíng)維護(hù)，有效提高設(shè)備的安全可靠性，延長(zhǎng)設(shè)備使用壽命。

站臺(tái)門(mén)的全壽命周期管理包括：基于BIM（建筑信息模型）技術(shù)的站臺(tái)門(mén)系統(tǒng)智能設(shè)計(jì)；利用三維仿真技術(shù)實(shí)現(xiàn)站臺(tái)門(mén)系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)安裝作業(yè)指導(dǎo)；對(duì)站臺(tái)門(mén)系統(tǒng)進(jìn)行全壽命周期的狀態(tài)監(jiān)控；針對(duì)站臺(tái)門(mén)性能設(shè)定多級(jí)預(yù)警閾值，實(shí)現(xiàn)故障前預(yù)警功能［4］；統(tǒng)計(jì)分析站臺(tái)門(mén)的維護(hù)周期、故障歷史及狀態(tài)參數(shù)，對(duì)其進(jìn)行設(shè)備全過(guò)程跟蹤管理，并制定自適應(yīng)維修計(jì)劃，實(shí)施周期維修和狀態(tài)維修；根據(jù)故障信息生產(chǎn)應(yīng)急搶修預(yù)案，告知故障影響范圍及應(yīng)急處理方式等。

1.1 基于BIM技術(shù)的智能設(shè)計(jì)及現(xiàn)場(chǎng)安裝

站臺(tái)門(mén)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，零部件多，傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)手段無(wú)法實(shí)現(xiàn)對(duì)所有零部件設(shè)計(jì)質(zhì)量的統(tǒng)一控制，難以適應(yīng)全自動(dòng)駕駛模式對(duì)設(shè)備的高可靠性要求。

站臺(tái)門(mén)系統(tǒng)智能設(shè)計(jì)體系基于BIM技術(shù)（見(jiàn)圖1）。首先，對(duì)站臺(tái)門(mén)的500余個(gè)零部件進(jìn)行分析歸類(lèi)，建立了零部件參數(shù)化模型庫(kù)；然后，基于設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范庫(kù)和產(chǎn)品設(shè)計(jì)要求，建立設(shè)計(jì)檢驗(yàn)庫(kù)；最后，通過(guò)具體參數(shù)驅(qū)動(dòng)參數(shù)化模型庫(kù)，完成站臺(tái)門(mén)系統(tǒng)的智能設(shè)計(jì)，建立站臺(tái)門(mén)系統(tǒng)BIM模型（見(jiàn)圖2），并調(diào)用設(shè)計(jì)檢驗(yàn)庫(kù)對(duì)模型進(jìn)行修正，最終輸出圖紙及模型。

站臺(tái)門(mén)系統(tǒng)的可靠性除與設(shè)計(jì)密不可分外，也受施工質(zhì)量的影響［5］。為了確保乘客及工作人員的安全，站臺(tái)門(mén)門(mén)體與車(chē)站結(jié)構(gòu)之間需要實(shí)現(xiàn)有效的絕緣。但是，施工過(guò)程中，施工人員的不規(guī)范操作或施工組織的混亂很容易造成絕緣層破壞，出現(xiàn)絕緣擋板滲漏、絕緣膜損壞、絕緣噴涂剮蹭、絕緣連接件失效等問(wèn)題［6］。

