陳 卓 張世勇 李曉寧

(1.北京市軌道交通建設(shè)管理有限公司，100068，北京;2.城市軌道交通全自動(dòng)運(yùn)行系統(tǒng)與安全監(jiān)控北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，100068，北京//第一作者，高級(jí)工程師)

我國(guó)城市軌道交通的全自動(dòng)運(yùn)行線路越來(lái)越多，采用全自動(dòng)運(yùn)行系統(tǒng)的列車未來(lái)將不配置司機(jī)，車站站臺(tái)門與列車車門之間的縫隙內(nèi)是否有障礙物，將會(huì)極大地影響到全自動(dòng)運(yùn)行線路的行車組織和安全運(yùn)營(yíng)。本文介紹一種新型的、能夠滿足全自動(dòng)運(yùn)行線路需求的激光雷達(dá)智能間隙障礙物探測(cè)系統(tǒng)。

1 城市軌道交通車站既有間隙防護(hù)與探測(cè)技術(shù)

目前，車站站臺(tái)門與列車車門間隙防護(hù)與探測(cè)裝置主要有物理防護(hù)裝置和電氣探測(cè)裝置兩類。物理防護(hù)裝置包括站臺(tái)門滑動(dòng)門軌道側(cè)傾斜防護(hù)斜擋板和防護(hù)橫撐、防夾擋板、防踏空裝置、車尾燈帶(輔助司機(jī)瞭望)；電氣探測(cè)裝置主要為紅外探測(cè)裝置和激光探測(cè)裝置。電氣探測(cè)裝置利用的是光的直線傳播原理，設(shè)置發(fā)射端和接收端，通過(guò)光線是否被障礙物遮擋來(lái)判斷是否存在障礙物。

1)防夾擋板。安裝位置位于滑動(dòng)門軌道側(cè)，固定在豎向門框底部。在滑動(dòng)門關(guān)門過(guò)程中遇到障礙物時(shí)可阻止門體的關(guān)閉。具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、安裝方便、造價(jià)低的特點(diǎn)?；瑒?dòng)門關(guān)閉后，防夾擋板將失去防護(hù)功能。目前國(guó)內(nèi)城市軌道交通車站站臺(tái)門均配置了防夾擋板，應(yīng)用較為廣泛。

2)防護(hù)橫撐。安裝于滑動(dòng)門軌道側(cè)，固定在豎向門框之間，主要用于縮小滑動(dòng)門門框與滑動(dòng)門上的玻璃之間約50 mm的間隙。具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、安裝方便、造價(jià)低的特點(diǎn)。但是其無(wú)法防護(hù)滑動(dòng)門門框外緣與車輛限界的間隙，會(huì)在一定程度上影響站臺(tái)門的通透性。由于加裝防護(hù)橫撐會(huì)影響門體的美觀性，目前僅試點(diǎn)安裝。

3)防踏空裝置。安裝在滑動(dòng)門門檻的側(cè)面?？s小站臺(tái)板與車體的間隙，防止乘客在上下車的過(guò)程中掉入到列車和站臺(tái)門門檻之間的縫隙。具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、安裝方便、造價(jià)低的特點(diǎn)。防護(hù)范圍小，僅能防護(hù)站臺(tái)板與車體部位的間隙。目前國(guó)內(nèi)城市軌道交通車站站臺(tái)門位置均配置了防踏空裝置，應(yīng)用較為廣泛。

4)車尾燈帶。安裝于車站進(jìn)站端、站臺(tái)門端門外，采用獨(dú)立支架安裝或安裝于站臺(tái)門立柱側(cè)面。站臺(tái)門與車門關(guān)閉后，列車發(fā)車前，由司機(jī)通過(guò)車尾燈帶瞭望車門與站臺(tái)門間隙。結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、安裝方便、造價(jià)低。距離較長(zhǎng)時(shí)，車尾燈帶的效果降低。在曲線車站及司機(jī)室無(wú)司機(jī)時(shí)，車尾燈帶失去其防護(hù)功能。目前國(guó)內(nèi)城市軌道交通新線均配置了車尾燈帶，應(yīng)用較為廣泛。

5)激光(紅外)對(duì)射探測(cè)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。當(dāng)激光或紅外光被障礙物遮擋后，探測(cè)系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)報(bào)警。安全性較高，適應(yīng)曲線車站、全自動(dòng)運(yùn)行線路有人和無(wú)人值乘的工況。其缺點(diǎn)是：存在一定的誤報(bào)率；由于探測(cè)介質(zhì)為線束，存在盲區(qū)，存在安裝隱患；對(duì)行車和運(yùn)營(yíng)有一定影響；受限界條件影響大。

