AFC系統閘機扇門模塊的三維建模及仿真

李建偉

摘要：隨著支付方式多樣化，AFC系統越來越多應用于城市公共交通中。根據A市地鐵站點AFC系統具體應用現狀，本文從AFC服務本身和客運經驗出發，分析AFC系統現狀，并對地鐵閘機扇門模塊進行三維建模及仿真。隨著城市軌道交通自動檢票系統發展和進步，在AFC系統終端設備中使用建模設計變得越來越重要，通過建模計算可以分析其運行情況，更換缺陷模塊，節省檢查設備時間，減少維修、并節省社會成本。

關鍵詞：AFC系統;閘機扇門模塊;三維建模;仿真

伴隨互聯網技術發展和移動支付日益普及，特別是隨著二維碼技術在支付領域迅猛發展，越來越多城市逐漸開放二維碼移動支付購票功能。與傳統方法（如手動票證銷售）相比，使用移動應用程序創建二維碼來購買票證并刷卡通過閘機，可以減少乘客隊列、改善運行管理、提升乘客體驗以及降低設備使用頻率和降低成本。

1 概述

AFC系統全名是自動售檢票系統，包括半自動售票機、自動售票機、自動開票和計算機控制統計數據封閉式自動網絡系統。AFC系統是一個基于計算機、通信、網絡、自動控制等技術自動系統，實現購票、票務控制、計費、統計、檢票進站、分類管理等多更能全過程自動化控制。乘客通過閘機時，由于機器自動識別，偶爾會出現無法識別情況，卡證失效或是檢票系統故障，影響乘客出行，甚至造成閘機扇門碰撞、擠壓乘客。針對這些情況，交通地鐵企業需要進行及時改善，減少此類情況發生，防止因閘機扇門問題造成意外事故。

2 建模

2.1建立三維模型優勢。鑒于上述問題，對A市AFC系統中地鐵閘機扇門模塊進行三維建模。通過設備三維模型，可以擴大該模塊實際應用能力并有助于解決實際設計和生產中困難問題。因此，有必要對閘機扇門模塊進行 3D 建模，以提高其易用性和實用性[1]。

2.2行人碰撞模型。在AFC系統閘機扇門模塊應用中，由于早晚高峰易造成人流擁擠，針對此情況進行三維模擬。行人和扇門之間碰撞位置通常發生在成年人腹部，因此碰撞模擬可以簡化為行人腹部碰撞，并且可以用腹部模型替換行人模型，碰撞模擬中以圓筒狀橡膠制品為參照物。普通人一步通常需要0.50-0.55秒。步行速度可設定為1.5公尺/秒，以此數據作為參照物前行速度。

2.2 ABAQUS有限元模型。ABAQUS 軟件是一款功能強大工程模擬有限元軟件，具有完美數據接口，可以與許多高級 CAD 部件共享數據。閘機站門和腹部模型是由Pro/E軟件創建實體模型，然后在ABAQUS分析軟件中引入。導入固定模型后，遵循模型預處理方法，主要包括確定材料和邊界條件、應用載荷和分割網格的過程。下表列出材料性能主要參數。

在邊界條件下，有在三維模擬中聚氨酯和鋼板緊密相連，充分保證它們協同工作，鋼板和聚氨酯受結合約束。同樣，兩個腹部實體模型受到約束。扇門模型和腹部模型與采用加速度處理，到達后二者接觸碰撞。腹部模型向前平移，模型之家距離設定約為2-3米遠，對腹部模型施加速度載荷[2]。

3 仿真

本文以A市地鐵為例，為每組閘機進行編號處理，具體詳見下圖。其中 1號與 6 號閘機組為出站閘機，分別通向A市火車站北廣場與南廣場。其中1號閘機組共有12臺閘機，6 號閘機組共有6臺閘機，2、3、4、5 號閘機組為進站閘機，各有8臺閘機，其中 2 號與 5 號閘機組暫停運行。本部分通過仿真主要研究閘機通過能力，為方便研究，對一些其他設施設備做簡化處理。A市地鐵火車站乘客多為換乘客運站乘客，且大多都攜帶大件行李，所以行動與通勤客流相比較為緩慢。經過現場調研，得到各閘機組平均客流量數據，通過表中數據，可以看到在A市地鐵站口各個閘機組每小時通過客流都有數千人，客流量較大，在調研時發現閘機口經常出現擁擠堵塞現象，進而造成乘客與閘機扇門發生碰撞，這說明A市地鐵AFC系統閘機扇門模塊需要得到改善。

乘客由進站到乘車以及由乘車到出站過程決定仿真流程所需模塊以及具體流程順序。乘客在地鐵站廳層集散過程分為進站過程與出站過程。乘客進站過程如下圖所示，通過下圖可以看到，乘客進站后通過AFC系統以不同方式進行購票，然后進入檢票口通過閘機，經過閘機進站過程一致。在通過閘機后，再通過不同扶梯與樓梯到達站臺層候車。出站乘客經由不同扶梯樓梯口到達站廳，然后通過出站閘機，由各出站口完成出站。本文重點研究閘機通過能力，對其過程進行簡化處理[3]。

通過仿真結果，可以看到在 1 號出站口其閘機數量充足，雖然客流量大，但沒有產生擁擠踩踏現象，乘客可以順利通過閘機到達地鐵口完成出站。對于進站閘機組，可以通過熱度圖明顯看出乘客在閘機處聚集產生擁擠排隊現象，其相應附近扶梯口處產生擁擠現象，這說明這兩處進站閘機組需要進行改進，防止意外風險。對于出站閘機組，由于其閘機數量相對較少，即使其出站客流量少，但從仿真結果看也有擁擠排隊現象，這說明此處閘機組也需要改進布置，增加閘機數量[4]。

4 結語

綜上所述，基于工業計算機發展，地鐵AFC系統目前應用廣泛，為人民群眾帶來極大便利，使市民日常出行減少不必要時間浪費。現代城市交通中AFC系統閘機擁有多層次、多流程管理，符合軌道交通安全性、穩定性和高實時運行特性。但同時閘機扇門模塊存在人流量大，易造成人員擁堵、碰撞現象。通過對其進行三維建模模擬和仿真，分析AFC系統中閘機扇門現存問題，并提出改善建議。該模擬可減少初始投資，提高交通效率，并基于工業計算機設計重新檢查閘門安全性和穩定性

參考文獻：

[1]田立，田莉莉.地鐵閘機扇門機構專利技術分析[J].中國科技信息，2020（12）：18-20+14.

[2]王帥.北京地鐵13號線閘機改造方案研究[J].機械工程與自動化，2020（03）：199-202.

[3]潘穎芳.軌道交通自動售檢票系統全球專利分析研究[J].天津科技，2020，47（06）：65-68.

[4]柳澤原，彭宏勤.基于Anylogic的地鐵車站閘機口通過能力仿真研究[J].交通運輸系統工程與信息，2018，18（S1）：110-114.

（作者單位：蘇州市軌道交通集團有限公司運營一分公司）