基于多傳感融合的地鐵站臺門與列車門間隙防夾探測系統研究

周天龍，李大偉，王 飛，吳 昊，何海鵬，莊加局

（1.寧波中車時代電氣設備有限公司，浙江寧波 315112；2.寧波市軌道交通集團有限公司，浙江寧波 315010）

站臺門作為軌道區與站臺區的安全有效隔離設備，起到了保證運營安全、節能的作用。如今在國內各城市的地鐵線路中，站臺門已經作為標配設備被廣泛使用。根據GB 50157-2013《地鐵設計規范》的要求，當車輛采用塞拉門時，站臺門的門體至車輛輪廓線（未開門）之間的凈距離應為130（-5，+15）mm，由于車輛輪廓線是弧形的，站臺門是直線的，因此站臺門和列車門之間的間隙值實際上不低于130 mm，特別是曲線站臺，該間隙值可達210 mm。該間隙值使乘客易夾在列車門與站臺門之間，目前在上海、北京等人流密集的地鐵車站，已多次出現因乘客或物品進入站臺門與列車之間的間隙而影響地鐵列車運營甚至發生乘客傷亡的事件。因此，在列車門與站臺門間隙處采用有效的防護方案是非常必要的。本文通過對比分析現有（傳統）間隙探測方案的不足，并結合國內某條線路的激光對射產品運行情況進行分析，提出一種基于多傳感融合的探測系統，可解決傳統探測方案的不足，并提高全自動運行模式下探測系統的可靠性和安全性，使系統具備接入站臺門安全回路的條件。

1 傳統間隙探測方案及優劣分析

1.1 傳統間隙探測方案

目前，站臺門與列車門的傳統間隙探測方案有瞭望燈帶、物理方式（三腳防站板和結構擋板）、激光對射、紅外對射4種，分別見圖1～圖4。

圖1 瞭望燈帶

圖2 物理方式

圖3 激光對射

圖4 紅外對射

1.2 傳統間隙探測方案的優劣分析

1.2.1 瞭望燈帶

瞭望燈帶探測方案簡單、易維護，但存在以下不足：

（1）只適合地下直線站臺的應用，司機可以瞭望；

（2）列車的安全完全由司機保證，存在一定的安全隱患。

1.2.2 物理方式

物理方式探測方案簡潔有效，但存在以下不足：

（1）樣式不美觀；

（2）乘客下車時，若先開車門，很容易因為擁擠被擠入危險空間，存在較大安全隱患；

（3）若發生夾人夾物，司機及站務人員無法快速定位是哪一道門出現問題，處理效率較低。

1.2.3 激光對射

激光對射探測方案的激光束發射散角小，探測距離遠，但存在以下不足：

（1）安裝精度要求高，易受振動影響，出現誤報等情況；

（2）對于曲線站臺，則需要根據站臺曲率重新定制方案；

（3）若發生夾人夾物，司機及站務人員無法快速定位是哪一道門出現問題，處理效率較低；

（4）由于激光對射探測為點狀探測，只能探測有限的空間，因此存在較大的探測盲區。

一般激光對射為3束光束，其高度通常為250 mm、500 mm和750 mm。只有在障礙物擋住某一激光束，才能觸發報警信號。

1.2.4 紅外對射

紅外對射探測方案技術成熟、成本低，但存在以下不足：

（1）設備安裝需要獨立的空間，若每節車廂都安裝紅外裝置，則故障點增多，影響運營效率；

（2）由于聚光分散、光斑較大,易受外界光線干擾，造成誤報情況；

其他不足同上述激光對射中的（2）～（4）。

1.3 某地鐵線路激光對射系統故障統計

某地鐵線路2019年度發生夾人夾物事件共64起，其中因激光對射系統自身故障及誤報26起，漏報10起，詳見表1。按照發生夾人夾物事件統計分析，系統的誤報率為40.6%，漏報率為15.6%，因激光對射系統問題影響行車及出現安全隱患的事件平均每個月發生3 起，而該公司的線路運營年度考核目標平均每個月最多為0.9起，系統的可靠性遠低于運營考核目標，極大地影響了線路運營效率及安全。