圖1 站臺(tái)門(mén)系統(tǒng)智能設(shè)計(jì)體系

圖2 站臺(tái)門(mén)系統(tǒng)BIM模型

為了有效保障施工質(zhì)量，基于BIM技術(shù)的現(xiàn)場(chǎng)施工安裝作業(yè)指導(dǎo)十分必要。首先，利用BIM模擬現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)工況，并仿真設(shè)備安裝過(guò)程，提前預(yù)見(jiàn)施工問(wèn)題，把控施工質(zhì)量；然后，在站臺(tái)門(mén)設(shè)備施工安裝前，對(duì)站臺(tái)門(mén)門(mén)體上下連接件（與站臺(tái)板或軌頂風(fēng)道的連接件），立柱，立柱包板，踢腳板，門(mén)檻，頂箱蓋板以及應(yīng)急門(mén)、端門(mén)推桿及滑動(dòng)門(mén)、固定門(mén)、應(yīng)急門(mén)、端門(mén)的門(mén)框等構(gòu)件的施工質(zhì)量進(jìn)行模擬；最后，根據(jù)模擬結(jié)果，針對(duì)施工過(guò)程中影響施工質(zhì)量的重點(diǎn)控制環(huán)節(jié)制定有效施工計(jì)劃，形成詳細(xì)的施工作業(yè)流程和注意事項(xiàng)，并下發(fā)到施工人員手中，從而有效地把控現(xiàn)場(chǎng)施工，提高施工質(zhì)量。

采用BIM技術(shù)指導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)施工，可有效提高站臺(tái)門(mén)系統(tǒng)的安裝質(zhì)量。對(duì)按此方法施工完成的門(mén)體絕緣性能進(jìn)行測(cè)試，得到門(mén)體絕緣值≥500 MΩ，滿(mǎn)足系統(tǒng)安全性能要求；對(duì)設(shè)備樣機(jī)進(jìn)行測(cè)試，其可靠性高達(dá)99.95%。

1.2 站臺(tái)門(mén)系統(tǒng)狀態(tài)監(jiān)控

目前，我國(guó)正在運(yùn)營(yíng)的全自動(dòng)駕駛線(xiàn)路均在站臺(tái)設(shè)有站務(wù)人員值守，對(duì)站臺(tái)門(mén)系統(tǒng)運(yùn)營(yíng)情況進(jìn)行監(jiān)控管理。隨著運(yùn)營(yíng)組織要求的提高，實(shí)現(xiàn)站臺(tái)無(wú)人監(jiān)管將成為必然趨勢(shì)。在這種情況下，為保證系統(tǒng)的可靠運(yùn)行,保障上下車(chē)乘客的安全，需對(duì)站臺(tái)門(mén)系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行有效的監(jiān)控。內(nèi)容包括外部環(huán)境狀態(tài)監(jiān)控及站臺(tái)門(mén)系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)控。

1.2.1 外部環(huán)境狀態(tài)監(jiān)控

列車(chē)在全自動(dòng)駕駛模式下正常運(yùn)行時(shí)，站臺(tái)門(mén)開(kāi)關(guān)過(guò)程沒(méi)有司機(jī)參與，如沒(méi)有穩(wěn)定可靠的障礙物檢測(cè)系統(tǒng)，容易造成乘客夾傷等事故，影響列車(chē)運(yùn)行［7］。目前用于列車(chē)與站臺(tái)門(mén)間隙監(jiān)控的自動(dòng)探測(cè)系統(tǒng)有紅外防夾探測(cè)系統(tǒng)和激光防夾探測(cè)系統(tǒng)2種。

上海軌道交通10號(hào)線(xiàn)采用紅外防夾探測(cè)系統(tǒng)，其誤報(bào)現(xiàn)象較為頻繁［8］。北京地鐵燕房線(xiàn)針對(duì)紅外防夾誤報(bào)情況，進(jìn)行了激光探測(cè)技術(shù)試驗(yàn)。激光探測(cè)技術(shù)具有發(fā)散角小、有效監(jiān)測(cè)距離長(zhǎng)等特點(diǎn)。為了保障線(xiàn)路運(yùn)行可靠性，實(shí)現(xiàn)站臺(tái)門(mén)外部運(yùn)營(yíng)環(huán)境狀態(tài)的有效監(jiān)控，在全自動(dòng)駕駛模式下應(yīng)采用激光防夾方式。

1.2.2 站臺(tái)門(mén)系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)控

全自動(dòng)駕駛模式是一種更安全、更高效的運(yùn)行模式，具有運(yùn)能更高、追蹤間隙更短的特點(diǎn)［9］。根據(jù)全自動(dòng)駕駛的要求，站臺(tái)門(mén)系統(tǒng)應(yīng)能根據(jù)不同的工況自適應(yīng)調(diào)節(jié)開(kāi)關(guān)門(mén)的全過(guò)程，實(shí)現(xiàn)列車(chē)追蹤間隙≤ 2 min。

