基于多传感融合的地铁站台门与列车门间隙防夹探测系统研究

周天龙，李大伟，王 飞，吴 昊，何海鹏，庄加局

（1.宁波中车时代电气设备有限公司，浙江宁波 315112；2.宁波市轨道交通集团有限公司，浙江宁波 315010）

站台门作为轨道区与站台区的安全有效隔离设备，起到了保证运营安全、节能的作用。如今在国内各城市的地铁线路中，站台门已经作为标配设备被广泛使用。根据GB 50157-2013《地铁设计规范》的要求，当车辆采用塞拉门时，站台门的门体至车辆轮廓线（未开门）之间的净距离应为130（-5，+15）mm，由于车辆轮廓线是弧形的，站台门是直线的，因此站台门和列车门之间的间隙值实际上不低于130 mm，特别是曲线站台，该间隙值可达210 mm。该间隙值使乘客易夹在列车门与站台门之间，目前在上海、北京等人流密集的地铁车站，已多次出现因乘客或物品进入站台门与列车之间的间隙而影响地铁列车运营甚至发生乘客伤亡的事件。因此，在列车门与站台门间隙处采用有效的防护方案是非常必要的。本文通过对比分析现有（传统）间隙探测方案的不足，并结合国内某条线路的激光对射产品运行情况进行分析，提出一种基于多传感融合的探测系统，可解决传统探测方案的不足，并提高全自动运行模式下探测系统的可靠性和安全性，使系统具备接入站台门安全回路的条件。

1 传统间隙探测方案及优劣分析

1.1 传统间隙探测方案

目前，站台门与列车门的传统间隙探测方案有瞭望灯带、物理方式（三脚防站板和结构挡板）、激光对射、红外对射4种，分别见图1～图4。

图1 瞭望灯带

图2 物理方式

图3 激光对射

图4 红外对射

1.2 传统间隙探测方案的优劣分析

1.2.1 瞭望灯带

瞭望灯带探测方案简单、易维护，但存在以下不足：

（1）只适合地下直线站台的应用，司机可以瞭望；

（2）列车的安全完全由司机保证，存在一定的安全隐患。

1.2.2 物理方式

物理方式探测方案简洁有效，但存在以下不足：

（1）样式不美观；

（2）乘客下车时，若先开车门，很容易因为拥挤被挤入危险空间，存在较大安全隐患；

（3）若发生夹人夹物，司机及站务人员无法快速定位是哪一道门出现问题，处理效率较低。

1.2.3 激光对射

激光对射探测方案的激光束发射散角小，探测距离远，但存在以下不足：

（1）安装精度要求高，易受振动影响，出现误报等情况；

（2）对于曲线站台，则需要根据站台曲率重新定制方案；

（3）若发生夹人夹物，司机及站务人员无法快速定位是哪一道门出现问题，处理效率较低；

（4）由于激光对射探测为点状探测，只能探测有限的空间，因此存在较大的探测盲区。

一般激光对射为3束光束，其高度通常为250 mm、500 mm和750 mm。只有在障碍物挡住某一激光束，才能触发报警信号。

1.2.4 红外对射

红外对射探测方案技术成熟、成本低，但存在以下不足：

（1）设备安装需要独立的空间，若每节车厢都安装红外装置，则故障点增多，影响运营效率；

（2）由于聚光分散、光斑较大,易受外界光线干扰，造成误报情况；

其他不足同上述激光对射中的（2）～（4）。

1.3 某地铁线路激光对射系统故障统计

某地铁线路2019年度发生夹人夹物事件共64起，其中因激光对射系统自身故障及误报26起，漏报10起，详见表1。按照发生夹人夹物事件统计分析，系统的误报率为40.6%，漏报率为15.6%，因激光对射系统问题影响行车及出现安全隐患的事件平均每个月发生3 起，而该公司的线路运营年度考核目标平均每个月最多为0.9起，系统的可靠性远低于运营考核目标，极大地影响了线路运营效率及安全。

表1 某地铁线路2019年度激光对射系统故障统计

综上所述，每种探测方案都存在应用局限性，误报、漏报等问题，无法满足现有运营需求，更无法满足未来全自动运营模式下高效安全运营的需求。因此，需要根据间隙间的异物类型及特征，有针对性地选择合适的组合探测方案，从多维度层面实现异物的准确探测。

2 多传感融合分析

2.1 间隙分析

以地下车站全高站台门为例，每个滑动门门单元与列车门形成的间隙为一个大约 1 900 mm×100 mm×2 000 mm的非规则立体空间，需要选择立体式探测方案；此外，在列车进站离站时会产生活塞风，使探测设备产生振动，易发生误报现象，因此需要选择可以动态设置检测限界的方案，以提升容差性。列车进站还会带来较多灰尘和复杂的光线，因此需要探测方案具有判别因灰尘导致的误报能力以及较强的抗光能力。

2.2 运营需求分析

随着地铁全自动运营模式的不断普及，运营管理人员数量不断减少，如何保障地铁线路运营更加可靠、安全、高效，成为探测方案选择的一个难题。可靠，即要求系统的自身故障率更低；安全，即系统不能因漏报而产生安全隐患；高效，即当出现夹人夹物时，能快速引导管理人员处理故障。