表1 某地鐵線路2019年度激光對射系統故障統計

綜上所述，每種探測方案都存在應用局限性，誤報、漏報等問題，無法滿足現有運營需求，更無法滿足未來全自動運營模式下高效安全運營的需求。因此，需要根據間隙間的異物類型及特征，有針對性地選擇合適的組合探測方案，從多維度層面實現異物的準確探測。

2 多傳感融合分析

2.1 間隙分析

以地下車站全高站臺門為例，每個滑動門門單元與列車門形成的間隙為一個大約 1 900 mm×100 mm×2 000 mm的非規則立體空間，需要選擇立體式探測方案；此外，在列車進站離站時會產生活塞風，使探測設備產生振動，易發生誤報現象，因此需要選擇可以動態設置檢測限界的方案，以提升容差性。列車進站還會帶來較多灰塵和復雜的光線，因此需要探測方案具有判別因灰塵導致的誤報能力以及較強的抗光能力。

2.2 運營需求分析

隨著地鐵全自動運營模式的不斷普及，運營管理人員數量不斷減少，如何保障地鐵線路運營更加可靠、安全、高效，成為探測方案選擇的一個難題。可靠，即要求系統的自身故障率更低；安全，即系統不能因漏報而產生安全隱患；高效，即當出現夾人夾物時，能快速引導管理人員處理故障。

2.3 探測方案選擇

結合對間隙工況的分析、運營的實際需求，以及相關檢測技術的發展，本文選擇3種類型（激光對射、3D激光掃描和圖像識別）的傳感器進行融合，從系統層面，采取“三取二”的控制方式提升系統安全性；從探測原理層面，采取主動式、立體式、可視化不同的互補方案實現“取長補短”。激光對射具有技術成熟、探測距離遠的優勢，故障主要為振動引起的發射與接收設備對位偏差導致的誤報，可以通過系統從時間維度來濾除誤報信息。3D激光掃描可以實現立體探測，同時利用其距離探測能力可實現對異物體積識別及空間位置確認，彌補激光對射的探測盲區。圖像識別可以實現對異物的類型識別，用于判斷異物是否存在安全隱患，同時利用其可視化能力協助管理人員進行最終確認，高效處理故障。通過將上述3種類型的傳感器進行信息融合，形成一個系統級的地鐵站臺門與列車門間隙防夾探測系統，可解決傳統單一方案的不足，以滿足運營的需求。

3 多傳感融合的間隙防夾探測系統

多傳感融合的間隙防夾探測系統由4大模塊組成，分別為數據采集模塊、數據分析模塊、聯鎖接口模塊和服務模塊，見圖5。數據采集模塊包含3種傳感器（激光對射、3D激光掃描和圖像識別），對站臺門和列車門的間隙進行數據采集并建立相關數據庫，其中探測信息包含高低電平信息、物體距離信息和圖像信息；數據分析模塊對前端傳感器采集的信息進行分析處理，得出3 種相應的探測結果，并將探測結果信息傳輸至聯鎖接口模塊做決策；聯鎖接口模塊結合運營工況信息對3種探測結果進行融合分析，采用“三取二”的安全控制方式，即必須有2種及2種以上探測類型判斷為障礙物，整個系統才判定為夾人夾物，實現與信號系統的聯鎖；服務模塊為防夾探測系統的上位管理軟件，主要用于系統運行信息及故障狀態信息的記錄與管理等，可設置在設備房和站臺上，通過顯示屏或指示燈等發出具體某一門單元夾人夾物報警信號，提醒站務人員及時確認與處理。

圖5 多傳感融合的間隙防夾探測系統框圖

3.1 探測原理

3.1.1 激光對射原理

激光對射屬于主動入侵報警系統，需在站臺門與列車門間隙探測區域內安裝激光發射機和接收機，發射機可向數百米遠的接收機發射出不可見激光光束，接收機在接收到激光信號后就與發射機形成一個完整的光通路，見圖6。當間隙夾人夾物時，就會阻斷光通路內的激光接收，從而實現終端報警，見圖7。

