障礙物檢測裝置試驗方法研究

汪林峰，龔 衛，賀世忠，孫志明，周 利，司尚卓

(中車株洲電力機車有限公司 產品研發中心，湖南 株洲 412001)

0 引言

近年來無人駕駛軌道交通地鐵列車越來越多地在城市中上線運營，對于地鐵列車的安全性能提出了更高的要求。障礙物檢測裝置作為一種安全防護裝置得到了廣泛的應用，尤其是采用壓力式原理(接觸式)的障礙物檢測裝置，其技術成熟、可靠性高，是無人駕駛地鐵列車中的基本配置裝置[1,2]。一般在每列車的頭車安裝障礙物檢測裝置，當檢測到線路有障礙物時，系統將向控制中心發出警報。梁少喆[3]和侯志軒[4]介紹了地鐵障礙物檢測裝置的設計以及關鍵部件的設計。龔衛等[5]介紹了障礙物檢測裝置在地鐵列車上的安裝方案。對于障礙物檢測裝置的試驗方法很少有文獻資料介紹，如何對障礙物檢測裝置進行功能驗證是一大難題。本文結合無人駕駛項目的執行，介紹了靜態和動態下的障礙物檢測裝置功能驗證試驗方法，確保其功能滿足設計要求。

1 障礙物檢測裝置的檢測方案

由于地鐵列車為載客運行，故對于障礙物檢測裝置的要求為實時性高、檢測距離遠、檢測精度高、設備輕巧、可靠性高。目前采用非接觸方式的障礙物檢測系統均停滯在理論研究或少量安裝試驗階段，而且由于軌道列車通過曲線時，對前方障礙物檢測有很大的距離限制，無法正常發揮檢測裝置的檢測功能，故非接觸式障礙物檢測裝置在無人駕駛項目中沒有得到廣泛應用。

目前使用最多的障礙物檢測方案為采用壓力式原理(接觸式)的障礙物檢測方案，即在列車前、后端的第一個轉向架上安裝障礙物檢測裝置(如圖1所示)，當列車運行過程中與軌道上的障礙物相撞時，障礙物檢測系統將觸發列車緊急制動，從而阻止更嚴重的事故發生，保護列車安全。

圖1 障礙物檢測裝置安裝示意圖

2 障礙物檢測裝置功能驗證試驗方法

當障礙物檢測裝置裝車后，如何對其功能進行驗證是一大難題，原因是很難模擬線路上的實際障礙物形狀，以及障礙物撞擊的方式、部位、速度等。目前，有靜態和動態兩種障礙物檢測裝置功能驗證試驗方法，即用靜態的壓力模擬障礙物撞擊檢測裝置和設置固定大小、固定位置的障礙物，在地鐵列車低速運行下讓檢測裝置去撞擊障礙物，驗證是否能觸發緊急制動，其功能是否滿足設計要求。

2.1 靜態試驗驗證方法

靜態方法是使用一個專用測力設備(如圖2所示)在障礙物檢測裝置橫梁上施加一定的壓力，用于模擬障礙物撞擊，進而觸發地鐵列車緊急制動施加。

圖2 專用測力設備 圖3 專用測力設備固定 圖4 動態試驗撞擊示意圖

試驗步驟如下：

(1) 將專用測力設備鎖固結構架于前進方向左側鐵軌上，使用扳手擰緊鎖固螺栓，固定測力設備，如圖3所示。

(2) 操作施力扳手，順時針緩慢旋轉絲桿頭，推動施力接觸件抵著障礙物檢測裝置橫梁移動，觀察力顯示儀表顯示的實時力值。試驗時施力范圍為0～1 200 N，最大不宜超過2 000 N。

(3) 操作測力設備絲桿向前頂出，監測力值逐步由0上升到1 200 N，車上人員觀察主機指示燈狀態，記錄障礙物報警指示燈點亮時測力設備監測的力值應為1 000 N±100 N，檢查司機室屏上障礙物檢測界面，應顯示圖標(檢測到障礙物)；檢查地鐵列車EB制動是否已施加。

(4) 操作測力設備絲桿向后退出，監測力值回歸ON，記錄障礙物報警指示燈保持點亮；按壓障礙物檢測裝置主機“緩解”按鈕，障礙物報警指示燈熄滅，檢查司機室屏上障礙物檢測界面，圖標消除。

(5) 操作司機室緊急制動緩解按鈕，EB制動能正常緩解。

(6) 在右側鐵軌上重復步驟(2)～(5)。

(7) 記錄觸發的力值，試驗完成。若觸發的力值不在1 000 N±100 N，則需要對障礙物檢測裝置進行拆解調整，并重新進行功能驗證試驗。

2.2 動態試驗驗證方法

利用在軌道中間設置固定大小的橡膠障礙物(重量約5 kg，尺寸為180 mm×180 mm×40 mm)，并讓地鐵列車以低速運行，障礙物檢測裝置撞擊到事先準備好的橡膠障礙物，觀察地鐵列車是否施加緊急制動，驗證其功能是否滿足設計要求。

動態試驗撞擊示意圖如圖4所示。試驗步驟如下：

(1) 先進行靜態功能試驗，確保障礙物檢測裝置功能正常。

(2) 如圖4所示，將障礙物支座固定在地溝中間位置，障礙物置于障礙物支座上。障礙物通過綁帶與支架連接(限制掉落后障礙物行程，確保掉落地溝中，防止不可預見性飛竄)。

(3) 在障礙物檢測裝置檢測箱內板簧上布置傳感器，測量并記錄碰撞過程中板簧的應力變化，要求能夠測量到障礙物檢測警報觸發時板簧對應的應力值。

(4) 給障礙物檢測主機上電，觀察面板指示燈狀態,此時障礙物檢測主機顯示狀態如圖5所示，PWR和ETH1指示燈綠燈亮起，拍照記錄狀態。

圖5 未觸發時主機狀態燈示意圖

(5) 列車勻速行駛沖撞障礙物，車速10 km/h,若觸發，則測試結束；若沒觸發，將車速提高至15 km/h、20 km/h，直到觸發為止。觸發時主機狀態燈示意圖如圖6所示。

圖6 觸發時主機狀態燈示意圖

(6) 記錄緊急制動觸發時地鐵列車的車速，試驗結束。

2.3 兩種試驗驗證方法對比

本文從復雜度、可操作性、現場資源要求等方面對靜態和動態兩種試驗方法進行對比，如表1所示。

表1 兩種試驗方法對比

由表1可以看出:動態方法相對于靜態方法，對現場資源(包括場地、人員、工裝設備)要求更高、操作更復雜。對于靜態方法，主要是保證障礙物檢測裝置本身功能上需要滿足設計要求;而對于動態方法，主要用于保證在地鐵列車運營狀況下，能應對各種復雜的線路條件下發生的障礙物碰撞，避免地鐵列車發生更壞的事故。故建議在地鐵列車型式試驗中采用動態方法進行功能驗證，在例行試驗時采用靜態方法進行功能驗證，這樣既能保證障礙物檢測裝置的功能滿足設計要求，也最大限度地減少了現場資源的占用。

3 結束語

本文提出了靜態和動態下的障礙物檢測裝置功能驗證試驗方法，并介紹了詳細的試驗步驟，對兩種方法進行了對比分析，提出了優化方向，為后續障礙物檢測裝置的設計提供了參考依據。