2 新型激光雷達(dá)智能間隙障礙物探測(cè)系統(tǒng)

2.1 必要性分析

中國(guó)城市軌道交通協(xié)會(huì)于2019年8月發(fā)布的《中國(guó)城市軌道交通全自動(dòng)運(yùn)行系統(tǒng)技術(shù)指南(試行)》中要求：在全自動(dòng)運(yùn)行條件下，宜設(shè)置站臺(tái)門與列車間隙探測(cè)裝置；間隙探測(cè)裝置的安裝位置應(yīng)滿足工程限界要求，不得侵入列車動(dòng)態(tài)包絡(luò)線，確保行車安全；間隙探測(cè)裝置應(yīng)與信號(hào)系統(tǒng)直接接口，接收信號(hào)系統(tǒng)提供的有效探測(cè)啟動(dòng)指令，并將障礙物探測(cè)結(jié)果信息納入信號(hào)控制作為發(fā)車條件。

根據(jù)規(guī)劃，北京地鐵新線將均采用全自動(dòng)運(yùn)行系統(tǒng)，將不再配置司機(jī)。物理防護(hù)措施本身的防護(hù)能力有限，僅能作為輔助措施，而傳統(tǒng)的電氣探測(cè)裝置存在技術(shù)局限性，激光(紅外)對(duì)射探測(cè)裝置存在盲區(qū)、易受干擾等問(wèn)題。因此，研發(fā)一種新型的、基于激光雷達(dá)的智能間隙障礙物探測(cè)系統(tǒng)，以滿足全自動(dòng)運(yùn)行技術(shù)條件下的障礙物探測(cè)要求是必要的。

2.2 可行性分析

為解決激光(紅外)對(duì)射間隙探測(cè)裝置存在的安裝位置易侵入列車動(dòng)態(tài)包絡(luò)線、有盲區(qū)、易受干擾等問(wèn)題，新型的間隙探測(cè)系統(tǒng)應(yīng)安裝于站臺(tái)門軌道側(cè)站臺(tái)上，或者站臺(tái)門頂部的安裝梁，以避開(kāi)列車的限界。對(duì)于盲區(qū)的問(wèn)題，新型的間隙探測(cè)系統(tǒng)對(duì)于障礙物探測(cè)應(yīng)從線到面提升到三維，全面無(wú)死角地探測(cè)列車車門和站臺(tái)門間隙的障礙物，目前激光雷達(dá)技術(shù)可以有效解決障礙物探測(cè)的盲區(qū)問(wèn)題。

2.2.1 激光雷達(dá)技術(shù)

雷達(dá)是一種利用電磁波探測(cè)目標(biāo)位置的電子設(shè)備。目前的雷達(dá)主要分為激光雷達(dá)與微波雷達(dá)。激光雷達(dá)與微波雷達(dá)相比具有角分辨率高、速度分辨率高、距離分辨率高、抗干擾能力強(qiáng)、隱蔽性好等優(yōu)點(diǎn)、激光不受無(wú)線電波干擾、適用于復(fù)雜電磁環(huán)境等特點(diǎn)，因此激光雷達(dá)可以適應(yīng)城市軌道交通復(fù)雜的電磁環(huán)境。

激光雷達(dá)的波長(zhǎng)短，可以在分子量級(jí)上對(duì)目標(biāo)進(jìn)行探測(cè)，可以滿足規(guī)范要求的對(duì)20 mm大小障礙物的探測(cè)。在功能相同的情況下，激光雷達(dá)比微波雷達(dá)體積小、質(zhì)量輕，占用安裝空間小，能滿足限界要求。

激光雷達(dá)是工作在光頻波段的雷達(dá)。與微波雷達(dá)的原理相似，利用光頻波段的電磁波先向目標(biāo)發(fā)射探測(cè)信號(hào)，然后將其接收到的同波信號(hào)與發(fā)射信號(hào)進(jìn)行比較，從而獲得目標(biāo)的位置(距離、方位和高度)、運(yùn)動(dòng)狀態(tài)(速度、姿態(tài))等信息，實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)的探測(cè)、跟蹤和識(shí)別。

激光雷達(dá)由發(fā)射、接收和后置信號(hào)處理三部分以及使此三部分協(xié)調(diào)工作的機(jī)構(gòu)組成。激光光速發(fā)散角小、能量集中，探測(cè)靈敏度和分辨率高。

