軌道交通車輛車門系統(tǒng)安全性分析與優(yōu)化

□ 杜巖琰 □ 才秦東 □ 饒 文

1.上海軌道交通設(shè)備發(fā)展有限公司 上海 200245 2.中車長春軌道客車股份有限公司 長春 130062

1 研究背景

隨著我國國民經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展及城市化進(jìn)程的加快,城市交通的擁堵現(xiàn)象日益嚴(yán)重,發(fā)展大容量城市軌道交通已經(jīng)成為各個(gè)大城市的共識,許多城市都提出了建設(shè)軌道交通的規(guī)劃,加快軌道交通建設(shè)的步伐[1]。

在全自動無人駕駛軌道交通車輛中,車門系統(tǒng)是故障率較高的部件之一。頻繁發(fā)生的車門系統(tǒng)故障不僅給乘客出行帶來不便,而且也對運(yùn)營造成不利影響[2]。

筆者基于風(fēng)險(xiǎn)分析、故障模式影響與危害度分析、故障樹分析,識別軌道交通車門系統(tǒng)的薄弱環(huán)節(jié),優(yōu)化改進(jìn)設(shè)計(jì)方案,減少由車門系統(tǒng)故障引起的危害,并驗(yàn)證優(yōu)化設(shè)計(jì)的合理性。以危害較大的乘客被夾事件為例,介紹優(yōu)化方法及故障樹分析驗(yàn)證過程。

2 車門系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

按照車門的運(yùn)動軌跡及與車體的安裝方式,車門系統(tǒng)可以分為內(nèi)藏對開式滑門、外掛式移動門、塞拉門[3]。

為應(yīng)對軌道交通大客流等特點(diǎn),軌道交通車輛車門系統(tǒng)采用內(nèi)藏對開式滑門,結(jié)構(gòu)主要包括承載機(jī)構(gòu)、驅(qū)動機(jī)構(gòu)、門頁組成、內(nèi)外門檻、內(nèi)外緊急解鎖、電解鎖組成,如圖1所示。

圖1 車門系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

車門系統(tǒng)具備四方面功能。

(1) 開關(guān)門功能。實(shí)現(xiàn)車門開關(guān)功能,列車運(yùn)行過程中車門保持關(guān)閉,緊急情況時(shí)打開車門。

(2) 內(nèi)外緊急解鎖功能。每個(gè)車門內(nèi)部都設(shè)有緊急解鎖裝置,實(shí)現(xiàn)緊急解鎖功能。在緊急情況下操作該裝置,能夠打開車門。在站臺區(qū)域操作,還可觸發(fā)緊急制動。

(3) 機(jī)械隔離功能。當(dāng)車門出現(xiàn)故障時(shí),可由人工通過機(jī)械方式將車門鎖死,退出服務(wù)。

(4) 障礙物檢測功能。關(guān)車門時(shí),如果遇到障礙物,將啟動五次防夾功能,五次關(guān)門力依次增大。如果五次后仍未關(guān)門,那么車門打開,保持自由狀態(tài),并上報(bào)列車控制和管理系統(tǒng)。

3 風(fēng)險(xiǎn)分析

3.1 危害識別

基于某全自動駕駛軌道交通項(xiàng)目車門系統(tǒng),列舉出車門系統(tǒng)主要功能。采用偏差引導(dǎo)詞方法進(jìn)行危害識別,共識別出危害40條,包括車輛運(yùn)行過程中門意外打開,乘客被夾,緊急情況時(shí)不能打開車門,車門切除后突然打開等。

3.2 風(fēng)險(xiǎn)評估

風(fēng)險(xiǎn)評估采用風(fēng)險(xiǎn)等級矩陣方法,將危害事件發(fā)生的頻率和危害事件造成的后果結(jié)合起來,確定危害事件對應(yīng)的風(fēng)險(xiǎn)等級,從質(zhì)的層面定義風(fēng)險(xiǎn)種類及針對每一種風(fēng)險(xiǎn)類型的措施[4]。風(fēng)險(xiǎn)等級矩陣見表1。

