障礙物檢測裝置試驗(yàn)方法研究

汪林峰，龔 衛(wèi)，賀世忠，孫志明，周 利，司尚卓

(中車株洲電力機(jī)車有限公司 產(chǎn)品研發(fā)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(yùn)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(hù)裝置得到了廣泛的應(yīng)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(shù)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(dāng)檢測到線路有障礙物時，系統(tǒng)將向控制中心發(fā)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(shè)計以及關(guān)鍵部件的設(shè)計。龔衛(wèi)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(yàn)方法很少有文獻(xiàn)資料介紹，如何對障礙物檢測裝置進(jìn)行功能驗(yàn)證是一大難題。本文結(jié)合無人駕駛項目的執(zhí)行，介紹了靜態(tài)和動態(tài)下的障礙物檢測裝置功能驗(yàn)證試驗(yàn)方法，確保其功能滿足設(shè)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(yùn)行，故對于障礙物檢測裝置的要求為實(shí)時性高、檢測距離遠(yuǎn)、檢測精度高、設(shè)備輕巧、可靠性高。目前采用非接觸方式的障礙物檢測系統(tǒng)均停滯在理論研究或少量安裝試驗(yàn)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(fā)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(yīng)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(zhuǎn)向架上安裝障礙物檢測裝置(如圖1所示)，當(dāng)列車運(yùn)行過程中與軌道上的障礙物相撞時，障礙物檢測系統(tǒng)將觸發(fā)列車緊急制動，從而阻止更嚴(yán)重的事故發(fā)生，保護(hù)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(yàn)證試驗(yàn)方法

當(dāng)障礙物檢測裝置裝車后，如何對其功能進(jìn)行驗(yàn)證是一大難題，原因是很難模擬線路上的實(shí)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(tài)和動態(tài)兩種障礙物檢測裝置功能驗(yàn)證試驗(yàn)方法，即用靜態(tài)的壓力模擬障礙物撞擊檢測裝置和設(shè)置固定大小、固定位置的障礙物，在地鐵列車低速運(yùn)行下讓檢測裝置去撞擊障礙物，驗(yàn)證是否能觸發(fā)緊急制動，其功能是否滿足設(shè)計要求。

2.1 靜態(tài)試驗(yàn)驗(yàn)證方法

靜態(tài)方法是使用一個專用測力設(shè)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(jìn)而觸發(fā)地鐵列車緊急制動施加。

圖2 專用測力設(shè)備 圖3 專用測力設(shè)備固定 圖4 動態(tài)試驗(yàn)撞擊示意圖

試驗(yàn)步驟如下：

(1) 將專用測力設(shè)備鎖固結(jié)構(gòu)架于前進(jìn)方向左側(cè)鐵軌上，使用扳手?jǐn)Q緊鎖固螺栓，固定測力設(shè)備，如圖3所示。

(2) 操作施力扳手，順時針緩慢旋轉(zhuǎn)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(shí)時力值。試驗(yàn)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(shè)備絲桿向前頂出，監(jiān)測力值逐步由0上升到1 200 N，車上人員觀察主機(jī)指示燈狀態(tài)，記錄障礙物報警指示燈點(diǎn)亮?xí)r測力設(shè)備監(jiān)測的力值應(yīng)為1 000 N±100 N，檢查司機(jī)室屏上障礙物檢測界面，應(yīng)顯示圖標(biāo)(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(shè)備絲桿向后退出，監(jiān)測力值回歸ON，記錄障礙物報警指示燈保持點(diǎn)亮；按壓障礙物檢測裝置主機(jī)“緩解”按鈕，障礙物報警指示燈熄滅，檢查司機(jī)室屏上障礙物檢測界面，圖標(biāo)消除。

(5) 操作司機(jī)室緊急制動緩解按鈕，EB制動能正常緩解。

(6) 在右側(cè)鐵軌上重復(fù)步驟(2)～(5)。

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

2.2 動態(tài)試驗(yàn)驗(yàn)證方法

利用在軌道中間設(shè)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(yùn)行，障礙物檢測裝置撞擊到事先準(zhǔn)備好的橡膠障礙物，觀察地鐵列車是否施加緊急制動，驗(yàn)證其功能是否滿足設(shè)計要求。

動態(tài)試驗(yàn)撞擊示意圖如圖4所示。試驗(yàn)步驟如下：

(1) 先進(jìn)行靜態(tài)功能試驗(yàn)，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(yù)見性飛竄)。

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

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

圖5 未觸發(fā)時主機(jī)狀態(tài)燈示意圖

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

圖6 觸發(fā)時主機(jī)狀態(tài)燈示意圖

(6) 記錄緊急制動觸發(fā)時地鐵列車的車速，試驗(yàn)結(jié)束。

2.3 兩種試驗(yàn)驗(yàn)證方法對比

本文從復(fù)雜度、可操作性、現(xiàn)場資源要求等方面對靜態(tài)和動態(tài)兩種試驗(yàn)方法進(jìn)行對比，如表1所示。

表1 兩種試驗(yàn)方法對比

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

3 結(jié)束語

本文提出了靜態(tài)和動態(tài)下的障礙物檢測裝置功能驗(yàn)證試驗(yàn)方法，并介紹了詳細(xì)的試驗(yàn)步驟，對兩種方法進(jìn)行了對比分析，提出了優(yōu)化方向，為后續(xù)障礙物檢測裝置的設(shè)計提供了參考依據(jù)。