葛逸濤，呂長運(yùn)，周炎淼，張志恒，甘 婧

（1.合肥工業(yè)大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，安徽合肥 230009；2.合肥工業(yè)大學(xué) 計(jì)算機(jī)學(xué)院，安徽合肥 230009；3.合肥工業(yè)大學(xué) 本科生院，安徽合肥 230009）

隨著我國社會(huì)快速發(fā)展，國內(nèi)基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)水平日益提高以及各類國際性活動(dòng)在我國召開，使得安檢工作的重要性日益提高，我國安檢設(shè)備應(yīng)用需求也不斷增長。由于人員與物品的流動(dòng)性提高，傳統(tǒng)安檢機(jī)在使用過程中具有明顯的局限性，文獻(xiàn)[1]對我國城市地鐵安檢故障進(jìn)行歸納，指出現(xiàn)有安檢機(jī)存在無法清晰掃描并呈現(xiàn)重復(fù)物品，且存在漏檢現(xiàn)象等問題，繼而圍繞安檢流程、安檢隊(duì)伍以及公眾參與度3個(gè)方面提出建議和改進(jìn)措施。文獻(xiàn)[2]指出軌道交通對安檢設(shè)備的高要求，并對X 射線在安檢機(jī)中有效應(yīng)用進(jìn)行分析，進(jìn)而來支持其對安檢速度不達(dá)標(biāo)，乘客滯留問題的改善。上述研究均聚焦于安檢設(shè)備應(yīng)用流程的優(yōu)化或掃描技術(shù)的改進(jìn)，卻忽略了安檢機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面存在的問題。

目前，關(guān)于安檢機(jī)的設(shè)計(jì)優(yōu)化研究主要包括新檢測技術(shù)應(yīng)用、安檢機(jī)功能拓展等方面。在X 光檢測技術(shù)中，文獻(xiàn)[3]構(gòu)建了基于YOLOv3深度卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的違禁品檢測探碼器；文獻(xiàn)[4]在雙能X 射線的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了一種基于復(fù)合辛普森公式的危險(xiǎn)品識別系統(tǒng)。在安檢機(jī)功能拓展方面，文獻(xiàn)[5]提出了以物聯(lián)網(wǎng)為基礎(chǔ)的新型安檢機(jī)研發(fā)理念；文獻(xiàn)[6]在安檢機(jī)上集成了無感測溫、消毒和移動(dòng)式查驗(yàn)等多項(xiàng)技術(shù)。這些方法解決了安檢機(jī)目前存在的檢測效率低下以及精度不高的問題，但仍存在以下不足之處：①大多改進(jìn)方案集中于提高X 射線方面技術(shù)，但沒考慮機(jī)械結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)；②結(jié)構(gòu)改進(jìn)方案僅考慮安檢效率的提高，忽略了提升行李使用者的主觀感受。

針對以上問題，引入了一種空間并行旋轉(zhuǎn)安檢的設(shè)計(jì)思路，結(jié)合傳統(tǒng)安檢機(jī)以及旋轉(zhuǎn)門的結(jié)構(gòu)，提出了一款基于旋轉(zhuǎn)式設(shè)計(jì)的安檢機(jī)的設(shè)計(jì)方案。相較于傳統(tǒng)安檢設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，所提安檢機(jī)優(yōu)點(diǎn)如下：

（1）采用旋轉(zhuǎn)式傳輸方式，空間并行方式進(jìn)行行李安檢，提高安檢效率的同時(shí)縮短安檢所需的時(shí)間。

（2）采用大件行李推入、小件行李懸掛的安檢方式，減少漏檢現(xiàn)象，避免彎腰動(dòng)作。

（3）圓柱式設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)過程考慮整體美觀性，減少占地面積，提高空間利用率以及考慮使用者的心理需求。

1 現(xiàn)狀及問題分析

X 光機(jī)安檢設(shè)備一般由X 射線發(fā)射器、圖像系統(tǒng)、輸送機(jī)系統(tǒng)等部分組成，實(shí)現(xiàn)對物品的分辨，并通過圖像處理系統(tǒng)實(shí)時(shí)處理彩色/黑白圖像，實(shí)現(xiàn)圖像增強(qiáng)、回拉、報(bào)警、檢索等功能，并對不同的材料賦予不同的顏色，便于人員直觀快速識別判斷[7]。依據(jù)安檢機(jī)傳送帶的高度，可將其分為低臺式安檢機(jī)以及高臺式安檢機(jī)，傳送帶的高度直接導(dǎo)致了用戶在使用過程中產(chǎn)生不同的問題。

