郭 勇， 唐艷英

（廣州地鐵集團有限公司， 廣東 廣州 510700）

0 引言

出于保護乘客安全、增加車站空調(diào)及廣播利用率、減緩火災影響， 當前國內(nèi)各地鐵站臺基本都采用了封閉式屏蔽門設計，高架地鐵站因受限于地理條件，其站臺通常為半高式屏蔽門。 由于半高式屏蔽門的門體不能將乘客與鐵軌區(qū)進行有效隔離， 這就使得乘客容易翻越半高式屏蔽門進入鐵軌區(qū)域，地鐵工作人員不能及時發(fā)現(xiàn)制止，存在乘客觸電、地鐵設備被破壞的安全隱患，為地鐵運營帶來較大安全隱患。

1 設計思路

如何設計防翻越報警系統(tǒng)， 既不影響屏蔽門正常使用， 又可以增加有人翻入時報警提醒功能， 在這一背景下， 本文提出設計基于壓阻式薄膜傳感器的屏蔽門防翻越系統(tǒng)， 實現(xiàn)有人翻越端門時， 自動觸發(fā)本地聲光器報警，起到警示乘客和提醒車站工作人員的作用。

2 系統(tǒng)設計方案

2.1 整體結(jié)構(gòu)設計

如圖1 所示， 半高式屏蔽門的防翻越報警裝置在半高式屏蔽門的門體頂部101 設置有壓力信息采集器1，并且設置有與壓力信息采集器1 順次連接的壓力信息檢測器2、驅(qū)動電路3 和聲光報警器4，則當發(fā)生乘客翻越半高式屏蔽門的行為時， 可通過該壓力信息采集器1 采集到乘客翻越半高式屏蔽門產(chǎn)生的壓力信息， 壓力信息檢測器2 在檢測到該壓力信息時， 則向驅(qū)動電路3 輸出該壓力信息， 使得驅(qū)動電路3輸出驅(qū)動信號， 促使聲光報警器4 根據(jù)該驅(qū)動信號發(fā)出聲光警報， 實現(xiàn)乘客翻越半高式屏蔽門行為的監(jiān)測并及時發(fā)出警報來警示乘客和地鐵工作人員，防止乘客進入鐵軌區(qū)域（見圖2）。

圖1 壓力信息采集器和聲光報警器的布設示意圖

圖2 半高式屏蔽門的防翻越報警裝置的電氣結(jié)構(gòu)框圖

2.2 薄膜壓力傳感器工作原理

本文所選的壓力傳感器采用柔性薄膜壓敏傳感器[1，2]，由綜合機械性能優(yōu)異的聚酯薄膜， 高導電材料和納米級壓力敏感材料組成， 壓敏層復合在柔性薄膜中構(gòu)成傳感器的頂層， 導電線路復合在柔性薄膜中構(gòu)成傳感器的底層。當感應區(qū)受壓時，傳感感器底層彼此斷開的線路會通過頂層的壓敏層導通，端口的電阻輸出值隨著壓力變化，本設計中電阻式薄膜壓力傳感器RS 采用帶狀結(jié)構(gòu)，以增加壓力信息采集的面積，提高壓力信息采集的準確性。電阻式壓敏傳感器是電阻值隨著作用于感應區(qū)上的壓力增大而減小的柔性薄膜傳感器。

圖3 所示為一個在特定測試條件下電阻隨壓力變化的曲線圖，當壓力感應范圍在200g～10kg 間，當壓力超過10kg 時，該傳感器阻值變化不明顯，但但已滿足使用要求。

圖3 壓敏傳感器阻值受力變化曲線圖

2.3 控制電路設計

如圖4 所示，本文采用惠斯登電橋[3]設計壓力采集器， 壓力信息采集器1 包括電阻式薄膜壓力傳感器RS；所述壓力信息檢測器2 包括基準電阻Ro、 第一電阻R1、第二電阻R2 和電壓比較器U， 所述第一電阻R1 和所述第二電阻R2 的電阻值相同；所述基準電阻Ro 的第一端連接至第一電源VCC1，第二端通過所述第一電阻R1 接地，并連接至所述電壓比較器U 反相輸入端；所述電阻式薄膜壓力傳感器RS 的第一端連接至所述第一電源VCC1，第二端通過所述第二電阻R2 接地，并連接至所述電壓比較器U 的同相輸入端；所述電壓比較器U 的輸出端通過第三電阻R3 連接至所述第一電源VCC1。

圖4 半高式屏蔽門的防翻越報警裝置的電路結(jié)構(gòu)圖

在該實施方式中，電阻式薄膜壓力傳感器RS 用于采集乘客翻越半高式屏蔽門時產(chǎn)生壓力信息， 電阻式薄膜壓力傳感器RS 將乘客施加于半高式屏蔽門的壓力轉(zhuǎn)換為電阻值，實現(xiàn)壓力信息的采集，其中，壓力與電阻式薄膜壓力傳感器RS 的電阻值成反比；基準電阻Ro、第一電阻R1、第二電阻R2 和電阻式薄膜壓力傳感器RS 構(gòu)成惠斯通電橋， 以檢測電阻式薄膜壓力傳感器RS 的電阻值；當電阻式薄膜壓力傳感器RS 的電阻值小于基準電阻Ro的電阻值時， 則表示檢測到的壓力信息大于預設的壓力閾值，此時，電壓比較器U 同相輸入端的電壓大于反相輸入端的電壓，電壓比較器U 輸出端輸出高電平；當電阻式薄膜壓力傳感器RS 的電阻值大于基準電阻Ro 的電阻值時，則表示檢測到的壓力信息小于預設的壓力閾值，此時， 電壓比較器U 同相輸入端的電壓小于反相輸入端的電壓，電壓比較器U 輸出端輸出低電平；進而通過電壓比較器U 輸出高電平來指示檢測到的壓力信息大于預設的壓力閾值， 通過電壓比較器U 輸出低電平來指示檢測到的壓力信息小于預設的壓力閾值。

