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(dòng)無(wú)人駕駛車(chē)輛采用自動(dòng)化等級(jí)GoA3或GoA4，分別適用DTO(有人值守)或UTO(無(wú)人值守)的列車(chē)運(yùn)行方式。本文以上海某采用無(wú)人值守的全自動(dòng)無(wú)人駕駛項(xiàng)目為例，運(yùn)用OMPD(運(yùn)營(yíng)模式和規(guī)則定義)的方法來(lái)分析定義運(yùn)營(yíng)需求，從而明確全自動(dòng)無(wú)人駕駛車(chē)輛的車(chē)門(mén)系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)，并提出可靠性計(jì)算方法驗(yàn)證車(chē)門(mén)系統(tǒng)的可靠性。

1 OMPD定義

OMPD共分為3大運(yùn)營(yíng)場(chǎng)景：正常場(chǎng)景、故障場(chǎng)景、應(yīng)急場(chǎng)景。各運(yùn)營(yíng)場(chǎng)景分別定義了場(chǎng)景描述、基本流程、注意事項(xiàng)和功能分配4部分。

正常場(chǎng)景是指系統(tǒng)正常運(yùn)行情況下從早間運(yùn)營(yíng)前的準(zhǔn)備，到車(chē)輛回庫(kù)休眠的一系列正常工作場(chǎng)景下，車(chē)輛、信號(hào)、綜合監(jiān)控、通訊、其他機(jī)電設(shè)備的功能實(shí)現(xiàn)和聯(lián)動(dòng)要求，以及運(yùn)營(yíng)、客服和檢修等專(zhuān)業(yè)工作人員應(yīng)執(zhí)行的工作內(nèi)容。

故障場(chǎng)景描述整個(gè)全自動(dòng)駕駛系統(tǒng)在執(zhí)行正常場(chǎng)景功能時(shí)發(fā)生故障，為保證系統(tǒng)的可用性和安全性，系統(tǒng)自動(dòng)處置的動(dòng)作、應(yīng)具備的功能和聯(lián)動(dòng)機(jī)制。

應(yīng)急場(chǎng)景中描述突發(fā)事件的應(yīng)急處置預(yù)案，使整個(gè)全自動(dòng)駕駛運(yùn)營(yíng)系統(tǒng)具備自動(dòng)對(duì)突發(fā)事件的處置能力，最大限度地預(yù)防和減少突發(fā)事件的發(fā)生及其造成的損害。

2 OMPD與車(chē)門(mén)功能解析

2.1 車(chē)門(mén)系統(tǒng)功能配置

每種場(chǎng)景下所需的車(chē)門(mén)系統(tǒng)功能如表1～表3所示。

表1 正常場(chǎng)景

表2 故障場(chǎng)景

表3 應(yīng)急場(chǎng)景

2.2 車(chē)門(mén)功能設(shè)計(jì)優(yōu)化

結(jié)合OMPD定義，針對(duì)GoA4等級(jí)下列車(chē)出庫(kù)、運(yùn)行無(wú)乘務(wù)員值守的情況，即當(dāng)出現(xiàn)故障時(shí)，OCC(運(yùn)營(yíng)控制中心)僅能通過(guò)車(chē)載設(shè)備進(jìn)行處理，或列車(chē)進(jìn)站后工作人員登乘處理。因此，對(duì)車(chē)門(mén)的自動(dòng)喚醒、出現(xiàn)故障乘務(wù)員蹬車(chē)、門(mén)系統(tǒng)出現(xiàn)故障自動(dòng)隔離等需求進(jìn)行了功能優(yōu)化。

1) 對(duì)列車(chē)喚醒階段中需求：“在全自動(dòng)運(yùn)行模式下，必需的列車(chē)功能執(zhí)行綜合自檢(包括車(chē)輛設(shè)備自檢、車(chē)載信號(hào)設(shè)備自檢以及開(kāi)關(guān)車(chē)門(mén)、施放制動(dòng)等聯(lián)合測(cè)試)”。針對(duì)上述需求，重新設(shè)計(jì)了車(chē)門(mén)上電自檢功能。

車(chē)門(mén)上電自檢功能如下：收到TCMS(列車(chē)控制與管理系統(tǒng))發(fā)送的自檢信號(hào)，車(chē)門(mén)系統(tǒng)將進(jìn)行自檢測(cè)，檢測(cè)門(mén)控器內(nèi)部的硬件及軟件是否工作正常，并將結(jié)果信號(hào)反饋給TCMS。

2) 對(duì)無(wú)人駕駛列車(chē)降級(jí)運(yùn)行的需求：列車(chē)在ATP(列出自動(dòng)保護(hù)系統(tǒng))防護(hù)下以有人駕駛模式(AM、CM或RM模式)運(yùn)行優(yōu)化了電解鎖功能。