激光雷達(dá)的空間掃描方法可分為非掃描成像體制和掃描成像體制。非掃描成像體制同掃描成像體制的單元探測(cè)有所不同，采用多元探測(cè)器，作用距離較遠(yuǎn)，能夠減小設(shè)備的體積和質(zhì)量。但在我國(guó)，多元傳感器尤其是面陣探測(cè)器很難獲得，因此國(guó)內(nèi)激光雷達(dá)多采用掃描成像體制。掃描成像體制的激光雷達(dá)是可以滿足間隙探測(cè)系統(tǒng)要求的。

激光雷達(dá)發(fā)射機(jī)主要有半導(dǎo)體激光器、半導(dǎo)體泵浦固體激光器和氣體激光器等。激光雷達(dá)的接收單元由接收光學(xué)系統(tǒng)、光電探測(cè)器和回波檢測(cè)處理電路等組成，其功能是完成信號(hào)能量匯聚、濾波、光電轉(zhuǎn)變、放大和檢測(cè)等功能。

2.2.2 激光雷達(dá)應(yīng)用的可行性

激光雷達(dá)技術(shù)主要應(yīng)用于空間掃描、測(cè)距等方面。激光雷達(dá)技術(shù)應(yīng)用于城市三維建筑模型，可以快速完成三維空間數(shù)據(jù)采集。在汽車及交通運(yùn)輸領(lǐng)域，激光雷達(dá)主要應(yīng)用于自動(dòng)泊車、ACC(自適應(yīng)巡航控制)、自動(dòng)剎車、無(wú)人駕駛、智能交通信號(hào)控制、交通事故勘查等方面。在城市軌道交通系統(tǒng)中，激光雷達(dá)主要應(yīng)用于安防系統(tǒng)，作為周界防護(hù)的一部分。

從激光雷達(dá)技術(shù)及其應(yīng)用現(xiàn)狀來(lái)看，研發(fā)基于激光雷達(dá)技術(shù)的、滿足城市軌道交通全自動(dòng)運(yùn)行線路需求的智能間隙探測(cè)系統(tǒng)是可行的。激光雷達(dá)智能間隙探測(cè)系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)列車車門和站臺(tái)門間隙探測(cè)由線到面、由面到三維的覆蓋，進(jìn)而提升對(duì)全自動(dòng)運(yùn)行線路列車車門和站臺(tái)門間隙探測(cè)的安全性、穩(wěn)定性和可靠性。

2.3 激光雷達(dá)技術(shù)間隙探測(cè)原理

基于激光雷達(dá)技術(shù)的智能間隙探測(cè)系統(tǒng)，利用激光雷達(dá)作為末端探測(cè)裝置，安裝于軌行區(qū)站臺(tái)門頂部或者底部，通過(guò)自帶應(yīng)用軟件可實(shí)現(xiàn)對(duì)探測(cè)到的障礙物信息進(jìn)行收集、分析、判斷并預(yù)警。

激光雷達(dá)智能間隙探測(cè)系統(tǒng)由激光雷達(dá)旋轉(zhuǎn)光學(xué)機(jī)構(gòu)將激光脈沖向掃描角度內(nèi)的各個(gè)方向掃描而形成二維掃描面，通過(guò)多層光幕，對(duì)列車車門和站臺(tái)門之間的障礙物進(jìn)行三維成像；計(jì)時(shí)器測(cè)定激光束從發(fā)射到接收的時(shí)間差，根據(jù)光的傳播速度，處理器會(huì)把延遲時(shí)間轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的距離，并記錄存儲(chǔ)激光回收數(shù)據(jù)；通過(guò)軟件模擬計(jì)算，并與邊界條件進(jìn)行對(duì)比分析，進(jìn)而確定遮擋物的大小及位置信息。

探測(cè)原理為：激光雷達(dá)探測(cè)器內(nèi)置馬達(dá)高速運(yùn)轉(zhuǎn)，將一定強(qiáng)度的激光，通過(guò)一定角度的光學(xué)機(jī)構(gòu)發(fā)射出如圖1所示的二維扇形光幕；通過(guò)多層光幕，照射到障礙物表面后發(fā)生漫反射；部分光會(huì)損失掉，另一部分光反射回激光探測(cè)器，使得物體進(jìn)行三維成像；當(dāng)反射回來(lái)的光達(dá)到一定設(shè)定閾值，就可以作為判斷依據(jù)；閥值由激光雷達(dá)探測(cè)器內(nèi)部模擬分析軟件算法進(jìn)行定義。