在該實施方式中，基準電阻Ro 為可調(diào)電阻，以便調(diào)節(jié)基準電阻Ro 的電阻值， 實現(xiàn)預設壓力閾值的調(diào)節(jié)，提高監(jiān)測的靈活性。

所述驅(qū)動電路3 包括三極管Q 和繼電器K1；所述繼電器K1 包括線圈和常開開關(guān)；其中，所述三極管Q 的基極通過第四電阻R4 連接至所述壓力信息檢測器2 的輸出端， 集電極通過所述繼電器K1 的線圈和第五電阻R5連接至所述第一電源VCC1，發(fā)射極接地；所述繼電器K1的常開開關(guān)的第一端連接至第二電源VCC2，第二端與所述聲光報警器4 的一端連接； 所述聲光報警器4 的另一端連接至第三電源VCC3。

在該實施方式中， 當壓力信息檢測器2 的輸出端輸出高電平時，三極管Q 導通，繼電器K1 的線圈得電，進而繼電器K1 的常開開關(guān)接通，繼電器K1 處于自鎖常閉狀態(tài)，使得第二電源VCC2 和第三電源VCC3 為聲光報警器4 供電，驅(qū)動聲光報警器4 發(fā)出聲光警報；當壓力信息檢測器2 的輸出端輸出低時，三極管Q 截止，繼電器K1的線圈無電流通過，進而常開開關(guān)仍然保持斷開狀態(tài)。

該防翻越報警裝置還包括：復位開關(guān)K2，串聯(lián)于所述常開開關(guān)所在的串聯(lián)支路上；當繼電器K1 的常開開關(guān)接通且處于自鎖常閉狀態(tài)時，通過接通該復位開關(guān)K2 來斷開繼電器K1 的常開開關(guān)，以停止聲光報警器4 的聲光警報。

2.4 壓力采集結(jié)構(gòu)設計

如圖5 所示，在本文設計的新型防翻越報警裝置中，壓力信息采集器1 除了包括電阻式薄膜壓力傳感器RS之外，還包括：第一橡膠保護層11，設置于所述電阻式薄膜壓力傳感器RS 朝向所述半高式屏蔽門的一面，且與所述半高式屏蔽門的門體頂部101 連接， 用于隔離電阻式薄膜壓力傳感器RS 和半高式屏蔽門的門體頂部101，避免電阻式薄膜壓力傳感器RS 與門體頂部的金屬層接觸，提高壓力信息采集的準確性；第二橡膠保護層12，設置于所述電阻式薄膜壓力傳感器RS 遠離所述半高式屏蔽門的一面，以對電阻式薄膜壓力傳感器RS 進行保護，柔性地采集乘客翻越半高式屏蔽門所施加的壓力信息。

所述第一橡膠保護層11 的厚度為3mm，所述第二橡膠保護層12 的厚度為5mm。

為了對電阻式薄膜壓力傳感器RS 進行防潮和防粘保護， 延長電阻式薄膜壓力傳感器RS 的使用壽命，所述壓力信息采集器1 還包括：第一蠟紙保護層13，設置于所述第一橡膠保護層11 與所述電阻式薄膜壓力傳感器RS 之間；第二蠟紙保護層14，設置于所述電阻式薄膜壓力傳感器RS 與所述第二橡膠保護層12 之間。

所述電阻式薄膜壓力傳感器RS 為帶狀，以增加壓力信息采集的面積，提高壓力信息采集的準確性。

在上述防翻越報警裝置中， 聲光報警器4 設置于半高式屏蔽門的門體頂部101，以直觀提醒乘客；壓力信息檢測器2 和驅(qū)動電路3 設置于控制箱內(nèi)（圖中未示出），以便對壓力信息檢測器2 和驅(qū)動電路3 進行收納和保護。

具體地，在上述防翻越報警裝置中，第一電源VCC1為5V 直流電源，第二電源VCC2 為24V 直流電源，第三電源VCC3 為-24V 直流電源。

圖5 壓力信息采集器的結(jié)構(gòu)示意圖

3 安裝與調(diào)試

經(jīng)現(xiàn)場測試， 該報警系統(tǒng)最小檢測壓力為0.2kg，設定電阻值越大， 可實現(xiàn)報警壓力值越大， 當壓力值超過10kg 時，繼續(xù)增大壓力時壓敏電阻值不會繼續(xù)下降，保持在800Ω 左右。現(xiàn)場測試壓力繼續(xù)增大至100kg 進行重復試驗，報警系統(tǒng)可準確觸發(fā)。 詳見數(shù)據(jù)如表1 所示。

表1 防爬報警系統(tǒng)壓力測試

4 結(jié)束語

實踐證明， 本文所設計的防翻越報警裝置能夠?qū)Τ丝偷姆叫袨檫M行有效監(jiān)測和報警，誤報率極低，有效的消除了乘客翻越端門行為產(chǎn)生的安全隱患， 該防翻越報警系統(tǒng)設計可應用于所有半高式屏蔽門， 也為后續(xù)新地鐵線路設計使用提供實踐依據(jù)。