2.3 探测方案选择

结合对间隙工况的分析、运营的实际需求，以及相关检测技术的发展，本文选择3种类型（激光对射、3D激光扫描和图像识别）的传感器进行融合，从系统层面，采取“三取二”的控制方式提升系统安全性；从探测原理层面，采取主动式、立体式、可视化不同的互补方案实现“取长补短”。激光对射具有技术成熟、探测距离远的优势，故障主要为振动引起的发射与接收设备对位偏差导致的误报，可以通过系统从时间维度来滤除误报信息。3D激光扫描可以实现立体探测，同时利用其距离探测能力可实现对异物体积识别及空间位置确认，弥补激光对射的探测盲区。图像识别可以实现对异物的类型识别，用于判断异物是否存在安全隐患，同时利用其可视化能力协助管理人员进行最终确认，高效处理故障。通过将上述3种类型的传感器进行信息融合，形成一个系统级的地铁站台门与列车门间隙防夹探测系统，可解决传统单一方案的不足，以满足运营的需求。

3 多传感融合的间隙防夹探测系统

多传感融合的间隙防夹探测系统由4大模块组成，分别为数据采集模块、数据分析模块、联锁接口模块和服务模块，见图5。数据采集模块包含3种传感器（激光对射、3D激光扫描和图像识别），对站台门和列车门的间隙进行数据采集并建立相关数据库，其中探测信息包含高低电平信息、物体距离信息和图像信息；数据分析模块对前端传感器采集的信息进行分析处理，得出3 种相应的探测结果，并将探测结果信息传输至联锁接口模块做决策；联锁接口模块结合运营工况信息对3种探测结果进行融合分析，采用“三取二”的安全控制方式，即必须有2种及2种以上探测类型判断为障碍物，整个系统才判定为夹人夹物，实现与信号系统的联锁；服务模块为防夹探测系统的上位管理软件，主要用于系统运行信息及故障状态信息的记录与管理等，可设置在设备房和站台上，通过显示屏或指示灯等发出具体某一门单元夹人夹物报警信号，提醒站务人员及时确认与处理。

图5 多传感融合的间隙防夹探测系统框图

3.1 探测原理

3.1.1 激光对射原理

激光对射属于主动入侵报警系统，需在站台门与列车门间隙探测区域内安装激光发射机和接收机，发射机可向数百米远的接收机发射出不可见激光光束，接收机在接收到激光信号后就与发射机形成一个完整的光通路，见图6。当间隙夹人夹物时，就会阻断光通路内的激光接收，从而实现终端报警，见图7。

图6 激光对射原理

图7 激光对射遮挡

3.1.2 3D激光扫描原理

3D激光扫描是用一个发射器向物体发射激光，再由一个接收器接收反射回来的激光，根据激光往返的时间长短和其固定的飞行速度，计算出物体表面上的这个点与相机之间的距离。当发射的激光足够多，能够触达到物体表面的几乎每一个点时，所有的点将连成一个3D立体面，从而获得物体的形状信息，见图8。3D激光扫描传感器通过对列车门与站台门间隙内的区域进行扫描，可识别判断出基础边界并形成防区。当防区内有异物时，激光束往返的时间将发生改变，从而可以检测并定位异物。探测器获取的数据在前端采用嵌入式处理模块，由模块判断防区内是否存在异物。

图8 3D激光扫描原理

3D激光扫描传感器通过集成主动抑制辐射的外来光，几乎可以完全抑制，从而实现在超过10万lux的光照下运行，且不易因外界光线产生误报。每个门单元配置1套传感器，安装在站台门后封板上，最外侧不会超出限界。其安装示意图见图9。

图9 安装示意图

根据不同限界、不同车型形成的探测区域，3D激光扫描传感器通过相应软件设置探测界限参数，实现动态调整，并支持各种滤波算法，可有效提高抗干扰能力。若在探测空间中检测到夹人夹物，传感器则发出报警信号；输出效果见图10，绿色区域为报警信息。

图10 输出效果

3.1.3 图像识别原理

利用摄像头获取探测区域的视频图像信息，在站台门打开前，对探测区域进行背景建模；当站台门关闭后，对异物进行特征提取，并采用异物与背景分离等技术进行特征匹配与比较，若检测的异物大小超过设定阈值，则认为存在异物，见图11。

图像识别系统还可以对列车门的开关状态进行特征识别，从而进行辅助判别；另外，可识别出摄像头镜头因灰尘累积或者被异物遮挡的误报情况，并提前发出预警信息，降低误报情况。

