基于RAMS設(shè)計的站臺門系統(tǒng)工程實踐

摘要：站臺門作為重要的軌旁設(shè)備，是乘客上下車的必要通道;而自動駕駛技術(shù)的應(yīng)用，對站臺門的安全性與可靠性提出了更高的要求。現(xiàn)以廣州地鐵18號線站臺門RAMS為實踐，首次總結(jié)出站臺門系統(tǒng)RAMS指標及工作要求的全階段實施流程，對站臺門系統(tǒng)設(shè)計過程中的可靠性、可用性、可維修性、安全性（RAMS）進行研究，以提高站臺門的服役性能，保證列車運營與乘客安全。

關(guān)鍵詞：城市軌道交通;站臺門;RAMS;SIL

中圖分類號：U231.4" " 文獻標志碼：A" " 文章編號：1671-0797（2023）15-0006-04

DOI：10.19514/j.cnki.cn32-1628/tm.2023.15.002

0" " 引言

站臺門系統(tǒng)是直接服務(wù)于乘客及列車的設(shè)備，站臺門系統(tǒng)直接影響乘客生命財產(chǎn)安全與行車組織。站臺門夾人、傷人、影響行車等問題時有發(fā)生，國內(nèi)關(guān)于站臺門系統(tǒng)RAMS研究工作尚處于起步階段，遠不能滿足目前站臺門系統(tǒng)的發(fā)展需求[1]，為有效保證地鐵運營效率與乘客安全，有必要將RAMS系統(tǒng)引入站臺門系統(tǒng)，使站臺門系統(tǒng)的可靠性、維修性與安全性等指標得到顯著提高[2]。

1" " 站臺門系統(tǒng)RAMS指標

站臺門系統(tǒng)RAMS指標主要通過軌道交通RAMS參數(shù)集來表示，通常將RAM參數(shù)（可靠性、可用性、可維修性）與S（安全性）分開描述[3]。文獻[4]指出了軌道交通產(chǎn)品RAMS參數(shù)指標及技術(shù)要求的確定過程，本文結(jié)合已運營站臺門故障分析及廣州18號線工程需要，提出了適用于站臺門系統(tǒng)的RAMS參數(shù)集合。

1.1" " RAM指標

站臺門系統(tǒng)RAM指標如表1所示。

RAM指標定義及計算方法如下。

1.1.1" " 平均無故障周期（MCBF）

定義：每條線路在正常運營情況下，全線每60萬次開關(guān)門周期內(nèi)站臺門故障次數(shù)不應(yīng)大于1次。MCBF（故障次數(shù)記做c）按式（1）進行計算：

式中：a為所有滑動門的總運行周期;b為每年故障次數(shù)。

故障范圍內(nèi)，外部輸入的失敗（如外部供電和信號輸入的失敗）、指示燈故障、試運行期間的故障不納入此考核指標。

1.1.2" " 平均維修時間（MTTR）

平均維修時間（MTTR）應(yīng)不大于30 min;平均維修時間包括診斷、實施修理/更換時間、現(xiàn)場調(diào)節(jié)和試驗時間，但不包括響應(yīng)時間。

平均停機時間（MDT）是平均維修時間（MTTR）和響應(yīng)時間的綜合，要求故障后的響應(yīng)時間不大于30 min，平均停機時間不超過1 h。

1.2" " 安全性目標

站臺門系統(tǒng)（含傳動裝置、電氣、障礙物探測系統(tǒng)等）應(yīng)符合安全完整性等級SIL2，站臺門與信號接口應(yīng)符合安全完整性等級SIL4。

2" " 站臺門RAMS工作要求

站臺門RAMS工作要求為委托方提出的系統(tǒng)供應(yīng)商在站臺門全階段中需要完成的工作以及提供的資料文件，是為了保證本項目站臺門系統(tǒng)能夠達到規(guī)定的RAMS指標而提出的，是保證RAMS指標能夠被落實到站臺門系統(tǒng)的設(shè)計、制造及裝置、測試及啟動、試運營/質(zhì)保期等階段的必要條件[4]，包括但不限于表2中的文件。

2.1" " 站臺門RAMS系統(tǒng)保證計劃

RAMS系統(tǒng)保證計劃是站臺門RAMS工作總體策劃的核心文件，用于定義系統(tǒng)保證活動和系統(tǒng)保證管理流程，包括RAM保證和安全性保證兩方面，以確保系統(tǒng)的RAM工作及RAM表現(xiàn)滿足項目要求，保證站臺門系統(tǒng)及其開發(fā)流程滿足安全完整性等級要求且安全風險控制在可接受范圍內(nèi)。