3.3 系統(tǒng)設(shè)計(jì)優(yōu)化

通過風(fēng)險(xiǎn)評估,采取設(shè)計(jì)、工藝、維護(hù)等手段降低事故發(fā)生的頻率,減輕后果,保證所有剩余風(fēng)險(xiǎn)已經(jīng)降低到可接受或可容許的等級,并且進(jìn)一步降低風(fēng)險(xiǎn)已不可行。

表1 風(fēng)險(xiǎn)等級矩陣

統(tǒng)計(jì)分析的車門系統(tǒng)40條原始風(fēng)險(xiǎn)中,R2等級風(fēng)險(xiǎn)共8條,R3等級風(fēng)險(xiǎn)共8條,R4等級風(fēng)險(xiǎn)共24條。通過優(yōu)化改進(jìn)剩余風(fēng)險(xiǎn),R2等級風(fēng)險(xiǎn)數(shù)量為0,R3等級風(fēng)險(xiǎn)為8條,R4等級風(fēng)險(xiǎn)為32條。由于篇幅限制,列出關(guān)鍵優(yōu)化的3條風(fēng)險(xiǎn)。

對于乘客被夾風(fēng)險(xiǎn),原每年發(fā)生次數(shù)為10-4～10-2,嚴(yán)重程度為3,風(fēng)險(xiǎn)等級為R3。應(yīng)對措施包括:① 在站臺區(qū)域,乘客可以操作緊急解鎖,并觸發(fā)緊急制動;② 障礙物檢測裝置可以檢測30 mm×60 mm的物品;③ 門頁密封條邵氏硬度(HA)不高于70。優(yōu)化后,每年發(fā)生次數(shù)降為10-6～10-4,風(fēng)險(xiǎn)等級降為R4。

對于車輛運(yùn)行時(shí)車門打開風(fēng)險(xiǎn),原每年發(fā)生次數(shù)為10-4～10-2,嚴(yán)重程度為2,風(fēng)險(xiǎn)等級為R2。應(yīng)對措施為設(shè)計(jì)門控器,基于開門、使能、零速、無陡坡緩降信號共四個(gè)指令來實(shí)現(xiàn)開車門。優(yōu)化后,每年發(fā)生次數(shù)降為10-6～10-4,風(fēng)險(xiǎn)等級降為R3。

對于車門打開時(shí)車輛啟動風(fēng)險(xiǎn),原每年發(fā)生次數(shù)為10-4～10-2,嚴(yán)重程度為2,風(fēng)險(xiǎn)等級為R2。應(yīng)對措施為應(yīng)用一個(gè)鎖到位開關(guān)來檢測車門是否關(guān)閉,應(yīng)用一個(gè)關(guān)到位開關(guān)來檢測車門是否閉鎖,避免車門在沒有關(guān)閉且沒有閉鎖的情況下啟動車輛。優(yōu)化后,每年發(fā)生次數(shù)降為10-6～10-4,風(fēng)險(xiǎn)等級降為R3。

4 故障模式影響與危害度分析

故障模式影響與危害度分析可以分析產(chǎn)品中每個(gè)可能存在的故障模式,確定其對這一產(chǎn)品及上層產(chǎn)品所產(chǎn)生的影響,并對每個(gè)故障模式按影響的嚴(yán)重程度、故障發(fā)生概率等進(jìn)行分類[5]。

車門系統(tǒng)可靠性定性要求指用非量化的形式來設(shè)計(jì)、評價(jià),以保證車門系統(tǒng)的可靠性[6]。以乘客被夾風(fēng)險(xiǎn)為例,從降低零部件故障率、減輕危害性、提升應(yīng)急處理方法三個(gè)方面進(jìn)行設(shè)計(jì)優(yōu)化。