圖1 激光雷達(dá)光幕示意圖

2.4 城市軌道交通應(yīng)用環(huán)境的基本要求

激光雷達(dá)智能間隙探測(cè)系統(tǒng)，應(yīng)滿足城市軌道交通運(yùn)營(yíng)環(huán)境下(包括振動(dòng)環(huán)境、空氣環(huán)境、濕度、溫度環(huán)境等)的探測(cè)要求；應(yīng)設(shè)置獨(dú)立的監(jiān)控主機(jī)，能自行監(jiān)測(cè)其狀態(tài)信息和探測(cè)結(jié)果，具有人機(jī)交互的顯示屏，能實(shí)時(shí)查看系統(tǒng)狀態(tài)、報(bào)警記錄、設(shè)定參數(shù)，具備一定的存儲(chǔ)功能，其數(shù)據(jù)應(yīng)能進(jìn)行下載；應(yīng)能探測(cè)到光斑范圍檢測(cè)邊長(zhǎng)不小于20 mm的物體，且物體在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中遮擋住激光探測(cè)報(bào)警器時(shí)，系統(tǒng)也能輸出報(bào)警信息；設(shè)置在軌道側(cè)，最外邊緣到軌道中心線的距離應(yīng)滿足限界要求，不得侵入車輛限界影響列車運(yùn)行；應(yīng)能把一側(cè)站臺(tái)所有的探測(cè)信號(hào)總成為一個(gè)探測(cè)信號(hào)上傳到信號(hào)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)與信號(hào)系統(tǒng)的聯(lián)鎖；應(yīng)具有旁路功能，設(shè)置有旁路開(kāi)關(guān)以及獨(dú)立的聲光報(bào)警裝置；可以實(shí)現(xiàn)車站站臺(tái)就地監(jiān)測(cè)，探測(cè)結(jié)果信息也應(yīng)能上傳到信號(hào)系統(tǒng)/綜合監(jiān)控系統(tǒng)；設(shè)置應(yīng)滿足國(guó)家相關(guān)規(guī)范及法規(guī)要求；應(yīng)具有國(guó)家相關(guān)檢測(cè)部門出具的符合GA/T 1158—2014《激光對(duì)射入侵探測(cè)器技術(shù)要求》的檢測(cè)報(bào)告；需進(jìn)行安全完整性認(rèn)證，且不低于SIL2級(jí)。

2.5 全自動(dòng)運(yùn)行線路應(yīng)用的基本要求

1)探測(cè)區(qū)域。以列車的每個(gè)車門或者以每列列車為一個(gè)探測(cè)區(qū)域，站臺(tái)滑動(dòng)門旁邊的固定門區(qū)域也應(yīng)納入探測(cè)范圍。在站臺(tái)固定門位置若有障礙物，探測(cè)系統(tǒng)應(yīng)能精確定位該障礙物的位置，以方便車站工作人員應(yīng)急處理；某個(gè)位置的探測(cè)裝置出現(xiàn)故障時(shí)，可以單獨(dú)進(jìn)行旁路，不影響其他區(qū)域內(nèi)的探測(cè)裝置的使用。

2)探測(cè)精度。激光光幕是由一定數(shù)量呈扇形分布的激光射線組成，射線之間存在一定的夾角，同時(shí)激光射線自身也存在一定的發(fā)散角，因此，在探測(cè)區(qū)域的遠(yuǎn)端，激光射線形成光斑，光斑與光斑之間存在一定的間隙，此間隙的大小是影響激光雷達(dá)的探測(cè)精度的主要因素。此間隙的大小，可以在激光雷達(dá)硬件選型時(shí)予以定制。可參考激光(紅外)對(duì)射探測(cè)裝置的精度要求：應(yīng)能檢測(cè)邊長(zhǎng)不小于20 mm的物體，且物體在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中發(fā)生遮擋時(shí)，系統(tǒng)也能輸出報(bào)警信息。建議激光雷達(dá)智能間隙探測(cè)系統(tǒng)的精度與激光(紅外)對(duì)射探測(cè)裝置的精度保持一致。

3)安全防護(hù)等級(jí)。對(duì)于全自動(dòng)運(yùn)行線路，激光雷達(dá)智能間隙探測(cè)系統(tǒng)需獨(dú)立接入信號(hào)系統(tǒng)，參考《城市軌道交通全自動(dòng)運(yùn)行系統(tǒng)技術(shù)規(guī)范》及國(guó)內(nèi)類似工程對(duì)站臺(tái)門系統(tǒng)安全防護(hù)等級(jí)的要求，該系統(tǒng)需進(jìn)行安全完整性認(rèn)證，且安全等級(jí)不低于SIL2級(jí)，以提高系統(tǒng)的安全性。