圖6 激光對射原理

圖7 激光對射遮擋

3.1.2 3D激光掃描原理

3D激光掃描是用一個發射器向物體發射激光，再由一個接收器接收反射回來的激光，根據激光往返的時間長短和其固定的飛行速度，計算出物體表面上的這個點與相機之間的距離。當發射的激光足夠多，能夠觸達到物體表面的幾乎每一個點時，所有的點將連成一個3D立體面，從而獲得物體的形狀信息，見圖8。3D激光掃描傳感器通過對列車門與站臺門間隙內的區域進行掃描，可識別判斷出基礎邊界并形成防區。當防區內有異物時，激光束往返的時間將發生改變，從而可以檢測并定位異物。探測器獲取的數據在前端采用嵌入式處理模塊，由模塊判斷防區內是否存在異物。

圖8 3D激光掃描原理

3D激光掃描傳感器通過集成主動抑制輻射的外來光，幾乎可以完全抑制，從而實現在超過10萬lux的光照下運行，且不易因外界光線產生誤報。每個門單元配置1套傳感器，安裝在站臺門后封板上，最外側不會超出限界。其安裝示意圖見圖9。

圖9 安裝示意圖

根據不同限界、不同車型形成的探測區域，3D激光掃描傳感器通過相應軟件設置探測界限參數，實現動態調整，并支持各種濾波算法，可有效提高抗干擾能力。若在探測空間中檢測到夾人夾物，傳感器則發出報警信號；輸出效果見圖10，綠色區域為報警信息。

圖10 輸出效果

3.1.3 圖像識別原理

利用攝像頭獲取探測區域的視頻圖像信息，在站臺門打開前，對探測區域進行背景建模；當站臺門關閉后，對異物進行特征提取，并采用異物與背景分離等技術進行特征匹配與比較，若檢測的異物大小超過設定閾值，則認為存在異物，見圖11。

圖像識別系統還可以對列車門的開關狀態進行特征識別，從而進行輔助判別；另外，可識別出攝像頭鏡頭因灰塵累積或者被異物遮擋的誤報情況，并提前發出預警信息，降低誤報情況。

當站臺門與列車門關閉時，圖像識別系統開始啟動檢測，如果站臺門與列車門間隙處有乘客或大件物體滯留，圖像識別系統則會發出報警信號。其工作流程見圖12。

3.2 系統接口設計

探測系統中的設備供電全部來自站臺門電源系統。開關門信息以及關閉鎖緊信號由站臺門系統提供至探測系統，作為探測啟動的條件。障礙物探測狀態及故障信息由探測系統向中央控制 盤（PSC）傳遞，最終上傳至綜合監控及信號系統。探測系統根據前端傳感器采集分析的數據，通過硬線方式組合控制安全繼電器實現“三取二”安全模式，若判定發生夾人夾物，則站臺門安全回路斷開（可根據實際需要使用旁路功能），并將夾人夾物報警信息傳至站臺監視系統或移動終端，便于站務人員快速確認與處理。多傳感融合的間隙防夾探測系統接口設計原理見圖13。

圖11 圖像識別原理

圖12 圖像識別系統工作流程

3.3 探測流程

多傳感融合間隙防夾探測系統探測流程如圖14所示。

（1）當完成上下客、站臺門關閉后，系統主機分別向3D激光掃描傳感器、圖像傳感器、激光對射傳感器發送初始工作觸發信號；同時圖像傳感器可以自動啟動識別工作，智能識別站臺門、列車門關閉狀況。

（2）3D激光掃描傳感器、圖像傳感器、激光對射傳感器對探測區域進行信號采集并向門頭處理單元提供采集的信息。控制器處理前端3種傳感器的采集信號，并向“三取二”決策裝置提供異物探測結果信息。

