城市軌道交通站臺(tái)門和列車門間隙安全探測系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

趙新贏，袁景，李福川，楊培盛，熊東平，張繼偉

（1.濟(jì)南軌道交通集團(tuán)建設(shè)投資有限公司，濟(jì)南250102；2.深圳市方大智創(chuàng)科技有限公司，廣東 深圳518000；3.北京競業(yè)達(dá)數(shù)碼科技股份有限公司，北京100089）

1 引言

地鐵站臺(tái)門和列車門之間的間隙探測是站臺(tái)門系統(tǒng)的探測重點(diǎn)。目前，在我國大部分地鐵中使用激光對(duì)射與車尾設(shè)置瞭望燈帶的方法對(duì)此間隙進(jìn)行探測。但是，在大曲線站臺(tái)中，此方法無法實(shí)施，而且激光對(duì)射探測裝置與瞭望燈帶安裝位置會(huì)受到車輛限界的限制，激光探測范圍比較小，誤報(bào)率比較高，容易對(duì)行車組織造成影響。以此，本文設(shè)計(jì)了智能間隙探測系統(tǒng)。

2 地鐵站臺(tái)門和車門夾人事件的發(fā)生情況

2.1 地鐵間隙的危害

地鐵系統(tǒng)以其運(yùn)量大、準(zhǔn)點(diǎn)率高、全天候等特點(diǎn)，給廣大乘客的出行提供了便利，逐漸成為城市公共交通的骨干，每天承載著上千萬人次的客流量，因此，對(duì)行車安全也提出了較高的要求。車站站臺(tái)門系統(tǒng)作為現(xiàn)代化軌道交通工程的重要設(shè)施，設(shè)置在站臺(tái)邊緣，將列車與車站站臺(tái)候車區(qū)隔離，用作防止乘客有意或無意進(jìn)入軌行區(qū)而發(fā)生危險(xiǎn)的安全保障設(shè)施。

由于站臺(tái)門和列車車體之間存在一定的間隙，各地地鐵列車車門與站臺(tái)安全門夾人事件時(shí)有發(fā)生，部分事件甚至造成乘客生命財(cái)產(chǎn)損失。根據(jù)GB 10000—1988《中國成年人人體尺寸》，成年人人體厚度最大處約160 mm，對(duì)于瘦小的成年人或未成年人，尤其是客流擁擠的情況下，存在安全間隙夾人的可能。若將乘客夾擠在列車和站臺(tái)門之間，列車啟動(dòng)后會(huì)發(fā)生人身傷亡事故。

根據(jù)調(diào)查研究及公開報(bào)道顯示，各地地鐵列車車門與站臺(tái)安全門夾人事件時(shí)有發(fā)生，嚴(yán)重時(shí)會(huì)造成乘客生命財(cái)產(chǎn)損失。2007 年7 月15 日，上海地鐵某男子被夾在車門與屏蔽門之間，列車啟動(dòng)后，乘客被擠壓墜落隧道身亡；2014 年11 月6 日19 時(shí)左右，北京地鐵5 號(hào)線惠新西街南口站一名女子被夾在安全門和地鐵門中間，導(dǎo)致悲劇發(fā)生。

交通運(yùn)輸部2019 年8 月2 日發(fā)布的《城市軌道交通主要運(yùn)營險(xiǎn)性事件清單》指出，“夾人夾物動(dòng)車造成客傷”屬于對(duì)城市軌道交通運(yùn)營安全和服務(wù)造成較大影響的事件。

2.2 地鐵間隙的解決對(duì)策

為了防止乘客或容易造成安全影響的隨身物品因故（如擁擠、搶上搶下等）滯留在安全間隙造成安全事故，目前，各地采用了防夾擋板、傾斜護(hù)板、瞭望燈帶、對(duì)射探測等措施，但是，存在較多誤報(bào)、漏報(bào)缺陷。由于站臺(tái)門和列車車體之間存在一定的間隙，傳統(tǒng)防夾裝置存在較大的盲區(qū)，特別是在曲線站臺(tái)，列車車門與站臺(tái)門夾人夾物事件時(shí)有發(fā)生，部分事件甚至造成了乘客人身傷亡事故。為了進(jìn)一步減少甚至避免安全間隙“夾人夾物動(dòng)車”造成的人員傷亡和財(cái)產(chǎn)損失，加強(qiáng)地鐵安全運(yùn)營十分必要。

目前，對(duì)滯留在安全間隙內(nèi)的乘客或物體缺乏有效的檢測手段，傳統(tǒng)方案或因誤報(bào)率較高導(dǎo)致一些探測設(shè)備被旁路棄用，或因誤報(bào)率過高影響了行車效率，并且無法適用于曲線站臺(tái)，而高精度的激光雷達(dá)探測裝置能基本解決這些問題[1]。

