基于垂直運(yùn)動(dòng)的鐵路客運(yùn)站臺(tái)防護(hù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

左艷芳，魏耀南，李 帥，王志飛

（1.中鐵科（北京）信息工程設(shè)計(jì)咨詢有限公司，北京 100081；2.北京經(jīng)緯信息技術(shù)有限公司，北京 100081；3.中國(guó)鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司 電子計(jì)算技術(shù)研究所，北京 100081）

我國(guó)鐵路運(yùn)營(yíng)逐漸向公交化運(yùn)營(yíng)模式發(fā)展，與傳統(tǒng)運(yùn)營(yíng)方式相比，鐵路客運(yùn)站臺(tái)的安全防護(hù)面臨更大的壓力，須消耗大量的人力來(lái)維護(hù)站臺(tái)秩序。《鐵路技術(shù)管理規(guī)程》中明確，在我國(guó)鐵路領(lǐng)域引入站臺(tái)門(mén)是一個(gè)必然的發(fā)展過(guò)程[1]。但鐵路客運(yùn)站臺(tái)存在多車(chē)型停靠、站臺(tái)面窄等情況，直接引入現(xiàn)有城市軌道交通（簡(jiǎn)稱：城軌）的傳統(tǒng)站臺(tái)防護(hù)系統(tǒng)無(wú)法解決其站臺(tái)門(mén)與列車(chē)門(mén)的對(duì)應(yīng)問(wèn)題。

眾多學(xué)者針對(duì)鐵路客運(yùn)站臺(tái)防護(hù)系統(tǒng)進(jìn)行了研究，蔡曉民[2]對(duì)國(guó)內(nèi)外鐵路站臺(tái)防護(hù)系統(tǒng)的設(shè)置要求進(jìn)行研究，明確當(dāng)建設(shè)的站臺(tái)門(mén)與列車(chē)車(chē)門(mén)無(wú)法完全對(duì)中時(shí)，須留出一定寬度的通道方便旅客就近乘降，但鐵路站臺(tái)寬度有限，不能滿足該條件；譚平[3]對(duì)鐵路客運(yùn)站臺(tái)防護(hù)系統(tǒng)全自動(dòng)控制技術(shù)進(jìn)行研究，可實(shí)現(xiàn)站臺(tái)門(mén)與列車(chē)門(mén)的聯(lián)動(dòng)，但許多車(chē)輛不具備全自動(dòng)模式的條件；黃中全[4]對(duì)比了現(xiàn)有站臺(tái)門(mén)的安全保護(hù)措施，存在技術(shù)手段單一、安全級(jí)別低的問(wèn)題，并提出了站臺(tái)門(mén)應(yīng)采用多重安全防護(hù)措施的觀點(diǎn)。

綜上，將城軌現(xiàn)有的傳統(tǒng)站臺(tái)防護(hù)系統(tǒng)進(jìn)行簡(jiǎn)單改進(jìn)，并不能滿足鐵路客運(yùn)站臺(tái)的實(shí)際情況，亟需開(kāi)發(fā)一種新型鐵路客運(yùn)站臺(tái)防護(hù)系統(tǒng)。垂直運(yùn)動(dòng)的防護(hù)裝置具有大開(kāi)度的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，能滿足鐵路客運(yùn)站臺(tái)多車(chē)型對(duì)中的要求，因此，本文設(shè)計(jì)了基于垂直運(yùn)動(dòng)的鐵路客運(yùn)站臺(tái)防護(hù)系統(tǒng)（簡(jiǎn)稱：本文系統(tǒng)）。

1 系統(tǒng)組成

本文系統(tǒng)由機(jī)械裝置、電氣控制模塊及安全防護(hù)裝置組成，機(jī)械裝置提供了本文系統(tǒng)的基本構(gòu)架；電氣控制模塊是本文系統(tǒng)的“神經(jīng)網(wǎng)”；安全防護(hù)裝置防止本文系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)過(guò)程中對(duì)站臺(tái)上人或物造成擠壓、撞擊傷害，也防止外部對(duì)本文系統(tǒng)的人為破壞。本文系統(tǒng)的具體組成如圖1所示。

