林 耀，韓 飛，戴曉彬，陳 斌

(中鐵工程設(shè)計咨詢集團有限公司機械動力設(shè)計研究院，北京 100055)

引言

站臺門系統(tǒng)沿著站臺邊緣布置，將列車與車站站臺候車區(qū)隔離開，起到防止人員跌落軌道發(fā)生意外等作用，以保障乘客的乘車安全[1-2]。站臺門的設(shè)置位置需滿足相關(guān)的限界要求，因此，車門與站臺門之間存在間隙，會對乘客安全造成一定的安全隱患，實際運營過程中曾發(fā)生過當(dāng)站臺門關(guān)閉后乘客被夾在了站臺門與列車門中間，發(fā)生人員傷亡事故[3-4]。根據(jù)車站站臺門安裝情況及國內(nèi)既有工程實際運營特點，為避免出現(xiàn)乘客被夾的事故，目前國內(nèi)工程上采用了多種防護措施，通過整理分類，站臺門與列車車體間隙防護措施主要有物理措施、電氣探測措施兩類[5-6]。物理措施包括設(shè)置防夾擋板、車尾燈帶、防護橫撐、防站人斜板等，其結(jié)構(gòu)簡單，防護能力有限；電氣探測措施目前主要為紅外探測裝置及激光對射裝置[7]。安全性較高，適應(yīng)曲線站、適應(yīng)全自動駕駛有人和無人的工況，但探測區(qū)域覆蓋不足，安裝精度要求高，運營維護不方便，列車振動、地鐵隧道粉塵、鐵屑干擾、車站其他光源、相互干擾等各種因素會造成系統(tǒng)存在一定的誤報率，對行車、運營有一定影響。

由于目前所采用的站臺門與列車車體間隙探測措施存在上述的問題，因此，亟需研究一種新的站臺門防夾檢測方式以保證乘客安全。本次研究提出一種新的站臺門防夾檢測方式-3D激光雷達(dá)方式。

1 站臺門防夾系統(tǒng)現(xiàn)狀

1.1 物理防護

早期軌道交通線路的站臺均為直線站臺，在部分車站的站臺端部有20～30 mm加寬量，對站臺門的安全防護影響不大，因此，以往線路站臺門的安全防護措施主要采用物理措施。物理措施[8]包括設(shè)置防夾擋板、車尾燈帶、防護橫撐、防站人斜板等。各種間隙物理防護措施如圖1所示。

圖1 間隙物理防護示意

各種間隙物理防護措施的技術(shù)分析比較如表1所示。

表1 各種間隙物理防護措施的技術(shù)分析

1.2 電氣探測措施

目前，已應(yīng)用到站臺門實際案例的電氣探測措施主要為激光對射裝置、紅外探測裝置。

激光對射裝置其原理是發(fā)射器發(fā)出激光，接收器根據(jù)檢測到激光的信號特征判斷直線光路上的遮擋物，當(dāng)激光被障礙物遮擋后，系統(tǒng)進行報警。其原理示意如圖2所示。

圖2 激光對射裝置原理示意

當(dāng)列車停靠站臺，乘客上下車完畢，站臺門閉合處于關(guān)門狀態(tài)，激光對射裝置觸發(fā)功能，發(fā)射器發(fā)出激光，發(fā)射源200 m處的光斑直徑約為170 mm(小于列車車體與站臺門之間距)，以避免光束在站臺門和車體間多次反射影響準(zhǔn)確性。若障礙物阻斷了光束的路徑，則聲光報警器發(fā)出報警，待障礙清理后，系統(tǒng)在延遲幾秒后退出工作狀態(tài)。

紅外探測裝置本質(zhì)上是激光對射探測法的特殊形式，其原理與激光對射裝置相似，其特點是犧牲探測距離以提高探測密度，并且衍生出反射型型號[9]。其原理示意如圖3所示。

圖3 激光對射裝置原理示意

上述紅外探測或激光對射裝置[10]在使用中存在以下缺陷：探測區(qū)域覆蓋不足，安裝與列車與站臺門之間距離站臺面高度 0.6～1.2 m的區(qū)域；受限界條件限制，安裝精度要求高；發(fā)射端和接收端遠(yuǎn)距離對光調(diào)試較困難，運營維護不方便；受列車振動、地鐵隧道粉塵、鐵屑干擾、車站其他光源、相互干擾等各種因素影響產(chǎn)生誤報。目前，激光對射裝置、紅外探測裝置在國內(nèi)部分地鐵線路已有應(yīng)用，應(yīng)用情況如表2所示，但由于存在一定的缺陷，在部分地鐵線路已被棄用。

表2 各種間隙物理防護措施的技術(shù)分析

1.3 現(xiàn)狀小結(jié)