4.1 降低零部件故障率

通過開展車門系統(tǒng)故障模式影響與危害度分析,確定導(dǎo)致乘客被夾的最小單元失效:① 鎖到位限位開關(guān)觸點(diǎn)無法釋放;② 鎖到位限位開關(guān)擺桿卡死;③ 門控器模塊故障。

針對以上最小單元,提出相應(yīng)的整改意見。

針對關(guān)到位與鎖到位限位開關(guān),采用成熟品牌產(chǎn)品。在多個(gè)項(xiàng)目的實(shí)際運(yùn)營中,已經(jīng)證明成熟品牌產(chǎn)品是安全可靠的。同時(shí)進(jìn)行預(yù)防性維護(hù),每3個(gè)月進(jìn)行開關(guān)門試驗(yàn),每10 a大修更換。

針對門控器,每3個(gè)月進(jìn)行一次預(yù)防性維修,同時(shí)增加看門狗程序,實(shí)時(shí)檢測門控器是否故障。

4.2 減輕危害性

根據(jù)項(xiàng)目經(jīng)驗(yàn),確定門頁膠條邵氏硬度(HA)不高于70,以免夾傷乘客。

4.3 提升應(yīng)急處理方法

當(dāng)乘客被夾時(shí),最有效的處理方法是乘客操作緊急解鎖,觸發(fā)緊急制動,以免發(fā)生因列車啟動拖拽乘客的重大事故。

在此基礎(chǔ)上,對內(nèi)緊急解鎖采取設(shè)計(jì)優(yōu)化。

(1) 重新優(yōu)化緊急解鎖的高度,即與地板布的距離,使緊急解鎖更易于被操作。緊急解鎖高度如圖2所示。

圖2 緊急解鎖高度

(2) 緊急解鎖罩板采用有機(jī)玻璃,在緊急情況下可以側(cè)翻式打開,也可以直接擊碎,操作緊急解鎖。緊急解鎖罩板如圖3所示。

圖3 緊急解鎖罩板

5 故障樹分析

故障樹分析是一種對復(fù)雜系統(tǒng)進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)預(yù)測的方法,將系統(tǒng)最不希望發(fā)生的故障事件作為頂事件,找出引起頂事件發(fā)生的直接因素和可能原因,然后用演繹分析的方法,利用邏輯門依次逐級查找,直至確定最原始的基本因素[7]。

筆者對乘客被夾事件進(jìn)行故障樹分析,包括建立故障樹、定量分析、結(jié)果論證。

5.1 建立故障樹

建立故障樹,確定故障和導(dǎo)致故障各因素之間的邏輯關(guān)系。故障樹分析將所要分析的問題以圖形形式進(jìn)行表達(dá)處理,將所分析的系統(tǒng)發(fā)生故障設(shè)為頂事件,將無法再細(xì)分的事件稱為底事件,將其余剩下的所有事件稱為中間事件[8]。

以下邏輯門類型和事件被用于故障樹分析:① 或門,當(dāng)至少一個(gè)輸入事件為真時(shí),或門輸出為真;② 與門,當(dāng)且僅當(dāng)全部輸入事件為真時(shí),與門輸出為真;③ 矩形事件,代表頂事件或中間事件;④ 圓形事件,代表有足夠數(shù)據(jù)的底事件;⑤ 菱形事件,代表不展開事件。

以頂事件乘客被夾為例,自上而下分析故障樹。

車門系統(tǒng)設(shè)計(jì)中,防止乘客被夾依靠的是障礙物檢測功能。因此,當(dāng)出現(xiàn)乘客被夾時(shí),同時(shí)發(fā)生了障礙物檢測丟失和過流探測丟失。這是第一層級。

引起障礙物檢測丟失有兩種情況,一種是由于車門系統(tǒng)檢測信號故障,導(dǎo)致障礙物檢測功能被忽略,另一種是障礙物檢測故障。這是第二層級。

針對障礙物檢測功能被忽略,一般情況為鎖到位限位開關(guān)意外被激活,關(guān)到位限位開關(guān)未被激活。此時(shí)從安全方面考慮,將趨向于關(guān)車門,忽略障礙物檢測。這是第三層級。