1.1 機(jī)械裝置

機(jī)械裝置底部與站臺(tái)土建結(jié)構(gòu)連接，固定安裝在站臺(tái)邊緣，主要包括支撐驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)、防護(hù)結(jié)構(gòu)、傳動(dòng)結(jié)構(gòu)和走線結(jié)構(gòu)等4個(gè)部分，如圖2所示。

圖2 機(jī)械裝置組成示意

（1）支撐驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)是機(jī)械裝置的承重部分，為其他部件提供了安裝基礎(chǔ)，外層采用裝飾外包板進(jìn)行美化處理，可加裝電子顯示屏顯示車(chē)站的各類信息；（2）防護(hù)結(jié)構(gòu)可上下垂直運(yùn)動(dòng)，分為主動(dòng)防護(hù)扇和被動(dòng)防護(hù)扇，升起時(shí)雙扇防護(hù)結(jié)構(gòu)重疊，減少上部空間，降落時(shí)雙扇防護(hù)結(jié)構(gòu)展開(kāi)，實(shí)現(xiàn)大面積防護(hù)；（3）傳動(dòng)結(jié)構(gòu)聯(lián)接防護(hù)結(jié)構(gòu)與動(dòng)力源，轉(zhuǎn)化運(yùn)動(dòng)形式，從而實(shí)現(xiàn)防護(hù)結(jié)構(gòu)的升降[5]；（4）走線結(jié)構(gòu)用于放置線纜，提供走線空間的同時(shí)，與兩側(cè)支撐驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)形成一個(gè)框架，提高了兩側(cè)支撐驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)的垂直度和平行度。

機(jī)械裝置是鐵路客運(yùn)站臺(tái)防護(hù)系統(tǒng)的基礎(chǔ)，本文基于理論受力分析、SolidWorks三維建模及有限元分析對(duì)結(jié)構(gòu)受力、結(jié)構(gòu)布置和結(jié)構(gòu)強(qiáng)度進(jìn)行設(shè)計(jì)，保障了機(jī)械裝置的合理性。

1.2 電氣控制模塊

每側(cè)站臺(tái)根據(jù)自身長(zhǎng)度設(shè)置多組機(jī)械裝置，形成一道防護(hù)屏障，每組機(jī)械裝置配備1組電氣控制模塊，每組電氣控制模塊由1套門(mén)機(jī)控制單元（DCU，Door Control Unit）、2臺(tái)電機(jī)、2臺(tái)狀態(tài)指示燈及2套信息語(yǔ)音提示裝置組成。電機(jī)、狀態(tài)指示燈及信息語(yǔ)音提示裝置分別安裝于左右兩側(cè)的支撐驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)內(nèi)，DCU單獨(dú)安裝于其中一側(cè)。電機(jī)采用無(wú)刷直流電機(jī)，配備減速箱和電磁剎車(chē)器[6-7]。當(dāng)DCU接收到列車(chē)或站臺(tái)工作人員發(fā)出的指令后，向電機(jī)下達(dá)指令，電機(jī)開(kāi)始運(yùn)轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)開(kāi)/關(guān)門(mén)動(dòng)作。

1.3 安全防護(hù)裝置

安全防護(hù)裝置包括配重裝置、激光雷達(dá)探測(cè)裝置、壓力感應(yīng)結(jié)構(gòu)和電磁剎車(chē)器。（1）配重裝置直接與防護(hù)結(jié)構(gòu)硬性聯(lián)接[8]，防止防護(hù)結(jié)構(gòu)在故障或停電狀態(tài)下脫落造成傷害，發(fā)生突發(fā)狀況時(shí)，配重裝置將拉起防護(hù)結(jié)構(gòu)，保障旅客的正常通行，其原理如圖3所示；（2）激光雷達(dá)探測(cè)裝置安裝于支撐驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)側(cè)面，在相鄰兩個(gè)支撐驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)之間形成無(wú)形防護(hù)區(qū)域，在人或物進(jìn)入機(jī)械裝置的防護(hù)結(jié)構(gòu)運(yùn)動(dòng)范圍內(nèi)時(shí)，進(jìn)行語(yǔ)音提示和警報(bào)；（3）壓力感應(yīng)結(jié)構(gòu)分別安裝于防護(hù)結(jié)構(gòu)的上下兩側(cè)，使其在升降過(guò)程中，一旦遇到人或物便及時(shí)停止動(dòng)作，避免造成傷害或損壞；（4）電磁剎車(chē)器安裝在電氣控制模塊的電機(jī)上，當(dāng)防護(hù)結(jié)構(gòu)升起或降落到位后，由電磁剎車(chē)器進(jìn)行電機(jī)鎖死，保障防護(hù)結(jié)構(gòu)不被意外拉下或抬起。