（3）“三取二”決策裝置根據前端3種傳感器提供的結果進行夾人夾物最終判斷。若有超過其中2種方案判斷有夾人夾物存在，系統則判斷存在夾人夾物，同時圖像傳感器將夾人夾物的圖像視頻信息傳送至顯示終端，供管理人員查看。若只有1種方案判斷存在夾人夾物，系統則判斷為無夾人夾物，同時圖像傳感器對報警區域進行圖像及視頻記錄存儲，用于后期誤報分析及確認。

（4）當系統判斷存在夾人夾物時，斷開閉鎖回路與列車進行聯鎖，此時列車無法離站，保障乘客安全。同時，系統將報警信息發送至站臺上的顯示終端以及移動終端，供站務管理人員快速查看確認，并及時處理。

（5）待人工確認處理完成后，重新復位系統。

（6）若探測工作時間還在規定時間內（探測時間可調），則系統重新對探測區域進行檢測，直到探測時間結束。

（7）當在系統工作時間內未檢測到夾人夾物，列車離站，系統重新處于待機狀態，等待下一次檢測。

4 系統特點

4.1 “三取二”式控制方法，安全性高

整個系統采用3種探測系統的融合對站臺門與列車門間隙進行探測，采用“三取二”安全控制模式實現了技術間的取長補短，避免了因某一種探測技術的缺陷或故障引發的行車及乘客安全隱患，提升地鐵運行安全。若某一種探測系統出現自身故障，系統則根據實際運營需求，進行降級處理。同時，對每一種探測系統都可以獨立設置旁路，進一步提升整體系統的可用性。

圖13 多傳感融合間隙防夾探測系統接口設計原理

圖14 多傳感融合間隙防夾探測系統探測流程

4.2 探測區域大，識別范圍廣

系統中的3D激光掃描、圖像識別傳感器可根據地鐵線路因不同限界、不同車型形成的間隙差異，靈活設置檢測參數，立體覆蓋站臺門與列車門之間所需要探測的區域，避免了以往激光對射方式因受限界影響僅能探測站臺門外30 mm范圍的弊端。該系統可識別出更多的異物類型，如雨傘、繩索、包帶等，進一步提升了系統智能化水平，降低安全隱患。

4.3 智能化程度高

當激光對射或者3D激光掃描中的某一種技術探測到夾人夾物后，系統可通過圖像識別進行協助拍照確認是否為誤報，并作為后續進一步分析的參照。同時，系統中使用的圖像智能識別技術可借助圖像的深度學習能力實現物體的智能識別，輔助站務人員進行預處理。對于不影響安全的物體可暫緩處理，以提升線路運行效率。

4.4 定位精確度高

系統中采用的圖像識別和3D激光掃描系統在每個門單元各配置1套。當探測到夾人夾物時，系統可協助站務人員快速定位至某個門單元，以便第一時間確認與處理，避免了傳統探測方案因無法精準定位而增加站務人員應急處理難度的問題。

5 結語

近些年，國內地鐵發生多起站臺門與列車門夾人的安全事故，整個行業內的地鐵業主、設計院以及站臺門廠家都一直在不斷地進行間隙防夾探測研究。隨著地鐵線網的不斷延伸，全自動運行線路越來越多，站臺門與列車門間隙存在的安全隱患不容忽視。

針對傳統單一探測方案都存在一定的不足，無法全方位解決間隙安全隱患的情況，本文提出了一種基于多傳感融合的間隙防夾探測系統，可顯著提高系統的冗余度和容錯性，從而保證了決策的快速性和正確性，是未來全自動運行發展的必然趨勢。該系統充分利用多個傳感器資源，通過對其及其測量的信息進行合理選擇和使用，將其在空間或時間上的冗余依據安全化、高效化、人性化的準則進行組合，實現優劣互補，以獲得準確的結果，實現系統的最優化。

目前，該系統已作為科研項目在寧波地鐵運營線路的一個車站進行試驗，后期結合試驗結果進一步完善改進后，將在國內地鐵線路進行應用推廣。這不僅解決了現有技術方案的不足，同時使全自動運行線路更加可靠、安全、高效地運營。