王春行

摘 要 隨著我國經(jīng)濟的快速發(fā)展，城市交通軌道也得到迅速發(fā)展，并進(jìn)行了大規(guī)模建設(shè)。地鐵作為交通建設(shè)的重要組成部位，其閘機扇門在地鐵軌道安全運行與乘客順利通行中發(fā)揮著關(guān)鍵的作用。為了保證乘客順利通過閘機，本文對地鐵閘機扇門控制系統(tǒng)設(shè)計進(jìn)行研究，以確保扇門能夠穩(wěn)定的速度完成打開、關(guān)閉動作，使乘客能安全、迅速的通過閘機，進(jìn)而提高乘客通行率。

關(guān)鍵詞 地鐵閘機 扇門 控制系統(tǒng) 傳感器 電路設(shè)計

中圖分類號：TP274 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1007-0745（2021）05-0033-05

1 地鐵閘機的組成結(jié)構(gòu)

1.1 地鐵閘機簡介

閘機是一種通道阻擋裝置（通道管理設(shè)備），其設(shè)立在地鐵車站的入口處，用于管理人流并規(guī)范行人出入，主要應(yīng)用于地鐵閘機系統(tǒng)、收費檢票閘機系統(tǒng)，是每個地鐵必備的設(shè)備之一。但由于人工操作容易失誤且緩慢，所以自動檢票閘機受到軌道交通的青睞。其核心作用是自動檢驗乘客的車票是否有效，分為進(jìn)站閘機和出站閘機，由電子識別系統(tǒng)自動識別車票中的相關(guān)信息是否與當(dāng)前乘車的信息相符，且一次只能通過一人，當(dāng)票面被損壞或車票過期，與當(dāng)前乘車使用的相關(guān)信息不符時，閘機會自動將乘客攔截在外，無法進(jìn)站或出站，當(dāng)電子識別系統(tǒng)發(fā)現(xiàn)其票面信息不符時，會立即自動落下閘板，作用及目的就是為了有效防止乘客逃票乘車。

1.2 地鐵閘機的組成結(jié)構(gòu)

地鐵閘機主要是由扇門控制系統(tǒng)模塊、讀寫模塊、回收模塊、狀態(tài)顯示模塊、乘客信息模塊、電源模塊、加熱模塊、電路模塊以及維護(hù)模塊所組成，具體構(gòu)成框架如圖1。

1.3 地鐵閘機扇門控制系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)

地鐵閘機扇門控制系統(tǒng)主要是對乘客進(jìn)出次序、方向、人數(shù)等狀態(tài)進(jìn)行控制，它能夠?qū)崟r監(jiān)測乘客在通道中的行走情況，并保障持有效車票的乘客安全、順利通過閘機。若有些乘客的行為出現(xiàn)異常時（如：成人乘客之間通行沒有保持三十厘米距離，或是有乘客想非法尾隨通行），扇門控制系統(tǒng)便會將非法通過的乘客攔住。而扇門控制系統(tǒng)主要由電源、接口、左、右扇門控制板、信號采集板以及工控機所組成，左、右扇門控制版主要是控制扇門的開關(guān)。

信號采集版主要是通過傳感器采集乘客經(jīng)過閘機通道的行為，然后上傳所采集到的數(shù)據(jù)信息;工控機根據(jù)所采集到的乘客行為信息數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和處理，并根據(jù)乘客的行為發(fā)送指令給左、右扇門控制板，使左、右扇門能按照指令同時開或關(guān)。具體組成結(jié)構(gòu)如圖2所示。

2 地鐵閘機扇門控制系統(tǒng)設(shè)計

2.1 傳感器位置的布置

為了保障乘客順利通行，及時檢測乘客在通道中的行為、位置及方向，還需要在閘機外殼上按照傳感器。但由于人體比例結(jié)構(gòu)有所差異，為此在布置傳感器位置時，必須要圍繞人體結(jié)構(gòu)之間的關(guān)鍵點（如：人體的踝關(guān)節(jié)、膝關(guān)節(jié)、腕關(guān)節(jié)、肘關(guān)節(jié)等位置）進(jìn)行布置，從閘機入口處到扇門處1000mm左右的區(qū)域內(nèi)布置傳感器（見圖3），該區(qū)域內(nèi)設(shè)置有判別區(qū)、檢測區(qū)，安全區(qū)等，為此可在通道最前端，也就是人體膝蓋的位置處按照兩個傳感器，用于識別乘客的行走方向;其次，在檢測區(qū)的上端也就是人體肘關(guān)節(jié)的位置布置3個傳感器，用于檢測通道中乘客人數(shù)，布置時3個傳感器之間的距離稍微大一些，以避免因乘客行走時擺動手臂而給傳感器帶來干擾;而在安全區(qū)通道兩邊可布置4個傳感器，當(dāng)傳感器檢測到乘客已經(jīng)行至安全區(qū)域時，扇門不會關(guān)閉，以免夾傷乘客[1]。

2.2 乘客識別系統(tǒng)設(shè)計

乘客識別系統(tǒng)主要是檢測識別乘客正常通行，防止有的乘客為了逃票而出現(xiàn)多人通過的行為。但在日常檢測中，由于乘客穿著服裝等問題，導(dǎo)致識別系統(tǒng)不能準(zhǔn)確檢測到乘客的走動情況時有發(fā)生。為此，在乘客識別系統(tǒng)設(shè)計中，可進(jìn)行區(qū)域分類設(shè)計，如：邊界區(qū)設(shè)置傳感器。在檢測區(qū)的邊界區(qū)域內(nèi)設(shè)置上下檢測點，當(dāng)乘客沒有刷卡便踏入邊界區(qū)時，任意一個檢測點便會識別出而會發(fā)出警報，以防止乘客進(jìn)入;在對進(jìn)出檢測區(qū)設(shè)計時，可根據(jù)人體身軀厚度的特點在進(jìn)口檢測區(qū)域和出口檢測區(qū)域分別設(shè)計三個檢測點，主要是為了防止識別不到而出現(xiàn)漏檢情況的發(fā)生;安全檢測區(qū)，則需要根據(jù)人體身高的特點設(shè)置檢測點，這樣是為了系統(tǒng)能夠識別到幼童，而避免出現(xiàn)檢測不到的情況發(fā)生（圖2）。