2.2" " RAM管理相關(guān)工作

2.2.1" " RAM分析及報告

該報告為用于記錄對站臺門系統(tǒng)進行RAM分析過程和結(jié)論的報告，RAM分析以可靠性、可維修性為主軸，通過對兩個特性的分析，導出可用性的結(jié)論。RAM分析內(nèi)容如下：

1）RAM模型建立：RAM分析選用可靠性方塊圖（RBD）模型預(yù)測系統(tǒng)RAM表現(xiàn)，如圖1所示。

2）可靠性分配、預(yù)計：根據(jù)RBD模型，將系統(tǒng)的RAM指標分配至相關(guān)的子系統(tǒng)。

平均無故障周期、平均無故障時間及故障率λs關(guān)系如下：

式中：T為平均無故障時間;d為每小時開關(guān)門次數(shù);λs為系統(tǒng)目標故障率。

故障率分配可采用評分分配法，從器件的復雜度、技術(shù)水平、工作時間和環(huán)境條件四個方面對每個子系統(tǒng)進行評分，按照評分對系統(tǒng)故障率指標進行分配，各單元目標故障率的分配采用式（4）（5）（6）來計算，對分配后的結(jié)果給予15%的余量：

式中：ωi為單個子系統(tǒng)i的四項評分總乘積;rü為各器件評分，取值1～10;ω為所有子系統(tǒng)評分總和;i為不同的子系統(tǒng);n為全部系統(tǒng)組成單元數(shù)量;λi為單個子系統(tǒng)i的故障率。

根據(jù)分配結(jié)果，對廣州地鐵18號線站臺門系統(tǒng)進行可靠性RBD建模，采用ISOgraph軟件對廣州地鐵18號線站臺門系統(tǒng)的可靠性進行計算，得出Ts，結(jié)果應(yīng)大于式（2）中的T。

3）維修性分析預(yù)計：根據(jù)工程經(jīng)驗，對站臺門系統(tǒng)PSL、LCB、電機、電磁鎖等單元維修時間進行估計，預(yù)計系統(tǒng)各組成單元的平均修復時間MTTRi（記作Ri），則站臺門整個系統(tǒng)的維修性預(yù)計時間MTTRs（記作Rs）計算如式（7）所示，Rs應(yīng)小于0.5 h。

式中：Rs為系統(tǒng)的平均修復時間;Ri為系統(tǒng)組成單元i的平均修復時間;λi為系統(tǒng)組成單元i的失效率;λs為系統(tǒng)失效率。

4）可用性分析預(yù)計：可用性分析基于以上所述的可靠性預(yù)計和維修性分析結(jié)果。

系統(tǒng)可用性Ai的計算如式（8）所示：

2.2.2" " 故障模式、影響及嚴重性分析（項目FMECA）

該文件用于記錄對站臺門（PSD）系統(tǒng)進行的故障模式影響及重要性分析的過程和結(jié)論。進行FMECA分析時只考慮同一時間只有一個底層單元發(fā)生失效的情況，項目組應(yīng)推算系統(tǒng)可能會出現(xiàn)的故障形式，評估故障對乘客和員工的影響，包括出現(xiàn)故障時解決問題所需要的時間，并通過后果等級和風險矩陣分析得出FMECA結(jié)論。

2.2.3" " RAM證明計劃及其報告

該報告實際上是驗證項目RAM分析報告的輸出結(jié)果所產(chǎn)生的過程文件。RAM驗證計劃描述了站臺門系統(tǒng)RAMS水平的驗證方法、驗證階段、判斷是否滿足要求的準則以及最終的驗證報告。

2.2.4" " 故障報告、分析及糾正措施系統(tǒng)（FRACAS）

FRACAS由生產(chǎn)商建立，用于監(jiān)控設(shè)備的安全性和RAM表現(xiàn)，包括設(shè)計階段（因預(yù)測性分析的結(jié)論而進行更改）測試及啟動和投入運營期，該系統(tǒng)用于監(jiān)控設(shè)備/組件的性能，確定故障模式，以便采取修正措施改進系統(tǒng)的表現(xiàn)。FRACAS的工作流程如圖2所示。

2.3" " 安全性管理相關(guān)工作

1）安全分析報告第一部分：安全原則及規(guī)范要求的符合性評估（DSA）。

DSA主要為系統(tǒng)生產(chǎn)商按照委托方要求，根據(jù)現(xiàn)行安全設(shè)計準則、國家標準和行業(yè)標準，評估當前設(shè)計是否符合安全設(shè)計要求，該報告包含了所有偏離、不符合項或部分符合項。

