蕪湖市跨坐式單軌2號線無人駕駛車輛車門緊急解鎖裝置的設計優(yōu)化

榮 軍 劉敏敏 徐旺鋒 吳社杰

(1. 中車浦鎮(zhèn)龐巴迪運輸系統(tǒng)有限公司，241060，蕪湖;2. 南京康尼機電股份有限公司,210046，南京//第一作者，工程師)

無人駕駛作為軌道交通行業(yè)的新興浪潮,是未來發(fā)展的方向。無人駕駛軌道交通車輛的運行條件與有人駕駛情況下的運行條件存在著根本性的差異：無人駕駛下的軌道交通車輛在正常運行過程中所有作業(yè)均由系統(tǒng)自動實施，不需司機或站務員進行干預。客室車門作為車輛系統(tǒng)中安全級別較高的系統(tǒng)，其設備可靠性直接關系到乘客的出行安全。因此，無人駕駛車輛的車門緊急解鎖裝置需要進行專門的設計，以確保在正常運營和緊急情況下都能可靠保障乘客的生命安全。蕪湖市跨坐式單軌2號線(以下簡稱“蕪湖2號線”)采用了PBTS跨坐式單軌車輛，列車不設置司機室，采用無人駕駛(UTO)模式運營。本文對蕪湖2號線無人駕駛車輛車門緊急解鎖裝置的設計優(yōu)化方案進行介紹。

1 城市軌道交通車輛車門緊急解鎖裝置現(xiàn)狀[1]

目前國內軌道交通車輛的車門緊急解鎖裝置大多采用機械式解鎖。車門緊急解鎖裝置和車門隔離裝置獨立設計，隔離裝置在車門系統(tǒng)中擁有最高優(yōu)先級。車門緊急解鎖裝置的操作把手僅通過易碎的透明保護蓋進行防護，日常運行過程中需要司機進行一些輔助操作：

1) 車門內緊急解鎖裝置的透明保護蓋為易碎品,從設計上就要求容易打破,因此不能防止個別乘客對車門緊急解鎖裝置實施非法操作。一旦車門緊急解鎖裝置在車輛運行過程中被操作，列車將觸發(fā)緊急制動，此時需要司機將被操作的車門緊急解鎖裝置實施手動復位并關閉車門,車輛方可繼續(xù)運行。

2) 隔離裝置安裝在車體內部，在乘客視野內完全隱蔽,且只能通過乘務員專用鑰匙操作。當車門被隔離時，一旦發(fā)生如火災等緊急情況，需要司機先將車門系統(tǒng)解除隔離,再操作車門緊急解鎖裝置將門系統(tǒng)解鎖并打開，乘客才能從該門疏散。

無人駕駛軌道交通在運行時不配備司機,而以上設計在沒有司機輔助操作下,功能的安全性完全喪失。因此，如何有效阻止乘客非法操作緊急解鎖,以及在緊急情況下乘客如何快速解鎖被隔離的門系統(tǒng)，是無人駕駛軌道交通車輛在設計階段時需要考慮的重點內容。

2 無人駕駛車輛車門緊急解鎖裝置的功能需求分析

常規(guī)軌道交通車輛的緊急解鎖功能在優(yōu)先級設計和動作許可設置方面均無法滿足無人駕駛的運行條件，因此，蕪湖2號線的車輛在設計時，重新對無人駕駛車輛的車門緊急解鎖裝置進行了功能需求分析，并與有人駕駛的常規(guī)軌道交通車輛進行了功能差異對比，如表1所示。

表1 車門緊急解鎖裝置的功能差異對比

根據(jù)對車門緊急解鎖裝置功能的分析和比較，蕪湖市2號線按照以下設計原則對列車的車門緊急解鎖裝置進行了設計優(yōu)化：

1) 增加了操作把手的抑制功能。列車在運行過程中禁止乘客通過操作車門緊急解鎖裝置打開車門；

2) 緊急解鎖功能擁有著最高優(yōu)先級。在發(fā)生緊急情況時，即便車門被隔離，也能通過操作緊急解鎖裝置來實現(xiàn)解鎖開門動作。

3 蕪湖2號線車輛車門內緊急解鎖的功能及其原理

根據(jù)車門緊急解鎖裝置的功能需求和設計原則，蕪湖2號線車輛針對車門緊急解鎖裝置進行了設計優(yōu)化。優(yōu)化后車門緊急解鎖裝置主要由車門內解鎖機構、車門外解鎖裝置和車門解鎖裝置等3大機械組件構成(見圖1)，機械組件間通過鋼絲實現(xiàn)車門緊急解鎖裝置觸發(fā)、復位的傳動和同步?，F(xiàn)對這3大機械組件的相關功能進行介紹。

3. 1 車門內緊急解鎖抑制功能

蕪湖2號線車門車內緊急解鎖裝置增加了緊急解鎖抑制功能，可徹底防止乘客隨意操作車門內部緊急解鎖開關，實現(xiàn)在非指定場景(如非逃生疏散通道側)乘客無法操作車門車內緊急解鎖進行機械解鎖的功能。該抑制功能通過“門抑制”信號控制電磁鐵的得、失電來實現(xiàn)(見圖2)。考慮到車輛在緊急情況下有斷電的可能性，因此默認設計電磁鐵在失電狀態(tài)下“門抑制”功能失效。

圖1 蕪湖2號線車輛車門緊急解鎖裝置互連示意圖

圖2 電磁鐵“門抑制”功能原理

1) “門抑制”信號無效。如圖3所示，電磁鐵失電釋放狀態(tài)下，制動桿在過渡盤之外，車門車內緊急解鎖功能可以正常使用，緊急情況下乘客可操作緊急解鎖把手至解鎖位置，此時過渡盤轉動，實現(xiàn)車門解鎖。

