舒駱鵬

（金華市金義東軌道交通有限公司，浙江 金華 321000）

由于站臺(tái)門在設(shè)計(jì)安裝時(shí)須滿足限界的要求，因此站臺(tái)門與車體之間存在一定的間隙，而由于線路、信號(hào)道岔設(shè)置等原因引起的限界加寬則導(dǎo)致該間隙進(jìn)一步加大，在列車門和站臺(tái)門關(guān)閉后形成了一個(gè)不安全的封閉空間。極端情況下乘客會(huì)被夾在站臺(tái)門與列車車體之間，存在安全事故隱患。近年來(lái)各種物理及電氣措施也都在不斷研發(fā)，激光雷達(dá)作為一種新型防夾檢測(cè)系統(tǒng)，已被應(yīng)用在軌道交通項(xiàng)目中，并且實(shí)踐證明運(yùn)行效果良好。

1 站臺(tái)門防夾系統(tǒng)發(fā)展現(xiàn)狀分析

1.1 物理防護(hù)措施的發(fā)展

早期軌道交通站臺(tái)呈直線狀，在一些車站的端部有20 到30 毫米的加寬量，采取的安全防護(hù)措施主要有防夾擋板、車尾燈帶、防護(hù)橫撐、防站人斜板等，但由于物理措施或多或少都有一定的弊端，在安全防護(hù)系數(shù)上并不高[1]。但對(duì)于一些全曲線站臺(tái)或限界加寬量較大的站臺(tái)，由于車體與站臺(tái)門之間的間隙進(jìn)一步加大，以上的各項(xiàng)物理防夾措施將降低，甚至喪失防護(hù)效果。

1.2 電氣探測(cè)防護(hù)措施

目前軌道交通安裝的電氣探測(cè)措施有激光對(duì)射和紅外探測(cè)兩種。激光對(duì)射原理是依靠激光發(fā)射，接收器接收信號(hào)。站臺(tái)門關(guān)閉之后，激光對(duì)射裝置會(huì)開(kāi)啟工作狀態(tài)，若有障礙物阻斷光束的路徑則會(huì)發(fā)出報(bào)警。紅外探測(cè)裝置主要通過(guò)犧牲探測(cè)距離提高探測(cè)精準(zhǔn)度，但是在工程應(yīng)用過(guò)程中，紅外探測(cè)有覆蓋區(qū)域狹窄的弊端，且安裝精度要求更高。同時(shí)，受列車振動(dòng)，軌行區(qū)灰塵、鐵屑或高架站其他光源等因素干擾，也會(huì)影響檢測(cè)效果，造成誤報(bào)。

2 激光雷達(dá)間隙智能探測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

2.1 激光雷達(dá)的具體工作原理

激光雷達(dá)技術(shù)應(yīng)用的是時(shí)間飛行(TOF)工作原理，即激光發(fā)射器(TX)發(fā)射很短的光脈沖，光脈沖被物體反射回后，接收器(RX)收到反射回來(lái)的光束。由于傳感器和物體之間有一定的距離，反射回來(lái)的光線會(huì)有延遲，處理器會(huì)計(jì)算延遲時(shí)間。根據(jù)光的傳播速度30 萬(wàn)千米/秒，處理器會(huì)把延遲時(shí)間轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的距離。如圖1 所示。例如，光速30 萬(wàn)千米/秒，延遲時(shí)間是13 納秒，距離是2 米。

圖1 激光時(shí)間飛行技術(shù)原理圖

2.2 激光雷達(dá)間隙智能探測(cè)系統(tǒng)的參數(shù)指標(biāo)

激光雷達(dá)探測(cè)系統(tǒng)主要使用固態(tài)激光雷達(dá)進(jìn)行掃描，掃描過(guò)程具有分辨率高，抗干擾能力強(qiáng)的優(yōu)勢(shì)，深度精度保持在2.5cm 左右，水平垂直分辨率會(huì)持續(xù)控制在0.2° ，直線探測(cè)距離可達(dá)200m[2]。由于激光傳感器內(nèi)的旋轉(zhuǎn)反射鏡會(huì)把光束反射成不同的角度，使得激光傳感器能夠掃描一個(gè)預(yù)先設(shè)置的平面。反射鏡的每個(gè)面能保證傳感器掃描96° 的區(qū)域，當(dāng)反射鏡是立方體時(shí)，同一區(qū)域內(nèi)反射鏡每旋轉(zhuǎn)一圈可以重復(fù)掃描4次。激光雷達(dá)會(huì)對(duì)軌道站臺(tái)門與列車車門之間的空間進(jìn)行全覆蓋檢測(cè)，由于檢測(cè)距離遠(yuǎn)，位置信息能夠?qū)崿F(xiàn)精準(zhǔn)探測(cè)，且獲取的數(shù)據(jù)可靠性更高。如圖2 所示。

