全自動駕駛車輛車門系統的方案設計

杜巖琰

(上海軌道交通設備發展有限公司， 201100， 上海∥工程師)

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功能設計，并提出可靠性計算方法驗證車門系統的可靠性。

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、綜合監控、通訊、其他機電設備的功能實現和聯動要求，以及運營、客服和檢修等專業工作人員應執行的工作內容。

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

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

2 OMPD與車門功能解析

2.1 車門系統功能配置

每種場景下所需的車門系統功能如表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 車門功能設計優化

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

1) 對列車喚醒階段中需求：“在全自動運行模式下，必需的列車功能執行綜合自檢(包括車輛設備自檢、車載信號設備自檢以及開關車門、施放制動等聯合測試)”。針對上述需求，重新設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)發送的自檢信號，車門系統將進行自檢測，檢測門控器內部的硬件及軟件是否工作正常，并將結果信號反饋給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)防護下以有人駕駛模式(AM、CM或RM模式)運行優化了電解鎖功能。

電解鎖功能如下：工作人員可通過主控鑰匙，在列車任何區間內操作解鎖登車。

3) 對故障模式下，如車門或屏蔽門出現故障無法正常開關門，列車到站對位后，對應的屏蔽門或車門則保持關閉，不會打開，設計優化了對位隔離功能。

對位隔離功能如下：

1) 門系統故障。全自動駕駛情況下，門控器可以自動將無法開/關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送給信號系統和列車廣播系統，通過信號系統控制實現下一站屏蔽門對位切除；通過列車廣播系統觸發相對應的隔離車門上方的動態地圖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) 屏蔽門系統故障。當前方站臺單個或多個屏蔽門故障時，通過信號系統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備，車輛的信號系統再通過TCMS系統按照地址信息將切除指令發送給對應的門控器和車載PA系統。門控器在開關門時保持切除狀態，此時車門內側切除顯示燈點亮，提前提示乘客此門不打開；通過車載PA系統觸發相對應的故障車門上方的動態地圖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8個功能進行了優化或新增，從根本上保證了車門系統在使用功能上滿足用戶的實際需求。

3 車門系統方案設計

根據上文中總結出的功能需求及設計方案，配置車門系統的硬件。本項目車門系統采用的是一種電動雙開內藏門系統，主要由承載機構、驅動機構、門頁、內外門檻、輔助支撐、內外緊急解鎖、電解鎖裝置、門控器等組成，如圖3所示。

每節車廂有10套門，分居兩側，每側5套。每套門均由一臺門控器來控制。1號和2號配備以太網接口和MVB(多功能車輛總線)網卡，它們作為主門進行RS485通訊。門3到10作為S485網絡的從門，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 車門系統硬件方案

4 車門系統硬件系統RAMS計算

車門系統可靠性預計是在設計階段對客室側門的可靠性進行定量的估計，是根據歷史的產品可靠性數據、系統的構成和結構特點、系統的工作環境等因素估計組成系統的部件及系統可靠性[1]。根據重新配置后的車門系統硬件，驗算已滿足功能需求的車門系統是否達到已下發的車門系統的RAMS(可靠性、可用性、可維護性和安全性)指標。

4.1 車門系統RAMS指標分配

為保證整車設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。整車RAMS團隊基于比例分配法，對子系統可靠性分配。車門系統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，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而導致列車晚點，列車甚至不能投入或繼續維持商業運營。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，對商業運行造成了影響，不能投入商業運營。

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

根據最新配置的車門系統硬件設備，重新更新FMECA中可更換單元，同時參考以往供應商經驗數據初步更新對應的故障率，作為可靠性計算的數據來源。

依據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

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

圖4 可靠性框圖

4.4.1 數學模型[2]

故障率為：

(1)

式中：

λ——系統的故障率；

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時間內發生的故障總數。

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距離內所有運營列車上所發生的列車運營故障總數。

4.4.2 計算結果

將FMECA中故障率數據代入式(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。

將上述單門計算結果轉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，計算結果如表6所示。

表6 各故障類型故障率

5 結語

本文通過對OMPD深入研究解析，從而明確車門系統功能需求，對車門系統功能進行了優化；初步通過可靠性計算，驗證了車門系統方案的可靠性，從而明確了車門系統的方案設計，為后續的系統設計打下基礎。