站台门防夹系统3D激光雷达检测法技术应用

林 耀，韩 飞，戴晓彬，陈 斌

(中铁工程设计咨询集团有限公司机械动力设计研究院，北京 100055)

引言

站台门系统沿着站台边缘布置，将列车与车站站台候车区隔离开，起到防止人员跌落轨道发生意外等作用，以保障乘客的乘车安全[1-2]。站台门的设置位置需满足相关的限界要求，因此，车门与站台门之间存在间隙，会对乘客安全造成一定的安全隐患，实际运营过程中曾发生过当站台门关闭后乘客被夹在了站台门与列车门中间，发生人员伤亡事故[3-4]。根据车站站台门安装情况及国内既有工程实际运营特点，为避免出现乘客被夹的事故，目前国内工程上采用了多种防护措施，通过整理分类，站台门与列车车体间隙防护措施主要有物理措施、电气探测措施两类[5-6]。物理措施包括设置防夹挡板、车尾灯带、防护横撑、防站人斜板等，其结构简单，防护能力有限；电气探测措施目前主要为红外探测装置及激光对射装置[7]。安全性较高，适应曲线站、适应全自动驾驶有人和无人的工况，但探测区域覆盖不足，安装精度要求高，运营维护不方便，列车振动、地铁隧道粉尘、铁屑干扰、车站其他光源、相互干扰等各种因素会造成系统存在一定的误报率，对行车、运营有一定影响。

由于目前所采用的站台门与列车车体间隙探测措施存在上述的问题，因此，亟需研究一种新的站台门防夹检测方式以保证乘客安全。本次研究提出一种新的站台门防夹检测方式-3D激光雷达方式。

1 站台门防夹系统现状

1.1 物理防护

早期轨道交通线路的站台均为直线站台，在部分车站的站台端部有20～30 mm加宽量，对站台门的安全防护影响不大，因此，以往线路站台门的安全防护措施主要采用物理措施。物理措施[8]包括设置防夹挡板、车尾灯带、防护横撑、防站人斜板等。各种间隙物理防护措施如图1所示。

图1 间隙物理防护示意

各种间隙物理防护措施的技术分析比较如表1所示。

表1 各种间隙物理防护措施的技术分析

1.2 电气探测措施

目前，已应用到站台门实际案例的电气探测措施主要为激光对射装置、红外探测装置。

激光对射装置其原理是发射器发出激光，接收器根据检测到激光的信号特征判断直线光路上的遮挡物，当激光被障碍物遮挡后，系统进行报警。其原理示意如图2所示。

图2 激光对射装置原理示意

当列车停靠站台，乘客上下车完毕，站台门闭合处于关门状态，激光对射装置触发功能，发射器发出激光，发射源200 m处的光斑直径约为170 mm(小于列车车体与站台门之间距)，以避免光束在站台门和车体间多次反射影响准确性。若障碍物阻断了光束的路径，则声光报警器发出报警，待障碍清理后，系统在延迟几秒后退出工作状态。

红外探测装置本质上是激光对射探测法的特殊形式，其原理与激光对射装置相似，其特点是牺牲探测距离以提高探测密度，并且衍生出反射型型号[9]。其原理示意如图3所示。

图3 激光对射装置原理示意

上述红外探测或激光对射装置[10]在使用中存在以下缺陷：探测区域覆盖不足，安装与列车与站台门之间距离站台面高度 0.6～1.2 m的区域；受限界条件限制，安装精度要求高；发射端和接收端远距离对光调试较困难，运营维护不方便；受列车振动、地铁隧道粉尘、铁屑干扰、车站其他光源、相互干扰等各种因素影响产生误报。目前，激光对射装置、红外探测装置在国内部分地铁线路已有应用，应用情况如表2所示，但由于存在一定的缺陷，在部分地铁线路已被弃用。

表2 各种间隙物理防护措施的技术分析

1.3 现状小结

综上分析，物理措施防护能力有限，主动防护性差，较难适应自动驾驶模式下无司机的工况，而目前电气探测措施稳定性差，存在一定的误报率，对行车、运营产生影响，因此，亟需研究一种新的站台门防夹检测方式来保证乘客安全。本次研究提出一种新的站台门防夹检测方式—3D激光雷达方式，相比传统的防夹检测方式，3D激光雷达方式可实现空间检测，具有检测距离远、探测位置精确、可靠性高等优点[11-12]。

2 3D激光雷达间隙智能探测系统设计方案

2.1 探测原理

3D激光雷达探测系统的光学机构向扫描范围内发射激光脉冲，形成三维扫描面，激光脉冲碰障碍物后反射，处理器根据激光从发射到接收的时间差换算成相应的距离，并记录存储激光回收数据，通过模拟计算，结合固有边界，确定遮挡物的外形及位置信息[13]。