綜上分析，物理措施防護能力有限，主動防護性差，較難適應(yīng)自動駕駛模式下無司機的工況，而目前電氣探測措施穩(wěn)定性差，存在一定的誤報率，對行車、運營產(chǎn)生影響，因此，亟需研究一種新的站臺門防夾檢測方式來保證乘客安全。本次研究提出一種新的站臺門防夾檢測方式—3D激光雷達(dá)方式，相比傳統(tǒng)的防夾檢測方式，3D激光雷達(dá)方式可實現(xiàn)空間檢測，具有檢測距離遠(yuǎn)、探測位置精確、可靠性高等優(yōu)點[11-12]。

2 3D激光雷達(dá)間隙智能探測系統(tǒng)設(shè)計方案

2.1 探測原理

3D激光雷達(dá)探測系統(tǒng)的光學(xué)機構(gòu)向掃描范圍內(nèi)發(fā)射激光脈沖，形成三維掃描面，激光脈沖碰障礙物后反射，處理器根據(jù)激光從發(fā)射到接收的時間差換算成相應(yīng)的距離，并記錄存儲激光回收數(shù)據(jù)，通過模擬計算，結(jié)合固有邊界，確定遮擋物的外形及位置信息[13]。

3D激光雷達(dá)探測系統(tǒng)的光學(xué)機構(gòu)向范圍內(nèi)各角度發(fā)射出一定強度的激光，形成如圖4、圖5所示的三維扇形光幕，照射到障礙物表面后，會發(fā)生漫反射，只有部分光會反射，被探測器接收，產(chǎn)生的點云記錄了探測范圍內(nèi)物體的反光位置(圖6)，其中，使用3D激光點云進行目標(biāo)檢測方法有多種，包括BEV(bird’s eye view)目標(biāo)檢測方法、camera view目標(biāo)檢測方法、point-wise feature目標(biāo)檢測方法、融合特征目標(biāo)檢測方法。當(dāng)接收的光達(dá)到設(shè)定閾值，就可以作為判斷依據(jù)，閥值是由內(nèi)部模擬分析軟件算法進行定義[2]，系統(tǒng)探測尺寸在400～500 mm，系統(tǒng)軟件可進行調(diào)整定義。

圖4 間隙智能探測

圖5 激光雷達(dá)掃描面示意

圖6 物體反光位置點云圖

由于激光雷達(dá)形成的三維掃描面為光幕，因此設(shè)備的安裝只需滿足限界要求即可，不必像激光對射探測系統(tǒng)必須將發(fā)射端的接收端精確安裝。

2.2 激光雷達(dá)設(shè)備主要技術(shù)指標(biāo)

3D激光雷達(dá)探測系統(tǒng)采用固態(tài)激光雷達(dá)，掃描分辨率高，深度精度2.5 cm，水平垂直分辨率0.2°，探測距離200 m，抗干擾能力強[14]。通過對站臺門與列車車門之間空間檢測，無檢測盲區(qū)，檢測距離遠(yuǎn)，能精確探測到位置信息，可靠性高。固態(tài)激光雷達(dá)主要技術(shù)指標(biāo)如表3所示。

表3 固態(tài)激光雷達(dá)主要技術(shù)指標(biāo)

2.3 探測區(qū)域

3D激光雷達(dá)間隙智能探測系統(tǒng)的探測區(qū)域為0.5～200 m。根據(jù)需求，可采用每道滑動門為一個探測區(qū)域和不大于200 m的若干道門為一個探測區(qū)域。兩種方式均能夠?qū)崿F(xiàn)障礙物位于某道滑動門的準(zhǔn)確定位，滿足探測功能需求。

考慮投資和系統(tǒng)維護的原因，一般的軌道交通項目由于站臺有效長度小于200 m，因此，直線站臺整側(cè)站臺可作為一個探測區(qū)域。當(dāng)高速鐵路或城際鐵路站臺有效長度為250 m時，站臺可分為2個探測區(qū)域；站臺有效長為450 m時，站臺可分為3個不大于200 m的探測區(qū)域。當(dāng)站臺為曲線站臺時，根據(jù)工程實際情況合理設(shè)置探測區(qū)域。

2.4 工作流程

在系統(tǒng)中，間隙探測主機通過獲取站臺門狀態(tài)信息來進行狀態(tài)切換。當(dāng)站臺門處于關(guān)閉狀態(tài)，間隙探測主機控制3D激光雷達(dá)開始發(fā)射激光掃描面進行障礙物的掃描檢測。3D激光雷達(dá)在列車與站臺門之間的區(qū)域若沒有檢測到障礙物，本地告警裝置則綠色狀態(tài)燈顯示，若有異物、乘客停留或侵入，本地告警裝置則紅色狀態(tài)燈顯示。當(dāng)站臺門處于打開狀態(tài)，系統(tǒng)通過間隙探測主機控制3D激光雷達(dá)停止工作，直至再次接收到站臺門關(guān)閉的信號，然后重新開始啟動探測。