采用以上方法分析,最終建立故障樹模型,如圖4所示。

圖4 故障樹模型

5.2 定量分析

定量分析的主要目的是確定所有底事件發(fā)生的概率后,求出頂事件發(fā)生的概率及定量指標(biāo)[5]。

以乘客被夾頂事件為例,根據(jù)故障模式影響與危害度分析數(shù)據(jù)及相關(guān)電氣元件故障率等,確定底事件故障率,見表2。

表2 底事件故障率

根據(jù)可靠性理論,或門結(jié)構(gòu)輸出事件發(fā)生的概率P(X)為:

(1)

式中:xi為輸入事件,i=1,2,…,n;P(xi)為輸入事件發(fā)生的概率。

與門結(jié)構(gòu)輸出事件發(fā)生的概率采用最小割集進(jìn)行計(jì)算,利用容斥定理,可以得到上下限平均近似值Q[9]:

(2)

S1為首項(xiàng)近似算式:

(3)

(4)

式中:r為最小割集數(shù);kj為第j個(gè)最小割集的集合;xt為第j個(gè)最小割集中第t個(gè)底事件,t=1,2,…,m。

S2為第二項(xiàng)近似算式:

(5)

最小割集是導(dǎo)致故障樹頂事件發(fā)生的數(shù)量不可再少的底事件的集合[10]。用布爾代數(shù)求最小割集,或門對應(yīng)邏輯和,記為“+”,“與”門對應(yīng)邏輯積,記為“·”。

由圖4可得:

Z=A·(B+K1+(S1+S2+S3)+L+K2)

=A·B+A·K1+A·S1+A·S2+A·S3

+A·L+A·K2

則最小割集為AB、AK1、AS1、AS2、AS3、AL、AK2。

最小割集數(shù)為7,根據(jù)容斥定理,有:

k1=A×B

k2=A×K1

k3=A×S1

k4=A×S2

k5=A×S3

k6=A×L

k7=A×K2

S1=P(k1)+P(k2)+P(k3)+P(k4)+P(k5)

+P(k6)+P(k7)

S2=P(k1k2)+P(k1k3)+P(k1k4)+P(k1k5)

+P(k1k6)+P(k1k7)+P(k2k3)+P(k2k4)

+P(k2k5)+P(k2k6)+P(k2k7)+P(k3k4)

+P(k3k5)+P(k3k6)+P(k3k7)+P(k4k5)

+P(k4k6)+P(k4k7)+P(k5k6)+P(k5k7)

+P(k6k7)

將底事件、最小割集分別代入式(1)、式(2),計(jì)算出與門結(jié)構(gòu)故障率,結(jié)合或門結(jié)構(gòu)計(jì)算結(jié)果,得到乘客被夾事件故障樹計(jì)算結(jié)果,見表3。

表3 乘客被夾事件故障樹計(jì)算結(jié)果

5.3 結(jié)果論證

根據(jù)安全完整性等級分配結(jié)果,車門系統(tǒng)障礙物檢測功能應(yīng)滿足SIL2等級要求,即乘客被夾事件故障率應(yīng)滿足SIL2等級對應(yīng)的安全目標(biāo)值。通過故障樹分析,驗(yàn)證了障礙物檢測功能滿足SIL2等級的要求。

6 結(jié)束語

筆者對軌道交通車輛車門系統(tǒng)進(jìn)行安全性分析與優(yōu)化。在滿足功能需求的前提下,通過風(fēng)險(xiǎn)分析識別所有危害,并進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)評估。通過采取設(shè)計(jì)、工藝、維護(hù)等措施降低風(fēng)險(xiǎn)等級,改善車門系統(tǒng)設(shè)計(jì)的薄弱環(huán)節(jié),使車門系統(tǒng)滿足安全性和可靠性要求。