城市軌道交通站臺門和列車門間隙安全探測系統的設計

趙新贏，袁景，李福川，楊培盛，熊東平，張繼偉

（1.濟南軌道交通集團建設投資有限公司，濟南250102；2.深圳市方大智創科技有限公司，廣東 深圳518000；3.北京競業達數碼科技股份有限公司，北京100089）

1 引言

地鐵站臺門和列車門之間的間隙探測是站臺門系統的探測重點。目前，在我國大部分地鐵中使用激光對射與車尾設置瞭望燈帶的方法對此間隙進行探測。但是，在大曲線站臺中，此方法無法實施，而且激光對射探測裝置與瞭望燈帶安裝位置會受到車輛限界的限制，激光探測范圍比較小，誤報率比較高，容易對行車組織造成影響。以此，本文設計了智能間隙探測系統。

2 地鐵站臺門和車門夾人事件的發生情況

2.1 地鐵間隙的危害

地鐵系統以其運量大、準點率高、全天候等特點，給廣大乘客的出行提供了便利，逐漸成為城市公共交通的骨干，每天承載著上千萬人次的客流量，因此，對行車安全也提出了較高的要求。車站站臺門系統作為現代化軌道交通工程的重要設施，設置在站臺邊緣，將列車與車站站臺候車區隔離，用作防止乘客有意或無意進入軌行區而發生危險的安全保障設施。

由于站臺門和列車車體之間存在一定的間隙，各地地鐵列車車門與站臺安全門夾人事件時有發生，部分事件甚至造成乘客生命財產損失。根據GB 10000—1988《中國成年人人體尺寸》，成年人人體厚度最大處約160 mm，對于瘦小的成年人或未成年人，尤其是客流擁擠的情況下，存在安全間隙夾人的可能。若將乘客夾擠在列車和站臺門之間，列車啟動后會發生人身傷亡事故。

根據調查研究及公開報道顯示，各地地鐵列車車門與站臺安全門夾人事件時有發生，嚴重時會造成乘客生命財產損失。2007 年7 月15 日，上海地鐵某男子被夾在車門與屏蔽門之間，列車啟動后，乘客被擠壓墜落隧道身亡；2014 年11 月6 日19 時左右，北京地鐵5 號線惠新西街南口站一名女子被夾在安全門和地鐵門中間，導致悲劇發生。

交通運輸部2019 年8 月2 日發布的《城市軌道交通主要運營險性事件清單》指出，“夾人夾物動車造成客傷”屬于對城市軌道交通運營安全和服務造成較大影響的事件。

2.2 地鐵間隙的解決對策

為了防止乘客或容易造成安全影響的隨身物品因故（如擁擠、搶上搶下等）滯留在安全間隙造成安全事故，目前，各地采用了防夾擋板、傾斜護板、瞭望燈帶、對射探測等措施，但是，存在較多誤報、漏報缺陷。由于站臺門和列車車體之間存在一定的間隙，傳統防夾裝置存在較大的盲區，特別是在曲線站臺，列車車門與站臺門夾人夾物事件時有發生，部分事件甚至造成了乘客人身傷亡事故。為了進一步減少甚至避免安全間隙“夾人夾物動車”造成的人員傷亡和財產損失，加強地鐵安全運營十分必要。

目前，對滯留在安全間隙內的乘客或物體缺乏有效的檢測手段，傳統方案或因誤報率較高導致一些探測設備被旁路棄用，或因誤報率過高影響了行車效率，并且無法適用于曲線站臺，而高精度的激光雷達探測裝置能基本解決這些問題[1]。

3 軌道交通間隙探測需求

3.1 軌道交通間隙探測現狀

目前，車站站臺門與列車車門間隙的防護與探測裝置主要為紅外對射探測裝置和激光對射探測裝置。2 種電氣探測裝置利用的是光的直線傳播原理，裝置設置光線發射端和接收端，通過光線是否被障礙物遮擋來判斷間隙中是否存在障礙物，當激光或紅外光被障礙物遮擋后，探測系統會自動報警。