3 軌道交通間隙探測需求

3.1 軌道交通間隙探測現(xiàn)狀

目前，車站站臺(tái)門與列車車門間隙的防護(hù)與探測裝置主要為紅外對(duì)射探測裝置和激光對(duì)射探測裝置。2 種電氣探測裝置利用的是光的直線傳播原理，裝置設(shè)置光線發(fā)射端和接收端，通過光線是否被障礙物遮擋來判斷間隙中是否存在障礙物，當(dāng)激光或紅外光被障礙物遮擋后，探測系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)報(bào)警。

但是，目前的對(duì)射探測技術(shù)存在以下問題：

1）激光（紅外光）對(duì)射探測裝置安裝于站臺(tái)門與車門間隙內(nèi)，采用獨(dú)立支架安裝，受限界條件影響大，存在行車和運(yùn)營安全隱患。

2）由于激光（紅外光）對(duì)射探測裝置的探測介質(zhì)為線束，存在盲區(qū)，漏報(bào)率高；

3）光線遮擋報(bào)警無法屏蔽飛蟲干擾、無法區(qū)分軌道蒙塵與障礙物，誤報(bào)率高。

3.2 間隙探測系統(tǒng)設(shè)計(jì)思路

針對(duì)目前激光（紅外）對(duì)射探測問題，本項(xiàng)目采用激光雷達(dá)作為探測裝置進(jìn)行間隙探測系統(tǒng)設(shè)計(jì)：

1）激光雷達(dá)基于ToF 光線飛行時(shí)間測量技術(shù)，發(fā)射端和接收端一體，安裝不侵入限界，降低對(duì)行車和運(yùn)營安全隱患；

2）激光雷達(dá)可以進(jìn)行扇面掃描，實(shí)現(xiàn)整側(cè)站臺(tái)滑動(dòng)門、固定門/應(yīng)急門安全間隙全覆蓋，無盲區(qū)，降低漏報(bào)率；

3）激光雷達(dá)通過算法屏蔽飛蟲干擾、區(qū)分軌道蒙塵與障礙物報(bào)警，降低誤報(bào)率。

4 間隙探測系統(tǒng)設(shè)計(jì)研究

4.1 設(shè)計(jì)關(guān)鍵點(diǎn)

根據(jù)“感、傳、支、用”（感知層、傳輸層、支撐層、應(yīng)用層）4 層體系對(duì)間隙探測系統(tǒng)進(jìn)行劃分，各層均由不同的軟硬件技術(shù)支撐，同時(shí)，4 層又緊密結(jié)合成為一個(gè)完整的系統(tǒng)。

4.2 間隙探測系統(tǒng)設(shè)計(jì)

4.2.1 架構(gòu)設(shè)計(jì)

1）感知層：感知層是整個(gè)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)來源，由激光雷達(dá)探測設(shè)備安裝在每個(gè)站臺(tái)門側(cè)面，采用LiDAR 激光掃描系統(tǒng)、可以進(jìn)行邊緣計(jì)算和自學(xué)習(xí)。

2）傳輸層：傳輸層實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)的上通下達(dá)，通過高速現(xiàn)場總線使激光探測數(shù)據(jù)采集后能及時(shí)進(jìn)行分析，供應(yīng)用層使用。本項(xiàng)目主要通過CAN-bus 總線進(jìn)行激光探測器至控制主機(jī)的數(shù)據(jù)傳輸。

3）支撐層：在傳感器數(shù)據(jù)的支持下，控制主機(jī)將對(duì)探測器節(jié)點(diǎn)進(jìn)行控制，對(duì)探測數(shù)據(jù)進(jìn)行管理，對(duì)系統(tǒng)數(shù)據(jù)進(jìn)行自檢。為上層應(yīng)用提供信息目錄、信息交換等數(shù)據(jù)服務(wù)。

4）應(yīng)用層：可為站臺(tái)發(fā)車端提供顯示支持，可進(jìn)行探測狀態(tài)顯示、故障狀態(tài)顯示等功能，可與站臺(tái)門建立啟動(dòng)→探測→反饋的連鎖關(guān)系。

4.2.2 功能設(shè)計(jì)

1）防區(qū)內(nèi)報(bào)警物檢測

系統(tǒng)可對(duì)站臺(tái)門與列車之間的安全間隙夾人夾物情況進(jìn)行探測；在雷達(dá)布防區(qū)域內(nèi)任意位置，可檢測出直徑不小于20 mm 障礙物。

2）遮擋報(bào)警

當(dāng)雷達(dá)鏡面被異物（非探測物）近距離遮擋時(shí)，可輸出遮擋報(bào)警信息，提示維護(hù)人員對(duì)探測器遮擋物進(jìn)行排除。