為此，需研究站臺(tái)門(mén)系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)，監(jiān)控管理相關(guān)參數(shù)，通過(guò)大數(shù)據(jù)分析，實(shí)現(xiàn)對(duì)開(kāi)關(guān)門(mén)過(guò)程的智能控制，優(yōu)化并縮短開(kāi)關(guān)門(mén)時(shí)間。

1.2.2.1 基于大數(shù)據(jù)分析技術(shù)的自學(xué)習(xí)功能

通過(guò)站臺(tái)門(mén)運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)對(duì)每扇站臺(tái)門(mén)每次開(kāi)關(guān)門(mén)過(guò)程進(jìn)行監(jiān)控，并統(tǒng)計(jì)風(fēng)壓值、摩擦力、開(kāi)關(guān)門(mén)阻力、開(kāi)關(guān)門(mén)動(dòng)能、開(kāi)關(guān)門(mén)時(shí)間等相關(guān)參數(shù)，建立站臺(tái)門(mén)系統(tǒng)開(kāi)關(guān)門(mén)全過(guò)程數(shù)據(jù)庫(kù)［10］。根據(jù)運(yùn)營(yíng)需求，制定數(shù)據(jù)庫(kù)更新周期，在每一次數(shù)據(jù)更新之后，系統(tǒng)通過(guò)數(shù)據(jù)分析處理，對(duì)原有的最優(yōu)值進(jìn)行修正和優(yōu)化，針對(duì)不同工況下不同的門(mén)單元給出一組最優(yōu)的控制參數(shù)，保證站臺(tái)門(mén)的開(kāi)關(guān)門(mén)時(shí)間最短。由于列車(chē)每次進(jìn)站時(shí)，產(chǎn)生的風(fēng)壓都不一樣[11]，站臺(tái)門(mén)系統(tǒng)將根據(jù)具體的工況條件，調(diào)用對(duì)應(yīng)的控制參數(shù)，實(shí)現(xiàn)門(mén)體單元的開(kāi)關(guān)門(mén)控制。

1.2.2.2 開(kāi)門(mén)曲線(xiàn)和開(kāi)門(mén)力的自動(dòng)優(yōu)化

全自動(dòng)駕駛模式下，每扇站臺(tái)門(mén)進(jìn)行單獨(dú)控制。由于每扇站臺(tái)門(mén)工況不同，承受的風(fēng)壓值也不一樣，為了保證站臺(tái)門(mén)開(kāi)門(mén)的同步精度，需要對(duì)每一扇門(mén)進(jìn)行自適應(yīng)控制［12］。

站臺(tái)門(mén)開(kāi)關(guān)門(mén)的主要影響參數(shù)匯總?cè)绫?所示。

從表1中可以看出，開(kāi)關(guān)門(mén)曲線(xiàn)主要與門(mén)體開(kāi)度、門(mén)體運(yùn)動(dòng)速度及動(dòng)能等參數(shù)相關(guān)。其中，門(mén)體開(kāi)度為定值，運(yùn)動(dòng)速度和動(dòng)能因工況而異。門(mén)體最大運(yùn)動(dòng)速度與開(kāi)門(mén)動(dòng)能的關(guān)系為：

表1 開(kāi)關(guān)門(mén)曲線(xiàn)主要影響參數(shù)

其中：WK=WK1+WK2+WK3

式中：

WK——站臺(tái)門(mén)系統(tǒng)總能；

WK1——滑動(dòng)門(mén)的動(dòng)能；

WK2——齒輪動(dòng)能；

WK3——皮帶系統(tǒng)動(dòng)能；

mmax——滑動(dòng)門(mén)最大質(zhì)量；

vmax——最大開(kāi)門(mén)速度；

Jp——齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；

Js——皮帶系統(tǒng)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；

i——轉(zhuǎn)動(dòng)比；

D——齒輪直徑。

為保證全部站臺(tái)門(mén)同步精度≤0.2 s，需根據(jù)不同風(fēng)壓工況下，自適應(yīng)地調(diào)整站臺(tái)門(mén)開(kāi)關(guān)門(mén)動(dòng)能，從而控制開(kāi)門(mén)速度，實(shí)現(xiàn)全側(cè)門(mén)的同步開(kāi)關(guān)。

