基于压电薄膜的地铁间隙异物检测阻拦系统.pdf

年第 卷第 期总第 期物流工程与管理 安全管理与技术:./.基于压电薄膜的地铁间隙异物检测阻拦系统 邵宇超奚峥皓(上海工程技术大学 电子电气工程学院上海)【收稿日期】基金项目:上海市大学生创新训练项目()【作者简介】邵宇超()男本科研究方向:智能交通 【摘 要】针对地铁屏蔽门与列车间站台间隙易发生异物(含乘客)侵入而现行检测技术可靠性较差所带来的危险问题文中首先分析站台间隙夹人因素与现有检测装置的特点归纳夹人事件的成因与路径其次对单元控制器、门机控制器、就地控制盒等现有设备进行功能与逻辑更新设计一种内嵌于屏蔽门近列车侧的检测阻拦系统通过压电薄膜检测间隙异物可自动判断各类异常并可使用电机推出阻拦条阻拦车内乘客在列车门异常时侵入站台间隙然后论述了信号转移条件及控制策略最后评估其自动化检测能力并进行建模与结构仿真对系统的适用性与可靠性做了验证 研究表明该系统可以帮助减少事故发生、减轻站务人员负担、提高运营效率并推广高自动等级线路【关键词】高自动化等级地铁站台屏蔽门风险间隙异物检测阻拦应急管理处置【中图分类号】.【文献标识码】【文章编号】()()【】().【】地铁屏蔽门是地铁中的一种安全装置但也有不容忽视的风险由于列车包络线和设备限界限制乘客可被困于屏蔽门和列车间的站台间隙之中 此类事故偶有发生会延误列车运营也会对乘客造成严重伤害 近年来无人驾驶地铁与高自动等级线路已是大势所趋随着各大型城市的发展许多线路区段最大满载率超过 这会增加此类事故发生率 很多学者对此类问题做了研究如加装防夹挡板增大屏蔽门截面接触面积通过电机电流监控判断关门是否被阻碍等光学自动检测是目前间隙异物检测的主流和重要技术如红外光幕检测系统与激光对射及扫射技术通过在站台间隙一定区间内安装红外或激光发射及接收装置以达目的也有学者使用激光雷达探测与视觉检测方案进行检测这些研究大多聚焦于使用光学技术检测异物但鲜有能适应复杂光学环境(地面、高架站台)的检测技术被提出 这些技术受制于光直线传播的物理学定理难以在曲线站台上运用且易受到灰尘干扰出现误检情况对列车运营造成安全隐患并降低了自动化程度与效率 随着地铁线路的自动化等级不断升高异物检测技术不应仅发挥单独的检测功能还需在检测后通过一些机构或系统自动处理较为简单的侵入物流工程与管理第 卷事件以提高屏蔽门系统的自动化等级保障地铁线路的运营效率 此外乘客等大异物的侵入路径也未被系统性总结和归纳过这也导致此类安全设备的自动化程度无法提高甚至出现二次伤害 在安装防夹挡板的屏蔽门系统中由于两门均具备防夹功能当屏蔽门防夹机制启动、再次开启时安全挡板则可能将不慎进入间隙的乘客裹挟推出移动门区致使其掉落站台针对上述难题市场亟需一种检测精度与稳定性高、可平稳过渡并兼容人工控制的检测方案 地铁站台间隙夹人因素及异物侵入情况.地铁站台间隙夹人因素根据参考文献站台间隙异物事件的风险等级被划分为“夹人”“大异物”“中异物”“小异物”等事件 其中乘客作为侵入站台间隙的特大异物被分为“夹人事件”从客观因素考虑受列车晃动与风压等影响站台与列车限界之间需预留一定的安全余量(间隙)由于屏蔽门的加装生成了这一危险的半封闭间隙 根据文献及国标 等研究及规范站台间隙()可使成年男性及幼童进入(见图)不断上升的客流量则易造成地铁过饱和运输上下车辆的人流对冲也易使乘客侵入间隙 不合理的站台设计也会加剧该情况的发生从主观因素考虑乘客的不文明行为也容易导致事故 随着多孩政策的施行对孩童的疏于管教可导致更多事故的发生 站务人员工作负荷大、新冠病毒的流行与预后不明可能导致其机能和警觉下降无法及时对突发情况采取正确措施图 站台间隙示意.