間隙探測主機將處理結(jié)果上傳到車站管理服務(wù)器，進行數(shù)據(jù)分類存儲，用于歷史數(shù)據(jù)回放，同時將結(jié)果發(fā)送至車站調(diào)車辦公室，使調(diào)度中心工作人員收到地鐵站臺門間隙智能探測系統(tǒng)的報警信息后，人工進行應(yīng)急處理，從多方面提升列車運營的安全性[15]。具體工作流程如圖7所示。

圖7 工作流程

2.5 系統(tǒng)組成

系統(tǒng)主要由激光雷達(dá)、間隙探測主機、車站管理服務(wù)器等組成。

激光雷達(dá)負(fù)責(zé)執(zhí)行探測功能。其帶有模擬分析軟件，能夠根據(jù)激光脈沖的反饋確定遮擋物的外形及位置信息，激光雷達(dá)一般安裝在站臺門的頂部位置，每道門設(shè)置1組，亦可若干節(jié)車廂設(shè)置1組。

車站管理服務(wù)器，即系統(tǒng)的控制中樞，設(shè)置在站臺門設(shè)備室，負(fù)責(zé)控制雷達(dá)探測器的啟停、遮擋物信息的報警及相關(guān)數(shù)據(jù)信息上傳，且對系統(tǒng)的運行狀態(tài)及故障信息進行實時監(jiān)測，將報警信息通過列車自動控制(Automatic Train Control，ATC)網(wǎng)絡(luò)反饋給聯(lián)鎖模塊和列車自動監(jiān)控(Automatic Train Supervision，ATS)模塊[16]。

間隙探測主機位于車頭位置的端門外，具有障礙物信息的聲光報警提示，以及系統(tǒng)旁路操作等功能。

智能探測系統(tǒng)在運行過程中，站臺門得到關(guān)門指令，系統(tǒng)也同時得到啟動命令開始計時探測，一旦檢測到障礙物，系統(tǒng)將反饋警示信息，重新開始計時，直到在一定的計時時間內(nèi)沒有障礙物信息，才允許發(fā)車，否則信號系統(tǒng)不允許發(fā)車，并通知人工處理。

系統(tǒng)框圖如圖8所示。

圖8 系統(tǒng)框圖

2.6 軟件流程

間隙探測主機通過列車ATC網(wǎng)絡(luò)與聯(lián)鎖模塊連接，聯(lián)鎖模塊將屏蔽門與列車門均關(guān)閉的信號發(fā)送至間隙探測主機[17]。間隙探測主機控制激光雷達(dá)開始發(fā)射激光掃描面進行障礙物的掃描檢測。激光雷達(dá)在列車與屏蔽門之間的區(qū)域沒有檢測到障礙物，則列車門與站臺門的狀態(tài)將更改為“關(guān)閉且鎖閉”。聯(lián)鎖模塊將列車門與站臺門關(guān)閉且鎖閉的信號通過間隙探測主機控制激光雷達(dá)停止工作，直至再次接收到列車門與屏蔽門均關(guān)閉的信號重新開始啟動。間隙探測主機將處理結(jié)果發(fā)送到ATS模塊，使ATS調(diào)度中心工作人員收到地鐵站臺門間隙智能探測系統(tǒng)的報警信息后，進行人工應(yīng)急處理，并保證站臺內(nèi)的列車不會發(fā)出。同時還將報警信息發(fā)送給聯(lián)鎖模塊，從多方面提升列車運營的安全性。系統(tǒng)軟件工作流程如圖9所示。

圖9 系統(tǒng)軟件工作流程

2.7 安裝方式

安裝方式主要包括頂裝安裝和地面安裝兩種方案，在實際工程應(yīng)用中，應(yīng)結(jié)合車站設(shè)置條件、運營需求選擇適合的安裝方式。

2.7.1 頂裝安裝方式

頂裝安裝方式適用于直線、曲線站臺，每個站臺門內(nèi)側(cè)上方安裝激光雷達(dá)，安裝高度要求離站臺地面不小于3 m，覆蓋范圍不小于10 m寬度(即2個站臺門)，有效檢測面不小于5 cm×5 cm的目標(biāo)。頂裝安裝示意如圖10所示。

圖10 頂裝安裝示意

此種安裝方式優(yōu)點為：不占用站臺門與列車門之間的寬度，不會產(chǎn)生侵限問題。缺點為：對車站安裝位置高度有一定要求，且單臺激光雷達(dá)檢測范圍較小，一側(cè)站臺需布置的設(shè)備數(shù)量多，投資較高。

2.7.2 地面安裝方式

地面安裝方式適用于直線、曲線站臺，每個站臺門內(nèi)側(cè)上方安裝激光雷達(dá)，安裝高度要求離站臺地面不低于0.5 m，覆蓋長度0～200 m(即2個屏蔽門)，有效檢測障礙物直徑不小于20 cm、高度20 cm的目標(biāo)。地面安裝示意如圖11所示。

