城市轨道交通站台门和列车门间隙安全探测系统的设计

2021-11-19 08:07赵新赢袁景李福川杨培盛熊东平张继伟
工程建设与设计 2021年18期
关键词:探测系统障碍物站台

赵新赢,袁景,李福川,杨培盛,熊东平,张继伟

(1.济南轨道交通集团建设投资有限公司,济南250102;2.深圳市方大智创科技有限公司,广东 深圳518000;3.北京竞业达数码科技股份有限公司,北京100089)

1 引言

地铁站台门和列车门之间的间隙探测是站台门系统的探测重点。目前,在我国大部分地铁中使用激光对射与车尾设置瞭望灯带的方法对此间隙进行探测。但是,在大曲线站台中,此方法无法实施,而且激光对射探测装置与瞭望灯带安装位置会受到车辆限界的限制,激光探测范围比较小,误报率比较高,容易对行车组织造成影响。以此,本文设计了智能间隙探测系统。

2 地铁站台门和车门夹人事件的发生情况

2.1 地铁间隙的危害

地铁系统以其运量大、准点率高、全天候等特点,给广大乘客的出行提供了便利,逐渐成为城市公共交通的骨干,每天承载着上千万人次的客流量,因此,对行车安全也提出了较高的要求。车站站台门系统作为现代化轨道交通工程的重要设施,设置在站台边缘,将列车与车站站台候车区隔离,用作防止乘客有意或无意进入轨行区而发生危险的安全保障设施。

由于站台门和列车车体之间存在一定的间隙,各地地铁列车车门与站台安全门夹人事件时有发生,部分事件甚至造成乘客生命财产损失。根据GB 10000—1988《中国成年人人体尺寸》,成年人人体厚度最大处约160 mm,对于瘦小的成年人或未成年人,尤其是客流拥挤的情况下,存在安全间隙夹人的可能。若将乘客夹挤在列车和站台门之间,列车启动后会发生人身伤亡事故。

根据调查研究及公开报道显示,各地地铁列车车门与站台安全门夹人事件时有发生,严重时会造成乘客生命财产损失。2007 年7 月15 日,上海地铁某男子被夹在车门与屏蔽门之间,列车启动后,乘客被挤压坠落隧道身亡;2014 年11 月6 日19 时左右,北京地铁5 号线惠新西街南口站一名女子被夹在安全门和地铁门中间,导致悲剧发生。

交通运输部2019 年8 月2 日发布的《城市轨道交通主要运营险性事件清单》指出,“夹人夹物动车造成客伤”属于对城市轨道交通运营安全和服务造成较大影响的事件。

2.2 地铁间隙的解决对策

为了防止乘客或容易造成安全影响的随身物品因故(如拥挤、抢上抢下等)滞留在安全间隙造成安全事故,目前,各地采用了防夹挡板、倾斜护板、瞭望灯带、对射探测等措施,但是,存在较多误报、漏报缺陷。由于站台门和列车车体之间存在一定的间隙,传统防夹装置存在较大的盲区,特别是在曲线站台,列车车门与站台门夹人夹物事件时有发生,部分事件甚至造成了乘客人身伤亡事故。为了进一步减少甚至避免安全间隙“夹人夹物动车”造成的人员伤亡和财产损失,加强地铁安全运营十分必要。

目前,对滞留在安全间隙内的乘客或物体缺乏有效的检测手段,传统方案或因误报率较高导致一些探测设备被旁路弃用,或因误报率过高影响了行车效率,并且无法适用于曲线站台,而高精度的激光雷达探测装置能基本解决这些问题[1]。

3 轨道交通间隙探测需求

3.1 轨道交通间隙探测现状

目前,车站站台门与列车车门间隙的防护与探测装置主要为红外对射探测装置和激光对射探测装置。2 种电气探测装置利用的是光的直线传播原理,装置设置光线发射端和接收端,通过光线是否被障碍物遮挡来判断间隙中是否存在障碍物,当激光或红外光被障碍物遮挡后,探测系统会自动报警。

但是,目前的对射探测技术存在以下问题:

1)激光(红外光)对射探测装置安装于站台门与车门间隙内,采用独立支架安装,受限界条件影响大,存在行车和运营安全隐患。

2)由于激光(红外光)对射探测装置的探测介质为线束,存在盲区,漏报率高;

3)光线遮挡报警无法屏蔽飞虫干扰、无法区分轨道蒙尘与障碍物,误报率高。

3.2 间隙探测系统设计思路

针对目前激光(红外)对射探测问题,本项目采用激光雷达作为探测装置进行间隙探测系统设计:

1)激光雷达基于ToF 光线飞行时间测量技术,发射端和接收端一体,安装不侵入限界,降低对行车和运营安全隐患;

2)激光雷达可以进行扇面扫描,实现整侧站台滑动门、固定门/应急门安全间隙全覆盖,无盲区,降低漏报率;

3)激光雷达通过算法屏蔽飞虫干扰、区分轨道蒙尘与障碍物报警,降低误报率。

4 间隙探测系统设计研究

4.1 设计关键点

根据“感、传、支、用”(感知层、传输层、支撑层、应用层)4 层体系对间隙探测系统进行划分,各层均由不同的软硬件技术支撑,同时,4 层又紧密结合成为一个完整的系统。

4.2 间隙探测系统设计

4.2.1 架构设计

1)感知层:感知层是整个系统的数据来源,由激光雷达探测设备安装在每个站台门侧面,采用LiDAR 激光扫描系统、可以进行边缘计算和自学习。

2)传输层:传输层实现了数据的上通下达,通过高速现场总线使激光探测数据采集后能及时进行分析,供应用层使用。本项目主要通过CAN-bus 总线进行激光探测器至控制主机的数据传输。

3)支撑层:在传感器数据的支持下,控制主机将对探测器节点进行控制,对探测数据进行管理,对系统数据进行自检。为上层应用提供信息目录、信息交换等数据服务。

4)应用层:可为站台发车端提供显示支持,可进行探测状态显示、故障状态显示等功能,可与站台门建立启动→探测→反馈的连锁关系。

4.2.2 功能设计

1)防区内报警物检测

系统可对站台门与列车之间的安全间隙夹人夹物情况进行探测;在雷达布防区域内任意位置,可检测出直径不小于20 mm 障碍物。

2)遮挡报警

当雷达镜面被异物(非探测物)近距离遮挡时,可输出遮挡报警信息,提示维护人员对探测器遮挡物进行排除。

3)污染报警功能

间隙探测装置支持蒙尘检测,对雷达镜面污染可进行报警提示,便于提前清理维护。

镜面构成污染后显示污染报警,而非报警物报警;污染报警后不影响探测功能,仍显示报警物报警。

在镜头污染或异物积累超出定位公差的情况下,间隙探测系统能发出维护警报信号,不因此输出障碍物检测误报警。维护周期在半年以上。

4)环境记忆功能

间隙探测装置具备环境防区记忆功能,避免背景环境对系统的影响而产品误报。

5)报警门定位功能

间隙探测装置探测到障碍物后报警界面可准确显示所报警门的编组号。

6)多门并发功能

多门间隙同时检测到障碍物时,可实现多门同时报警,同时,准确显示所有报警门的编组号,不漏报。

7)故障检测功能

间隙探测系统具备开机自检测功能和故障自诊断功能。

8)数据存储及查询功能

间隙探测系统可以把运行状态及报警信号进行存储,支持任意组合查询。控制主机存储报警信息超出容量后采用先进先出的队列形式覆盖。

9)隔离/旁路功能

系统具备单个或多个间隙探测装置故障隔离功能;系统具备整体旁路功能。

10)站台门系统联动功能

间隙探测系统与站台门系统通过安全继电器回路连锁,接收站台门系统的启动控制及探测信息反馈:控制主机能接收站台门系统提供的“启动探测”命令;并能向站台门系统反馈障碍物探测信息。