圖3 配重裝置原理

2 系統(tǒng)功能

2.1 防護(hù)功能

防護(hù)功能通過(guò)DCU下發(fā)控制命令，實(shí)現(xiàn)防護(hù)結(jié)構(gòu)的升降，防止站臺(tái)上行走的旅客越過(guò)危險(xiǎn)限界，將其活動(dòng)控制在站臺(tái)安全范圍內(nèi)，若有旅客或物品進(jìn)入了防護(hù)區(qū)域，激光雷達(dá)探測(cè)裝置將啟動(dòng)提醒語(yǔ)音和報(bào)警，并通知站臺(tái)工作人員進(jìn)行處理。安全防護(hù)裝置能保障防護(hù)結(jié)構(gòu)不對(duì)站臺(tái)上的人和物造成傷害，同時(shí)也保障本文系統(tǒng)本身不受外物影響。

2.2 信息顯示功能

大部分鐵路客運(yùn)站臺(tái)為多車(chē)型停靠站臺(tái)，為讓旅客準(zhǔn)確找到其乘坐的列車(chē)車(chē)廂，一般會(huì)在站臺(tái)地面上設(shè)置各種顏色的指示標(biāo)識(shí)，較為混亂，影響旅客乘車(chē)體驗(yàn)。本文系統(tǒng)在支撐驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)上設(shè)置了信息顯示屏，其顯示的車(chē)廂信息可根據(jù)到站車(chē)輛的車(chē)型進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)整，起到對(duì)乘客的引導(dǎo)作用，此外，也可播放廣告和文化宣傳等內(nèi)容。

2.3 美化站臺(tái)環(huán)境功能

現(xiàn)有站臺(tái)防護(hù)系統(tǒng)的外觀面主要是不銹鋼和玻璃，2者顏色較單調(diào)且不易調(diào)整。本文系統(tǒng)的外觀面材質(zhì)和顏色有多種選擇，可根據(jù)站臺(tái)的風(fēng)格做不同設(shè)計(jì)，更能適應(yīng)站臺(tái)整體環(huán)境，協(xié)調(diào)性更好，達(dá)到美化站臺(tái)環(huán)境的效果。

3 系統(tǒng)工作流程

本文系統(tǒng)的主要功能是防護(hù)功能，其工作流程主要針對(duì)防護(hù)功能進(jìn)行闡述，如圖4所示。

圖4 基于垂直運(yùn)動(dòng)的鐵路客運(yùn)站臺(tái)防護(hù)系統(tǒng)工作流程

本文系統(tǒng)工作流程主要分為防護(hù)結(jié)構(gòu)動(dòng)作過(guò)程和防護(hù)結(jié)構(gòu)關(guān)閉保持過(guò)程。

3.1 防護(hù)結(jié)構(gòu)關(guān)閉保持過(guò)程

在未接收到列車(chē)自動(dòng)或工作人員手動(dòng)發(fā)出的指令時(shí)，本文系統(tǒng)處于防護(hù)結(jié)構(gòu)關(guān)閉保持過(guò)程，防護(hù)結(jié)構(gòu)不動(dòng)作，但仍處于防護(hù)狀態(tài)。當(dāng)人或物誤入防護(hù)區(qū)域內(nèi)時(shí)，安全防護(hù)裝置啟動(dòng)語(yǔ)音提示和報(bào)警，并通知站臺(tái)工作人員，當(dāng)人或物離開(kāi)防護(hù)區(qū)域后，語(yǔ)音提示和警報(bào)聲自動(dòng)中斷。