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

3) 對(duì)故障模式下，如車(chē)門(mén)或屏蔽門(mén)出現(xiàn)故障無(wú)法正常開(kāi)關(guān)門(mén)，列車(chē)到站對(duì)位后，對(duì)應(yīng)的屏蔽門(mén)或車(chē)門(mén)則保持關(guān)閉，不會(huì)打開(kāi)，設(shè)計(jì)優(yōu)化了對(duì)位隔離功能。

對(duì)位隔離功能如下：

1) 門(mén)系統(tǒng)故障。全自動(dòng)駕駛情況下，門(mén)控器可以自動(dòng)將無(wú)法開(kāi)/關(guān)門(mén)的故障信息和門(mén)的地址信息上傳給TCMS。TCMS再將故障信息和門(mén)地址發(fā)送給信號(hào)系統(tǒng)和列車(chē)廣播系統(tǒng)，通過(guò)信號(hào)系統(tǒng)控制實(shí)現(xiàn)下一站屏蔽門(mén)對(duì)位切除；通過(guò)列車(chē)廣播系統(tǒng)觸發(fā)相對(duì)應(yīng)的隔離車(chē)門(mén)上方的動(dòng)態(tài)地圖LCD顯示器，顯示此門(mén)不打開(kāi)的信息，點(diǎn)亮紅色指示燈，并進(jìn)行車(chē)門(mén)隔離故障廣播，如圖1所示。

2) 屏蔽門(mén)系統(tǒng)故障。當(dāng)前方站臺(tái)單個(gè)或多個(gè)屏蔽門(mén)故障時(shí)，通過(guò)信號(hào)系統(tǒng)在車(chē)輛停站前將對(duì)應(yīng)車(chē)門(mén)切除信息和地址信息傳送給車(chē)載信號(hào)設(shè)備，車(chē)輛的信號(hào)系統(tǒng)再通過(guò)TCMS系統(tǒng)按照地址信息將切除指令發(fā)送給對(duì)應(yīng)的門(mén)控器和車(chē)載PA系統(tǒng)。門(mén)控器在開(kāi)關(guān)門(mén)時(shí)保持切除狀態(tài)，此時(shí)車(chē)門(mén)內(nèi)側(cè)切除顯示燈點(diǎn)亮，提前提示乘客此門(mén)不打開(kāi)；通過(guò)車(chē)載PA系統(tǒng)觸發(fā)相對(duì)應(yīng)的故障車(chē)門(mén)上方的動(dòng)態(tài)地圖LCD顯示器，顯示此門(mén)不打開(kāi)的信息，點(diǎn)亮紅色指示燈，并進(jìn)行車(chē)門(mén)故障廣播，如圖2所示。

圖1 門(mén)系統(tǒng)故障對(duì)位隔離示意圖

圖2 屏蔽門(mén)故障對(duì)位離示意圖

通過(guò)對(duì)場(chǎng)景文件的梳理，共對(duì)車(chē)門(mén)系統(tǒng)8個(gè)功能進(jìn)行了優(yōu)化或新增，從根本上保證了車(chē)門(mén)系統(tǒng)在使用功能上滿(mǎn)足用戶(hù)的實(shí)際需求。

3 車(chē)門(mén)系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

根據(jù)上文中總結(jié)出的功能需求及設(shè)計(jì)方案，配置車(chē)門(mén)系統(tǒng)的硬件。本項(xiàng)目車(chē)門(mén)系統(tǒng)采用的是一種電動(dòng)雙開(kāi)內(nèi)藏門(mén)系統(tǒng)，主要由承載機(jī)構(gòu)、驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)、門(mén)頁(yè)、內(nèi)外門(mén)檻、輔助支撐、內(nèi)外緊急解鎖、電解鎖裝置、門(mén)控器等組成，如圖3所示。

每節(jié)車(chē)廂有10套門(mén)，分居兩側(cè)，每側(cè)5套。每套門(mén)均由一臺(tái)門(mén)控器來(lái)控制。1號(hào)和2號(hào)配備以太網(wǎng)接口和MVB(多功能車(chē)輛總線(xiàn))網(wǎng)卡，它們作為主門(mén)進(jìn)行RS485通訊。門(mén)3到10作為S485網(wǎng)絡(luò)的從門(mén)，其中，TC車(chē)的1號(hào)車(chē)門(mén)、2號(hào)車(chē)門(mén)配有電解鎖和外緊急解鎖，9號(hào)車(chē)門(mén)、10號(hào)車(chē)門(mén)配有外緊急解鎖，其余車(chē)型僅在1號(hào)門(mén)、2號(hào)門(mén)配有外緊急解鎖。

圖3 車(chē)門(mén)系統(tǒng)硬件方案

4 車(chē)門(mén)系統(tǒng)硬件系統(tǒng)RAMS計(jì)算

車(chē)門(mén)系統(tǒng)可靠性預(yù)計(jì)是在設(shè)計(jì)階段對(duì)客室側(cè)門(mén)的可靠性進(jìn)行定量的估計(jì)，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(diǎn)、系統(tǒng)的工作環(huán)境等因素估計(jì)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(chē)門(mén)系統(tǒng)硬件，驗(yàn)算已滿(mǎn)足功能需求的車(chē)門(mén)系統(tǒng)是否達(dá)到已下發(fā)的車(chē)門(mén)系統(tǒng)的RAMS(可靠性、可用性、可維護(hù)性和安全性)指標(biāo)。

