帶溫度檢測(cè)的鐵路通行閘機(jī)設(shè)計(jì)

張松林，費(fèi) 冬

(通號(hào)通信信息集團(tuán)有限公司，北京 100070)

1 概述

近年來(lái)，非典、甲流、禽流感、埃博拉等疫情頻發(fā)，尤其是2019 年底新冠狀病毒疫情突襲，給交通出行以及出入口管控等帶來(lái)了巨大挑戰(zhàn)。體溫是表征人體是否健康的重要指標(biāo)之一，是判斷臨床疾病和生命體征的重要依據(jù)，感染疫情人員很多都伴隨著體溫升高等異常現(xiàn)象。通過(guò)體溫的準(zhǔn)確測(cè)量能夠快速分離出疑似發(fā)病人群，避免疫情的大范圍傳播。

鐵路車(chē)站每天有大量的旅客進(jìn)出，是控制人員流動(dòng)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，在當(dāng)前的疫情防控中，緊急添加的測(cè)溫功能是作為一個(gè)單獨(dú)的新增部件存在，未與現(xiàn)有設(shè)備有效融合。閘機(jī)作為鐵路進(jìn)出口管控的核心設(shè)備，本文設(shè)計(jì)在其上添加測(cè)溫判斷功能，將人員放行與體溫監(jiān)測(cè)結(jié)合，能夠減少排隊(duì)和工作的流程，提高鐵路通行效率，更加方便疫情管控。

2 既有測(cè)溫模式

常用的水銀體溫計(jì)精度能夠達(dá)到0.1℃，但由于采用接觸式測(cè)溫模式，測(cè)量速度慢且存在感染風(fēng)險(xiǎn)，目前在疫情監(jiān)控上對(duì)于人體體溫的測(cè)量基本上基于非接觸式的紅外線測(cè)量溫度計(jì)，有條件的地方采用紅外線熱成像技術(shù)進(jìn)行溫度計(jì)量。

紅外測(cè)溫儀可以被動(dòng)地接收物體發(fā)出的紅外輻射從而轉(zhuǎn)變?yōu)闊釄D像，熱圖像上面的不同顏色代表被測(cè)物體的不同溫度。采用紅外非接觸式體溫檢測(cè)，可實(shí)現(xiàn)快速體溫篩查，進(jìn)行遠(yuǎn)距離、大面積檢測(cè)，降低交叉感染風(fēng)險(xiǎn)。一旦發(fā)現(xiàn)異常體溫人員，系統(tǒng)自動(dòng)響應(yīng)，做到早發(fā)現(xiàn)、早隔離、早治療，實(shí)現(xiàn)有效控制。

3 溫度校正

紅外溫度測(cè)量的測(cè)溫精度與物體發(fā)射率、大氣傳輸損耗、環(huán)境輻射、目標(biāo)距離等多種因素有關(guān)。

人體的發(fā)射率可達(dá)0.99 以上，是一個(gè)良好的紅外輻射體。大氣的傳輸損耗針對(duì)不同波長(zhǎng)是不一樣的，紅外線在傳輸過(guò)程中會(huì)出現(xiàn)一定的衰減，遠(yuǎn)距離測(cè)溫可導(dǎo)致所測(cè)溫度偏低，設(shè)計(jì)的閘機(jī)系統(tǒng)中溫度數(shù)據(jù)的采集在固定位置完成，距離對(duì)測(cè)溫精度的影響可以精確補(bǔ)償。車(chē)站等場(chǎng)所的環(huán)境輻射復(fù)雜，干擾因素多，需要采用黑體進(jìn)行實(shí)時(shí)校正，最佳的測(cè)試距離通常在黑體前后2 ～3 m 為有效檢測(cè)區(qū)域，黑體下方位置最佳[1]。基于閘機(jī)目前的尺寸也可以方便的進(jìn)行黑體校正。

4 結(jié)構(gòu)布局設(shè)計(jì)

結(jié)合紅外黑體測(cè)量的有效距離以及既有閘機(jī)本身的空間，每一個(gè)通道閘機(jī)安裝一個(gè)紅外測(cè)溫儀，通過(guò)高度和角度的調(diào)整，使其僅能有效測(cè)量本通道通行人員的體溫，尤其是額溫，在人員通過(guò)閘機(jī)通道的有限距離和范圍內(nèi)，對(duì)人體最高溫度進(jìn)行多次測(cè)量和比對(duì)，并決定是否開(kāi)門(mén)。將測(cè)溫組件安裝在閘機(jī)中部[2]，通過(guò)支架固定在機(jī)殼上，如圖 1 所示。

根據(jù)郭幫輝等人的研究中相關(guān)公式推導(dǎo)的結(jié)論，紅外測(cè)溫系統(tǒng)的探測(cè)元面積、相對(duì)靈敏度、最大靈敏度、探測(cè)器帶寬、系統(tǒng)焦距和入瞳直徑都是由紅外系統(tǒng)確定，對(duì)于相同條件下的同一目標(biāo)，測(cè)試距離變化時(shí)，探測(cè)器的輸出信號(hào)只與目標(biāo)距離和視場(chǎng)角相關(guān)[3]。

