轨道交通车辆车门系统安全性分析与优化

□ 杜岩琰 □ 才秦东 □ 饶 文

1.上海轨道交通设备发展有限公司 上海 200245 2.中车长春轨道客车股份有限公司 长春 130062

1 研究背景

随着我国国民经济的快速发展及城市化进程的加快,城市交通的拥堵现象日益严重,发展大容量城市轨道交通已经成为各个大城市的共识,许多城市都提出了建设轨道交通的规划,加快轨道交通建设的步伐[1]。

在全自动无人驾驶轨道交通车辆中,车门系统是故障率较高的部件之一。频繁发生的车门系统故障不仅给乘客出行带来不便,而且也对运营造成不利影响[2]。

笔者基于风险分析、故障模式影响与危害度分析、故障树分析,识别轨道交通车门系统的薄弱环节,优化改进设计方案,减少由车门系统故障引起的危害,并验证优化设计的合理性。以危害较大的乘客被夹事件为例,介绍优化方法及故障树分析验证过程。

2 车门系统设计方案

按照车门的运动轨迹及与车体的安装方式,车门系统可以分为内藏对开式滑门、外挂式移动门、塞拉门[3]。

为应对轨道交通大客流等特点,轨道交通车辆车门系统采用内藏对开式滑门,结构主要包括承载机构、驱动机构、门页组成、内外门槛、内外紧急解锁、电解锁组成,如图1所示。

图1 车门系统结构

车门系统具备四方面功能。

(1) 开关门功能。实现车门开关功能,列车运行过程中车门保持关闭,紧急情况时打开车门。

(2) 内外紧急解锁功能。每个车门内部都设有紧急解锁装置,实现紧急解锁功能。在紧急情况下操作该装置,能够打开车门。在站台区域操作,还可触发紧急制动。

(3) 机械隔离功能。当车门出现故障时,可由人工通过机械方式将车门锁死,退出服务。

(4) 障碍物检测功能。关车门时,如果遇到障碍物,将启动五次防夹功能,五次关门力依次增大。如果五次后仍未关门,那么车门打开,保持自由状态,并上报列车控制和管理系统。

3 风险分析

3.1 危害识别

基于某全自动驾驶轨道交通项目车门系统,列举出车门系统主要功能。采用偏差引导词方法进行危害识别,共识别出危害40条,包括车辆运行过程中门意外打开,乘客被夹,紧急情况时不能打开车门,车门切除后突然打开等。

3.2 风险评估

风险评估采用风险等级矩阵方法,将危害事件发生的频率和危害事件造成的后果结合起来,确定危害事件对应的风险等级,从质的层面定义风险种类及针对每一种风险类型的措施[4]。风险等级矩阵见表1。

3.3 系统设计优化

通过风险评估,采取设计、工艺、维护等手段降低事故发生的频率,减轻后果,保证所有剩余风险已经降低到可接受或可容许的等级,并且进一步降低风险已不可行。

表1 风险等级矩阵

统计分析的车门系统40条原始风险中,R2等级风险共8条,R3等级风险共8条,R4等级风险共24条。通过优化改进剩余风险,R2等级风险数量为0,R3等级风险为8条,R4等级风险为32条。由于篇幅限制,列出关键优化的3条风险。

对于乘客被夹风险,原每年发生次数为10-4～10-2,严重程度为3,风险等级为R3。应对措施包括:① 在站台区域,乘客可以操作紧急解锁,并触发紧急制动;② 障碍物检测装置可以检测30 mm×60 mm的物品;③ 门页密封条邵氏硬度(HA)不高于70。优化后,每年发生次数降为10-6～10-4,风险等级降为R4。

对于车辆运行时车门打开风险,原每年发生次数为10-4～10-2,严重程度为2,风险等级为R2。应对措施为设计门控器,基于开门、使能、零速、无陡坡缓降信号共四个指令来实现开车门。优化后,每年发生次数降为10-6～10-4,风险等级降为R3。

对于车门打开时车辆启动风险,原每年发生次数为10-4～10-2,严重程度为2,风险等级为R2。应对措施为应用一个锁到位开关来检测车门是否关闭,应用一个关到位开关来检测车门是否闭锁,避免车门在没有关闭且没有闭锁的情况下启动车辆。优化后,每年发生次数降为10-6～10-4,风险等级降为R3。

4 故障模式影响与危害度分析

故障模式影响与危害度分析可以分析产品中每个可能存在的故障模式,确定其对这一产品及上层产品所产生的影响,并对每个故障模式按影响的严重程度、故障发生概率等进行分类[5]。

车门系统可靠性定性要求指用非量化的形式来设计、评价,以保证车门系统的可靠性[6]。以乘客被夹风险为例,从降低零部件故障率、减轻危害性、提升应急处理方法三个方面进行设计优化。

4.1 降低零部件故障率

通过开展车门系统故障模式影响与危害度分析,确定导致乘客被夹的最小单元失效:① 锁到位限位开关触点无法释放;② 锁到位限位开关摆杆卡死;③ 门控器模块故障。

针对以上最小单元,提出相应的整改意见。

针对关到位与锁到位限位开关,采用成熟品牌产品。在多个项目的实际运营中,已经证明成熟品牌产品是安全可靠的。同时进行预防性维护,每3个月进行开关门试验,每10 a大修更换。

