上海轨道交通旋转门自动检票机功能性设计

王炯

上海轨道交通旋转门自动检票机功能性设计

王炯

（上海申通轨道交通工程审图有限公司，201103，上海//工程师）

介绍了城市轨道交通自动检票机的发展与应用现状，论述了三辊、剪式门、拍打门、旋转门等不同的检票机阻挡装置特点，着重通过结构设计分析和通行策略分析阐述了上海轨道交通旋转门自动检票机的功能性设计情况。

城市轨道交通；自动售检票系统；自动检票机；旋转门

Author′s addressShanghai Shentong Metro Engineer Drawing Approval Co.，Ltd.，201103，Shanghai，China

城市轨道交通的自动售检票系统（AFC）是一个大型的综合自动化系统。全套系统涉及自动控制、计算机网络通信、现金自动识别、微电子计算、机电一体化、嵌入式系统和大型数据库管理等多种高新技术，科技含量高且系统组成复杂。作为城市轨道交通系统中时刻与出行人群交流的一项重要工具，AFC技术水平的体现不仅仅局限于单纯地解决车票发售、检票这些表面意义上的工作程序，而是被赋予了更深层次的服务含义，其中自动检票机（AGM）的技术创新与发展是整个系统进化中的一个重要环节。

自动检票机是乘客使用票卡被控制的阻挡机构进出付费区的设备。目前，国内城市轨道交通的AGM阻挡装置主要采用三辊和剪式门，个别地区开始采用拍打门。本文通过对各种阻挡装置优缺点的比较分析，结合对国内外同类行业设备的调研，研究确定采用旋转门作为上海轨道交通下一代自动检票机的阻挡装置，并已委托设备厂商生产出了样机。样机经过第三方测试、车站试点等环节，证明其运行稳定可靠，现已在上海轨道交通16号线两个车站正式投入使用，后续将在更多线路上推广。

1 AGM阻挡装置特点

AGM的阻挡装置接收上位机的控制指令，放行或阻挡乘客出入付费区。纵观国内外同行业现状，阻挡装置主要有三辊、剪式门、拍打门和旋转门等4种形式。

1.1 三辊阻挡装置

三辊阻挡装置采用3根金属转杆作为阻挡机构。当乘客刷卡有效并需要通过检票机时，由上位机发送控制一次放行信号给三辊阻挡装置，此时三辊可以转动120°；乘客推动三辊通行，三辊转动120°后，锁定转杆；一次正常通行后，三辊不再正方向旋转或反方向旋转，但有一定的缓冲角度，用以安全保护，此后转杆能够自动归位，恢复初始角度。当连续收到多条同一方向的放行指令后，三辊阻挡装置机芯可在该方向上连续放行，在完成所有转动后锁定转杆。采用三辊装置的自动检票机如图1所示。

三辊作为早期轨道交通自动检票机的阻挡机构，具有结构简单、使用方便等特点，但在使用功能方面，也存在一定的缺陷：①对使用大件行李的乘客而言通行不方便，如携带行李箱、推儿童车等的乘客通行较为困难，通行能力较小；②逃票较为容易，逃票者只要钻过三辊就可以逃票通过；③如果乘客刷卡无效就通过会撞到三杆，对于通行速度较快的乘客会造成一定的伤害。

1.2 剪式门阻挡装置

剪式门阻挡装置是由一对回缩型的门型挡板组成，同时，检票机上设有用于判断乘客通行行为的传感器。当乘客刷卡有效，需要通过检票机时，由上位机发送开门信号给剪式门装置，门扇打开，允许乘客通过，乘客通过后扇门自动关闭。在乘客通行过程中，检票机上设置的传感器对乘客的通行行为进行全过程跟踪，可识别各种正常及异常行为的乘客行为，并控制门扇的开启和关闭。采用剪式门装置的自动检票机如图2所示。

图1 采用三辊阻挡装置的自动检票机

图2 采用剪式门阻挡装置的自动检票机

剪式门阻挡装置目前是国内各地AFC系统检票机采用最多的阻挡装置，由于采用传感器判断乘客通行行为，且扇门完全打开后通道中没有任何阻挡物体，对携带行李的乘客提供了较为人性化的使用体验，但仍存在以下缺点：①剪式门在设计时基于安全性考虑，在通道内都设置用于保护乘客通行安全的传感器，但在扇门打开后一旦有物体遮挡该传感器，扇门便不会再关闭，造成逃票相对容易；②由于采用了扇门伸缩型门板，在扇门和机箱间留有缝隙，对体型瘦小的乘客（特别是儿童）存在手指夹入其中的风险；③门板需要收回机箱中，如果是多台检票机并排布置，各检票机的扇门会交错排列，视觉效果不够美观。

