市域鐵路智慧站臺(tái)門系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)

張銀龍

中鐵第四勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，武漢，430063

0 引言

市域鐵路是“高鐵之內(nèi)，地鐵之外”的城市綜合交通體系重要組成部分，更是聯(lián)通城市中心、輻射周邊地區(qū)的未來(lái)交通主流模式，為乘客提供全程安全、便捷、貼心的運(yùn)輸服務(wù)[1]。實(shí)現(xiàn)公交化運(yùn)營(yíng)，資源共享互聯(lián)互通，與高速鐵路、城際鐵路、地鐵無(wú)縫銜接，是市域鐵路發(fā)展的趨勢(shì)。站臺(tái)門是提高乘客出行效率，確保乘客候車安全的重要車站設(shè)備。

市域鐵路站臺(tái)門與傳統(tǒng)地鐵站臺(tái)門最顯著的區(qū)別主要表現(xiàn)在兩個(gè)方面：①多種模式互聯(lián)互通、多種車型混跑混行工況下，站臺(tái)門需實(shí)現(xiàn)對(duì)不同車型、不同開門位置的自動(dòng)適應(yīng)，并為乘客候車提供智慧引導(dǎo)；②列車高速過站時(shí)，地下車站將產(chǎn)生較大的活塞風(fēng)沖擊，對(duì)站臺(tái)門的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度提出了很高的要求。

1 國(guó)內(nèi)外技術(shù)及存在問題分析

站臺(tái)門是乘客候車的安全屏障，為了適應(yīng)多種車型?？恳?，日本、歐洲國(guó)家、中國(guó)在工程應(yīng)用中進(jìn)行了有效的探索和研究。

1.1 日本適應(yīng)多車型站臺(tái)門

為了適應(yīng)多種車型?？恳?，日本科研團(tuán)隊(duì)對(duì)站臺(tái)防護(hù)方案進(jìn)行了研究，將站臺(tái)門分為平移式和升降式[2]兩種。

(1)平移式蜂窩鋁板。其顯著特點(diǎn)是通過將站臺(tái)邊緣退后一定距離來(lái)吸收列車門位置和停車精度誤差，實(shí)現(xiàn)乘客的順利乘降，具體應(yīng)用情況如表1所示，蜂窩鋁板型站臺(tái)門如圖1所示。

表1 日本高鐵安全門站臺(tái)邊緣退后距離設(shè)置情況Tab.1 The setting of the back distance for the platform edge of Japanese high-speed railway

圖1 平移式蜂窩鋁板Fig.1 Translational honeycomb aluminum plate

(2)升降式繩索欄桿的顯著特點(diǎn)是采用簡(jiǎn)易升降繩索或欄桿裝置進(jìn)行安全防護(hù)，可以滿足多種車型混跑時(shí)列車?？恳?，此種防護(hù)方式施工周期短，建設(shè)成本低，如圖2所示。

圖2 升降式繩索欄桿Fig.2 Lifting rope railing

1.2 歐洲國(guó)家適應(yīng)多車型站臺(tái)門

歐洲國(guó)家由于客流量少、運(yùn)營(yíng)車型相對(duì)單一，車站通常不設(shè)置站臺(tái)門系統(tǒng)，如圖3所示。

圖3 歐洲國(guó)家高鐵車站Fig.3 European country high-speed railway station

從國(guó)外既有站臺(tái)門設(shè)計(jì)情況來(lái)看，他們主要通過簡(jiǎn)化站臺(tái)門結(jié)構(gòu)來(lái)提升對(duì)車型的兼容性，但該方式降低了服務(wù)水平，不能實(shí)現(xiàn)候車區(qū)域軌行區(qū)的有效隔斷，無(wú)法阻擋高速過站風(fēng)壓，存在較大的安全隱患，不能滿足我國(guó)市域鐵路的發(fā)展需求。

1.3 中國(guó)適應(yīng)多車型站臺(tái)門

(1)退后站臺(tái)邊緣設(shè)置。我國(guó)城際鐵路一般都要求設(shè)置站臺(tái)門系統(tǒng)，為了兼容多種車型停靠，國(guó)內(nèi)城際鐵路站臺(tái)門通常設(shè)置在站臺(tái)邊緣退后一定距離處，如圖4所示。根據(jù)調(diào)研統(tǒng)計(jì)，現(xiàn)有的城際鐵路站臺(tái)門距離站臺(tái)邊緣的距離(退后距離)如表2所示。