3）污染報(bào)警功能

間隙探測裝置支持蒙塵檢測，對(duì)雷達(dá)鏡面污染可進(jìn)行報(bào)警提示，便于提前清理維護(hù)。

鏡面構(gòu)成污染后顯示污染報(bào)警，而非報(bào)警物報(bào)警；污染報(bào)警后不影響探測功能，仍顯示報(bào)警物報(bào)警。

在鏡頭污染或異物積累超出定位公差的情況下，間隙探測系統(tǒng)能發(fā)出維護(hù)警報(bào)信號(hào)，不因此輸出障礙物檢測誤報(bào)警。維護(hù)周期在半年以上。

4）環(huán)境記憶功能

間隙探測裝置具備環(huán)境防區(qū)記憶功能，避免背景環(huán)境對(duì)系統(tǒng)的影響而產(chǎn)品誤報(bào)。

5）報(bào)警門定位功能

間隙探測裝置探測到障礙物后報(bào)警界面可準(zhǔn)確顯示所報(bào)警門的編組號(hào)。

6）多門并發(fā)功能

多門間隙同時(shí)檢測到障礙物時(shí)，可實(shí)現(xiàn)多門同時(shí)報(bào)警，同時(shí)，準(zhǔn)確顯示所有報(bào)警門的編組號(hào)，不漏報(bào)。

7）故障檢測功能

間隙探測系統(tǒng)具備開機(jī)自檢測功能和故障自診斷功能。

8）數(shù)據(jù)存儲(chǔ)及查詢功能

間隙探測系統(tǒng)可以把運(yùn)行狀態(tài)及報(bào)警信號(hào)進(jìn)行存儲(chǔ)，支持任意組合查詢。控制主機(jī)存儲(chǔ)報(bào)警信息超出容量后采用先進(jìn)先出的隊(duì)列形式覆蓋。

9）隔離/旁路功能

系統(tǒng)具備單個(gè)或多個(gè)間隙探測裝置故障隔離功能；系統(tǒng)具備整體旁路功能。

10）站臺(tái)門系統(tǒng)聯(lián)動(dòng)功能

間隙探測系統(tǒng)與站臺(tái)門系統(tǒng)通過安全繼電器回路連鎖，接收站臺(tái)門系統(tǒng)的啟動(dòng)控制及探測信息反饋：控制主機(jī)能接收站臺(tái)門系統(tǒng)提供的“啟動(dòng)探測”命令；并能向站臺(tái)門系統(tǒng)反饋障礙物探測信息。

5 站臺(tái)門和列車門間隙安全探測系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

5.1 系統(tǒng)的設(shè)計(jì)需求

5.1.1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)的技術(shù)分析

1）應(yīng)用邊緣計(jì)算技術(shù)，自主設(shè)計(jì)激光雷達(dá)前端嵌入式邊緣計(jì)算模塊，通過前端穩(wěn)定算法，可不依靠后端控制器獨(dú)立完成防區(qū)學(xué)習(xí)及去背景干擾功能，同時(shí)可直接對(duì)站臺(tái)門與車門中間間隙內(nèi)夾人夾物情況進(jìn)行判斷。

2）應(yīng)用近場通信技術(shù)，間隙探測雷達(dá)支持就地與手持平板近場通信，支持使用App 進(jìn)行參數(shù)設(shè)置，探測圖形在手持平板上直觀可視。

3）應(yīng)用PHM①PHM： 故障預(yù)測與健康管理（Prognostics Health Management），為了滿足自主保障、自主診斷的要求提出來的，是基于狀態(tài)的維修，即視情維修（Condition Based Maintenance，CBM）的升級(jí)發(fā)展。它強(qiáng)調(diào)資產(chǎn)設(shè)備管理中的狀態(tài)感知，監(jiān)控設(shè)備健康狀況、故障頻發(fā)區(qū)域與周期，通過數(shù)據(jù)監(jiān)控與分析，預(yù)測故障的發(fā)生，從而大幅度提高運(yùn)維效率。技術(shù)，間隙探測雷達(dá)內(nèi)部設(shè)置姿態(tài)傳感器、溫度傳感器，通過內(nèi)建安全策略、系統(tǒng)實(shí)時(shí)自動(dòng)檢測功能，形成復(fù)合高安全性的整體工業(yè)設(shè)計(jì)。