1.3 拍打门阻挡装置

拍打门阻挡装置由两对小门板组成，分别位于检票机的前端和后端，检票机上也设有用于判断乘客通行行为的传感器。当乘客刷卡有效，需要通过检票机时，由上位机发送开门信号给拍打门装置，第一对门板打开，允许乘客通过，通过后第一对门板关闭；乘客通行到第二对门板附近时，第二对门板打开，允许乘客通过，通过后第二对门板关闭。在乘客通行过程中，检票机上设置的传感器对乘客的行为进行全过程跟踪，可识别各种正常及异常行为的乘客行为，并控制拍打门的开启和关闭。拍打门检票机在国内轨道交通领域应用较少，目前只有无锡地铁使用，如图3所示。

图3 采用拍打门阻挡装置的自动检票机

拍打门阻挡装置由于门页较小，乘客较容易挤过或跳过，逃票极为容易，因此在乘客自律性不高的地区不宜推广。

1.4 旋转门阻挡装置

旋转门阻挡装置由一对可旋转180°的门板组成，乘客通行行为与剪式门类似，其在国内城市轨道交通中尚没有应用，但在国外应用较为广泛（如图4所示）。

除了具备剪式门通行便捷的优点外，旋转门装置还有以下特点：①门板面积大，对于跨越或钻入等逃票行为防范性好；②门板完全在通道内动作，使机箱体积缩小，可以设计出多种美观的设备外形；③即使通行逻辑失效，门板在运动过程中与乘客也是门面接触，相比较剪式门运动过程中的点接触，造成的伤害较小。

2 旋转门自动检票机的结构设计

为了适应上海日益增长的大客流及提高通行的便捷与流畅，特别是结合轨道交通迪斯尼乐园车站的建设，上海轨道交通开始进行新型自动检票机设备的研制。通过深入分析比较，决定采用旋转门作为部分新一代轨道交通自动检票机的阻挡装置。

图4 采用旋转门阻挡装置的自动检票机

2.1 外形结构

采用旋转门作为自动检票机的阻挡装置时，设备整体外形设计上可以将机身做薄，使之更具备立体感和减少空间占用。经过多次比较制作后，最终确定采用如图5所示的外形结构。

图5 旋转门自动检票机外形结构

这种外形结构，设计上参考运动跑车硬朗的造型特点，使设备更具立体美感。设备主体采用拉丝不锈钢材质，旋转门门板和通道中部采用通透的阻燃聚碳酸酯，通行指示器采用亚克力材质。设备最宽处从上一代的280 mm减小为180 mm，通道净宽与既有检票机一致，标准通道净宽为520 mm，宽通道净宽为900 mm。

2.2 部件组成

旋转门检票机由主控单元（工控机）、读写器、旋转门机构、通道传感器、回收模块、票箱、乘客显示器、警示灯、电源模块等部件组成，其中：工控机、读写器、回收模块、乘客显示器、票箱和电源模块与既有设备要求一致，可以互换。本项研制关注的重点是旋转门机构以及对应的通行逻辑。旋转门机构由机械部分和电气部分组成。

2.2.1 机械部分

机械部分包括驱动电机、转轴、旋转门板、刹车锁定装置。由于要求旋转门开关门速度快、运行柔和（先加速后减速）、对乘客伤害小，所以驱动电机应选用控制精准、扭矩高的伺服电机，负责驱动旋转门板的打开和关闭；刹车锁定装置，可以防止旋转门板被强行打开，同时配合安全区域传感器，确保行人的安全；根据标准JG 305—2011《人行自动门安全要求》中有关规定，门板对人体的最大冲击力应≤150 N，结合对门板宽度（标准通道门板宽度240 mm，宽通道门板宽度400 mm）以及运行时间（0.4 s）的计算，将电机的安全扭矩设置在30 NM，即开关门过程中如通行逻辑失效，门板对乘客的拍打力不会超过150 N（如图6所示）。

图6 门板开门角度与拍打力

2.2.2 电气部分

电气部分包括伺服电机控制器、通行逻辑控制单元、传感器、变压器，其中的核心部件是用于判断乘客通行行为的传感器以及配套的通行逻辑控制单元。电机控制器采用数字信号处理器（DSP）技术，可以精确控制电机在任何位置的扭矩、速度、加速度和减速度等参数，结合电机编码器的反馈，可以高速地驱动电机。本项设计安装24对红外对射传感器，用于侦测乘客的通行，另外还安装了4只漫反射传感器，用于侦测儿童的通行。在开关门过程中，沿门运动方向，安全传感器依次排布，当乘客处于安全传感器位置区域，将优先保证乘客的安全。