圖4 站臺(tái)門退后設(shè)置Fig.4 Platform door back setting

表2 中國(guó)城際鐵路站臺(tái)門退后設(shè)置情況Tab.2 The setting of back disctance for platform doors in China’s intercity railway

(2)套疊滑動(dòng)門方案。在地下車站，站臺(tái)門系統(tǒng)設(shè)置在站臺(tái)邊緣退后一定距離處，會(huì)擴(kuò)大車站規(guī)模，占用地下城市空間，增加建設(shè)成本?；诖耍瑖?guó)內(nèi)研發(fā)了兼容多車型的套疊滑動(dòng)門系統(tǒng)，如圖5所示。該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了站臺(tái)門對(duì)幾種固定車型的兼容。

圖5 套疊滑動(dòng)門Fig.5 Folding sliding door

從國(guó)內(nèi)既有站臺(tái)門設(shè)計(jì)情況來(lái)看，退后站臺(tái)邊緣設(shè)置方案會(huì)增加投資成本，而套疊滑動(dòng)門方案只能滿足固定車型組合，具有一定的局限性。

2 列車高速過站時(shí)站臺(tái)門承受的風(fēng)壓分析

列車高速過站時(shí)，車站區(qū)間將產(chǎn)生極大的風(fēng)壓沖擊，地下車站尤為明顯，對(duì)站臺(tái)門門體的強(qiáng)度和可靠性提出了很高的要求。為了研究列車高速過站時(shí)可產(chǎn)生的最大風(fēng)壓，從而進(jìn)一步指導(dǎo)站臺(tái)門的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，需對(duì)列車過站工況進(jìn)行研究。

市域鐵路列車運(yùn)行時(shí)周圍誘導(dǎo)氣流的速度小于當(dāng)?shù)芈曀俚?0%，但在列車通過車站時(shí)，車站內(nèi)空氣受強(qiáng)烈擠壓，因此需考慮空氣的可壓縮性。采用基于可壓縮非定常的流動(dòng)模型進(jìn)行數(shù)值模擬[3]。根據(jù)流體的連續(xù)性特性，車站區(qū)間內(nèi)的氣流在高速活塞風(fēng)沖擊下滿足質(zhì)量守恒定律，建立方程如下：

式中，u、v、w分別為速度矢量U在t時(shí)刻沿笛卡兒坐標(biāo)系x、y、z三個(gè)坐標(biāo)方向的分量；ρ為流體密度。

基于動(dòng)量守恒定律，建立市域鐵路黏性、非定常、可壓縮流動(dòng)模式的動(dòng)量守恒方程[4](即N-S方程)如下：

式中，Su、Sv、Sw分別為氣流微元體上的體力；div(ρuU)為求ρuU散度的函數(shù)；gradu為求u梯度的函數(shù)；μ為空氣動(dòng)力黏度；p為壓力。

根據(jù)能量守恒定律，列車高速過站沖擊過程中，系統(tǒng)的總能量始終保持不變，建立能量守恒方程[5]如下：

式中，k為流體傳熱系數(shù)；cp為質(zhì)量定壓熱容；T為溫度；ST為熱源的熱流密度。

本文將列車高速?zèng)_擊過程中氣流流動(dòng)特性進(jìn)行簡(jiǎn)化，并通過有限體積法進(jìn)行求解[6]。建立的仿真模型如圖6所示。網(wǎng)格劃分結(jié)果如圖7所示。