3.2 防護(hù)結(jié)構(gòu)動(dòng)作過(guò)程

（1）當(dāng)列車(chē)到站停穩(wěn)后，由列車(chē)自動(dòng)或工作人員手動(dòng)發(fā)出防護(hù)結(jié)構(gòu)開(kāi)啟信號(hào)。（2）本文系統(tǒng)收集到開(kāi)啟信號(hào)后，防護(hù)結(jié)構(gòu)升起并重疊到上部。在此過(guò)程中，若遇到障礙物，防護(hù)結(jié)構(gòu)停止升起動(dòng)作，進(jìn)行延時(shí)等待（等待時(shí)間可調(diào)整），同時(shí)啟動(dòng)語(yǔ)音提示、報(bào)警，并通知站臺(tái)工作人員，延時(shí)等待結(jié)束后，若障礙物未清除，繼續(xù)延時(shí)等待，若障礙物已清除，防護(hù)結(jié)構(gòu)再次執(zhí)行升起動(dòng)作[9]，升起到位并啟動(dòng)電磁剎車(chē)器，將結(jié)構(gòu)鎖死在升起（打開(kāi)）狀態(tài)，并把本文系統(tǒng)狀態(tài)信息反饋給電氣控制模塊的DCU，由DCU實(shí)時(shí)判斷是否執(zhí)行下一步動(dòng)作。（3）旅客乘降完畢后，列車(chē)自動(dòng)或工作人員手動(dòng)發(fā)出防護(hù)結(jié)構(gòu)關(guān)閉信號(hào)，防護(hù)結(jié)構(gòu)執(zhí)行降落（關(guān)閉）動(dòng)作，其過(guò)程與升起（打開(kāi)）時(shí)相同，當(dāng)防護(hù)結(jié)構(gòu)降落（關(guān)閉）到位并鎖死后，電氣控制模塊把本文系統(tǒng)狀態(tài)信息反饋給外部接口，列車(chē)駛離站臺(tái)，本文系統(tǒng)進(jìn)入防護(hù)結(jié)構(gòu)關(guān)閉保持過(guò)程。

4 站臺(tái)防護(hù)系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)

4.1 防護(hù)結(jié)構(gòu)垂直運(yùn)動(dòng)與重合運(yùn)動(dòng)的同步技術(shù)

本文系統(tǒng)變更了防護(hù)結(jié)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)方向和結(jié)構(gòu)形式，由原來(lái)的水平移動(dòng)變更為垂直運(yùn)動(dòng)，由單扇獨(dú)立平移變更為雙扇上下收展，動(dòng)作復(fù)合性更高。傳動(dòng)結(jié)構(gòu)采用了螺旋副與配重平衡相結(jié)合的方式，防護(hù)結(jié)構(gòu)升起時(shí)，傳動(dòng)結(jié)構(gòu)將電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為防護(hù)結(jié)構(gòu)的垂直直線運(yùn)動(dòng)，再通過(guò)中間聯(lián)接設(shè)計(jì)，使主動(dòng)防護(hù)扇運(yùn)動(dòng)到一定位置后與被動(dòng)防護(hù)扇相連，一起升起到位，并實(shí)現(xiàn)重疊動(dòng)作；降落時(shí)，傳動(dòng)結(jié)構(gòu)同樣將電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為主動(dòng)防護(hù)結(jié)構(gòu)的垂直直線運(yùn)動(dòng)，通過(guò)中間聯(lián)接設(shè)計(jì)使主動(dòng)防護(hù)扇運(yùn)動(dòng)到一定位置后，拖著被動(dòng)防護(hù)扇降落到位，并實(shí)現(xiàn)展開(kāi)動(dòng)作。每扇防護(hù)結(jié)構(gòu)均與配重裝置相連，并保持平衡，當(dāng)電機(jī)不動(dòng)作時(shí)，防護(hù)結(jié)構(gòu)處于平衡靜止?fàn)顟B(tài)。

