北京地鐵13號線閘機(jī)改造方案研究

王 帥

(北京地鐵科技發(fā)展有限公司，北京 100072)

0 引言

北京地鐵13號線自動(dòng)售檢票(AFC)設(shè)備于2003年3月全部安裝完畢，2008年6月完成了電子車票改造，截至2017年底，北京地鐵13號線AFC設(shè)備已經(jīng)運(yùn)營使用了15年，達(dá)到了設(shè)備的設(shè)計(jì)使用年限。根據(jù)北京地鐵自動(dòng)售檢票系統(tǒng)技術(shù)改造二期工程的總目標(biāo)，為了實(shí)現(xiàn)北京地鐵靈活的票制票價(jià)政策、消除系統(tǒng)對廠商的依賴性、降低系統(tǒng)再修改成本、統(tǒng)一乘客服務(wù)體驗(yàn)、提升運(yùn)營安全、提高運(yùn)營維護(hù)水平、全面提升運(yùn)營管理能力及乘客服務(wù)質(zhì)量，因此需要對AFC系統(tǒng)進(jìn)行改造。

北京地鐵13號線閘機(jī)由日本信號株式會(huì)社(日信)生產(chǎn)提供，工控機(jī)等主要模塊目前均已停產(chǎn)，模塊采購價(jià)格為原有報(bào)價(jià)的5倍～10倍，供貨周期在6個(gè)月以上，現(xiàn)日信已經(jīng)基本退出中國市場，模塊的后續(xù)供應(yīng)將有困難。同時(shí)，該型號產(chǎn)品采用裸板設(shè)計(jì)，處理器、操作系統(tǒng)內(nèi)存、接口均不支持北京市路網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)化軟件改造要求，工控機(jī)串口為轉(zhuǎn)接接口，不穩(wěn)定，與北京統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)讀寫器(TPU)硬件接口不兼容，且該工控機(jī)所用的接口類型硬盤已停產(chǎn)，設(shè)備后續(xù)的維護(hù)、升級存在較大隱患，按標(biāo)準(zhǔn)化局部改造有一定困難，亟待設(shè)計(jì)專門的改造方案進(jìn)行改造。

1 北京地鐵13號線閘機(jī)及使用現(xiàn)狀

1.1 地鐵13號線閘機(jī)

地鐵閘機(jī)是安裝在地鐵車站內(nèi)隔離付費(fèi)區(qū)和非付費(fèi)區(qū)之間，對出入付費(fèi)區(qū)的乘客車票進(jìn)行有效性檢查，能使持有有效車票的乘客通過，阻擋非法通行人員的自動(dòng)終端設(shè)備，其檢測判斷過程無需人工干預(yù)。閘機(jī)分為進(jìn)站閘機(jī)、出站閘機(jī)、雙向閘機(jī)和寬通道閘機(jī)4種。閘機(jī)可在軌道交通AFC清算管理中心規(guī)定的各種運(yùn)營模式下運(yùn)行。閘機(jī)根據(jù)車站計(jì)算機(jī)的模式命令、火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)、緊急按鈕的命令轉(zhuǎn)換運(yùn)營模式。

北京地鐵13號線閘機(jī)為日信生產(chǎn)的拍打門閘機(jī)，分為標(biāo)準(zhǔn)通道閘機(jī)和寬通道閘機(jī)，閘機(jī)應(yīng)擺放成一個(gè)陣列，兩個(gè)閘機(jī)單元相鄰排列，通過電纜連接形成了進(jìn)/出通道，通道的功能和方向由這兩臺(tái)閘機(jī)的種類和方向決定。閘機(jī)外形結(jié)構(gòu)如圖1所示，結(jié)構(gòu)尺寸如下：

標(biāo)準(zhǔn)通道閘機(jī)(mm)：1 600×175×1 000(長×寬×高)，底座長1 250。

寬通道閘機(jī)(mm)：1 942×175×1 000(長×寬×高)，底座長1 250。

圖1 閘機(jī)外形結(jié)構(gòu)

閘機(jī)通道根據(jù)乘客的通行方向分為進(jìn)站通道、出站通道和雙向通道3種。每個(gè)通道的兩片閘機(jī)因陣列布局的位置不同又可細(xì)分為：進(jìn)站閘機(jī)(2門主機(jī))、進(jìn)站閘機(jī)(4門主機(jī))、出站閘機(jī)(2門主機(jī))、出站閘機(jī)(4門主機(jī))、出站閘機(jī)(2門從機(jī))、出站閘機(jī)(4門從機(jī))、輔助閘機(jī)(2門從機(jī))、輔助閘機(jī)(4門從機(jī))、寬通道進(jìn)站閘機(jī)(2門主機(jī))、寬通道出站閘機(jī)(2門從機(jī))，共計(jì)10種閘機(jī)，每種閘機(jī)中的內(nèi)部模塊布局也不相同。