乘客的侵入路径情况国内的新建地铁线路已多采用列车门晚于屏幕门关闭的控制策略且均附带有防夹机制 在此类策略下可总结出三类侵入站台的乘客路径情况:屏蔽门正常关闭列车门因防夹机构启动而未正常关闭拥挤情况下可能导致列车内乘客不慎被挤出列车外侵入风险间隙情况:乘客在关门时抢下但屏蔽门已关闭至人体无法通行的大小此时乘客较难反应或返回车厢内在曲线站台及较大间隙的站台处可能发生屏蔽门与列车门均关闭但乘客被困间隙的情况情况:屏蔽门与列车门的防夹机制均被乘客及其携带物品触发一般发生在屏蔽门与列车门关门初始乘客仍有上下车可能但若反应不及时可能被两扇门一起夹住 随身携带的较大异物也可能成为被夹的物体贯穿两扇门的行程及站台间隙综上所述情况 可能使乘客进入最危险的封闭间隙中情况 则可能使乘客进入较危险的半封闭的间隙中这两种情况较难通过机械系统进行排障化险 由于屏蔽门先于列车门关闭若能将乘客尽可能隔离在站台间隙之外则可以将情况 的发生概率降到最低同时在乘客不慎进入站台间隙时(情况)完成高准确度的检测解锁屏蔽门 由此作者从检测、防范夹人事件的角度提出一种地铁屏蔽门检测阻拦系统尤其针对这两类较难处置的情况进行设计并兼顾其他异物侵入事件的检测 地铁屏蔽门检测阻拦系统设计.基于压电薄膜传感器的系统设计研究本系统分为五个模块:单元控制器、门机控制器、就地控制盒、传动系统、检测阻拦系统 前三个模块可与现有系统合并使用 后两个为新设机械模块均嵌于屏蔽门近列车侧(见图)图 系统机械结构(列车侧)单 元 控 制 器 单 元 控 制 器(简称)控制并监测整个系统的运行情况接受反馈门机控制器 门机控制器(简称)负责执行单元控制器的指令并可采集单门信息状态通过总线传输状态至单元控制器 其可根据检测阻拦系统信号判断开关门情况并控制传动系统运作就地控制盒 就地控制盒(简称)可以通过钥匙开关切换单扇门的控制等级与控制方式本系统设计的 可防止关门异常时站务人员错误将该门隔离出系统(详见.)传动系统 传动系统负责阻拦条的运作其在设定条件下可利用安装在内嵌于屏蔽门门柱的装载平台上的蜗杆电机驱动连杆(见图)转动使阻拦条靠近列车并在检测阻拦第 期邵宇超等:基于压电薄膜的地铁间隙异物检测阻拦系统系统触碰至物体或人时锁定阻拦条位置(见图)传动平台内嵌于移动门门体内侧图 系统机械结构(侧视图)检测阻拦系统 系统分为阻拦条与检测系统(图)阻拦条内嵌于屏蔽门框内在设定情况下通过传动系统推出可阻拦列车内人员进入间隙在异常解除后缩回屏蔽门框内其行程与检测区域如图 所示图 传动系统及检测阻拦系统行程 检测系统安装在阻拦条上其采用灵敏性较高且结构简单的压电薄膜式传感器(安全触边)进行触碰检测可检测站台间隙内异物与人体 压电薄膜会因外力作用引起形变导致产生与压力成一定比例的电荷作为等效电荷源通过电荷放大器转换为电压变化信号并被探测(见图)图 压电薄膜等效原理图.基于信号转移条件的系统运行控制策略.