AFC系统闸机扇门模块的三维建模及仿真

李建伟

摘要：随着支付方式多样化，AFC系统越来越多应用于城市公共交通中。根据A市地铁站点AFC系统具体应用现状，本文从AFC服务本身和客运经验出发，分析AFC系统现状，并对地铁闸机扇门模块进行三维建模及仿真。随着城市轨道交通自动检票系统发展和进步，在AFC系统终端设备中使用建模设计变得越来越重要，通过建模计算可以分析其运行情况，更换缺陷模块，节省检查设备时间，减少维修、并节省社会成本。

关键词：AFC系统;闸机扇门模块;三维建模;仿真

伴随互联网技术发展和移动支付日益普及，特别是随着二维码技术在支付领域迅猛发展，越来越多城市逐渐开放二维码移动支付购票功能。与传统方法（如手动票证销售）相比，使用移动应用程序创建二维码来购买票证并刷卡通过闸机，可以减少乘客队列、改善运行管理、提升乘客体验以及降低设备使用频率和降低成本。

1 概述

AFC系统全名是自动售检票系统，包括半自动售票机、自动售票机、自动开票和计算机控制统计数据封闭式自动网络系统。AFC系统是一个基于计算机、通信、网络、自动控制等技术自动系统，实现购票、票务控制、计费、统计、检票进站、分类管理等多更能全过程自动化控制。乘客通过闸机时，由于机器自动识别，偶尔会出现无法识别情况，卡证失效或是检票系统故障，影响乘客出行，甚至造成闸机扇门碰撞、挤压乘客。针对这些情况，交通地铁企业需要进行及时改善，减少此类情况发生，防止因闸机扇门问题造成意外事故。

2 建模

2.1建立三维模型优势。鉴于上述问题，对A市AFC系统中地铁闸机扇门模块进行三维建模。通过设备三维模型，可以扩大该模块实际应用能力并有助于解决实际设计和生产中困难问题。因此，有必要对闸机扇门模块进行 3D 建模，以提高其易用性和实用性[1]。

2.2行人碰撞模型。在AFC系统闸机扇门模块应用中，由于早晚高峰易造成人流拥挤，针对此情况进行三维模拟。行人和扇门之间碰撞位置通常发生在成年人腹部，因此碰撞模拟可以简化为行人腹部碰撞，并且可以用腹部模型替换行人模型，碰撞模拟中以圆筒状橡胶制品为参照物。普通人一步通常需要0.50-0.55秒。步行速度可设定为1.5公尺/秒，以此数据作为参照物前行速度。

2.2 ABAQUS有限元模型。ABAQUS 软件是一款功能强大工程模拟有限元软件，具有完美数据接口，可以与许多高级 CAD 部件共享数据。闸机站门和腹部模型是由Pro/E软件创建实体模型，然后在ABAQUS分析软件中引入。导入固定模型后，遵循模型预处理方法，主要包括确定材料和边界条件、应用载荷和分割网格的过程。下表列出材料性能主要参数。

在边界条件下，有在三维模拟中聚氨酯和钢板紧密相连，充分保证它们协同工作，钢板和聚氨酯受结合约束。同样，两个腹部实体模型受到约束。扇门模型和腹部模型与采用加速度处理，到达后二者接触碰撞。腹部模型向前平移，模型之家距离设定约为2-3米远，对腹部模型施加速度载荷[2]。

3 仿真

本文以A市地铁为例，为每组闸机进行编号处理，具体详见下图。其中 1号与 6 号闸机组为出站闸机，分别通向A市火车站北广场与南广场。其中1号闸机组共有12台闸机，6 号闸机组共有6台闸机，2、3、4、5 号闸机组为进站闸机，各有8台闸机，其中 2 号与 5 号闸机组暂停运行。本部分通过仿真主要研究闸机通过能力，为方便研究，对一些其他设施设备做简化处理。A市地铁火车站乘客多为换乘客运站乘客，且大多都携带大件行李，所以行动与通勤客流相比较为缓慢。经过现场调研，得到各闸机组平均客流量數据，通过表中数据，可以看到在A市地铁站口各个闸机组每小时通过客流都有数千人，客流量较大，在调研时发现闸机口经常出现拥挤堵塞现象，进而造成乘客与闸机扇门发生碰撞，这说明A市地铁AFC系统闸机扇门模块需要得到改善。

乘客由进站到乘车以及由乘车到出站过程决定仿真流程所需模块以及具体流程顺序。乘客在地铁站厅层集散过程分为进站过程与出站过程。乘客进站过程如下图所示，通过下图可以看到，乘客进站后通过AFC系统以不同方式进行购票，然后进入检票口通过闸机，经过闸机进站过程一致。在通过闸机后，再通过不同扶梯与楼梯到达站台层候车。出站乘客经由不同扶梯楼梯口到达站厅，然后通过出站闸机，由各出站口完成出站。本文重点研究闸机通过能力，对其过程进行简化处理[3]。

通过仿真结果，可以看到在 1 号出站口其闸机数量充足，虽然客流量大，但没有产生拥挤踩踏现象，乘客可以顺利通过闸机到达地铁口完成出站。对于进站闸机组，可以通过热度图明显看出乘客在闸机处聚集产生拥挤排队现象，其相应附近扶梯口处产生拥挤现象，这说明这两处进站闸机组需要进行改进，防止意外风险。对于出站闸机组，由于其闸机数量相对较少，即使其出站客流量少，但从仿真结果看也有拥挤排队现象，这说明此处闸机组也需要改进布置，增加闸机数量[4]。

4 结语

综上所述，基于工业计算机发展，地铁AFC系统目前应用广泛，为人民群众带来极大便利，使市民日常出行减少不必要时间浪费。现代城市交通中AFC系统闸机拥有多层次、多流程管理，符合轨道交通安全性、稳定性和高实时运行特性。但同时闸机扇门模块存在人流量大，易造成人员拥堵、碰撞现象。通过对其进行三维建模模拟和仿真，分析AFC系统中闸机扇门现存问题，并提出改善建议。该模拟可减少初始投资，提高交通效率，并基于工业计算机设计重新检查闸门安全性和稳定性

参考文献：

[1]田立，田莉莉.地铁闸机扇门机构专利技术分析[J].中国科技信息，2020（12）：18-20+14.

[2]王帅.北京地铁13号线闸机改造方案研究[J].机械工程与自动化，2020（03）：199-202.

[3]潘颖芳.轨道交通自动售检票系统全球专利分析研究[J].天津科技，2020，47（06）：65-68.

[4]柳泽原，彭宏勤.基于Anylogic的地铁车站闸机口通过能力仿真研究[J].交通运输系统工程与信息，2018，18（S1）：110-114.

（作者单位：苏州市轨道交通集团有限公司运营一分公司）