圖2 激光雷達(dá)裝置的四層掃瞄檢測(cè)效果圖

2.3 激光雷達(dá)的有效探測(cè)范圍

在實(shí)際應(yīng)用中，可采用每道滑動(dòng)門安裝一套雷達(dá)裝置或整側(cè)站臺(tái)安裝一套激光雷達(dá)裝置。這兩種方式均能準(zhǔn)確對(duì)位于某個(gè)滑動(dòng)門的障礙物進(jìn)行定位。考慮到建設(shè)成本及日常系統(tǒng)維護(hù)，在軌道交通項(xiàng)目中由于站臺(tái)總體有效長(zhǎng)度均在200m 以內(nèi)。因此，對(duì)于直線站臺(tái)，一側(cè)站臺(tái)可作為一個(gè)探測(cè)區(qū)域，安裝一套雷達(dá)裝置即可。若站臺(tái)為全曲線站臺(tái)或端部加寬量較大，可根據(jù)工程實(shí)際情況合理劃分探測(cè)區(qū)域。

2.4 激光雷達(dá)間隙智能探測(cè)的工作流程

當(dāng)列車進(jìn)入站臺(tái)后，激光雷達(dá)檢測(cè)裝置即進(jìn)入工作狀態(tài)，在站臺(tái)門開(kāi)啟前，通過(guò)探測(cè)主機(jī)獲取車體與站臺(tái)門之間的初始狀態(tài)信息。當(dāng)乘客上下車完畢，站臺(tái)門關(guān)閉后，激光雷達(dá)檢測(cè)裝置對(duì)車體與站臺(tái)門之間的情況進(jìn)行再次掃描探測(cè)。若沒(méi)有檢測(cè)出障礙物，則裝置發(fā)出安全信號(hào)，并重新進(jìn)入待機(jī)狀態(tài)；若檢測(cè)出障礙物或檢測(cè)出乘客滯留，則進(jìn)行報(bào)警，見(jiàn)圖3。

圖3 激光雷達(dá)間隙智能探測(cè)的工作流程

2.5 激光雷達(dá)主要系統(tǒng)構(gòu)成

激光雷達(dá)工作框架主要由間隙探測(cè)主機(jī)，車站管理服務(wù)器和激光雷達(dá)三個(gè)元件構(gòu)成。間隙探測(cè)主機(jī)一般安裝在車頭位置，在具體工作過(guò)程中會(huì)有聲光報(bào)警以及系統(tǒng)旁路操作等功能。車站管理服務(wù)器是整個(gè)間隙探測(cè)系統(tǒng)的控制中心，通常會(huì)安裝在站臺(tái)門設(shè)備室，直接負(fù)責(zé)雷達(dá)的關(guān)停，障礙物的報(bào)警以及數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)和處理。激光雷達(dá)接入門控器端子排內(nèi)，主要負(fù)責(zé)障礙物的檢測(cè)，主要通過(guò)對(duì)激光脈沖反饋的分析，確定障礙物的位置[3]，見(jiàn)圖4。

圖4 激光雷達(dá)主要系統(tǒng)構(gòu)成

3 激光雷達(dá)在軌道交通站臺(tái)門安全防護(hù)中的具體應(yīng)用

3.1 激光雷達(dá)在軌道交通站臺(tái)門處的安裝位置

目前軌道交通車站型式主要分為地下站和高架站，而根據(jù)車站的型式，站臺(tái)門對(duì)應(yīng)分為全高站臺(tái)門和半高站臺(tái)門。廣州地鐵8 號(hào)線北延段華林寺、滘心、陳家祠等站在每道單元滑門設(shè)置了一套激光傳感器。激光雷達(dá)安裝在站臺(tái)門的下方，激光雷達(dá)安裝處會(huì)凸出站臺(tái)門頂箱后封板5 厘米，光口向上傾斜，與車體滑動(dòng)門之間有一定的距離，這樣可以最大程度發(fā)揮安全防護(hù)的作用。當(dāng)站臺(tái)門、列車門關(guān)閉時(shí)，觸發(fā)系統(tǒng)功能，如果此時(shí)系統(tǒng)探測(cè)到車體和站臺(tái)門門間傳感器檢測(cè)區(qū)域內(nèi)存在障礙物時(shí)，則自動(dòng)報(bào)警[4]。如圖5 所示。

圖5 激光傳感器安裝效果圖

3.2 通訊帶寬的有效選擇

激光雷達(dá)裝置在具體運(yùn)行過(guò)程中會(huì)受到雷達(dá)收集的數(shù)據(jù)和控制主機(jī)之間的數(shù)據(jù)交換的影響，須合理選取數(shù)據(jù)的傳輸方式。例如一些城市軌道交通線路的車體采用8 個(gè)編組，每節(jié)車廂一共有5 個(gè)車門，最終安裝了40 臺(tái)激光雷達(dá)，運(yùn)行過(guò)程中檢測(cè)雷達(dá)裝置傳輸速度為每秒通信量1339200b，設(shè)計(jì)人員此時(shí)就要選擇160M 以上的通訊帶寬，這樣才能有效滿足激光雷達(dá)工作時(shí)的需求，并且也能有效提高軌道交通整個(gè)系統(tǒng)的安全性。

