全自動駕駛車輛車門系統(tǒng)的方案設(shè)計

杜巖琰

(上海軌道交通設(shè)備發(fā)展有限公司， 201100， 上?！喂こ處?

全自動無人駕駛車輛采用自動化等級GoA3或GoA4，分別適用DTO(有人值守)或UTO(無人值守)的列車運行方式。本文以上海某采用無人值守的全自動無人駕駛項目為例，運用OMPD(運營模式和規(guī)則定義)的方法來分析定義運營需求，從而明確全自動無人駕駛車輛的車門系統(tǒng)功能設(shè)計，并提出可靠性計算方法驗證車門系統(tǒng)的可靠性。

1 OMPD定義

OMPD共分為3大運營場景：正常場景、故障場景、應急場景。各運營場景分別定義了場景描述、基本流程、注意事項和功能分配4部分。

正常場景是指系統(tǒng)正常運行情況下從早間運營前的準備，到車輛回庫休眠的一系列正常工作場景下，車輛、信號、綜合監(jiān)控、通訊、其他機電設(shè)備的功能實現(xiàn)和聯(lián)動要求，以及運營、客服和檢修等專業(yè)工作人員應執(zhí)行的工作內(nèi)容。

故障場景描述整個全自動駕駛系統(tǒng)在執(zhí)行正常場景功能時發(fā)生故障，為保證系統(tǒng)的可用性和安全性，系統(tǒng)自動處置的動作、應具備的功能和聯(lián)動機制。

應急場景中描述突發(fā)事件的應急處置預案，使整個全自動駕駛運營系統(tǒng)具備自動對突發(fā)事件的處置能力，最大限度地預防和減少突發(fā)事件的發(fā)生及其造成的損害。

2 OMPD與車門功能解析

2.1 車門系統(tǒng)功能配置

每種場景下所需的車門系統(tǒng)功能如表1～表3所示。

表1 正常場景

表2 故障場景

表3 應急場景

2.2 車門功能設(shè)計優(yōu)化

結(jié)合OMPD定義，針對GoA4等級下列車出庫、運行無乘務員值守的情況，即當出現(xiàn)故障時，OCC(運營控制中心)僅能通過車載設(shè)備進行處理，或列車進站后工作人員登乘處理。因此，對車門的自動喚醒、出現(xiàn)故障乘務員蹬車、門系統(tǒng)出現(xiàn)故障自動隔離等需求進行了功能優(yōu)化。

1) 對列車喚醒階段中需求：“在全自動運行模式下，必需的列車功能執(zhí)行綜合自檢(包括車輛設(shè)備自檢、車載信號設(shè)備自檢以及開關(guān)車門、施放制動等聯(lián)合測試)”。針對上述需求，重新設(shè)計了車門上電自檢功能。

車門上電自檢功能如下：收到TCMS(列車控制與管理系統(tǒng))發(fā)送的自檢信號，車門系統(tǒng)將進行自檢測，檢測門控器內(nèi)部的硬件及軟件是否工作正常，并將結(jié)果信號反饋給TCMS。

2) 對無人駕駛列車降級運行的需求：列車在ATP(列出自動保護系統(tǒng))防護下以有人駕駛模式(AM、CM或RM模式)運行優(yōu)化了電解鎖功能。

電解鎖功能如下：工作人員可通過主控鑰匙，在列車任何區(qū)間內(nèi)操作解鎖登車。

3) 對故障模式下，如車門或屏蔽門出現(xiàn)故障無法正常開關(guān)門，列車到站對位后，對應的屏蔽門或車門則保持關(guān)閉，不會打開，設(shè)計優(yōu)化了對位隔離功能。

對位隔離功能如下：

1) 門系統(tǒng)故障。全自動駕駛情況下，門控器可以自動將無法開/關(guān)門的故障信息和門的地址信息上傳給TCMS。TCMS再將故障信息和門地址發(fā)送給信號系統(tǒng)和列車廣播系統(tǒng)，通過信號系統(tǒng)控制實現(xiàn)下一站屏蔽門對位切除；通過列車廣播系統(tǒng)觸發(fā)相對應的隔離車門上方的動態(tài)地圖LCD顯示器，顯示此門不打開的信息，點亮紅色指示燈，并進行車門隔離故障廣播，如圖1所示。

2) 屏蔽門系統(tǒng)故障。當前方站臺單個或多個屏蔽門故障時，通過信號系統(tǒng)在車輛停站前將對應車門切除信息和地址信息傳送給車載信號設(shè)備，車輛的信號系統(tǒng)再通過TCMS系統(tǒng)按照地址信息將切除指令發(fā)送給對應的門控器和車載PA系統(tǒng)。門控器在開關(guān)門時保持切除狀態(tài)，此時車門內(nèi)側(cè)切除顯示燈點亮，提前提示乘客此門不打開；通過車載PA系統(tǒng)觸發(fā)相對應的故障車門上方的動態(tài)地圖LCD顯示器，顯示此門不打開的信息，點亮紅色指示燈，并進行車門故障廣播，如圖2所示。

圖1 門系統(tǒng)故障對位隔離示意圖

圖2 屏蔽門故障對位離示意圖

通過對場景文件的梳理，共對車門系統(tǒng)8個功能進行了優(yōu)化或新增，從根本上保證了車門系統(tǒng)在使用功能上滿足用戶的實際需求。

3 車門系統(tǒng)方案設(shè)計

根據(jù)上文中總結(jié)出的功能需求及設(shè)計方案，配置車門系統(tǒng)的硬件。本項目車門系統(tǒng)采用的是一種電動雙開內(nèi)藏門系統(tǒng)，主要由承載機構(gòu)、驅(qū)動機構(gòu)、門頁、內(nèi)外門檻、輔助支撐、內(nèi)外緊急解鎖、電解鎖裝置、門控器等組成，如圖3所示。