5.1.2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)的效果分析

利用激光探測器對(duì)車門與站臺(tái)門間隙內(nèi)某平面進(jìn)行掃描，首先學(xué)習(xí)基礎(chǔ)邊界并形成防區(qū)。當(dāng)防區(qū)內(nèi)有異物存在時(shí)，激光束的往返時(shí)間將發(fā)生改變，從而可以檢測并定位異物。探測器獲取的數(shù)據(jù)在前端邊緣計(jì)算進(jìn)行處理，節(jié)省后端算力，前端采用嵌入式處理模塊，由模塊判斷防區(qū)內(nèi)是否存在異物。前端雷達(dá)通過冗余的CAN 總線將判斷結(jié)果和設(shè)備狀態(tài)等數(shù)據(jù)傳輸至機(jī)房控制主機(jī)，主機(jī)控制顯示器進(jìn)行結(jié)果呈現(xiàn)和設(shè)備狀態(tài)展示，并且控制繼電器組與站臺(tái)門系統(tǒng)通過安全回路聯(lián)動(dòng)。智能探測識(shí)別列車車門和站臺(tái)門間隙內(nèi)的障礙物，提升了全自動(dòng)運(yùn)行線路的運(yùn)營可靠性[2]。

目前，智能間隙探測系統(tǒng)已經(jīng)在濟(jì)南地鐵2 號(hào)線順利實(shí)施，大眾網(wǎng)海報(bào)新聞?dòng)浾弋厔俚仍跐?jì)南報(bào)道中稱：“12 月29日，隨著濟(jì)南軌道交通2 號(hào)線通車試運(yùn)行，八澗堡站這座濟(jì)南首個(gè)智慧車站也展現(xiàn)在人們眼前。記者了解到，八澗堡站作為濟(jì)南智慧地鐵的示范站，采取邊緣計(jì)算、物聯(lián)網(wǎng)、人工智能、大數(shù)據(jù)等智慧元素，除了延續(xù)提升地鐵1 號(hào)和地鐵3 號(hào)線的人臉識(shí)別，還將呈現(xiàn)出一系列具備科技感的場景。如在站臺(tái)門上方的高清屏實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)顯示候車時(shí)間、車廂擁擠度、公共媒體等信息，指導(dǎo)乘客選擇合適車廂，提升乘客出行體驗(yàn)；借助激光雷達(dá)和邊緣計(jì)算技術(shù)，提升站臺(tái)門和列車門之間的間隙安全防護(hù)能力，實(shí)現(xiàn)間隙夾人夾物檢測，保證行車及乘客安全；智慧安防實(shí)現(xiàn)安檢、CCTV、門禁、室內(nèi)入侵等系統(tǒng)數(shù)據(jù)的全息感知、全景管控、智能分析、應(yīng)急聯(lián)動(dòng)等功能進(jìn)化，從而提升車站安全、高效、精準(zhǔn)、便捷、可靠的智慧能力”。

現(xiàn)場的實(shí)施效果較為靈活、良好，和綜合監(jiān)控、站臺(tái)門、車輛、信號(hào)等核心關(guān)鍵系統(tǒng)的信息交互較為順暢，有效保證行車和乘客的安全[3]，如圖1、圖2 所示。

圖1 現(xiàn)場正在運(yùn)營的實(shí)景照片

圖2 間隙探測終端的照片

5.2 系統(tǒng)的應(yīng)用價(jià)值

智能間隙探測系統(tǒng)采用光學(xué)雷達(dá)掃描方案，可以有效檢測滯留在安全間隙內(nèi)的乘客或物體，采取司機(jī)關(guān)門信息監(jiān)視屏和與信號(hào)系統(tǒng)聯(lián)動(dòng)等手段，預(yù)防意外事故的發(fā)生，同時(shí)，避免誤報(bào)對(duì)行車效率的影響。

另外，該系統(tǒng)大大減少了因夾人夾物造成的列車延誤帶來的經(jīng)濟(jì)損失，可以輔助全自動(dòng)駕駛列車安全運(yùn)行，提高地鐵運(yùn)營安全效率及自動(dòng)化、智能化水平，適應(yīng)列車全自動(dòng)駕駛趨勢，提供更安全的保障措施。形成適用于軌道交通間隙探測標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，最終提高乘客乘車安全性，推動(dòng)軌道交通發(fā)展。

在全自動(dòng)運(yùn)行的線路，體現(xiàn)的價(jià)值更大，突出更安全、更高效等有益成果。

6 結(jié)語

目前，我國地鐵普遍使用的探測方案會(huì)受到限界限制，探測范圍比較小，盲區(qū)比較大。本文設(shè)計(jì)的智能間隙探測系統(tǒng)能夠?qū)? 個(gè)門之間的任何位置進(jìn)行探測，利用圖像二次確認(rèn)，使可靠性得到提高，從而能夠解決傳統(tǒng)站臺(tái)安全問題，并且提高地鐵運(yùn)行效率和安全性，促進(jìn)軌道交通安全的發(fā)展。