1.3 站臺(tái)門(mén)系統(tǒng)壽命管理及智能維修

站臺(tái)門(mén)系統(tǒng)與乘客候車(chē)及列車(chē)運(yùn)行安全直接相關(guān)，因此實(shí)時(shí)掌控站臺(tái)門(mén)系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性，具有重要意義。

基于站臺(tái)門(mén)系統(tǒng)狀態(tài)信息的全壽命周期管理系統(tǒng)集成了電源系統(tǒng)、驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、蓄電池、門(mén)體結(jié)構(gòu)部件等相關(guān)系統(tǒng)部件，能實(shí)時(shí)監(jiān)控各部件的性能參數(shù)。通過(guò)后臺(tái)數(shù)據(jù)庫(kù)智能算法，可實(shí)現(xiàn)對(duì)零部件的狀態(tài)趨勢(shì)分析；根據(jù)狀態(tài)發(fā)展趨勢(shì)，結(jié)合零部件性能標(biāo)準(zhǔn)，可實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)備壽命的可靠評(píng)估。

為進(jìn)一步提高設(shè)備的壽命，保障系統(tǒng)的可靠運(yùn)行，針對(duì)站臺(tái)門(mén)系統(tǒng)各零部件系統(tǒng)，建立了穩(wěn)定參數(shù)庫(kù)和預(yù)警值庫(kù)等2大基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫(kù)。

將站臺(tái)門(mén)系統(tǒng)設(shè)備實(shí)時(shí)參數(shù)與穩(wěn)定參數(shù)進(jìn)行對(duì)比，可分析設(shè)備的可靠性。當(dāng)設(shè)備參數(shù)接近預(yù)警值時(shí)，站臺(tái)門(mén)全壽命周期管理系統(tǒng)將預(yù)測(cè)站臺(tái)門(mén)可能產(chǎn)生的故障，并進(jìn)行報(bào)警。同時(shí)，系統(tǒng)還將根據(jù)數(shù)據(jù)庫(kù)基礎(chǔ)定期智能生成站臺(tái)門(mén)系統(tǒng)各部件的維修養(yǎng)護(hù)計(jì)劃，以實(shí)現(xiàn)設(shè)備故障的提前預(yù)知和維修養(yǎng)護(hù)。

通過(guò)全壽命周期管理系統(tǒng)對(duì)站臺(tái)門(mén)系統(tǒng)進(jìn)行壽命管理并制定對(duì)應(yīng)的維修計(jì)劃，可有效降低站臺(tái)門(mén)故障對(duì)列車(chē)運(yùn)行的影響，提高系統(tǒng)可靠性。

1.4 站臺(tái)門(mén)系統(tǒng)應(yīng)急管理

在全自動(dòng)駕駛模式下，一旦列車(chē)門(mén)或者站臺(tái)門(mén)的開(kāi)關(guān)出現(xiàn)故障，若站臺(tái)門(mén)系統(tǒng)不能根據(jù)具體情況采取及時(shí)有效的措施，將影響到乘客的上下車(chē)，從而影響整個(gè)線(xiàn)路的運(yùn)營(yíng)，甚至?xí)斐蓢?yán)重后果。因此，當(dāng)列車(chē)門(mén)或站臺(tái)門(mén)出現(xiàn)故障時(shí)，站臺(tái)門(mén)系統(tǒng)需對(duì)故障的門(mén)或站臺(tái)門(mén)進(jìn)行隔離處理，并及時(shí)提醒乘客在指定的位置上下車(chē)。這就是全自動(dòng)駕駛模式下，站臺(tái)門(mén)系統(tǒng)的對(duì)位隔離功能。

要實(shí)現(xiàn)站臺(tái)門(mén)與列車(chē)門(mén)的對(duì)位隔離，需對(duì)每個(gè)門(mén)單元進(jìn)行單獨(dú)控制。具體工況如下：