圖11 地面安裝示意(俯視)

此種安裝方式優(yōu)點為：設(shè)備數(shù)量少、投資低、檢測范圍大，不占用站臺門與列車門之間的寬度，不會產(chǎn)生侵限問題[18]。缺點為：需考慮設(shè)備安裝不能侵限，且隨著檢測距離增大，檢測障礙物的體積會增加。

3 3D激光雷達(dá)間隙智能探測系統(tǒng)測試

測試主要為工廠測試、實驗室測試及現(xiàn)場測試3部分。

3.1 工廠測試

工廠測試為系統(tǒng)各部件在工廠內(nèi)的設(shè)備性能測試。

工廠測試內(nèi)容主要為激光雷達(dá)系統(tǒng)的高溫試驗、低溫試驗、恒定濕熱試驗、DC電源試驗、絕緣電源試驗和振動試驗[19]。經(jīng)試驗，測試項目均滿足要求。

3.2 實驗室測試

實驗室測試是通過模擬運營環(huán)境進行站臺門間隙探測設(shè)備的測試，驗證站臺門與車門之間間隙存在障礙物的探測功能。

實驗室試驗項目包括防區(qū)內(nèi)報警物檢測、光斑尺寸檢測、污染報警功能檢測、環(huán)境記憶測試、報警門定位功能、多門并發(fā)功能、與信號/ISCS專業(yè)的聯(lián)動、隔離/旁路功能的測試。經(jīng)測試，上述試驗項目均合格。

3.3 現(xiàn)場測試

現(xiàn)場測試是間隙探測各設(shè)備在實際情況下進行測試，主要包含設(shè)備性能測試(如IP防護等級、電源適應(yīng)性測試、高低溫測試等)和設(shè)備功能測試(如設(shè)備探測測試、設(shè)備聯(lián)動功能測試)，目的是為判定該產(chǎn)品是否能滿足相關(guān)規(guī)定及業(yè)主所需的功能與性能指標(biāo)。主要的測試為探測報警，光斑檢測[20]，污染報警，環(huán)境記憶，報警門定位，多門并發(fā)報警，與信號、ISCS專業(yè)的聯(lián)動，隔離/旁路功能。

現(xiàn)場測試原定為利用北京地鐵新機場線新機場航站樓站真實環(huán)境進行正線測試。實驗現(xiàn)場主要具備全套信號設(shè)備、列車設(shè)備、滑動門及固定門、應(yīng)急門等，其中站臺門為全高站臺門。后期因新機場線開通時間原因，暫未進行。目前，3D激光雷達(dá)間隙智能探測系統(tǒng)已在京張高鐵八達(dá)嶺長城站安裝完成，且于2019年12月底京張高鐵開通運營至今，現(xiàn)場使用情況良好。圖12為京張高鐵八達(dá)嶺長城站間隙探測系統(tǒng)現(xiàn)場，圖13為現(xiàn)場測試結(jié)果。

圖12 京張高鐵八達(dá)嶺長城站間隙探測系統(tǒng)現(xiàn)場

圖13 測試結(jié)果展示

根據(jù)目前的使用情況，現(xiàn)場測量情況均與實驗室測試結(jié)果一致，測試準(zhǔn)確率達(dá)100%。

4 結(jié)語

針對站臺門防夾系統(tǒng)提出3D激光雷達(dá)檢測法，其原理采用激光雷達(dá)將激光脈沖向掃描角度內(nèi)的各個方向掃描而形成三維掃描面，與邊界條件進行對比分析，進而確定遮擋物的大小及位置信息。其主要由激光雷達(dá)、間隙探測主機、車站管理服務(wù)器等組成，其安裝形式主要包括頂裝安裝和地面安裝兩種方案。本方法可實現(xiàn)空間檢測，具有檢測距離遠(yuǎn)、探測位置精確、可靠性高等優(yōu)點。較物理措施更具主動防護性，較傳統(tǒng)電氣措施更具穩(wěn)定性、設(shè)備安裝簡單等特點，且系統(tǒng)具有自診斷功能和完善的故障處理策略，并采用高效算法即時輸出檢查結(jié)果，系統(tǒng)運行全過程痕跡記錄，較傳統(tǒng)方法更具可靠性、先進性、智能性。

目前，已對3D激光雷達(dá)間隙智能探測系統(tǒng)進行工廠測試、實驗室測試及試驗線測試，滿足功能需求，并成功應(yīng)用于京張高鐵八達(dá)嶺長城站的站臺門系統(tǒng)中，符合京張高鐵智能化需求，為后續(xù)站臺門防夾系統(tǒng)設(shè)計提供借鑒。