3D激光雷达探测系统的光学机构向范围内各角度发射出一定强度的激光，形成如图4、图5所示的三维扇形光幕，照射到障碍物表面后，会发生漫反射，只有部分光会反射，被探测器接收，产生的点云记录了探测范围内物体的反光位置(图6)，其中，使用3D激光点云进行目标检测方法有多种，包括BEV(bird’s eye view)目标检测方法、camera view目标检测方法、point-wise feature目标检测方法、融合特征目标检测方法。当接收的光达到设定阈值，就可以作为判断依据，阀值是由内部模拟分析软件算法进行定义[2]，系统探测尺寸在400～500 mm，系统软件可进行调整定义。

图4 间隙智能探测

图5 激光雷达扫描面示意

图6 物体反光位置点云图

由于激光雷达形成的三维扫描面为光幕，因此设备的安装只需满足限界要求即可，不必像激光对射探测系统必须将发射端的接收端精确安装。

2.2 激光雷达设备主要技术指标

3D激光雷达探测系统采用固态激光雷达，扫描分辨率高，深度精度2.5 cm，水平垂直分辨率0.2°，探测距离200 m，抗干扰能力强[14]。通过对站台门与列车车门之间空间检测，无检测盲区，检测距离远，能精确探测到位置信息，可靠性高。固态激光雷达主要技术指标如表3所示。

表3 固态激光雷达主要技术指标

2.3 探测区域

3D激光雷达间隙智能探测系统的探测区域为0.5～200 m。根据需求，可采用每道滑动门为一个探测区域和不大于200 m的若干道门为一个探测区域。两种方式均能够实现障碍物位于某道滑动门的准确定位，满足探测功能需求。

考虑投资和系统维护的原因，一般的轨道交通项目由于站台有效长度小于200 m，因此，直线站台整侧站台可作为一个探测区域。当高速铁路或城际铁路站台有效长度为250 m时，站台可分为2个探测区域；站台有效长为450 m时，站台可分为3个不大于200 m的探测区域。当站台为曲线站台时，根据工程实际情况合理设置探测区域。

2.4 工作流程

在系统中，间隙探测主机通过获取站台门状态信息来进行状态切换。当站台门处于关闭状态，间隙探测主机控制3D激光雷达开始发射激光扫描面进行障碍物的扫描检测。3D激光雷达在列车与站台门之间的区域若没有检测到障碍物，本地告警装置则绿色状态灯显示，若有异物、乘客停留或侵入，本地告警装置则红色状态灯显示。当站台门处于打开状态，系统通过间隙探测主机控制3D激光雷达停止工作，直至再次接收到站台门关闭的信号，然后重新开始启动探测。

间隙探测主机将处理结果上传到车站管理服务器，进行数据分类存储，用于历史数据回放，同时将结果发送至车站调车办公室，使调度中心工作人员收到地铁站台门间隙智能探测系统的报警信息后，人工进行应急处理，从多方面提升列车运营的安全性[15]。具体工作流程如图7所示。

图7 工作流程

2.5 系统组成

系统主要由激光雷达、间隙探测主机、车站管理服务器等组成。

激光雷达负责执行探测功能。其带有模拟分析软件，能够根据激光脉冲的反馈确定遮挡物的外形及位置信息，激光雷达一般安装在站台门的顶部位置，每道门设置1组，亦可若干节车厢设置1组。

车站管理服务器，即系统的控制中枢，设置在站台门设备室，负责控制雷达探测器的启停、遮挡物信息的报警及相关数据信息上传，且对系统的运行状态及故障信息进行实时监测，将报警信息通过列车自动控制(Automatic Train Control，ATC)网络反馈给联锁模块和列车自动监控(Automatic Train Supervision，ATS)模块[16]。

间隙探测主机位于车头位置的端门外，具有障碍物信息的声光报警提示，以及系统旁路操作等功能。

智能探测系统在运行过程中，站台门得到关门指令，系统也同时得到启动命令开始计时探测，一旦检测到障碍物，系统将反馈警示信息，重新开始计时，直到在一定的计时时间内没有障碍物信息，才允许发车，否则信号系统不允许发车，并通知人工处理。

系统框图如图8所示。

图8 系统框图

2.6 软件流程

间隙探测主机通过列车ATC网络与联锁模块连接，联锁模块将屏蔽门与列车门均关闭的信号发送至间隙探测主机[17]。间隙探测主机控制激光雷达开始发射激光扫描面进行障碍物的扫描检测。激光雷达在列车与屏蔽门之间的区域没有检测到障碍物，则列车门与站台门的状态将更改为“关闭且锁闭”。联锁模块将列车门与站台门关闭且锁闭的信号通过间隙探测主机控制激光雷达停止工作，直至再次接收到列车门与屏蔽门均关闭的信号重新开始启动。间隙探测主机将处理结果发送到ATS模块，使ATS调度中心工作人员收到地铁站台门间隙智能探测系统的报警信息后，进行人工应急处理，并保证站台内的列车不会发出。同时还将报警信息发送给联锁模块，从多方面提升列车运营的安全性。系统软件工作流程如图9所示。