5 站台门和列车门间隙安全探测系统的设计

5.1 系统的设计需求

5.1.1 系统设计的技术分析

1)应用边缘计算技术,自主设计激光雷达前端嵌入式边缘计算模块,通过前端稳定算法,可不依靠后端控制器独立完成防区学习及去背景干扰功能,同时可直接对站台门与车门中间间隙内夹人夹物情况进行判断。

2)应用近场通信技术,间隙探测雷达支持就地与手持平板近场通信,支持使用App 进行参数设置,探测图形在手持平板上直观可视。

3)应用PHM①PHM: 故障预测与健康管理(Prognostics Health Management),为了满足自主保障、自主诊断的要求提出来的,是基于状态的维修,即视情维修(Condition Based Maintenance,CBM)的升级发展。它强调资产设备管理中的状态感知,监控设备健康状况、故障频发区域与周期,通过数据监控与分析,预测故障的发生,从而大幅度提高运维效率。技术,间隙探测雷达内部设置姿态传感器、温度传感器,通过内建安全策略、系统实时自动检测功能,形成复合高安全性的整体工业设计。

5.1.2 系统设计的效果分析

利用激光探测器对车门与站台门间隙内某平面进行扫描,首先学习基础边界并形成防区。当防区内有异物存在时,激光束的往返时间将发生改变,从而可以检测并定位异物。探测器获取的数据在前端边缘计算进行处理,节省后端算力,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。前端雷达通过冗余的CAN 总线将判断结果和设备状态等数据传输至机房控制主机,主机控制显示器进行结果呈现和设备状态展示,并且控制继电器组与站台门系统通过安全回路联动。智能探测识别列车车门和站台门间隙内的障碍物,提升了全自动运行线路的运营可靠性[2]。

目前,智能间隙探测系统已经在济南地铁2 号线顺利实施,大众网海报新闻记者毕胜等在济南报道中称:“12 月29日,随着济南轨道交通2 号线通车试运行,八涧堡站这座济南首个智慧车站也展现在人们眼前。记者了解到,八涧堡站作为济南智慧地铁的示范站,采取边缘计算、物联网、人工智能、大数据等智慧元素,除了延续提升地铁1 号和地铁3 号线的人脸识别,还将呈现出一系列具备科技感的场景。如在站台门上方的高清屏实时动态显示候车时间、车厢拥挤度、公共媒体等信息,指导乘客选择合适车厢,提升乘客出行体验;借助激光雷达和边缘计算技术,提升站台门和列车门之间的间隙安全防护能力,实现间隙夹人夹物检测,保证行车及乘客安全;智慧安防实现安检、CCTV、门禁、室内入侵等系统数据的全息感知、全景管控、智能分析、应急联动等功能进化,从而提升车站安全、高效、精准、便捷、可靠的智慧能力”。

现场的实施效果较为灵活、良好,和综合监控、站台门、车辆、信号等核心关键系统的信息交互较为顺畅,有效保证行车和乘客的安全[3],如图1、图2 所示。

图1 现场正在运营的实景照片

图2 间隙探测终端的照片

5.2 系统的应用价值

智能间隙探测系统采用光学雷达扫描方案,可以有效检测滞留在安全间隙内的乘客或物体,采取司机关门信息监视屏和与信号系统联动等手段,预防意外事故的发生,同时,避免误报对行车效率的影响。

另外,该系统大大减少了因夹人夹物造成的列车延误带来的经济损失,可以辅助全自动驾驶列车安全运行,提高地铁运营安全效率及自动化、智能化水平,适应列车全自动驾驶趋势,提供更安全的保障措施。形成适用于轨道交通间隙探测标准规范,最终提高乘客乘车安全性,推动轨道交通发展。

在全自动运行的线路,体现的价值更大,突出更安全、更高效等有益成果。

6 结语

目前,我国地铁普遍使用的探测方案会受到限界限制,探测范围比较小,盲区比较大。本文设计的智能间隙探测系统能够对2 个门之间的任何位置进行探测,利用图像二次确认,使可靠性得到提高,从而能够解决传统站台安全问题,并且提高地铁运行效率和安全性,促进轨道交通安全的发展。

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