1）測(cè)溫位置及角度

閘機(jī)長(zhǎng)度1 948 mm，寬度210 mm，高度1 020 mm，機(jī)頭長(zhǎng)度600 mm，高度260 mm，寬度210 mm，人體的寬度取中間值450 mm，頭部寬度170 mm。通道寬度取標(biāo)準(zhǔn)通道的數(shù)值650 mm。紅外測(cè)溫設(shè)備的安裝位置在機(jī)頭和門(mén)軸之間，相關(guān)安裝示意如圖 2 所示。

圖2 位置及角度范圍Fig.2 Position and angle range

根據(jù)現(xiàn)行的鐵路通行規(guī)則，當(dāng)旅客到達(dá)閘機(jī)時(shí)，站在閘機(jī)的外側(cè)靠近機(jī)頭處右手持卡或票進(jìn)行驗(yàn)證。根據(jù)設(shè)計(jì)在此時(shí)對(duì)人體的額溫進(jìn)行測(cè)量，在票證人比對(duì)的結(jié)果上，體溫正常則放行通過(guò)。

依據(jù)兩個(gè)安裝位置極限，為防止緊鄰?fù)ǖ赖母蓴_，紅外測(cè)溫儀的最大水平角范圍為33 °～38 °之間，最小的水平角范圍7.6 °～11.9 °之間。根據(jù)此分析來(lái)選擇合適參數(shù)的紅外測(cè)溫儀。

人體的測(cè)量溫度通常在35 ℃～42 ℃范圍內(nèi)，隨著溫度的升高，紅外測(cè)溫儀的測(cè)量誤差逐漸增大；隨著測(cè)量的距離增加，測(cè)量誤差逐漸增大[4]。

根據(jù)以上分析，紅外測(cè)溫儀在靠近機(jī)頭處距離近，誤差小；靠近門(mén)軸處距離遠(yuǎn)，誤差大。

2）測(cè)溫高度及角度

由于測(cè)溫模塊的高度可以通過(guò)連接桿的高度進(jìn)行調(diào)節(jié)，對(duì)人體體表的測(cè)溫一般測(cè)量額溫，可以很好地反映被測(cè)人體的溫度狀態(tài)。

根據(jù)《成年人頭面部尺寸》(GB/T 2428-1998)，男性頭長(zhǎng)分布范圍在150 ～215 mm，頭寬范圍在130 ～175 mm，取頭長(zhǎng)200 mm，頭寬170 mm 的范圍則能覆蓋99.91%的男性，女性頭長(zhǎng)在145 ～200 mm，頭寬在130 ～175 mm，取頭長(zhǎng)200 mm，頭寬170 mm 的范圍則能覆蓋99.99%的女性[5]。

人體裸露的面部血管較多且表皮較薄，此部分溫度可以很好地反映被測(cè)人體的狀態(tài)，故宜選用帶有人臉模擬功能的紅外測(cè)溫儀，減少其他部位的影響。結(jié)合人臉識(shí)別進(jìn)行額頭的溫度標(biāo)記，更精確測(cè)量額溫。

5 接口設(shè)計(jì)

目前，通用的測(cè)溫模塊的硬件接口支持RS-232、USB 以及RJ-45 等，在本地處理數(shù)據(jù)時(shí)通常將其直接接在工控機(jī)相關(guān)接口上，一般工控機(jī)會(huì)有多個(gè)COM 口和USB 接口，因此選擇RS-232 和USB進(jìn)行連接，優(yōu)先選用USB 連接。

在既有的工控機(jī)上部署溫度顯示和判斷軟件，對(duì)傳送過(guò)來(lái)的溫度數(shù)據(jù)進(jìn)行比選判斷，溫度正常時(shí)，按照既有的閘機(jī)通行策略進(jìn)行，發(fā)現(xiàn)異常時(shí)直接給閘機(jī)主控板下發(fā)關(guān)門(mén)以及報(bào)警指令。

6 通行邏輯設(shè)計(jì)

既有閘機(jī)通行邏輯主要用于識(shí)別行人的通道閘門(mén)通行狀態(tài)，判斷行人是否合法通行，并且可以判斷行人是否處于安全光幕保護(hù)區(qū)內(nèi)，保證行人的人身安全[6]。增加溫度測(cè)量模塊后，整個(gè)閘機(jī)通行的邏輯示意如圖 3 所示。

7 結(jié)論

通過(guò)對(duì)既有閘機(jī)的改造設(shè)計(jì)，在不影響既有閘機(jī)運(yùn)行的前提下，通過(guò)黑體對(duì)溫度數(shù)據(jù)校正，保證測(cè)量精度，能夠快捷篩選出疑似患者，同時(shí)也方便接入既有系統(tǒng)[7]，同時(shí)也符合現(xiàn)有鐵路閘機(jī)的相關(guān)技術(shù)規(guī)范[8-9]。在人員佩戴口罩、眼鏡和帽子，以及有劉海遮擋額頭時(shí)，可借助AI 算法進(jìn)行優(yōu)化，大大提高檢測(cè)的準(zhǔn)確度和通行效率，方便疫情防控。

圖3 通行邏輯Fig.3 Pass logic