当站台门与列车门关闭时，图像识别系统开始启动检测，如果站台门与列车门间隙处有乘客或大件物体滞留，图像识别系统则会发出报警信号。其工作流程见图12。

3.2 系统接口设计

探测系统中的设备供电全部来自站台门电源系统。开关门信息以及关闭锁紧信号由站台门系统提供至探测系统，作为探测启动的条件。障碍物探测状态及故障信息由探测系统向中央控制 盘（PSC）传递，最终上传至综合监控及信号系统。探测系统根据前端传感器采集分析的数据，通过硬线方式组合控制安全继电器实现“三取二”安全模式，若判定发生夹人夹物，则站台门安全回路断开（可根据实际需要使用旁路功能），并将夹人夹物报警信息传至站台监视系统或移动终端，便于站务人员快速确认与处理。多传感融合的间隙防夹探测系统接口设计原理见图13。

图11 图像识别原理

图12 图像识别系统工作流程

3.3 探测流程

多传感融合间隙防夹探测系统探测流程如图14所示。

（1）当完成上下客、站台门关闭后，系统主机分别向3D激光扫描传感器、图像传感器、激光对射传感器发送初始工作触发信号；同时图像传感器可以自动启动识别工作，智能识别站台门、列车门关闭状况。

（2）3D激光扫描传感器、图像传感器、激光对射传感器对探测区域进行信号采集并向门头处理单元提供采集的信息。控制器处理前端3种传感器的采集信号，并向“三取二”决策装置提供异物探测结果信息。

（3）“三取二”决策装置根据前端3种传感器提供的结果进行夹人夹物最终判断。若有超过其中2种方案判断有夹人夹物存在，系统则判断存在夹人夹物，同时图像传感器将夹人夹物的图像视频信息传送至显示终端，供管理人员查看。若只有1种方案判断存在夹人夹物，系统则判断为无夹人夹物，同时图像传感器对报警区域进行图像及视频记录存储，用于后期误报分析及确认。

（4）当系统判断存在夹人夹物时，断开闭锁回路与列车进行联锁，此时列车无法离站，保障乘客安全。同时，系统将报警信息发送至站台上的显示终端以及移动终端，供站务管理人员快速查看确认，并及时处理。

（5）待人工确认处理完成后，重新复位系统。

（6）若探测工作时间还在规定时间内（探测时间可调），则系统重新对探测区域进行检测，直到探测时间结束。

（7）当在系统工作时间内未检测到夹人夹物，列车离站，系统重新处于待机状态，等待下一次检测。

4 系统特点

4.1 “三取二”式控制方法，安全性高

整个系统采用3种探测系统的融合对站台门与列车门间隙进行探测，采用“三取二”安全控制模式实现了技术间的取长补短，避免了因某一种探测技术的缺陷或故障引发的行车及乘客安全隐患，提升地铁运行安全。若某一种探测系统出现自身故障，系统则根据实际运营需求，进行降级处理。同时，对每一种探测系统都可以独立设置旁路，进一步提升整体系统的可用性。

图13 多传感融合间隙防夹探测系统接口设计原理

图14 多传感融合间隙防夹探测系统探测流程

4.2 探测区域大，识别范围广

系统中的3D激光扫描、图像识别传感器可根据地铁线路因不同限界、不同车型形成的间隙差异，灵活设置检测参数，立体覆盖站台门与列车门之间所需要探测的区域，避免了以往激光对射方式因受限界影响仅能探测站台门外30 mm范围的弊端。该系统可识别出更多的异物类型，如雨伞、绳索、包带等，进一步提升了系统智能化水平，降低安全隐患。

4.3 智能化程度高

当激光对射或者3D激光扫描中的某一种技术探测到夹人夹物后，系统可通过图像识别进行协助拍照确认是否为误报，并作为后续进一步分析的参照。同时，系统中使用的图像智能识别技术可借助图像的深度学习能力实现物体的智能识别，辅助站务人员进行预处理。对于不影响安全的物体可暂缓处理，以提升线路运行效率。

4.4 定位精确度高

系统中采用的图像识别和3D激光扫描系统在每个门单元各配置1套。当探测到夹人夹物时，系统可协助站务人员快速定位至某个门单元，以便第一时间确认与处理，避免了传统探测方案因无法精准定位而增加站务人员应急处理难度的问题。

5 结语

近些年，国内地铁发生多起站台门与列车门夹人的安全事故，整个行业内的地铁业主、设计院以及站台门厂家都一直在不断地进行间隙防夹探测研究。随着地铁线网的不断延伸，全自动运行线路越来越多，站台门与列车门间隙存在的安全隐患不容忽视。

针对传统单一探测方案都存在一定的不足，无法全方位解决间隙安全隐患的情况，本文提出了一种基于多传感融合的间隙防夹探测系统，可显著提高系统的冗余度和容错性，从而保证了决策的快速性和正确性，是未来全自动运行发展的必然趋势。该系统充分利用多个传感器资源，通过对其及其测量的信息进行合理选择和使用，将其在空间或时间上的冗余依据安全化、高效化、人性化的准则进行组合，实现优劣互补，以获得准确的结果，实现系统的最优化。

目前，该系统已作为科研项目在宁波地铁运营线路的一个车站进行试验，后期结合试验结果进一步完善改进后，将在国内地铁线路进行应用推广。这不仅解决了现有技术方案的不足，同时使全自动运行线路更加可靠、安全、高效地运营。