2）安全分析報告第二部分：故障樹分析報告（FTA）。

故障樹（FTA）是從運營過程中“不期待”發(fā)生的故障出發(fā)（例如繼電器、辦卡損壞），分析各種引致這些事故的因素，使用邏輯圖表示分析結(jié)果的方法。具體體現(xiàn)如下：“不期待事件”為根，軟件、硬件、人為、環(huán)境等因素是故障樹的“葉”。FTA報告則是運用軟件對故障樹模型進行長時間跨度的模擬，大致估算故障可能出現(xiàn)的概率和時間節(jié)點;其目的是證明危害事件發(fā)生的概率低于SIL2對應(yīng)的THR，故此主要分析硬件設(shè)備，而不包括環(huán)境和人的因素。FTA模型圖如圖3所示。

3）危害登記冊（Hazard Log）及其研究文檔（Study）：危害登記冊及其研究文檔是危害分析的輸出文檔。生產(chǎn)商和委托者應(yīng)針對系統(tǒng)的潛在危害進行有系統(tǒng)的分析，分析范圍須涵蓋系統(tǒng)、接口及運營三方面。

文件的內(nèi)容含有：a）對可能出現(xiàn)的危害進行評級，對于不可接受的危害事項，生產(chǎn)商應(yīng)盡可能通過改變設(shè)計以降低該事項的危害等級，直到委托者接受所有危害事項;b）危害與可操作性（HAZOP）會議中，通過RAMS工程中的三方進行“頭腦風暴”所引導出的所有危害事項;c）危害事項對應(yīng)的預(yù)防/減輕措施。

4）系統(tǒng)安全報告：該文件是安全性（S）分析部分的總領(lǐng)性文件，總結(jié)站臺門系統(tǒng)開發(fā)過程中針對安全保障所進行的工作，負責給出總體安全的結(jié)論;主要內(nèi)容為總結(jié)安全分析報告一、二部分和危害登記冊及其研究文檔的內(nèi)容，給出安全管理、危害管理、故障樹分析、運營危害管理和總體系統(tǒng)安全狀況的結(jié)論。

3" " 本工程RAMS的工作成果

廣州18號線工程經(jīng)過委托方、系統(tǒng)供應(yīng)商與第三方獨立監(jiān)管機構(gòu)（ISA）的三方協(xié)同工作，取得了如下成果：根據(jù)獨立的第三方評估機構(gòu)，站臺門系統(tǒng)取得了獨立的RAM分析報告與獨立安全評估報告，取得了“與信號接口系統(tǒng)SIL4、其余安全功能滿足SIL2證書”及“機械系統(tǒng)SIL2證書”。廣州地鐵18號線已經(jīng)于2021年9月28日開通運營，到2022年3月28日已運營181天，全線站臺門開關(guān)門次數(shù)約為830萬次，經(jīng)運營單位反映，站臺門系統(tǒng)目前不存在影響列車運營與乘客安全的事件，運營狀況良好，站臺門系統(tǒng)完全滿足鐵路安全應(yīng)用標準EN 50126、EN 50128和EN 50129與委托方所提出的RAMS指標要求。

4" " 結(jié)束語

本文依據(jù)廣州地鐵18號線站臺門工程的實踐，首次總結(jié)提出站臺門系統(tǒng)RAMS工程的RAMS指標及工作要求等實施流程，對地鐵線路站臺門系統(tǒng)如何進行RAMS分析與管理提供了方向，以提高站臺門的可用性與安全性。

城市軌道交通車站具有客流量大、人流密度高的特點，隨著自動駕駛技術(shù)的應(yīng)用，對站臺門的安全性與可靠性要求越來越高，在后續(xù)線路中，可更深入利用RAMS分析，進一步優(yōu)化站臺門系統(tǒng)相關(guān)設(shè)備，將站臺門部件設(shè)備標準化，以更大程度提高站臺門系統(tǒng)的可靠性與安全性。

[參考文獻]

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[3] 軌道交通 可靠性、可用性、可維修性和安全性規(guī)范及示例：GB/T 21562—2008[S].

[4] 吳婷.軌道交通產(chǎn)品RAMS技術(shù)要求及驗證方法研究[C]//第七屆中國智能交通年會優(yōu)秀論文集——智能交通技術(shù)，2012：293-302.

收稿日期：2023-04-17

作者簡介：李國林（1996—），男，廣西平南人，助理工程師，研究方向：城市軌道交通機電一體化。