北京地鐵13號線的閘機(jī)因其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)特點(diǎn)，單片閘機(jī)僅具有單進(jìn)或單出一種功能，如果在陣列中間做出可雙向刷卡的中間機(jī)，需要兩片閘機(jī)并列擺放。整個(gè)13號線閘機(jī)陣列中間機(jī)可分為以下4種：標(biāo)準(zhǔn)通道單片中間機(jī)(單向刷卡)、標(biāo)準(zhǔn)通道并排中間機(jī)(雙向刷卡)、寬通道并排中間機(jī)(寬通道雙向刷卡)、標(biāo)準(zhǔn)通道/寬通道并排中間機(jī)(寬/標(biāo)通道雙向刷卡)，如圖2所示。

圖2 中間機(jī)種類

1.2 北京地鐵13號線閘機(jī)現(xiàn)場使用現(xiàn)狀

北京地鐵13號線閘機(jī)現(xiàn)場使用現(xiàn)狀如下:

(1) 設(shè)備停產(chǎn)維修困難。北京地鐵13號線閘機(jī)采用非標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)，設(shè)備內(nèi)模塊多采用日信定制開發(fā)的產(chǎn)品，無法兼容當(dāng)前市場的主流模塊產(chǎn)品，目前設(shè)備整機(jī)和模塊已經(jīng)停產(chǎn)，且日信已經(jīng)基本退出中國市場，設(shè)備及其模塊的后續(xù)維修維護(hù)非常困難。

(2) 設(shè)備老舊且設(shè)計(jì)不合理。①主控單元和通行邏輯控制板的設(shè)計(jì)不利于維修，標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)站閘機(jī)的主控板和通信板相互疊加在閘機(jī)最下層的單側(cè)狹小空間，且設(shè)備內(nèi)沒有照明設(shè)備，不利于更換維修；②讀寫器安裝方式不合理，讀寫器不是分體式，沒有外殼保護(hù)且安裝位置暴露于外部較多，容易破損，讀寫器直接固定在閘機(jī)蓋板的刷卡位置上，沒有任何的中間介質(zhì)，乘客直接在讀卡器上刷卡時(shí)，因力度不可控，致使讀卡器的損壞率大大增加。

2 改造范圍與要求

2.1 改造范圍

13號線閘機(jī)改造范圍為整條線路的日信拍打門閘機(jī)，涵蓋了閘機(jī)所有關(guān)鍵模塊和外殼的更換，其中西二旗站和霍營站因車站位置變化和進(jìn)出口位置改動(dòng)，已更換為剪式扇門閘機(jī)，此次改造這兩個(gè)站的閘機(jī)只涉及到標(biāo)準(zhǔn)讀寫器和小童身高的改造，不進(jìn)行其他關(guān)鍵模塊和外殼的改造。

2.2 改造要求

《軌道交通聯(lián)網(wǎng)收費(fèi)系統(tǒng)技術(shù)要求第7部分：終端設(shè)備》中閘機(jī)外形尺寸要求：①常規(guī)雙折門通道檢票機(jī)機(jī)體應(yīng)不大于2 000 mm×200 mm×1 100 mm(長×寬×高)；②適用于常規(guī)雙折門通道550 mm寬度，閘門關(guān)閉時(shí)最小間隔不大于40 mm；③寬通道檢票機(jī)機(jī)體應(yīng)不大于2 000 mm×300 mm×1 100 mm(長×寬×高)；④適用于寬通道900 mm寬度，閘門關(guān)閉時(shí)最小間隔不大于40 mm。因此，改造后的閘機(jī)應(yīng)為剪式扇門閘機(jī)，且該款閘機(jī)外形尺寸和通道寬度均符合上述標(biāo)準(zhǔn)。

3 現(xiàn)場勘察情況

3.1 閘機(jī)陣列及周圍環(huán)境勘察

13號線閘機(jī)設(shè)計(jì)時(shí)為通道內(nèi)側(cè)維護(hù)，部分邊機(jī)緊貼墻體安裝，且閘機(jī)整體外形尺寸較現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)的剪式扇門閘機(jī)小，用標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的剪式扇門閘機(jī)替換改造后，周圍環(huán)境可能造成標(biāo)準(zhǔn)閘機(jī)改造替換時(shí)無法安裝，或影響閘機(jī)維護(hù)門開啟。其中，知春路站南口進(jìn)站左寬通道邊機(jī)可能會(huì)影響安裝，西直門站、大鐘寺站、立水橋站、光熙門站、東直門站部分邊機(jī)替換安裝后靠墻側(cè)可能無法維護(hù)。現(xiàn)場閘機(jī)陣列周圍環(huán)境可能影響改造情況示意圖如圖3所示。