（1）列車(chē)門(mén)發(fā)生故障，隔離站臺(tái)門(mén)。列車(chē)的某個(gè)車(chē)門(mén)在出現(xiàn)故障不能打開(kāi)時(shí)會(huì)被隔離；在列車(chē)到站停車(chē)后，站臺(tái)門(mén)控制系統(tǒng)控制對(duì)應(yīng)故障列車(chē)門(mén)的站臺(tái)門(mén)單元保持鎖閉，不參與開(kāi)、關(guān)門(mén)作業(yè)；此時(shí)站臺(tái)的其他站臺(tái)門(mén)應(yīng)正常打開(kāi)，VOBC（車(chē)載控制器）也仍對(duì)其打開(kāi)狀態(tài)進(jìn)行防護(hù)。

（2）站臺(tái)門(mén)發(fā)生故障，隔離列車(chē)門(mén)。當(dāng)某扇站臺(tái)門(mén)門(mén)體發(fā)生故障或被人工鎖閉時(shí)，站臺(tái)門(mén)系統(tǒng)對(duì)該站臺(tái)門(mén)單元進(jìn)行隔離。列車(chē)在該站臺(tái)停車(chē)后，與該側(cè)站臺(tái)故障門(mén)單元對(duì)應(yīng)的列車(chē)門(mén)也保持鎖閉，不參與開(kāi)關(guān)門(mén)作業(yè)。

當(dāng)站臺(tái)門(mén)發(fā)生故障，需隔離列車(chē)門(mén)時(shí)，對(duì)位隔離功能實(shí)現(xiàn)步驟為：

（1）當(dāng)單扇或幾扇站臺(tái)門(mén)發(fā)生故障不能打開(kāi)時(shí)，站臺(tái)門(mén)系統(tǒng)將故障門(mén)的信息通過(guò)信號(hào)網(wǎng)絡(luò)接口報(bào)告給相應(yīng)的連鎖設(shè)備，并匯報(bào)給ISCS（綜合監(jiān)控系統(tǒng)），并在OCC（控制中心）的客運(yùn)調(diào)度平臺(tái)及維修平臺(tái)上進(jìn)行報(bào)警。

（2）故障站臺(tái)門(mén)對(duì)應(yīng)的故障指示燈點(diǎn)亮。

（3）連鎖或ZC（區(qū)域控制）設(shè)備將站臺(tái)門(mén)狀態(tài)信息（包括正常門(mén)和故障門(mén)）發(fā)送給當(dāng)前接近車(chē)站的列車(chē)的VOBC；VOBC將對(duì)應(yīng)故障站臺(tái)門(mén)的信息轉(zhuǎn)發(fā)給TIMS（列車(chē)綜合管理系統(tǒng)）。

（4）車(chē)輛通過(guò)車(chē)載PIS（乘客信息系統(tǒng)）觸發(fā)相對(duì)應(yīng)隔離車(chē)門(mén)上方的動(dòng)態(tài)地圖顯示器，以顯示此車(chē)門(mén)不打開(kāi)信息，并點(diǎn)亮紅色指示燈。

（5）列車(chē)進(jìn)站停車(chē)后，VOBC分別向車(chē)輛和聯(lián)鎖設(shè)備發(fā)送打開(kāi)車(chē)門(mén)指令和打開(kāi)站臺(tái)門(mén)指令，故障站臺(tái)門(mén)對(duì)應(yīng)的車(chē)門(mén)由TIMS控制不打開(kāi)。

2 結(jié)語(yǔ)

站臺(tái)門(mén)系統(tǒng)是乘客候車(chē)安全的屏障，也是全自動(dòng)駕駛模式下車(chē)站自動(dòng)控制設(shè)備的重要組成部分。從系統(tǒng)的安全性、可靠性、自動(dòng)化及智能化等方面深入研究，建立全自動(dòng)駕駛模式下的站臺(tái)門(mén)系統(tǒng)全壽命周期管理系統(tǒng)，對(duì)于全自動(dòng)駕駛技術(shù)的推動(dòng)和發(fā)展具有重要意義。

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