2.3 傳感器狀態(tài)讀寫

為了能實時采集到各個傳感器的狀態(tài)信息，還需要進(jìn)行讀采集系統(tǒng)模塊和讀寫模塊程序的設(shè)計，因為系統(tǒng)在運轉(zhuǎn)過程中，上位機一直處于待命狀態(tài)，而下位機也只能是采集傳感器的狀態(tài)，但并不進(jìn)行儲存，只有上位機發(fā)送讀命令時，下位機才會將所收集到的狀態(tài)信息上傳。為此，在設(shè)計系統(tǒng)程序時，可以設(shè)定主程序和串口接收中斷程序。主程序主要用于采集各個傳感器實時狀態(tài)，并進(jìn)行儲存;串口接收中斷程序主要是在接收到上位機的讀傳感器狀態(tài)命令時（見表1），對數(shù)據(jù)進(jìn)行檢驗后通過串口將數(shù)據(jù)進(jìn)行上傳。而讀寫程序主要是將扇門運作中的一些重要數(shù)據(jù)寫入E2PROM數(shù)據(jù)寄存器之中，這樣能有效保存這些重要數(shù)據(jù)，即使系統(tǒng)斷電或下位機中斷工作，系統(tǒng)內(nèi)的數(shù)據(jù)也不會丟失。

2.4 扇門控制電路設(shè)計

2.4.1 控制電機的電路

無刷直流電機作為控制扇門啟動、關(guān)閉的電機，也是扇門控制效果好壞的關(guān)鍵。為此，在設(shè)計無刷直流電機控制系統(tǒng)時，可結(jié)合其工作原理（見圖5）加入數(shù)?；旌系目刂葡到y(tǒng)和數(shù)字化系統(tǒng)。因為無刷直流電機性能要求比較高，數(shù)模控制器芯片、數(shù)字電路以及DSP的運算速讀比較快，準(zhǔn)確度比較高，能夠完成復(fù)雜的算法。而無刷直流電機啟動快的特性，能夠使扇門保持最佳的運作狀態(tài)，從而達(dá)到扇門快速啟動的要求。此外，無刷直流電機優(yōu)異的調(diào)速特性，能夠使電源電壓在負(fù)載時改變轉(zhuǎn)速，使電源電壓實現(xiàn)平滑調(diào)速，將其應(yīng)用到扇門控制系統(tǒng)中，扇門能在電機的帶動下完成啟動、關(guān)閉動作，尤其是扇門在關(guān)閉過程中，如果有乘客刷卡，控制電路的電機會立馬制動扇門迅速停止并迅速打開?？梢?，控制無刷直流電機的電路能使扇門啟動、關(guān)閉速度更加穩(wěn)定可靠[2]。

2.4.2 驅(qū)動電路

在扇門控制系統(tǒng)中，由于使用的電機屬于貨源緊缺型，成本價格比較高，為了避免后期出現(xiàn)斷貨現(xiàn)象，為此，需選擇分立元件組成的驅(qū)動電路。這種驅(qū)動電路上側(cè)是集電極開輸出，能夠驅(qū)動P溝道MOSFET管，其開關(guān)速讀比較快，導(dǎo)通和關(guān)閉時間一般在39ns;下側(cè)是推挽輸出，具有100mA電流驅(qū)動能力，能夠驅(qū)動N溝道MOSFET管。可見，其驅(qū)動電流較小，過載能力比較強，開關(guān)頻率比較高，耐壓性能比較好，將其應(yīng)用到扇門控制系統(tǒng)中完全可以推動無刷直流電機的驅(qū)動功能。

2.4.3 電磁鐵控制電路

由于扇門的啟動與關(guān)閉動作是需要機械連桿牽引，為此，在設(shè)計電磁鐵控制電路時，可以選擇吸盤式的電磁鐵。該種電磁鐵在通電后會產(chǎn)生極大的電磁吸力，能夠有效控制扇門的往前、往后或停止動作，且動作靈活敏捷，比較穩(wěn)定可靠，在設(shè)計時可根據(jù)電磁吸力與電壓的要求選擇相對應(yīng)的電磁吸盤（見圖6）。

3 總結(jié)

綜上所述，地鐵閘機扇門控制系統(tǒng)的設(shè)計是集多個學(xué)科為一體的系統(tǒng)工作，只有充分了解系統(tǒng)中各個程序、部件的工作原理與流程，才能設(shè)計出符合實際地鐵閘機扇門，在不斷的實踐與研究中不斷改進(jìn)與提高地鐵閘機扇門系統(tǒng)技術(shù)，以實現(xiàn)安全、可靠的全自動化控制系統(tǒng)，為人們今后的出行提供便利。

參考文獻(xiàn)：

[1] 施水娟，董應(yīng)超.扇門式閘機控制系統(tǒng)研究[J].科技創(chuàng)新導(dǎo)報，2013（24）：43-44.

[2] 王雙.城市軌道交通閘機控制系統(tǒng)的研究[J].百科論壇電子雜志，2020（07）：1812.