3 旋转门自动检票机的通行策略

如图7所示，一个通道内布置有24对对射式传感器和4只漫反射传感器（图中数字、字母及其位置为传感器编号及所布置的位置），其中传感器1—24为对射式传感器，以门页转轴为中心线两侧对称分布，1—4以及21—24位于两端机壳上，5—20位于通道中部，上下部横梁均安装传感器；传感器A、B为用于检测儿童的漫反射传感器，一个通道内共有4只。

图7 传感器布局

假设乘客为从左向右行走，传感器区域定义如表1所示。

表1 传感器区域定义表

3.1 携带行李通行

行李的高度必须低于横梁顶部5—8和17—20传感器，否则认为是一个成年人。若行人在前，行李在后，当行人到达离开区时，传感器9必须已探测到行李，否则门页将开始关闭，如图8所示。若行李在前，行人在后，只要行李高度低于横梁上部传感器，门页就不会关闭，直到行人通过。

图8 携带行李通行示意图

3.2 反向闯入

正常方向上乘客刷卡有效，门页开启后，另一端有人闯入时，只要传感器24被遮挡，门页就开始关闭，如图9所示。

图9 反向闯入示意图

3.3 尾随通行

当第一位乘客刷卡有效，门页打开，但其后紧跟一位未刷卡的行人时，传感器能根据时序检测到第二位尾随乘客，并进行声光报警。通行策略上要求，在第一位乘客已通过安全区到达离开区，且尾随乘客未到达安全区时，门页能完全关闭，如图10所示。

图10 尾随通行示意图1

当第一位乘客已通过安全区到达离开区，且尾随乘客也已到达安全区时，可根据参数设定，将策略设定为开始关闭门页，或是维持门页开启状态。若是将策略设定为开始关闭门页，应在软件设计中预防门页主动触碰乘客，如图11所示。

3.4 儿童通行

设备使用漫反射传感器检测儿童，如图12所示。两只传感器分别射出一束红外光，在1.3 m的高度相交，其下所覆盖的区域为儿童探测区。只要任意一束红外光未被遮挡，就认为是一名儿童，否则认为是一名成年人。

图11 尾随通行示意图2

图12 漫反射传感器检测示意图1

通行规则为一个大人携带一个1.3 m以下儿童可以通行，以下两种情况应都可以通行：①儿童在前，大人在后；②大人在前，儿童在后，但需确保大人完全离开安全区前，儿童已通过漫反射传感器监测区，如图13所示。

图13 漫反射传感器检测示意图2

4 设计方案改型

旋转门自动检票机的样机经过各方测试后，在龙阳路站进行了为期3个月的上线试点运营，整体效果良好（见图14）。同期进行了如下改进：①为减少各种跨越、钻入等异常逃票行为，旋转门门板高度增大了23 cm，同时门板材质由设计时的聚碳酸酯改为柔性包边材料，以减少在可能意外情况时，乘客所感受的接触感；②通行指示器修改为LED光带，减少了一组检票机并排布置下原先多个箭头下对视觉的干扰效果。

图14 旋转门检票机现场实物图

5 结语

旋转门自动检票机在城市轨道交通中的开发和应用，在推动我国城市轨道交通发展方面具有典型的示范作用。随着相关研究成果的进一步推广应用，将进一步促进轨道交通装备的产业化发展，有利于我国城市轨道交通自动售检票系统技术的可持续性发展。

［1］邓先平，陈凤敏.我国城市轨道交通AFC系统的现状及发展［J］.都市快轨交通，2005，18（3）：18-21.

［2］伍敏.自动售检票设备应用中存在问题及应对措施的探讨［J］.地铁与轻轨，2002（4）：45-47.

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［4］于明，万燕，苏厚勤.城市轨道交通自动售检票系统检票机应用软件构架设计与分析［J］.城市轨道交通研究，2007，10（4）37-40.

［5］宋立新.地铁出入口闸机的动态智能识别技术的研究［J］.机械管理开发，2011，26（3）：63-64.

［6］中华人民共和国住房和城乡建设部.人行自动门安全要求：JG 305—2011［S］.北京：中国计划出版社，2011.

Design of Automatic Gate Machine with Revolving Door in Shanghai Metro

WANG Jiong

The development and application situation of the automatic gate machine(AGM)in AFC system are introduced，the characters of four blocking devices，including threeroller door，scissor door，flapping door and revolving door are analyzed and compared，the design of AGM with revolving door is especially expounded based on an analysis of its architectural design and passenger flow strategy.

urban rail transit；automatic fare collection system；automatic gate machine；revolving door

U293.22

10.16037/j.1007-869x.2017.08.032

2015-09-01）