每節(jié)車廂有10套門，分居兩側(cè)，每側(cè)5套。每套門均由一臺門控器來控制。1號和2號配備以太網(wǎng)接口和MVB(多功能車輛總線)網(wǎng)卡，它們作為主門進行RS485通訊。門3到10作為S485網(wǎng)絡(luò)的從門，其中，TC車的1號車門、2號車門配有電解鎖和外緊急解鎖，9號車門、10號車門配有外緊急解鎖，其余車型僅在1號門、2號門配有外緊急解鎖。

圖3 車門系統(tǒng)硬件方案

4 車門系統(tǒng)硬件系統(tǒng)RAMS計算

車門系統(tǒng)可靠性預計是在設(shè)計階段對客室側(cè)門的可靠性進行定量的估計，是根據(jù)歷史的產(chǎn)品可靠性數(shù)據(jù)、系統(tǒng)的構(gòu)成和結(jié)構(gòu)特點、系統(tǒng)的工作環(huán)境等因素估計組成系統(tǒng)的部件及系統(tǒng)可靠性[1]。根據(jù)重新配置后的車門系統(tǒng)硬件，驗算已滿足功能需求的車門系統(tǒng)是否達到已下發(fā)的車門系統(tǒng)的RAMS(可靠性、可用性、可維護性和安全性)指標。

4.1 車門系統(tǒng)RAMS指標分配

為保證整車設(shè)計達到用戶招標文件中可靠性需求，整車可靠性指標需分配到各子系統(tǒng)。整車RAMS團隊基于比例分配法，對子系統(tǒng)可靠性分配。車門系統(tǒng)可靠性指標分配如表4所示。

表4 可靠性指標分配

故障定義如下：

1) A類故障，是指無法實現(xiàn)某一特定功能而造成車輛非正常停車/部分功能的喪失而不能正常運轉(zhuǎn)，元器件因為失效而更換或修復。

2) B類故障，是指因某一特定功能不能實現(xiàn)而導致列車晚點，列車甚至不能投入或繼續(xù)維持商業(yè)運營。運營故障包含：救援(即需要另外一列車將故障列車拖回車輛段)、清客(需要疏散乘客，列車空車返回車輛段)、晚點(列車因故障在線路上停車時間超過2 min，對商業(yè)運行造成了影響，不能投入商業(yè)運營。

3) C類故障，是指造成列車5 min及以上運營晚點的故障。

4.2 發(fā)布可靠性信息

列車基本運營信息如表5所示。

表5 基本運營信息

4.3 故障模式、影響及危害性分析(FMECA)更新及故障類別識別

根據(jù)最新配置的車門系統(tǒng)硬件設(shè)備，重新更新FMECA中可更換單元，同時參考以往供應商經(jīng)驗數(shù)據(jù)初步更新對應的故障率，作為可靠性計算的數(shù)據(jù)來源。

依據(jù)FMECA中每個可更換單元的故障模式欄，分析確定故障影響后果及其導致的延誤時間，判斷是否計入B類故障或C類故障。

4.4 可靠性圖框

對系統(tǒng)各零部件功能進行分析，系統(tǒng)的基本可靠性模型符合串聯(lián)系統(tǒng)，可靠性框圖如圖4所示。

圖4 可靠性框圖

4.4.1 數(shù)學模型[2]

故障率為：

(1)

式中：

λ——系統(tǒng)的故障率；

λi——各單元的故障率。

平均無故障間隔時間(MTBF)為：

(2)

式中：

tMTBF——系統(tǒng)平均無故障間隔時間。

在進行列車可靠性計算中將采用以下公式：

tMTBF=T1/N1

(3)

式中：

tMTBF——平均無故障間隔時間；

T1——列車運行的時間總和；

N1——在T1時間內(nèi)發(fā)生的故障總數(shù)。

在進行列車可靠性計算中將采用以下公式：

LMDBF=Li/Ni

(4)

式中：

LMDBF——平均故障間隔里程；

Li——所有運營列車在正線上運行總里程；

Ni——在Li距離內(nèi)所有運營列車上所發(fā)生的列車運營故障總數(shù)。

4.4.2 計算結(jié)果

將FMECA中故障率數(shù)據(jù)代入式(1)，得到A類故障可靠性圖框，如圖5所示。

圖5 A類故障可靠性框圖

將FMECA中導致B類故障的故障率代入式(1)，得到B類故障可靠性圖框，如圖6所示。

由于車門系統(tǒng)中并無更換單元的失效會導致造成列車5 min及以上運營晚點的故障，因此無C類故障。

將上述單門計算結(jié)果轉(zhuǎn)換成一列車車門故障率，代入式(2)，計算出每種故障的tMTBF。

圖6 B類故障可靠性框圖

將每年平均運行距離、每年平均上電運行時間、tMTBF代入式(3)、式(4)，計算出每種故障的tMTBF及LMDBF，計算結(jié)果如表6所示。

表6 各故障類型故障率

5 結(jié)語

本文通過對OMPD深入研究解析，從而明確車門系統(tǒng)功能需求，對車門系統(tǒng)功能進行了優(yōu)化；初步通過可靠性計算，驗證了車門系統(tǒng)方案的可靠性，從而明確了車門系統(tǒng)的方案設(shè)計，為后續(xù)的系統(tǒng)設(shè)計打下基礎(chǔ)。