图9 系统软件工作流程

2.7 安装方式

安装方式主要包括顶装安装和地面安装两种方案，在实际工程应用中，应结合车站设置条件、运营需求选择适合的安装方式。

2.7.1 顶装安装方式

顶装安装方式适用于直线、曲线站台，每个站台门内侧上方安装激光雷达，安装高度要求离站台地面不小于3 m，覆盖范围不小于10 m宽度(即2个站台门)，有效检测面不小于5 cm×5 cm的目标。顶装安装示意如图10所示。

图10 顶装安装示意

此种安装方式优点为：不占用站台门与列车门之间的宽度，不会产生侵限问题。缺点为：对车站安装位置高度有一定要求，且单台激光雷达检测范围较小，一侧站台需布置的设备数量多，投资较高。

2.7.2 地面安装方式

地面安装方式适用于直线、曲线站台，每个站台门内侧上方安装激光雷达，安装高度要求离站台地面不低于0.5 m，覆盖长度0～200 m(即2个屏蔽门)，有效检测障碍物直径不小于20 cm、高度20 cm的目标。地面安装示意如图11所示。

图11 地面安装示意(俯视)

此种安装方式优点为：设备数量少、投资低、检测范围大，不占用站台门与列车门之间的宽度，不会产生侵限问题[18]。缺点为：需考虑设备安装不能侵限，且随着检测距离增大，检测障碍物的体积会增加。

3 3D激光雷达间隙智能探测系统测试

测试主要为工厂测试、实验室测试及现场测试3部分。

3.1 工厂测试

工厂测试为系统各部件在工厂内的设备性能测试。

工厂测试内容主要为激光雷达系统的高温试验、低温试验、恒定湿热试验、DC电源试验、绝缘电源试验和振动试验[19]。经试验，测试项目均满足要求。

3.2 实验室测试

实验室测试是通过模拟运营环境进行站台门间隙探测设备的测试，验证站台门与车门之间间隙存在障碍物的探测功能。

实验室试验项目包括防区内报警物检测、光斑尺寸检测、污染报警功能检测、环境记忆测试、报警门定位功能、多门并发功能、与信号/ISCS专业的联动、隔离/旁路功能的测试。经测试，上述试验项目均合格。

3.3 现场测试

现场测试是间隙探测各设备在实际情况下进行测试，主要包含设备性能测试(如IP防护等级、电源适应性测试、高低温测试等)和设备功能测试(如设备探测测试、设备联动功能测试)，目的是为判定该产品是否能满足相关规定及业主所需的功能与性能指标。主要的测试为探测报警，光斑检测[20]，污染报警，环境记忆，报警门定位，多门并发报警，与信号、ISCS专业的联动，隔离/旁路功能。

现场测试原定为利用北京地铁新机场线新机场航站楼站真实环境进行正线测试。实验现场主要具备全套信号设备、列车设备、滑动门及固定门、应急门等，其中站台门为全高站台门。后期因新机场线开通时间原因，暂未进行。目前，3D激光雷达间隙智能探测系统已在京张高铁八达岭长城站安装完成，且于2019年12月底京张高铁开通运营至今，现场使用情况良好。图12为京张高铁八达岭长城站间隙探测系统现场，图13为现场测试结果。

图12 京张高铁八达岭长城站间隙探测系统现场

图13 测试结果展示

根据目前的使用情况，现场测量情况均与实验室测试结果一致，测试准确率达100%。

4 结语

针对站台门防夹系统提出3D激光雷达检测法，其原理采用激光雷达将激光脉冲向扫描角度内的各个方向扫描而形成三维扫描面，与边界条件进行对比分析，进而确定遮挡物的大小及位置信息。其主要由激光雷达、间隙探测主机、车站管理服务器等组成，其安装形式主要包括顶装安装和地面安装两种方案。本方法可实现空间检测，具有检测距离远、探测位置精确、可靠性高等优点。较物理措施更具主动防护性，较传统电气措施更具稳定性、设备安装简单等特点，且系统具有自诊断功能和完善的故障处理策略，并采用高效算法即时输出检查结果，系统运行全过程痕迹记录，较传统方法更具可靠性、先进性、智能性。

目前，已对3D激光雷达间隙智能探测系统进行工厂测试、实验室测试及试验线测试，满足功能需求，并成功应用于京张高铁八达岭长城站的站台门系统中，符合京张高铁智能化需求，为后续站台门防夹系统设计提供借鉴。