北京地鐵13號線閘機改造方案研究

王 帥

(北京地鐵科技發(fā)展有限公司，北京 100072)

0 引言

北京地鐵13號線自動售檢票(AFC)設備于2003年3月全部安裝完畢，2008年6月完成了電子車票改造，截至2017年底，北京地鐵13號線AFC設備已經運營使用了15年，達到了設備的設計使用年限。根據(jù)北京地鐵自動售檢票系統(tǒng)技術改造二期工程的總目標，為了實現(xiàn)北京地鐵靈活的票制票價政策、消除系統(tǒng)對廠商的依賴性、降低系統(tǒng)再修改成本、統(tǒng)一乘客服務體驗、提升運營安全、提高運營維護水平、全面提升運營管理能力及乘客服務質量，因此需要對AFC系統(tǒng)進行改造。

北京地鐵13號線閘機由日本信號株式會社(日信)生產提供，工控機等主要模塊目前均已停產，模塊采購價格為原有報價的5倍～10倍，供貨周期在6個月以上，現(xiàn)日信已經基本退出中國市場，模塊的后續(xù)供應將有困難。同時，該型號產品采用裸板設計，處理器、操作系統(tǒng)內存、接口均不支持北京市路網(wǎng)標準化軟件改造要求，工控機串口為轉接接口，不穩(wěn)定，與北京統(tǒng)一標準讀寫器(TPU)硬件接口不兼容，且該工控機所用的接口類型硬盤已停產，設備后續(xù)的維護、升級存在較大隱患，按標準化局部改造有一定困難，亟待設計專門的改造方案進行改造。

1 北京地鐵13號線閘機及使用現(xiàn)狀

1.1 地鐵13號線閘機

地鐵閘機是安裝在地鐵車站內隔離付費區(qū)和非付費區(qū)之間，對出入付費區(qū)的乘客車票進行有效性檢查，能使持有有效車票的乘客通過，阻擋非法通行人員的自動終端設備，其檢測判斷過程無需人工干預。閘機分為進站閘機、出站閘機、雙向閘機和寬通道閘機4種。閘機可在軌道交通AFC清算管理中心規(guī)定的各種運營模式下運行。閘機根據(jù)車站計算機的模式命令、火災自動報警系統(tǒng)、緊急按鈕的命令轉換運營模式。

北京地鐵13號線閘機為日信生產的拍打門閘機，分為標準通道閘機和寬通道閘機，閘機應擺放成一個陣列，兩個閘機單元相鄰排列，通過電纜連接形成了進/出通道，通道的功能和方向由這兩臺閘機的種類和方向決定。閘機外形結構如圖1所示，結構尺寸如下：

標準通道閘機(mm)：1 600×175×1 000(長×寬×高)，底座長1 250。

寬通道閘機(mm)：1 942×175×1 000(長×寬×高)，底座長1 250。

圖1 閘機外形結構

閘機通道根據(jù)乘客的通行方向分為進站通道、出站通道和雙向通道3種。每個通道的兩片閘機因陣列布局的位置不同又可細分為：進站閘機(2門主機)、進站閘機(4門主機)、出站閘機(2門主機)、出站閘機(4門主機)、出站閘機(2門從機)、出站閘機(4門從機)、輔助閘機(2門從機)、輔助閘機(4門從機)、寬通道進站閘機(2門主機)、寬通道出站閘機(2門從機)，共計10種閘機，每種閘機中的內部模塊布局也不相同。

北京地鐵13號線的閘機因其結構設計特點，單片閘機僅具有單進或單出一種功能，如果在陣列中間做出可雙向刷卡的中間機，需要兩片閘機并列擺放。整個13號線閘機陣列中間機可分為以下4種：標準通道單片中間機(單向刷卡)、標準通道并排中間機(雙向刷卡)、寬通道并排中間機(寬通道雙向刷卡)、標準通道/寬通道并排中間機(寬/標通道雙向刷卡)，如圖2所示。

圖2 中間機種類

1.2 北京地鐵13號線閘機現(xiàn)場使用現(xiàn)狀

北京地鐵13號線閘機現(xiàn)場使用現(xiàn)狀如下:

(1) 設備停產維修困難。北京地鐵13號線閘機采用非標準化設計，設備內模塊多采用日信定制開發(fā)的產品，無法兼容當前市場的主流模塊產品，目前設備整機和模塊已經停產，且日信已經基本退出中國市場，設備及其模塊的后續(xù)維修維護非常困難。

(2) 設備老舊且設計不合理。①主控單元和通行邏輯控制板的設計不利于維修，標準進站閘機的主控板和通信板相互疊加在閘機最下層的單側狹小空間，且設備內沒有照明設備，不利于更換維修；②讀寫器安裝方式不合理，讀寫器不是分體式，沒有外殼保護且安裝位置暴露于外部較多，容易破損，讀寫器直接固定在閘機蓋板的刷卡位置上，沒有任何的中間介質，乘客直接在讀卡器上刷卡時，因力度不可控，致使讀卡器的損壞率大大增加。