高臺式安檢機(jī)（圖1）體積小、重量輕、耗電低，適用于核電站、政府機(jī)關(guān)、郵檢中心等地對小件物品的安全檢查。但其存在由于傳送高度過高致使大件行李提放費(fèi)力的缺點(diǎn)。

圖1 高臺式安檢機(jī)示意圖

低臺式安檢機(jī)（圖2）的入口通常是水平式設(shè)計(jì)，出口處有水平式設(shè)計(jì)及斜坡式設(shè)計(jì)。低臺式的設(shè)計(jì)有利于大件行李的提放，但不符合人體工程學(xué)，效率較低并且斜坡與傳送帶的連接處易造成行李堆積。

圖2 低臺式安檢機(jī)示意圖

除此之外，團(tuán)隊(duì)在合肥南站進(jìn)行實(shí)地調(diào)查研究與痛點(diǎn)分析。根據(jù)超過500個(gè)樣本的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，發(fā)現(xiàn)約有20%的人存在提放行李困難的問題。其原因?yàn)殂U簾的阻力作用，平臺高度影響及安檢機(jī)傳送帶速度與人的安檢速度不匹配。根據(jù)文獻(xiàn)[8]，將乘客通過時(shí)間分為放包時(shí)間、放行李箱時(shí)間、行李通過時(shí)間和乘客通過時(shí)間。通過圖3可得，行李的大小與行李的通過時(shí)間存在著正相關(guān)的關(guān)系，其次，大小行李通過時(shí)間的差異影響人的通過時(shí)間，降低安檢效率，傳送帶速度慢，乘客通過時(shí)間主要被行李通過時(shí)間拉長，拿行李過程中產(chǎn)生擁堵以及行李箱的放置時(shí)間是放包時(shí)間的2倍多，行李箱放置存在困難。人、行李和背包的相關(guān)流量統(tǒng)計(jì)分析顯示小件行李的流量基本與人流量一致，而大件行李的流量是小件行李的1/5左右，流量的差異導(dǎo)致安檢時(shí)間的差異，有必要統(tǒng)一安檢時(shí)間來提高同時(shí)處理不同類型行李的安檢效率。

圖3 乘客通過時(shí)間統(tǒng)計(jì)

綜上所述，需要設(shè)計(jì)一款能夠統(tǒng)一不同行李安檢時(shí)間，提高安檢效率，契合人體工程學(xué)以及匹配行人與行李的安檢時(shí)間的安檢機(jī)。

2 研究方案

2.1 方案概述

為了適應(yīng)不同大小的行李，本文采用旋轉(zhuǎn)門的設(shè)計(jì)，改變了傳統(tǒng)安檢機(jī)線性的行李傳輸方式。本文提出的旋轉(zhuǎn)式安檢機(jī)的設(shè)計(jì)方案，能夠支持大小行李同步通過安檢機(jī)。其中，安檢機(jī)內(nèi)部空間平均分為4個(gè)格子，每個(gè)格子的旋轉(zhuǎn)時(shí)間為3 s，總旋轉(zhuǎn)時(shí)間為12s。大件行李直接推入安檢機(jī)，小件行李采取懸掛式的形式。以圓柱為基本型進(jìn)行形態(tài)的設(shè)計(jì)，整體為半封閉設(shè)計(jì)（圖4）。

圖4 旋轉(zhuǎn)式安檢機(jī)模型示意圖

2.2 安檢機(jī)設(shè)計(jì)方案組成

安檢機(jī)整體結(jié)構(gòu)分為底座、頂蓋和轉(zhuǎn)盤3個(gè)部分，利用電子控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)整個(gè)安檢過程的機(jī)械運(yùn)轉(zhuǎn)。