2.6 激光雷達(dá)智能間隙探測(cè)系統(tǒng)技術(shù)方案

激光雷達(dá)智能間隙探測(cè)系統(tǒng)主要由激光雷達(dá)探測(cè)器、控制主機(jī)、就地控制器等組成，如圖2所示。

圖2 激光雷達(dá)智能間隙探測(cè)系統(tǒng)構(gòu)成示意圖

1)激光雷達(dá)探測(cè)器。負(fù)責(zé)執(zhí)行探測(cè)功能；自帶模擬計(jì)算軟件，可確定遮擋物的大小及位置信息；安裝在站臺(tái)門頂部，每道門設(shè)置一組激光雷達(dá)。

2)控制主機(jī)。設(shè)置在站臺(tái)門設(shè)備室，是激光雷達(dá)探測(cè)系統(tǒng)的控制中樞；負(fù)責(zé)控制雷達(dá)探測(cè)器的啟停、障礙物信息報(bào)警及上傳；負(fù)責(zé)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)及故障信息；提供系統(tǒng)與相關(guān)接口專業(yè)的接口位置。

3)就地控制器。位于車頭位置端門外或者站臺(tái)門系統(tǒng)PSL(就地控制盤)旁，具備障礙物信息的聲光報(bào)警提示、系統(tǒng)旁路操作等功能。

激光雷達(dá)智能間隙探測(cè)系統(tǒng)獨(dú)立成系統(tǒng)，信號(hào)系統(tǒng)在發(fā)送站臺(tái)門關(guān)門命令的同時(shí)發(fā)送“啟動(dòng)探測(cè)”命令給激光雷達(dá)智能間隙探測(cè)系統(tǒng)，激光雷達(dá)智能間隙探測(cè)系統(tǒng)收到信號(hào)系統(tǒng)的命令后啟動(dòng)工作。信號(hào)系統(tǒng)在發(fā)出“啟動(dòng)探測(cè)”命令后開(kāi)始計(jì)時(shí)5 s(可調(diào))；一旦檢測(cè)到激光雷達(dá)智能間隙探測(cè)系統(tǒng)反饋的“有障礙物信息”，重新啟動(dòng)計(jì)時(shí)；直到持續(xù)5 s(可調(diào))計(jì)時(shí)內(nèi)一直沒(méi)有檢測(cè)到障礙物且站臺(tái)門及車門關(guān)閉鎖緊后，允許發(fā)車。否則信號(hào)系統(tǒng)不允許發(fā)車，并通知人工處理。

激光雷達(dá)智能間隙探測(cè)系統(tǒng)至少具備如下功能：激光雷達(dá)探測(cè)器配置模擬軟件，具備邊界條件自學(xué)習(xí)功能；具備障礙物探測(cè)功能，能精準(zhǔn)定位障礙物所在的滑動(dòng)門位置；系統(tǒng)接入信號(hào)系統(tǒng)并具備獨(dú)立的旁路功能；系統(tǒng)具備故障自診斷并報(bào)警功能、運(yùn)行狀態(tài)顯示及聲光報(bào)警提示功能、事件及報(bào)警記錄自動(dòng)存儲(chǔ)及查詢功能；具備手動(dòng)和自動(dòng)兩種操作模式。

激光雷達(dá)的光源應(yīng)為不可見(jiàn)光，不對(duì)人體造成傷害，且滿足相關(guān)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的要求；有效探測(cè)距離不小于5 m；光幕應(yīng)為多層，扇形光幕角度不小于90°。

使用激光雷達(dá)終端數(shù)量不同，系統(tǒng)的造價(jià)不同。以8A編組列車為例，對(duì)于島式車站，每列車設(shè)置一組激光雷達(dá)探測(cè)器，含主機(jī)及軟件等的激光雷達(dá)智能間隙探測(cè)系統(tǒng)單車站的造價(jià)約為120萬(wàn)元。在系統(tǒng)成熟后，通過(guò)優(yōu)化激光雷達(dá)探測(cè)器終端數(shù)量，可以大大降低單站的系統(tǒng)造價(jià)，滿足今后的推廣應(yīng)用。

3 結(jié)語(yǔ)

綜上分析，基于激光雷達(dá)技術(shù)的智能間隙探測(cè)系統(tǒng)應(yīng)可適用于城市軌道交通列車車門和站臺(tái)門間隙的障礙物探測(cè)，但需經(jīng)實(shí)地檢驗(yàn)和測(cè)試。經(jīng)各類檢測(cè)和認(rèn)證之后，該系統(tǒng)才能應(yīng)用于城市軌道交通現(xiàn)場(chǎng)項(xiàng)目中。