圖6 列車表面網(wǎng)格模型Fig.6 Train surface mesh model

圖7 地下車站部分網(wǎng)格模型Fig.7 Partial grid model of underground station

在站臺(tái)門上設(shè)置4個(gè)風(fēng)壓測(cè)點(diǎn)，測(cè)點(diǎn)分別設(shè)置在兩道滑動(dòng)門和兩道應(yīng)急門的中心位置，如圖8所示。針對(duì)既有的站臺(tái)門設(shè)置情況，模型按照站臺(tái)門距離站臺(tái)邊緣距離d分別為1200，1000，800，600，400，200 mm考慮，分別對(duì)列車運(yùn)動(dòng)速度為120，140，160，180，200 km/h等過站速度工況進(jìn)行仿真計(jì)算，并監(jiān)測(cè)列車運(yùn)動(dòng)過程中站臺(tái)門的壓力變化情況。提取對(duì)應(yīng)最高過站速度，退后距離分別為600，800，1000，1200 mm情況下車輛進(jìn)口位置站臺(tái)門4個(gè)測(cè)點(diǎn)處的風(fēng)壓參數(shù)進(jìn)行分析，繪制列車過站風(fēng)壓隨進(jìn)站時(shí)間變化曲線，如圖9所示。

圖8 站臺(tái)門風(fēng)壓仿真測(cè)點(diǎn)Fig.8 Simulation measuring point of platform door wind pressure

(a) d為600 mm和800 mm時(shí)

(b) d為1000 mm和1200 mm圖9 站臺(tái)門承受的風(fēng)壓隨時(shí)間變化曲線Fig.9 The wind pressure on the platform door changes with time

圖9a中四條實(shí)線為距離站臺(tái)邊緣600 mm處，站臺(tái)門4個(gè)測(cè)點(diǎn)風(fēng)壓變化曲線；四條虛線為距離站臺(tái)邊緣800 mm處，站臺(tái)門4個(gè)測(cè)點(diǎn)風(fēng)壓變化曲線；圖9b中四條實(shí)線為距離站臺(tái)邊緣1200 mm處，站臺(tái)門4個(gè)測(cè)點(diǎn)風(fēng)壓變化曲線；四條虛線為距離站臺(tái)邊緣1000 mm處，站臺(tái)門4個(gè)測(cè)點(diǎn)風(fēng)壓變化曲線。站臺(tái)門所受最大風(fēng)壓按照對(duì)應(yīng)4個(gè)測(cè)點(diǎn)中的最大風(fēng)壓值計(jì)列。

由圖9可以看出，當(dāng)列車駛?cè)胲囌緟^(qū)間后，在0～0.5 s時(shí)間內(nèi)，將產(chǎn)生一個(gè)極大的壓力沖擊波。針對(duì)站臺(tái)不同位置風(fēng)壓大小也存在較大差異，具體參數(shù)如表3所示。

表3 列車通過車站時(shí)站臺(tái)門所受最大壓力統(tǒng)計(jì)表Tab.3 Maximum pressure of train passing through platform door of station

為了驗(yàn)證分析結(jié)果和分析方法的可靠性，對(duì)結(jié)果進(jìn)行了樣機(jī)試驗(yàn)。利用夜間天窗時(shí)間，在距離站臺(tái)邊緣200 mm處安裝固定一組站臺(tái)門風(fēng)壓測(cè)試樣機(jī)，并在站臺(tái)側(cè)布置位移傳感器，在軌道側(cè)與位移傳感器對(duì)應(yīng)的位置布置風(fēng)壓傳感器，測(cè)試在列車通過車站時(shí)站臺(tái)門面上的風(fēng)壓。測(cè)試布點(diǎn)如圖10所示。

(a) 測(cè)點(diǎn)布置

(b) 測(cè)試現(xiàn)場(chǎng)圖10 站臺(tái)門測(cè)量監(jiān)測(cè)點(diǎn)Fig.10 Platform door measurement and monitoring point

對(duì)列車不同過站速度進(jìn)行多次試驗(yàn)，并將多次測(cè)試結(jié)果最大值的平均值作為對(duì)應(yīng)過站速度下的風(fēng)壓值，匯總?cè)绫?所示。由表4可知，試驗(yàn)風(fēng)壓大小與仿真風(fēng)壓大小差別較小，當(dāng)列車過站速度超過180 km/h時(shí)，站臺(tái)門承受的風(fēng)壓沖擊急劇增大，當(dāng)過站速度達(dá)到200 km/h時(shí)，最大風(fēng)壓沖擊可達(dá)2314 Pa。

表4 站臺(tái)門風(fēng)壓測(cè)試結(jié)果Tab.4 Test results of platform door air pressure

3 市域鐵路站臺(tái)門系統(tǒng)