针对门控器,每3个月进行一次预防性维修,同时增加看门狗程序,实时检测门控器是否故障。

4.2 减轻危害性

根据项目经验,确定门页胶条邵氏硬度(HA)不高于70,以免夹伤乘客。

4.3 提升应急处理方法

当乘客被夹时,最有效的处理方法是乘客操作紧急解锁,触发紧急制动,以免发生因列车启动拖拽乘客的重大事故。

在此基础上,对内紧急解锁采取设计优化。

(1) 重新优化紧急解锁的高度,即与地板布的距离,使紧急解锁更易于被操作。紧急解锁高度如图2所示。

图2 紧急解锁高度

(2) 紧急解锁罩板采用有机玻璃,在紧急情况下可以侧翻式打开,也可以直接击碎,操作紧急解锁。紧急解锁罩板如图3所示。

图3 紧急解锁罩板

5 故障树分析

故障树分析是一种对复杂系统进行风险预测的方法,将系统最不希望发生的故障事件作为顶事件,找出引起顶事件发生的直接因素和可能原因,然后用演绎分析的方法,利用逻辑门依次逐级查找,直至确定最原始的基本因素[7]。

笔者对乘客被夹事件进行故障树分析,包括建立故障树、定量分析、结果论证。

5.1 建立故障树

建立故障树,确定故障和导致故障各因素之间的逻辑关系。故障树分析将所要分析的问题以图形形式进行表达处理,将所分析的系统发生故障设为顶事件,将无法再细分的事件称为底事件,将其余剩下的所有事件称为中间事件[8]。

以下逻辑门类型和事件被用于故障树分析:① 或门,当至少一个输入事件为真时,或门输出为真;② 与门,当且仅当全部输入事件为真时,与门输出为真;③ 矩形事件,代表顶事件或中间事件;④ 圆形事件,代表有足够数据的底事件;⑤ 菱形事件,代表不展开事件。

以顶事件乘客被夹为例,自上而下分析故障树。

车门系统设计中,防止乘客被夹依靠的是障碍物检测功能。因此,当出现乘客被夹时,同时发生了障碍物检测丢失和过流探测丢失。这是第一层级。

引起障碍物检测丢失有两种情况,一种是由于车门系统检测信号故障,导致障碍物检测功能被忽略,另一种是障碍物检测故障。这是第二层级。

针对障碍物检测功能被忽略,一般情况为锁到位限位开关意外被激活,关到位限位开关未被激活。此时从安全方面考虑,将趋向于关车门,忽略障碍物检测。这是第三层级。

采用以上方法分析,最终建立故障树模型,如图4所示。

图4 故障树模型

5.2 定量分析

定量分析的主要目的是确定所有底事件发生的概率后,求出顶事件发生的概率及定量指标[5]。

以乘客被夹顶事件为例,根据故障模式影响与危害度分析数据及相关电气元件故障率等,确定底事件故障率,见表2。

表2 底事件故障率

根据可靠性理论,或门结构输出事件发生的概率P(X)为:

(1)

式中:xi为输入事件,i=1,2,…,n;P(xi)为输入事件发生的概率。

与门结构输出事件发生的概率采用最小割集进行计算,利用容斥定理,可以得到上下限平均近似值Q[9]:

(2)

S1为首项近似算式:

(3)

(4)

式中:r为最小割集数;kj为第j个最小割集的集合;xt为第j个最小割集中第t个底事件,t=1,2,…,m。

S2为第二项近似算式:

(5)

最小割集是导致故障树顶事件发生的数量不可再少的底事件的集合[10]。用布尔代数求最小割集,或门对应逻辑和,记为“+”,“与”门对应逻辑积,记为“·”。

由图4可得:

Z=A·(B+K1+(S1+S2+S3)+L+K2)

=A·B+A·K1+A·S1+A·S2+A·S3

+A·L+A·K2

则最小割集为AB、AK1、AS1、AS2、AS3、AL、AK2。

最小割集数为7,根据容斥定理,有:

k1=A×B

k2=A×K1

k3=A×S1

k4=A×S2

k5=A×S3

k6=A×L

k7=A×K2

S1=P(k1)+P(k2)+P(k3)+P(k4)+P(k5)

+P(k6)+P(k7)

S2=P(k1k2)+P(k1k3)+P(k1k4)+P(k1k5)

+P(k1k6)+P(k1k7)+P(k2k3)+P(k2k4)

+P(k2k5)+P(k2k6)+P(k2k7)+P(k3k4)

+P(k3k5)+P(k3k6)+P(k3k7)+P(k4k5)

+P(k4k6)+P(k4k7)+P(k5k6)+P(k5k7)

+P(k6k7)

将底事件、最小割集分别代入式(1)、式(2),计算出与门结构故障率,结合或门结构计算结果,得到乘客被夹事件故障树计算结果,见表3。

表3 乘客被夹事件故障树计算结果

5.3 结果论证

根据安全完整性等级分配结果,车门系统障碍物检测功能应满足SIL2等级要求,即乘客被夹事件故障率应满足SIL2等级对应的安全目标值。通过故障树分析,验证了障碍物检测功能满足SIL2等级的要求。

6 结束语

笔者对轨道交通车辆车门系统进行安全性分析与优化。在满足功能需求的前提下,通过风险分析识别所有危害,并进行风险评估。通过采取设计、工艺、维护等措施降低风险等级,改善车门系统设计的薄弱环节,使车门系统满足安全性和可靠性要求。