鐵路機械室內智能操作機器人安全分析

張奎剛

(北京全路通信信號研究設計院集團有限公司，北京 100070)

1 概述

2015 年國務院頒布《中國制造2025》,將機器人和軌道交通裝備都列為我國智能制造強國戰略的10 大重點領域[1]。

國內信號機械室內基礎設備均采用人工巡視方式維護。但是大量的重復性巡檢任務、多樣化測試作業不僅給維護帶來很多不便，而且人工巡視維護勞動強度大且質量不可控。特別是偏遠地區，無人值守車站，中繼站維護更加困難。發生故障時，往往因為位置偏遠，搶修人員不能及時處置，導致設備故障延時超過2 h，造成D 類故障[2]。

操作機器人也是基于這方面的需求而設計開發的。它可以代替或部分代替人工完成巡檢、操作功能。出現應急險情時，通過人工遠程控制，對故障點進行干預，重啟故障設備等，減小故障影響。

2 機械室內操作機器人簡介

鐵路機械室智能操作機器人（簡稱操作機器人）應用到鐵路各個機械室、中繼站以及無人值守站。通過自主定位，路徑規劃，實現對信號室內設備自主巡檢和操作功能。

巡檢功能包括對預定位置信號設備指示燈狀態、防雷單元劣化指標巡檢，將實時畫面通過網絡傳送至本地監控端。本地監控進行圖像識別后，將識別結果通過網絡傳送至遠端監控[3]。

操作功能主要模擬人在機械室內的維護操作，例如復位板卡等。操作裝置主要由多軸機械臂或可多維度靈活運動的模組裝置構成。機械臂特別是工業機械臂在汽車制造、艦船制造及家電生產制造等領域應用已經相當成熟[4]。在鐵路領域的應用也逐步擴大，比如神州高鐵已將機械臂應用到列車檢修、列車清洗等。

目前，中國鐵路總公司正在加快無人值守站的推廣[5]。但還沒有一款操作功能的機器人應用到無人值守站、中繼站以及各個路局站點。究其原因，人們還是對操作機器人持懷疑態度，包括工作是否安全可靠，是否有安全隱患等。

3 可靠性、安全性分析

安全是遠離不可接受的損害的能力[6]。鐵路設備必須采用故障導向安全的機制保障設備的安全性。

執行巡檢功能時，操作機器人按照固定的巡檢路線和預置點對信號設備巡檢。在此過程中，操作機器人通過攝像機對設備狀態進行拍照，不會接觸任何信號設備，因此也不會影響信號設備的安全等級，所以屬于非安全功能[7]。

操作機器人在執行操作功能時，會對信號設備施加外部的動作，例如操作開關等。當操作裝置出現任意故障狀態或失控狀態下，可能會損壞室內信號設備。

從設備安全性來分析，操作失控并沒有降低信號設備的固有安全等級。例如，因機械臂失控，導致相鄰設備掉電或損壞，信號設備故障導向安全，軌道繼電器落下。

但從可靠性分析，因操作功能的失控，會降低信號設備的使用壽命，并增大故障的恢復時間。例如，出現失控情況下，機械臂在損壞設備的同時，也將安裝設備的接口損壞，導致不能快速更換新設備。故障持續時間加長，導致列車運行延誤遲于規定的時間，造成一定的經濟損失。

如何提高機械臂的可靠性和可控性是減少操作失控的關鍵。機械臂包含機械、電子、電氣、以及傳動、軟件控制等，對其進行可靠性研究比較復雜，需要綜合考慮末端位姿精度、末端速度精度和末端力精度等各方面的評價標準。目前這方面的研究較少。

可靠性數學模型一般表達式為：

公式（1）中，Rs(t)為系統總可靠度；Ri(t)為元器件的可靠度（i=1,2,…,n）;n 為元件的總數量。

公式（2）、（3）中，λs為系統失效率；N 為子系統數量，λsi為第i 個子系統的失效率。

公式（4）中，m 為第i 個子系統中元器件的數量；nj為相同型號元件的數量；λj為第i 個子系統第j 種型號元件的失效率。

機器人詳細設計階段，按照故障率預計法計算：

公式（5）中，λbj為第j 種元件的基本失效率；πkj為第j 種元件的環境因子； Djπkj為第j 種元件的減額因子。

計算出失效率后，通過以上公式，得到：

通過對機械臂優化模型仿真，運行可靠性可達到73.7%[8]。

所以必須采取安全措施，降低機器人操作失效的風險。

4 策略分析

4.1 失效風險

上面章節分析了操作機器人執行操作功能的安全性，機器人存在失效風險，主要表現在以下幾點。

1) 驅動機構失效

失效形式：失去驅動能力，不能執行相關操作功能。

失效影響：影響可用性，但無破壞信號室內設備風險。

2) 控制程序失效

失效形式：操控機械臂失效，發送位置點錯誤等。

失效影響：機械臂按照錯誤位置執行動作，有可能損壞設備。

3) 制動系統失效

失效形式：緊急停止失效，機械臂失去制動控制。

失效影響：在緊急情況下，失去對機械臂控制，導致設備損壞。

4.2 防護策略

通過以上失效情況，在執行操作功能時需要有防護策略，防止操作裝置失效帶來危害。

1) 必須有完備的操作說明和培訓體系。

2) 必須安排專門的人員控制和操作監督。

3) 機械臂必須使用協作機器人，而非工業機器人。

4) 機械臂操作區域在滿足要求的前提下盡可能的小；以標準機柜為依據。高度不超過2 250 mm，寬度不超過1 000 mm。

5) 必須要有一種安全的遠程急停裝置，當機械臂失控時，可靠關閉。

4.3 策略分析

1) 條件1 保證了操作人員的專業技能水平。

2) 條件2 降低了機械臂的誤操作，同時，人員干預降低了危害的影響。

3) 條件3 保證了機械臂碰觸到設備后會自動停止動作。

4) 條件4 限制機械臂的工作區域，降低發生危害的范圍。

5) 條件5 保障了機械臂失控情況下的可靠關閉，阻止危害的發生。

5 結論

提高操作機器人可靠性和安全性是目前試用和推廣操作機器人的首要前提條件。通過加強相關的措施，使得機器人代替人工執行維護操作功能更加安全和可靠，從而實現真正的無人值守成為可能，并且降低了勞動強度和經濟損失，同時為鐵路安全運輸提供有力保障。