4.1 車(chē)門(mén)系統(tǒng)RAMS指標(biāo)分配

為保證整車(chē)設(shè)計(jì)達(dá)到用戶(hù)招標(biāo)文件中可靠性需求，整車(chē)可靠性指標(biāo)需分配到各子系統(tǒng)。整車(chē)RAMS團(tuán)隊(duì)基于比例分配法，對(duì)子系統(tǒng)可靠性分配。車(chē)門(mén)系統(tǒng)可靠性指標(biāo)分配如表4所示。

表4 可靠性指標(biāo)分配

故障定義如下：

1) A類(lèi)故障，是指無(wú)法實(shí)現(xiàn)某一特定功能而造成車(chē)輛非正常停車(chē)/部分功能的喪失而不能正常運(yùn)轉(zhuǎn)，元器件因?yàn)槭Ф鼡Q或修復(fù)。

2) B類(lèi)故障，是指因某一特定功能不能實(shí)現(xiàn)而導(dǎo)致列車(chē)晚點(diǎn)，列車(chē)甚至不能投入或繼續(xù)維持商業(yè)運(yùn)營(yíng)。運(yùn)營(yíng)故障包含：救援(即需要另外一列車(chē)將故障列車(chē)拖回車(chē)輛段)、清客(需要疏散乘客，列車(chē)空車(chē)返回車(chē)輛段)、晚點(diǎn)(列車(chē)因故障在線(xiàn)路上停車(chē)時(shí)間超過(guò)2 min，對(duì)商業(yè)運(yùn)行造成了影響，不能投入商業(yè)運(yùn)營(yíng)。

3) C類(lèi)故障，是指造成列車(chē)5 min及以上運(yùn)營(yíng)晚點(diǎn)的故障。

4.2 發(fā)布可靠性信息

列車(chē)基本運(yùn)營(yíng)信息如表5所示。

表5 基本運(yùn)營(yíng)信息

4.3 故障模式、影響及危害性分析(FMECA)更新及故障類(lèi)別識(shí)別

根據(jù)最新配置的車(chē)門(mén)系統(tǒng)硬件設(shè)備，重新更新FMECA中可更換單元，同時(shí)參考以往供應(yīng)商經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)初步更新對(duì)應(yīng)的故障率，作為可靠性計(jì)算的數(shù)據(jù)來(lái)源。

依據(jù)FMECA中每個(gè)可更換單元的故障模式欄，分析確定故障影響后果及其導(dǎo)致的延誤時(shí)間，判斷是否計(jì)入B類(lèi)故障或C類(lèi)故障。

4.4 可靠性圖框

對(duì)系統(tǒng)各零部件功能進(jìn)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(xué)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(wú)故障間隔時(shí)間(MTBF)為：

(2)

式中：

tMTBF——系統(tǒng)平均無(wú)故障間隔時(shí)間。

在進(jìn)行列車(chē)可靠性計(jì)算中將采用以下公式：

tMTBF=T1/N1

(3)

式中：

tMTBF——平均無(wú)故障間隔時(shí)間；

T1——列車(chē)運(yùn)行的時(shí)間總和；

N1——在T1時(shí)間內(nèi)發(fā)生的故障總數(shù)。

在進(jìn)行列車(chē)可靠性計(jì)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(yùn)營(yíng)列車(chē)在正線(xiàn)上運(yùn)行總里程；

Ni——在Li距離內(nèi)所有運(yùn)營(yíng)列車(chē)上所發(fā)生的列車(chē)運(yùn)營(yíng)故障總數(shù)。

4.4.2 計(jì)算結(jié)果

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

圖5 A類(lèi)故障可靠性框圖

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

由于車(chē)門(mén)系統(tǒng)中并無(wú)更換單元的失效會(huì)導(dǎo)致造成列車(chē)5 min及以上運(yùn)營(yíng)晚點(diǎn)的故障，因此無(wú)C類(lèi)故障。

將上述單門(mén)計(jì)算結(jié)果轉(zhuǎn)換成一列車(chē)車(chē)門(mén)故障率，代入式(2)，計(jì)算出每種故障的tMTBF。

圖6 B類(lèi)故障可靠性框圖

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

表6 各故障類(lèi)型故障率

5 結(jié)語(yǔ)

本文通過(guò)對(duì)OMPD深入研究解析，從而明確車(chē)門(mén)系統(tǒng)功能需求，對(duì)車(chē)門(mén)系統(tǒng)功能進(jìn)行了優(yōu)化；初步通過(guò)可靠性計(jì)算，驗(yàn)證了車(chē)門(mén)系統(tǒng)方案的可靠性，從而明確了車(chē)門(mén)系統(tǒng)的方案設(shè)計(jì)，為后續(xù)的系統(tǒng)設(shè)計(jì)打下基礎(chǔ)。