以上海市域鐵路機(jī)場(chǎng)聯(lián)絡(luò)線示范工程為例，線路運(yùn)營(yíng)初、近、遠(yuǎn)期存在4輛、8輛編組市域動(dòng)車組以及8輛、16輛編組多車型國(guó)鐵動(dòng)車組混跑情況，站臺(tái)門系統(tǒng)按照滿足200 km/h高速風(fēng)壓沖擊的強(qiáng)度進(jìn)行設(shè)計(jì)。列車活塞風(fēng)壓設(shè)計(jì)最大值取2314 Pa，門體的最大彈性變形量小于等于20 mm。

3.1 升降式站臺(tái)門設(shè)計(jì)方案

我國(guó)高鐵動(dòng)車組包括CRH1系列、CRH2系列、CRH3系列、CRH5系列、CRH6型城際動(dòng)車組、CRH380系列、動(dòng)感號(hào)動(dòng)車組以及CR200/300/400系列的復(fù)興號(hào)動(dòng)車組，不同車型車門位置相互交錯(cuò)。

通過對(duì)列車門位置進(jìn)行分析可知，按照傳統(tǒng)的地鐵站臺(tái)門方案布置，存在滑動(dòng)門與固定門干涉、滑動(dòng)門與列車門無(wú)法對(duì)齊等問題?；诖?，結(jié)合國(guó)內(nèi)外現(xiàn)有技術(shù)，本文提出了一種適應(yīng)多車型的升降式站臺(tái)門設(shè)計(jì)方案，并完成了樣機(jī)試驗(yàn)。升降式站臺(tái)門由垂直方向兩道大寬度門體組成，開啟時(shí)門體在上方套疊，占用空間小，如圖11所示。

圖11 升降式站臺(tái)門系統(tǒng)方案Fig.11 Lifting platform door system scheme

升降式站臺(tái)門系統(tǒng)門體開度大、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、車型兼容性強(qiáng)，有效滿足了我國(guó)市域鐵路與其他軌道交通互聯(lián)互通的需求。

3.2 站臺(tái)門結(jié)構(gòu)分析

根據(jù)本工程實(shí)際工況要求，對(duì)站臺(tái)門系統(tǒng)進(jìn)行了詳細(xì)設(shè)計(jì)，并結(jié)合運(yùn)行工況特點(diǎn)對(duì)其進(jìn)行了受力分析。通過分析，站臺(tái)門門體主要承受三種外力沖擊：風(fēng)壓載荷、乘客擠壓力和沖擊力，受力大小如表5所示。

表5 站臺(tái)門承受的沖擊力Tab.5 Impact force of platform door

根據(jù)站臺(tái)門受力情況，建立有限元模型，并進(jìn)行有限元仿真分析，結(jié)果如圖12所示。從圖12中可以看出，本文設(shè)計(jì)的站臺(tái)門系統(tǒng)最大位移為17.03 mm，滿足彈性變形量小于等于20 mm要求，表明設(shè)計(jì)完成的市域鐵路站臺(tái)門系統(tǒng)結(jié)構(gòu)可靠，能夠滿足列車高速過站風(fēng)壓沖擊要求。

(a) 網(wǎng)格劃分

(b) 仿真分析圖12 站臺(tái)門門體結(jié)構(gòu)有限元仿真分析Fig.12 Finite element simulation analysis of platform door structure

3.3 站臺(tái)門多媒體智能候車引導(dǎo)技術(shù)

市域鐵路存在多編組、多車型混跑情況，站臺(tái)候車區(qū)最長(zhǎng)可達(dá)450 m，采用地標(biāo)指引候車，存在不直觀、不方便、不智能等問題，不滿足市域鐵路大客流、快速換乘、公交化運(yùn)營(yíng)需求?；诖耍疚奶岢隽硕嗝襟w智能候車引導(dǎo)技術(shù)，在站臺(tái)門上嵌入智能多媒體系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)乘客候車的智能引導(dǎo)。通過獲取來(lái)自列車調(diào)度指揮系統(tǒng)和運(yùn)輸調(diào)度管理系統(tǒng)的列車信息(包括運(yùn)行圖、時(shí)刻表、調(diào)度，命令等)，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行篩選整合并傳輸給信息接口服務(wù)器，再由信息系統(tǒng)將指定顯示的信息輸送至站臺(tái)門控制室的PC機(jī)終端，最終在站臺(tái)門上顯示。站臺(tái)門應(yīng)用多媒體智能候車引導(dǎo)技術(shù)可提前獲知當(dāng)前到達(dá)車型、門開關(guān)位置、列車開往方向、當(dāng)前車廂位置、到達(dá)時(shí)間、車廂擁擠度等基本信息。乘客候車時(shí)，根據(jù)提示信息，提前到達(dá)并合理選擇候車位置，實(shí)現(xiàn)智慧化乘車，可提高乘降效率，乘車體驗(yàn)更優(yōu)。