系统运行信号状态转移策略现行地铁的屏蔽门组信号转移主要通过各功能模块之间通信完成信号交换(见图)图 系统信号转移情况 常见的 拥有“自动位”“手动开”“手动关”“隔离位”四钥匙位 在本方案中 新增了“复位位”钥匙位当屏蔽门单元发生夹人或检测阻拦系统判断异常时站务员从“自动位”切换至“手动开位”时安全回路断开而从“手动关位”切换至“自动位”时需先切换“复位位”安全回路连通再切换至“自动位”防止站务员错误隔断信号(见图)此外新增传动系统指令的功能可使传动系统推出、锁定或收回同时接受传动系统反馈信号.自动处置险情的控制策略系统中的检测模块在两门开门到关门的区间段内处于启用状态 当有物体阻挡屏蔽门或列车门的关闭时 判断关门异常的是哪扇门图 各钥匙位信号逻辑 由此本系统可在如下三种情况中进行反应(见图)情况:当判断被夹物体仅阻碍到列车门时 禁止列车启动 向 传递信号 确认 处于正常控制位后指示伸缩系统向列车方向将检测阻拦系统推出至列车物流工程与管理第 卷包络线锁定 若在运行过程中触碰异物检测阻拦系统的压电传感器触发将该信号传递给 指示检测阻拦系统将锁闭在此位置防止二次挤压人体同时也防止其进入间隙 阻拦条锁闭后将锁闭信息反馈至 经 传递由车载 指示列车门二次开启待物体取出后列车门再次关门 将列车门锁闭的信息告知 再通知 指示伸缩系统在列车门正常锁闭后将检测阻拦系统复位最终放行列车情况:当屏蔽门与列车门均锁闭但有物体或人侵入站台间隙时人与屏蔽门上的检测阻拦系统的框体接触触发碰撞检测装置的压电传感器导致检测阻拦系统向 与 报告异常情况 接到信号后使屏蔽门解锁 在接到信号后通知 禁止列车启动并将此信息发至站台工作人员的手持终端上告警 由于无法确定乘客朝向不要求其自行推开解锁的屏蔽门仍需工作人员前往处置 处置完成后由 确认压电薄膜不再触发人工确认后操作钥匙开关将 复位 复位后通知 指挥传动系统复位检测阻拦系统屏蔽门再次关门锁闭 将锁闭信息告知放行列车情况:当判断物体阻碍到屏蔽门的关闭且检测阻拦模块传感器未触发时检测阻拦装置无动作不干涉屏蔽门的防夹机制运作与二次打开和关闭图 自动运行处置时的系统工作流程 综上所述在情况 和情况 中本系统可做到对险情的自动处置而在情况 中可对现场进行预处理如屏蔽门自解锁方便站务人员的后续处置 技术评估与有限元仿真分析.异物检测技术评估本系统的检测阻拦系统初始位置考虑到可独立行走的孩童等易被夹物位于自站台起高 处最高升限可达到安装的压电薄膜高 能够检测到夹人事故、大异物及在检测范围内的典型中异物 系统的检测区间为检测阻拦系统的行程范围盲区为非行程范围(见图)属于局部区域检测可与人工瞭望灯带、灯带结合红外光幕等同精度检测方式进行对比(见表)表 本系统与同精度装置对比检测方式站台形状检测区域精度定位站台光照条件本系统直线曲线局部检测局部检测中异物中异物车门车门复杂自然光复杂自然光灯带直线曲线局部检测不适用中异物不适用无不适用稳定照明不适用灯带结合红外光幕直线曲线多线 局部不适用中异物不适用车厢不适用稳定照明不适用 通过对比本系统在同等精度的检测技术中具有站台形状适配性好、风险定位精准、不受光照影响的优点利于提高自动化或人工处置工作的效率.有限元结构仿真与分析屏蔽门可能受人群挤压、列车风压等影响故参考文献 设置相应材料及规格参数及进行有限元分析以确定适用性(见表)本验证固定屏蔽门底座及门机梁以确定约束重力系数为.国标要求屏蔽门最大形变小于 且无永久形变表 材料力学参数材料不锈钢铝 玻璃杨氏模量().泊松比.