轉(zhuǎn)盤隔間上方安置掛鉤，用于懸掛小件行李，避免彎腰動(dòng)作，符合人體工程學(xué)并且安全高效。

配備緊停開關(guān)與指示燈，緊停開關(guān)在出現(xiàn)意外情況時(shí)可緊停安檢機(jī)，指示燈顯示機(jī)器的工作狀況以及X 光的發(fā)射情況。

頂蓋處裝有光管發(fā)射系統(tǒng)，光管發(fā)射系統(tǒng)主要由光管發(fā)射器、光線調(diào)節(jié)裝置以及光線接受裝置組成。光管發(fā)射器發(fā)射X 射線，由準(zhǔn)直支架和光管調(diào)整塊調(diào)整X 射線，X 射線被物體吸收后照射于L 形擋板，繼而被探測器接收并轉(zhuǎn)化為信號發(fā)送到電子設(shè)備上。

轉(zhuǎn)盤下的稱重盤采用雙層安裝的形式，平臺之間采用壓力傳感器進(jìn)行測重，測重信號通過驅(qū)動(dòng)板將數(shù)據(jù)傳入單片機(jī)，單片機(jī)通過電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊控制步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行旋轉(zhuǎn)。如果被測物體重量超重，單片機(jī)會(huì)發(fā)出報(bào)警信號，安檢機(jī)停止運(yùn)行，報(bào)警信號燈亮起。

圖5 光管發(fā)射系統(tǒng)示意圖

3 研究方案的驗(yàn)證

本團(tuán)隊(duì)利用西門子人機(jī)工程仿真軟件Jack 進(jìn)行動(dòng)畫驗(yàn)證，采用符合人體工程學(xué)分析工具，先進(jìn)的姿勢算法來驗(yàn)證旋轉(zhuǎn)式安檢機(jī)安檢可行性，是否會(huì)產(chǎn)生乘客錯(cuò)過拿出行李的時(shí)間或需等待較長時(shí)間才能拿到行李的情況，以及安檢路線設(shè)計(jì)的合理性。

建立一個(gè)虛擬環(huán)境，并對虛擬人指派任務(wù)，同時(shí)對其進(jìn)行人機(jī)工效學(xué)的評價(jià)并進(jìn)行分析。其中人物任務(wù)設(shè)定主要分為排隊(duì)場景模擬、行李箱的拿取與放置、人物路徑設(shè)定等。還對安檢機(jī)的旋轉(zhuǎn)以及行李箱的路徑進(jìn)行了設(shè)置。其中安檢機(jī)的旋轉(zhuǎn)速度為一格3 s，1周12 s。

通過模擬，得出對于乘客而言，有充足的時(shí)間完成個(gè)人的安檢，并且余留部分的時(shí)間去拿取自己的行李，行人安檢速度與安檢機(jī)安檢速度相匹配，人機(jī)工效學(xué)評價(jià)良好，符合本產(chǎn)品的設(shè)計(jì)要求。

借鑒于文獻(xiàn)[10]和文獻(xiàn)[11]對安檢機(jī)進(jìn)行外型設(shè)計(jì)，并考慮安檢機(jī)使用場合的特性，給予黑色外觀的配色，其不僅令使用者對安檢機(jī)保持一種技術(shù)可靠的視覺感受，也保證行李安檢過程不被他人觀察的嚴(yán)謹(jǐn)性，設(shè)計(jì)總圖如圖6所示。

圖6 安檢機(jī)總設(shè)計(jì)圖

4 結(jié)論

設(shè)計(jì)和研制了基于旋轉(zhuǎn)式設(shè)計(jì)的安檢機(jī)。安檢機(jī)采取大件行李推入、小件行李懸掛式的安檢形式，契合人體工程學(xué)問題；旋轉(zhuǎn)式設(shè)計(jì)提高了空間資源的利用率，使得安檢速度與行人通行速度一致，有效改善安檢時(shí)的人群擁堵問題；圓柱形設(shè)計(jì)節(jié)省占地面積，兼具美觀性。本設(shè)計(jì)產(chǎn)品在基于對合肥南站實(shí)地調(diào)研數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，通過Jack 軟件模擬驗(yàn)證，證實(shí)其有利于提高安檢效率和優(yōu)化安檢流程。為大型機(jī)場以及火車站提供了新安檢機(jī)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)思維，并具有實(shí)際的工程應(yīng)用價(jià)值和研究理論。