3.4 站臺(tái)門智慧運(yùn)維技術(shù)

站臺(tái)門是乘客候車安全的屏障，同時(shí)也是乘客乘降的通道，門體故障會(huì)對(duì)運(yùn)營(yíng)產(chǎn)生直接的沖擊。目前，站臺(tái)門系統(tǒng)的養(yǎng)護(hù)維修模式主要采用故障修和周期修相結(jié)合的方法，進(jìn)行定期維保和故障應(yīng)急維修，容易造成設(shè)備的“欠修”或“過修”。

站臺(tái)門系統(tǒng)主要包括機(jī)械部分和控制部分，其常見的故障有：門體無(wú)法打開、電磁鎖故障、絕緣失效、滑輪磨損、邏輯控制單元(PEDC)繼電器故障、門控單元(DCU)電路板故障和電磁干擾等。具體物理特征表現(xiàn)為：振動(dòng)加劇、噪聲增加、發(fā)熱升溫、受力變大等?；诖耍疚囊蕴岣咴O(shè)備使用壽命為目標(biāo)，提出了立足大數(shù)據(jù)、信息化、智慧化的運(yùn)維技術(shù)及理念，通過對(duì)站臺(tái)門傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的振動(dòng)和噪聲、控制回路的電阻及電流、PEDC和DCU等核心控制部件的溫度等狀態(tài)，進(jìn)行基于“聲-熱-力-速”的多傳感器融合監(jiān)測(cè)(圖13)，實(shí)時(shí)獲取設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)，集中站臺(tái)門系統(tǒng)長(zhǎng)期運(yùn)行的狀態(tài)信息和故障數(shù)據(jù)，構(gòu)建設(shè)備故障狀態(tài)數(shù)據(jù)庫(kù)和知識(shí)庫(kù)，通過機(jī)器學(xué)習(xí)和自進(jìn)化算法，研究設(shè)備狀態(tài)曲線的閾值，分析設(shè)備狀態(tài)曲線的發(fā)展趨勢(shì)，并實(shí)現(xiàn)設(shè)備服役狀態(tài)的預(yù)測(cè)和故障特征發(fā)展趨勢(shì)的預(yù)判。

圖13 站臺(tái)門狀態(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)Fig.13 Real time monitoring of platform door status

應(yīng)用智慧運(yùn)維技術(shù)，可以準(zhǔn)確、及時(shí)地對(duì)站臺(tái)門故障進(jìn)行預(yù)判，在故障發(fā)生之前對(duì)異常零部件進(jìn)行精準(zhǔn)維修或更換，提高設(shè)備的可靠性、可用性和使用壽命。

4 結(jié)語(yǔ)

本文從國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀出發(fā)，立足我國(guó)市域鐵路發(fā)展趨勢(shì)，探討了市域鐵路智慧站臺(tái)門技術(shù)，為解決多車型兼容、高速列車過站風(fēng)壓等難題提供了合理的技術(shù)方案。本文提出的升降式站臺(tái)門技術(shù)有效提高了車型的適應(yīng)能力，研究的智能候車引導(dǎo)技術(shù)優(yōu)化了乘降效率、乘車體驗(yàn)，研發(fā)的智慧運(yùn)維技術(shù)提高了設(shè)備的可靠性、可用性和使用壽命。通過整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，站臺(tái)門系統(tǒng)可滿足200km/h列車高速過站活塞風(fēng)沖擊,為市域鐵路的安全運(yùn)營(yíng)和乘客的便捷候車提供了安全保障。