2 改造范圍與要求

2.1 改造范圍

13號線閘機改造范圍為整條線路的日信拍打門閘機，涵蓋了閘機所有關鍵模塊和外殼的更換，其中西二旗站和霍營站因車站位置變化和進出口位置改動，已更換為剪式扇門閘機，此次改造這兩個站的閘機只涉及到標準讀寫器和小童身高的改造，不進行其他關鍵模塊和外殼的改造。

2.2 改造要求

《軌道交通聯(lián)網(wǎng)收費系統(tǒng)技術要求第7部分：終端設備》中閘機外形尺寸要求：①常規(guī)雙折門通道檢票機機體應不大于2 000 mm×200 mm×1 100 mm(長×寬×高)；②適用于常規(guī)雙折門通道550 mm寬度，閘門關閉時最小間隔不大于40 mm；③寬通道檢票機機體應不大于2 000 mm×300 mm×1 100 mm(長×寬×高)；④適用于寬通道900 mm寬度，閘門關閉時最小間隔不大于40 mm。因此，改造后的閘機應為剪式扇門閘機，且該款閘機外形尺寸和通道寬度均符合上述標準。

3 現(xiàn)場勘察情況

3.1 閘機陣列及周圍環(huán)境勘察

13號線閘機設計時為通道內側維護，部分邊機緊貼墻體安裝，且閘機整體外形尺寸較現(xiàn)行標準的剪式扇門閘機小，用標準規(guī)定的剪式扇門閘機替換改造后，周圍環(huán)境可能造成標準閘機改造替換時無法安裝，或影響閘機維護門開啟。其中，知春路站南口進站左寬通道邊機可能會影響安裝，西直門站、大鐘寺站、立水橋站、光熙門站、東直門站部分邊機替換安裝后靠墻側可能無法維護?，F(xiàn)場閘機陣列周圍環(huán)境可能影響改造情況示意圖如圖3所示。

圖3 現(xiàn)場閘機陣列周圍環(huán)境可能影響改造情況示意圖

單片標準剪式扇門閘機可以實現(xiàn)雙向刷卡功能，不需要并排布置，而整個13號線大部分車站存在標準通道閘機并排現(xiàn)象，小部分車站存在寬通道閘機并排現(xiàn)象，所有車站都存在標準通道與寬通道閘機并排現(xiàn)象。

3.2 閘機預埋底座勘察

13號線標準通道閘機和寬通道閘機的預埋底座尺寸一致，預埋底座安裝尺寸為：1 250 mm×145 mm×50 mm(長×寬×高)；閘機固定的焊接螺母規(guī)格為M12，孔位尺寸為930 mm×95 mm；線槽開孔位置在底座中間。

《軌道交通聯(lián)網(wǎng)收費系統(tǒng)技術要求第7部分：終端設備》中對閘機的預埋底座設計尺寸已有明確要求：現(xiàn)行標準通道閘機和寬通道閘機的預埋底座尺寸分別為1 790 mm×194 mm×50 mm(長×寬×高)、1 790 mm×280 mm×50 mm(長×寬×高)，開孔尺寸分別為1 550 mm×100 mm、1 550 mm×180 mm,線槽開孔位置在進站端一側。

通過對比13號線單片標準通道閘機的預埋底座實物圖和標準規(guī)定的預埋底座圖紙可以看出，現(xiàn)場閘機的預埋底座與標準中要求的尺寸差異較大，不能直接進行安裝，如果用標準閘機替換，需要更改預埋底座孔位和出線槽位置，以及解決并排機預埋底座的問題。

4 改造方案及設備

因13號線閘機已達使用年限，設備老舊且設計落后，局部更新改造已無法滿足現(xiàn)有北京市路網(wǎng)標準化軟件等使用要求，且設備維護非常困難，所以將采用整體替換的改造方案。

4.1 改造方案

設計出180 mm、350 mm和300 mm三種寬度的閘機，利用原有底座和線槽，分別對標準通道單片中間機/邊機、寬通道邊機和并排機進行設備整體替換。方案不需要更改預埋底座和布線，無需重新設計陣列，節(jié)約成本且改造周期短，同時可以夜間施工不影響運營。改造方案示意圖如圖4所示，詳細方案如下：

(1) 原有標準通道閘機(標準通道邊機和單片中間機2種情況)采用外形尺寸為2 000 mm×180 mm×1 100 mm(長×寬×高)的剪式門閘機替換。

(2) 原有并排情況中間機(標準通道并排、寬通道并排、寬通道和標準通道并排3種情況)采用外形尺寸為2 000 mm×350 mm×1 100 mm(長×寬×高)的剪式門閘機替換。