3.3 服務(wù)器系統(tǒng)的有效選擇

傳統(tǒng)的間隙探測(cè)措施準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性較低，后期需要投入大量的人力和物力進(jìn)行校準(zhǔn)和維護(hù)保養(yǎng)工作。安裝激光雷達(dá)系統(tǒng)可以在某種程度上降低人力物力的投資。在具體運(yùn)行過(guò)程中，激光雷達(dá)采集數(shù)據(jù)通過(guò)傳輸?shù)酱鎯?chǔ)系統(tǒng)，并且對(duì)所有數(shù)據(jù)進(jìn)行分類和整合，且多數(shù)激光雷達(dá)系統(tǒng)本身自帶服務(wù)器，可以對(duì)所有數(shù)據(jù)展開(kāi)分析，這樣可以有效提高運(yùn)算的效率。此外，激光雷達(dá)需要穩(wěn)定的運(yùn)行環(huán)境，在選取服務(wù)器系統(tǒng)時(shí)，最好用雙機(jī)熱備方法進(jìn)行數(shù)據(jù)備份，這樣一來(lái)，若主機(jī)出現(xiàn)異常，備份系統(tǒng)可以繼續(xù)工作，并且可通過(guò)報(bào)警系統(tǒng)通知維修人員。

3.4 設(shè)計(jì)方案的明確

激光雷達(dá)系統(tǒng)在安裝之前要嚴(yán)格對(duì)現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行勘測(cè)，設(shè)計(jì)出可行性較高的方案，這樣才能確保雷達(dá)系統(tǒng)運(yùn)轉(zhuǎn)正常。目前國(guó)家也在大力發(fā)展市域軌道交通項(xiàng)目，市域軌道交通線路以輕軌為主，而輕軌主要通過(guò)高架的形式構(gòu)建，安裝激光雷達(dá)時(shí)需要根據(jù)施工特點(diǎn)設(shè)計(jì)有效的方案。可考慮在站臺(tái)門邊框上鉆孔攻絲，將雷達(dá)固定在門的左下方，電纜敷設(shè)可以采用線槽設(shè)計(jì)，這樣可以保證激光雷達(dá)探測(cè)系統(tǒng)在高架站應(yīng)用的可實(shí)施性。

3.5 采用動(dòng)態(tài)邊界防護(hù)算法

在激光雷達(dá)安設(shè)過(guò)程中要采用動(dòng)態(tài)邊界防護(hù)算法，保證軌行區(qū)的振動(dòng)對(duì)雷達(dá)造成的影響最小?？梢詫⒄九_(tái)門的延伸部位設(shè)置為防護(hù)A 區(qū)，延伸部位和車身之間設(shè)置為動(dòng)態(tài)防護(hù)B 區(qū)，A區(qū)進(jìn)行設(shè)備安裝，然后對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行收集傳輸至數(shù)據(jù)內(nèi)部，B 區(qū)則主要對(duì)列車停止后的數(shù)據(jù)進(jìn)行測(cè)量，當(dāng)列車完成一周期的運(yùn)行之后，數(shù)據(jù)清零，如此反復(fù)。A 區(qū)域和B 區(qū)域要在同一掃描周期內(nèi)完成數(shù)據(jù)的收集，這樣可以對(duì)列車產(chǎn)生最大的保護(hù)作用。

綜上所述，激光雷達(dá)掃描裝置的技術(shù)原理穩(wěn)定可靠，并且已經(jīng)在城市軌道交通項(xiàng)目中試點(diǎn)性實(shí)際應(yīng)用，使用效果良好?？梢杂行Ы鉀Q以往傳統(tǒng)電氣探測(cè)裝置準(zhǔn)確性低、誤報(bào)率高、后期維護(hù)困難等問(wèn)題，具有較為廣闊的使用前景。當(dāng)然在各地具體工程項(xiàng)目的實(shí)際應(yīng)用中，由于各地的列車車型、線路及站臺(tái)情況各不相同，項(xiàng)目各方應(yīng)根據(jù)本項(xiàng)目的實(shí)際情況，因地制宜的研究具體實(shí)施方案。同時(shí)需經(jīng)過(guò)實(shí)地檢驗(yàn)和測(cè)試，且測(cè)試結(jié)果各項(xiàng)顯示均達(dá)最優(yōu)之后才能正式投入使用，這樣才能最大程度保障軌道交通工程的運(yùn)營(yíng)安全。