但是，目前的對射探測技術存在以下問題：

1）激光（紅外光）對射探測裝置安裝于站臺門與車門間隙內，采用獨立支架安裝，受限界條件影響大，存在行車和運營安全隱患。

2）由于激光（紅外光）對射探測裝置的探測介質為線束，存在盲區，漏報率高；

3）光線遮擋報警無法屏蔽飛蟲干擾、無法區分軌道蒙塵與障礙物，誤報率高。

3.2 間隙探測系統設計思路

針對目前激光（紅外）對射探測問題，本項目采用激光雷達作為探測裝置進行間隙探測系統設計：

1）激光雷達基于ToF 光線飛行時間測量技術，發射端和接收端一體，安裝不侵入限界，降低對行車和運營安全隱患；

2）激光雷達可以進行扇面掃描，實現整側站臺滑動門、固定門/應急門安全間隙全覆蓋，無盲區，降低漏報率；

3）激光雷達通過算法屏蔽飛蟲干擾、區分軌道蒙塵與障礙物報警，降低誤報率。

4 間隙探測系統設計研究

4.1 設計關鍵點

根據“感、傳、支、用”（感知層、傳輸層、支撐層、應用層）4 層體系對間隙探測系統進行劃分，各層均由不同的軟硬件技術支撐，同時，4 層又緊密結合成為一個完整的系統。

4.2 間隙探測系統設計

4.2.1 架構設計

1）感知層：感知層是整個系統的數據來源，由激光雷達探測設備安裝在每個站臺門側面，采用LiDAR 激光掃描系統、可以進行邊緣計算和自學習。

2）傳輸層：傳輸層實現了數據的上通下達，通過高速現場總線使激光探測數據采集后能及時進行分析，供應用層使用。本項目主要通過CAN-bus 總線進行激光探測器至控制主機的數據傳輸。

3）支撐層：在傳感器數據的支持下，控制主機將對探測器節點進行控制，對探測數據進行管理，對系統數據進行自檢。為上層應用提供信息目錄、信息交換等數據服務。

4）應用層：可為站臺發車端提供顯示支持，可進行探測狀態顯示、故障狀態顯示等功能，可與站臺門建立啟動→探測→反饋的連鎖關系。

4.2.2 功能設計

1）防區內報警物檢測

系統可對站臺門與列車之間的安全間隙夾人夾物情況進行探測；在雷達布防區域內任意位置，可檢測出直徑不小于20 mm 障礙物。

2）遮擋報警

當雷達鏡面被異物（非探測物）近距離遮擋時，可輸出遮擋報警信息，提示維護人員對探測器遮擋物進行排除。

3）污染報警功能

間隙探測裝置支持蒙塵檢測，對雷達鏡面污染可進行報警提示，便于提前清理維護。

鏡面構成污染后顯示污染報警，而非報警物報警；污染報警后不影響探測功能，仍顯示報警物報警。

在鏡頭污染或異物積累超出定位公差的情況下，間隙探測系統能發出維護警報信號，不因此輸出障礙物檢測誤報警。維護周期在半年以上。

4）環境記憶功能

間隙探測裝置具備環境防區記憶功能，避免背景環境對系統的影響而產品誤報。

5）報警門定位功能

間隙探測裝置探測到障礙物后報警界面可準確顯示所報警門的編組號。

6）多門并發功能

多門間隙同時檢測到障礙物時，可實現多門同時報警，同時，準確顯示所有報警門的編組號，不漏報。

7）故障檢測功能

間隙探測系統具備開機自檢測功能和故障自診斷功能。

8）數據存儲及查詢功能

間隙探測系統可以把運行狀態及報警信號進行存儲，支持任意組合查詢。控制主機存儲報警信息超出容量后采用先進先出的隊列形式覆蓋。

9）隔離/旁路功能

系統具備單個或多個間隙探測裝置故障隔離功能；系統具備整體旁路功能。

10）站臺門系統聯動功能

間隙探測系統與站臺門系統通過安全繼電器回路連鎖，接收站臺門系統的啟動控制及探測信息反饋：控制主機能接收站臺門系統提供的“啟動探測”命令；并能向站臺門系統反饋障礙物探測信息。