(3) 原有寬通道邊機(寬通道邊機1種情況)采用外形尺寸為2 000 mm×300 mm×1 100 mm(長×寬×高)的剪式門閘機替換。

(4) 所有替換閘機利用原有閘機的預埋底座固定孔位進行固定。

圖4 改造方案示意圖

改造前、后閘機和通道尺寸對比如圖5所示。

圖5 改造前、后閘機和通道尺寸對比

4.2 改造設備

改造的難點在于180 mm寬閘機的設計，其寬度比現(xiàn)行標準通道閘機寬度要窄，部分模塊需要改動設計才能滿足裝配要求。300 mm寬閘機則按照標準尺寸進行設計，350 mm寬閘機相比300 mm寬閘機更寬，內部空間更大，設計上不存在難點。下文將對180 mm寬閘機方案進行詳細介紹。

180 mm寬閘機外觀及尺寸如圖6所示，180 mm寬閘機的結構布局如圖7所示。為保證同一項目內自主設備關鍵模塊型號的一致性，降低物料管理和備件采購成本，閘機的模塊配置在功能和性能上得到充分保障的情況下，最大范圍地兼容了北京地鐵現(xiàn)有閘機的同類配置，其硬件設計框架如圖8所示。

圖6 180 mm寬閘機外觀及尺寸

180 mm寬閘機由主控單元、扇門、通行邏輯控制單元、票卡讀寫器、乘客顯示器、票卡回收單元、方向指示器、乘客通行指示燈、對射傳感器、身高傳感器、維修鍵盤、揚聲器等部件組成，除扇門模塊和部分對射傳感器外，其余部件均與現(xiàn)行標準閘機兼容。

圖7 180 mm寬閘機結構布局

圖8 硬件設計框架

4.3 改造難點及解決方案

(1) 模塊安裝問題：180 mm寬閘機較標準的200 mm寬閘機寬度減小了20 mm，造成在設計時標準扇門模塊和布置在回收模塊端的3個通行邏輯對射傳感器因與外殼和回收模塊干涉無法安裝，特此設計了適用于180 mm寬閘機的扇門模塊，將這3個常規(guī)的對射傳感器改用超小型對射傳感器進行替代來解決干涉問題。

(2) 底座固定與走線問題：根據(jù)現(xiàn)場預埋底座孔位尺寸進行相對應的閘機底座固定孔位設計，標準通道閘機底座固定孔位為930 mm×95 mm，寬通道閘機底座固定孔位為930 mm×270 mm，出線孔與現(xiàn)場保持一致，設置為中間開孔出線。

(3) 部分陣列邊機維護問題：部分邊機靠墻體太近，無法打開靠墻側維修門，只能從內側維修門進行維護，需要更改受到影響的票卡回收模塊的定位方式，將票卡回收模塊一側做成插入卡板式定位，使其可進行單側(內側)維護，如圖9所示。

圖9 票卡回收模塊單側固定示意圖

(4) 特殊陣列問題：知春路站的南口進站左寬通道邊機距樓梯80 mm，由于寬通道剪式門閘機寬度最小為300 mm，因此，在不縮減通道寬度的情況下將無法安裝。13號線所有站設備除了知春路站南口進站左寬通道邊機挨著樓梯無法安裝，其余所有站設備均可替換安裝，因此按特殊情況處理，將該通道寬度縮減為850 mm進行安裝。

4.4 測試與安裝

改造后的閘機樣機和關鍵模塊先后通過了北京市軌道交通聯(lián)網(wǎng)收費系統(tǒng)檢測中心的終端設備入圍檢測和樣機檢測，滿足現(xiàn)場安裝要求，并在通過了試點站測試后進行了整條線路的逐站替換安裝。整體施工均在夜間(13號線停止運營后)進行，在第二天開始運營前結束施工，并未影響13號線的正常運營。北京市軌道交通自動售檢票系統(tǒng)技術改造二期工程——13號線自動售檢票系統(tǒng)整體改造自2016年編制項目建議書，2017年12月完工，13號線整體替換改造閘機285臺，新增閘機41臺，目前已使用1年多，設備使用狀況良好。13號線望京西站部分閘機改造前、后對比如圖10所示。

圖10 13號線望京西站部分閘機改造前、后對比

5 結語

為了保障線路的正常運營，降低成本，北京地鐵13號線閘機改造在不更換原有底座和線槽的基礎上采用了180 mm和350 mm兩種非標準寬度的閘機，但閘機內部模塊均為標準化或接口兼容的模塊產品，具有很強的互換性和兼容性，極大地降低了設備維修難度和維護成本，且閘機設計時對未來發(fā)展可能需要加裝新的設備的接口、處理能力和結構空間進行了預留。隨著軌道交通建設的飛速發(fā)展，國內城市軌交運營企業(yè)圍繞提升服務質量，打造智慧車站，減員增效等方面不斷加大研發(fā)投入，一大批新的技術被應用到軌交運營中，比如移動支付、生物識別等，加速了那些老舊技術設備的改造進程。以北京地鐵為例，為了給乘客提供更快捷、更安全的出行服務，北京地鐵先后進行了AFC設備互聯(lián)網(wǎng)支付改造、首都機場線閘機的人臉識別改造等。故在閘機改造方案設計時應滿足標準化要求的同時，兼顧設備的接口、處理能力和結構空間的預留，保障了未來升級改造和新技術的推廣與應用的需求。