拉伸屈服应力()密度(/)在使用 软件对本系统进行建模后使用实时分析功能进行有限元分析 其中滑动门规格(以下单位:)为 框料 不锈钢内嵌玻璃厚度 门机梁为 型不锈钢门柱为 不锈钢传动平台为 中部空槽 铝 蜗杆电机为 不锈钢传动曲柄为 (短臂)(长臂)型铝检测阻拦系统为 中部空槽 铝 由于压电薄膜较薄且仅作传感器使用故在建模中省去降低模型复杂度.人群挤压测试由于系统兼具检测与挡护功能人群在系统展开或者锁定在初始位置时均可能挤压本系统故取初始(见图)与最大展开位置锁定时(见图)的系统分别进行人群挤压验证使用/压力作用于检测阻拦系统上进行仿真第 期邵宇超等:基于压电薄膜的地铁间隙异物检测阻拦系统图 挤压仿真的变形总和 由仿真可得初始位置的最大变形为.最大展开位为.无永久形变验证通过.列车风压测试由于屏蔽门对气流存在阻隔作用会导致活塞效应显著增强从而引起部分屏蔽门受隧道内活塞交变压力载荷影响而发生故障 本系统安装于屏蔽门近列车一侧需考虑活塞风影响 风压按 设置由于列车通行时机械部分已收回故取列车通行时的机械初始位置进行仿真(见图)图 风压仿真变形总和 由仿真可得初始位置正压最大形变为.负压下为.无永久形变验证通过.高自动化等级()线路需求评估高自动化等级线路主要分为无司机运营线路()和无人运营线路()在 标准中分别视作、线路 其对屏蔽门系统的主要技术要求为能够自动检测间隙情况并能通过自动或半人工方式解决异常(见表)针对三类危险情况均可由设备自动检测并尝试排障其结构性能也已进行仿真验证 而在人工介入的切换过程中可以通过新设计的切换逻辑保证切换时的安全 故本系统理论上可以适配高自动化等级线路要求表 各等级下列车运行功能需求基本功能人工运营自动化等级 监控上下车人工人工设备自动确认启动条件人工设备自动设备自动紧急状态检测人工人工设备人工 结论笔者以地铁站台间隙异物侵入事件为研究对象首先分析了现行检测技术的不足归纳了夹人事件中乘客侵入间隙的路径情况由此基于压电薄膜设计了一款可用于检测间隙异物并自适应阻拦列车内乘客的系统并对现有设施的逻辑功能进行更新然后对其检测能力进行评估还进行了结构建模与仿真研究 结果表明:本系统可有效检测间隙内异物并自动处置部分险情适用于高自动化等级线路建设与升级并减轻站务人员负担参考文献 张馗.基于激光雷达的屏蔽门控制系统的设计与实现.南京:南京信息工程大学.胡振亚石杰红.全自动运行的地铁站台门系统设计探讨.中国安全生产科学技术():.李猛张艳兵徐成永等.全自动运行系统地铁车辆关键技术.都市快轨交通():.刘伟铭李静宁杜逍睿.基于 视频的地铁异物风险检测方法研究.铁道标准设计().刘伟铭陈纲梅李海玉等.地铁风险空间分析及异物检测系统技术要求.铁道标准设计():.陈卓群.广州地铁车辆关门障碍物检测故障及对策.机车电传动()./中国成年人人体尺寸.北京:中国标准出版社.地铁设计规范.北京:中国建筑工业出版社.赵满姣.城市轨道交通站台聚集人数与列车运行间隔关系研究.北京:北京交通大学.王如冰万欣毛鹏等.乘客不安全行为与地铁事故关联性的.中国安全科学学报():.郭梦怡.北京地铁某线乘务员疲劳风险管理研究.北京:北京交通大学.:.():.王云灏孙铭会辛毅等.基于压电薄膜传感器的机器人触觉识别系统.浙江大学学报(工学版)():.吕刚.高风压工况下地铁屏蔽门结构设计及分析.成都:西南交通大学.袁誉钊贺德强陈彦君等.基于两车模型的地铁隧道活塞风对屏蔽门影响研究.铁道科学与工程学报():.