4.2 三重安全防護(hù)技術(shù)

傳統(tǒng)城軌站臺(tái)防護(hù)系統(tǒng)僅采用防夾作為安全保障手段。本文系統(tǒng)為增加設(shè)備安全等級(jí)，采用了三重安全防護(hù)技術(shù)。

4.2.1 配重裝置

配重裝置與防護(hù)結(jié)構(gòu)直接機(jī)械相連，重力達(dá)到平衡，使防護(hù)結(jié)構(gòu)在任何情況下，均不會(huì)因自身重力的作用對(duì)站臺(tái)上的人和物造成傷害和損壞[10]；

4.2.2 壓力感應(yīng)結(jié)構(gòu)與電磁剎車(chē)器

壓力感應(yīng)結(jié)構(gòu)能敏銳地感知防護(hù)結(jié)構(gòu)在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中是否遇到障礙物，一旦感應(yīng)到障礙，立即啟動(dòng)電磁剎車(chē)器，使得防護(hù)結(jié)構(gòu)停止動(dòng)作，避免危險(xiǎn)的發(fā)生。

4.2.3 激光雷達(dá)探測(cè)裝置與電磁剎車(chē)器

防護(hù)結(jié)構(gòu)在降落（關(guān)閉）狀態(tài)下，若有人或物進(jìn)入防護(hù)區(qū)域，激光雷達(dá)探測(cè)裝置均能及時(shí)啟動(dòng)語(yǔ)音提示和報(bào)警，并通知站臺(tái)工作人員，從而保障人和物及系統(tǒng)的安全。在此過(guò)程中，電磁剎車(chē)器始終處于鎖死狀態(tài)，防止非工作人員強(qiáng)行將防護(hù)結(jié)構(gòu)抬起造成傷害或損壞。

5 系統(tǒng)應(yīng)用情況

本文系統(tǒng)已在嵐皋站、西安北站、昆明站和蘇州站等多個(gè)鐵路客運(yùn)車(chē)站進(jìn)行試運(yùn)行。（1）開(kāi)啟空間更大，能滿足鐵路客運(yùn)車(chē)站多車(chē)型的特點(diǎn)，尤其在春運(yùn)或其他節(jié)假日等客流高峰時(shí)期，能協(xié)助工作人員高效實(shí)現(xiàn)乘客的乘降工作；（2）能較好地阻止旅客靠近站臺(tái)邊緣，站臺(tái)工作人員無(wú)須在站臺(tái)上維持秩序，節(jié)省了人力成本；（3）設(shè)置了信息顯示屏，可指引旅客就近乘降，方便快捷，本文系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用情況如圖5所示。

圖5 基于垂直運(yùn)動(dòng)的鐵路客運(yùn)站臺(tái)防護(hù)系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用情況

現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用情況表明，本文系統(tǒng)運(yùn)行效果良好，但也存在一些問(wèn)題，例如：機(jī)械裝置的重量和較大跨度限制了防護(hù)結(jié)構(gòu)的材質(zhì)選擇[11]；系統(tǒng)的穩(wěn)定性需要更長(zhǎng)時(shí)間去驗(yàn)證，目前，相關(guān)的穩(wěn)定性數(shù)據(jù)尚少。

6 結(jié)束語(yǔ)

本文分析了鐵路客運(yùn)站臺(tái)引入站臺(tái)防護(hù)系統(tǒng)面臨的問(wèn)題，闡述了基于垂直運(yùn)動(dòng)的鐵路客運(yùn)站臺(tái)防護(hù)系統(tǒng)的組成、功能和關(guān)鍵技術(shù)。該系統(tǒng)已在部分鐵路客運(yùn)站成功應(yīng)用，取得了良好的防護(hù)效果，但仍存在防護(hù)結(jié)構(gòu)材質(zhì)選擇有限，系統(tǒng)穩(wěn)定性有待驗(yàn)證的問(wèn)題。因此，防護(hù)結(jié)構(gòu)的材質(zhì)研發(fā)和系統(tǒng)穩(wěn)定性的保障措施是下一步的研究重點(diǎn)。