圖3 電磁鐵失電狀態(tài)

2) “門抑制”信號有效。如圖4所示，電磁鐵得電吸合狀態(tài)下，制動桿因電磁鐵吸合作用發(fā)生轉動并插入到過渡盤預留缺口中，實現(xiàn)對過渡盤的制動，乘客無法操作車內緊急解鎖把手，從而實現(xiàn)了抑制功能。

圖4 電磁鐵得電狀態(tài)

3. 2 隔離及解鎖聯(lián)動功能

2號線車門車內緊急解鎖裝置設計時集成了車門隔離裝置功能的特點，在車內緊急解鎖正面有一個供司機操作的隔離裝置，可以使用專用的司機鑰匙進行操作(見圖5)。該設計既能實現(xiàn)車門故障時將車門隔離的功能，同時解鎖鋼絲繩連接解鎖輪(見圖6)也能實現(xiàn)車門被隔離后操作車內及車外車門緊急解鎖裝置聯(lián)動解鎖隔離的功能。具體功能原理描述如下：

圖5 車門隔離操作示意圖

圖6 車門內緊急解鎖裝置未隔離狀態(tài)

考慮到蕪湖2號線為無人駕駛的運營場景，發(fā)生緊急情況時車內沒有司機協(xié)助將隔離的車門復位，而未受過專業(yè)培訓的乘客對車門結構并不了解，唯一醒目且可操作的裝置是車門內緊急解鎖手柄，因此，車門內緊急解鎖的優(yōu)先級必須要高于隔離裝置。鑒于以上情況，蕪湖2號線車輛將緊急解鎖與隔離裝置進行了聯(lián)動，具有即使車門被隔離后，也可以操作車門內緊急解鎖或車外緊急解鎖將門系統(tǒng)打開的功能(即聯(lián)動功能)。

如圖6所示，隔離鎖軸上有兩個解鎖輪，分別與車門內緊急解鎖裝置和外緊急解鎖裝置相連接。在非隔離狀態(tài)下，操作緊急解鎖把手后，因為差動連接設計，解鎖輪不會發(fā)生動作；一旦車門被隔離，隔離鎖舌的轉動會帶動解鎖輪轉動，差動連接被補償，此時操作車門內緊急解鎖裝置或者車門外緊急解鎖裝置，隔離鎖舌均會復位，車門退出隔離并同時完成解鎖。

4 安全驗證與計算

蕪湖2號線在正常運營中，電磁鐵必須處于常得電的狀態(tài)。電磁鐵功能不能受到自身的溫升、高低溫、高低壓等環(huán)境狀態(tài)的影響。一旦電磁鐵失效，將導致抑制功能失效。因此電磁鐵的可靠性和安全性十分重要，需要分別進行測試。

4. 1 溫升測試

電磁鐵在DC 110 V電壓下連續(xù)通電4 h后,電磁鐵殼體溫度穩(wěn)定在68.6 ℃，未超過80 ℃，符合設計要求。

4. 2 環(huán)境測試

設置環(huán)境測試箱交變環(huán)境循環(huán),其中：低溫環(huán)境為-25 ℃，0%濕度，持續(xù)1 h；高溫環(huán)境為70 ℃，95%濕度，持續(xù)1 h；

測試時，每2 h完成1次高低溫循環(huán)，累計測試時間為48 h。使用外部電路控制電磁鐵0.5 s吸合，1.5 s釋放。持續(xù)循環(huán)測試48 h后驗證得知，電磁鐵功能正常。

4. 3 壽命試驗

在工作電壓下，設置電磁鐵0.05 s吸合、0.95 s釋放，反復循環(huán)試驗了2.07×106次后電磁鐵功能正常，滿足不低于2.00×106次的試驗要求。

4. 4 風險評估

以上所有相關試驗已確定當前電磁鐵可以滿足設計需求。除此以外，還需要通過可靠性指標對電磁鐵整體的安全性進行評估。

電磁鐵安全性分析基于以下5個假設：

1) 每3個月進行一次安全檢查,包括檢查車門內緊急解鎖的功能檢查。所以，任務隱蔽故障在定期檢查時,100%可以被探測出。

2) 假設1天內單個電磁鐵需要持續(xù)運營16 h,1年運營365天，即1年累計運營5 840 h,3個月累計運營時間1 460 h。

3) 車輛軟件安全等級滿足SIL2級,假設軟件失效率為1×10-6次/h。

4) 列車在運行過程中始終有“門抑制”信號。

5) 不考慮列車信號錯誤。

表2為參照相關標準明確定義的4種嚴重性等級[2]及6個危險發(fā)生頻度[2]。表3為不同危險發(fā)生頻度對應的取值區(qū)間。

利用故障樹分析法對“列車運行時,乘客操作緊急解鎖,車門被打開”風險進行分析(見圖7)。評定該風險事件的失效率為4.269×10-12次/h。則由表3可知，因“列車運行時,乘客操作緊急解鎖,車門被打開”的危險發(fā)生頻度為“F-難以置信”。故根據(jù)表2，將該風險事件嚴重性等級定義為II級，其綜合風險等級為R1，即“可忽略的”風險。

表2 故障風險矩陣[2]

表3 危險發(fā)生頻度的取值

圖7 “列車運行時，車門內緊急解鎖被打開”場景故障樹分析

5 結語

蕪湖市跨坐式單軌2號線車輛車門的緊急解鎖裝置和隔離裝置在設計上充分考慮了無人駕駛車輛的特點,既保證了緊急情況下乘客從車門緊急疏散的可用性，也保證了非疏散平臺側車門不可被解鎖的安全性，可以作為未來無人駕駛車輛車門緊急解鎖設計的參考。