5 站臺門和列車門間隙安全探測系統的設計

5.1 系統的設計需求

5.1.1 系統設計的技術分析

1）應用邊緣計算技術，自主設計激光雷達前端嵌入式邊緣計算模塊，通過前端穩定算法，可不依靠后端控制器獨立完成防區學習及去背景干擾功能，同時可直接對站臺門與車門中間間隙內夾人夾物情況進行判斷。

2）應用近場通信技術，間隙探測雷達支持就地與手持平板近場通信，支持使用App 進行參數設置，探測圖形在手持平板上直觀可視。

3）應用PHM①PHM： 故障預測與健康管理（Prognostics Health Management），為了滿足自主保障、自主診斷的要求提出來的，是基于狀態的維修，即視情維修（Condition Based Maintenance，CBM）的升級發展。它強調資產設備管理中的狀態感知，監控設備健康狀況、故障頻發區域與周期，通過數據監控與分析，預測故障的發生，從而大幅度提高運維效率。技術，間隙探測雷達內部設置姿態傳感器、溫度傳感器，通過內建安全策略、系統實時自動檢測功能，形成復合高安全性的整體工業設計。

5.1.2 系統設計的效果分析

利用激光探測器對車門與站臺門間隙內某平面進行掃描，首先學習基礎邊界并形成防區。當防區內有異物存在時，激光束的往返時間將發生改變，從而可以檢測并定位異物。探測器獲取的數據在前端邊緣計算進行處理，節省后端算力，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。前端雷達通過冗余的CAN 總線將判斷結果和設備狀態等數據傳輸至機房控制主機，主機控制顯示器進行結果呈現和設備狀態展示，并且控制繼電器組與站臺門系統通過安全回路聯動。智能探測識別列車車門和站臺門間隙內的障礙物，提升了全自動運行線路的運營可靠性[2]。

目前，智能間隙探測系統已經在濟南地鐵2 號線順利實施，大眾網海報新聞記者畢勝等在濟南報道中稱：“12 月29日，隨著濟南軌道交通2 號線通車試運行，八澗堡站這座濟南首個智慧車站也展現在人們眼前。記者了解到，八澗堡站作為濟南智慧地鐵的示范站，采取邊緣計算、物聯網、人工智能、大數據等智慧元素，除了延續提升地鐵1 號和地鐵3 號線的人臉識別，還將呈現出一系列具備科技感的場景。如在站臺門上方的高清屏實時動態顯示候車時間、車廂擁擠度、公共媒體等信息，指導乘客選擇合適車廂，提升乘客出行體驗；借助激光雷達和邊緣計算技術，提升站臺門和列車門之間的間隙安全防護能力，實現間隙夾人夾物檢測，保證行車及乘客安全；智慧安防實現安檢、CCTV、門禁、室內入侵等系統數據的全息感知、全景管控、智能分析、應急聯動等功能進化，從而提升車站安全、高效、精準、便捷、可靠的智慧能力”。

現場的實施效果較為靈活、良好，和綜合監控、站臺門、車輛、信號等核心關鍵系統的信息交互較為順暢，有效保證行車和乘客的安全[3]，如圖1、圖2 所示。

圖1 現場正在運營的實景照片

圖2 間隙探測終端的照片

5.2 系統的應用價值

智能間隙探測系統采用光學雷達掃描方案，可以有效檢測滯留在安全間隙內的乘客或物體，采取司機關門信息監視屏和與信號系統聯動等手段，預防意外事故的發生，同時，避免誤報對行車效率的影響。

另外，該系統大大減少了因夾人夾物造成的列車延誤帶來的經濟損失，可以輔助全自動駕駛列車安全運行，提高地鐵運營安全效率及自動化、智能化水平，適應列車全自動駕駛趨勢，提供更安全的保障措施。形成適用于軌道交通間隙探測標準規范，最終提高乘客乘車安全性，推動軌道交通發展。

在全自動運行的線路，體現的價值更大，突出更安全、更高效等有益成果。

6 結語

目前，我國地鐵普遍使用的探測方案會受到限界限制，探測范圍比較小，盲區比較大。本文設計的智能間隙探測系統能夠對2 個門之間的任何位置進行探測，利用圖像二次確認，使可靠性得到提高，從而能夠解決傳統站臺安全問題，并且提高地鐵運行效率和安全性，促進軌道交通安全的發展。