圖3 現(xiàn)場閘機(jī)陣列周圍環(huán)境可能影響改造情況示意圖

單片標(biāo)準(zhǔn)剪式扇門閘機(jī)可以實(shí)現(xiàn)雙向刷卡功能，不需要并排布置，而整個(gè)13號線大部分車站存在標(biāo)準(zhǔn)通道閘機(jī)并排現(xiàn)象，小部分車站存在寬通道閘機(jī)并排現(xiàn)象，所有車站都存在標(biāo)準(zhǔn)通道與寬通道閘機(jī)并排現(xiàn)象。

3.2 閘機(jī)預(yù)埋底座勘察

13號線標(biāo)準(zhǔn)通道閘機(jī)和寬通道閘機(jī)的預(yù)埋底座尺寸一致，預(yù)埋底座安裝尺寸為：1 250 mm×145 mm×50 mm(長×寬×高)；閘機(jī)固定的焊接螺母規(guī)格為M12，孔位尺寸為930 mm×95 mm；線槽開孔位置在底座中間。

《軌道交通聯(lián)網(wǎng)收費(fèi)系統(tǒng)技術(shù)要求第7部分：終端設(shè)備》中對閘機(jī)的預(yù)埋底座設(shè)計(jì)尺寸已有明確要求：現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)通道閘機(jī)和寬通道閘機(jī)的預(yù)埋底座尺寸分別為1 790 mm×194 mm×50 mm(長×寬×高)、1 790 mm×280 mm×50 mm(長×寬×高)，開孔尺寸分別為1 550 mm×100 mm、1 550 mm×180 mm,線槽開孔位置在進(jìn)站端一側(cè)。

通過對比13號線單片標(biāo)準(zhǔn)通道閘機(jī)的預(yù)埋底座實(shí)物圖和標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的預(yù)埋底座圖紙可以看出，現(xiàn)場閘機(jī)的預(yù)埋底座與標(biāo)準(zhǔn)中要求的尺寸差異較大，不能直接進(jìn)行安裝，如果用標(biāo)準(zhǔn)閘機(jī)替換，需要更改預(yù)埋底座孔位和出線槽位置，以及解決并排機(jī)預(yù)埋底座的問題。

4 改造方案及設(shè)備

因13號線閘機(jī)已達(dá)使用年限，設(shè)備老舊且設(shè)計(jì)落后，局部更新改造已無法滿足現(xiàn)有北京市路網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)化軟件等使用要求，且設(shè)備維護(hù)非常困難，所以將采用整體替換的改造方案。

4.1 改造方案

設(shè)計(jì)出180 mm、350 mm和300 mm三種寬度的閘機(jī)，利用原有底座和線槽，分別對標(biāo)準(zhǔn)通道單片中間機(jī)/邊機(jī)、寬通道邊機(jī)和并排機(jī)進(jìn)行設(shè)備整體替換。方案不需要更改預(yù)埋底座和布線，無需重新設(shè)計(jì)陣列，節(jié)約成本且改造周期短，同時(shí)可以夜間施工不影響運(yùn)營。改造方案示意圖如圖4所示，詳細(xì)方案如下：

(1) 原有標(biāo)準(zhǔn)通道閘機(jī)(標(biāo)準(zhǔn)通道邊機(jī)和單片中間機(jī)2種情況)采用外形尺寸為2 000 mm×180 mm×1 100 mm(長×寬×高)的剪式門閘機(jī)替換。

(2) 原有并排情況中間機(jī)(標(biāo)準(zhǔn)通道并排、寬通道并排、寬通道和標(biāo)準(zhǔn)通道并排3種情況)采用外形尺寸為2 000 mm×350 mm×1 100 mm(長×寬×高)的剪式門閘機(jī)替換。

(3) 原有寬通道邊機(jī)(寬通道邊機(jī)1種情況)采用外形尺寸為2 000 mm×300 mm×1 100 mm(長×寬×高)的剪式門閘機(jī)替換。

(4) 所有替換閘機(jī)利用原有閘機(jī)的預(yù)埋底座固定孔位進(jìn)行固定。

圖4 改造方案示意圖

改造前、后閘機(jī)和通道尺寸對比如圖5所示。

圖5 改造前、后閘機(jī)和通道尺寸對比

4.2 改造設(shè)備

改造的難點(diǎn)在于180 mm寬閘機(jī)的設(shè)計(jì)，其寬度比現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)通道閘機(jī)寬度要窄，部分模塊需要改動(dòng)設(shè)計(jì)才能滿足裝配要求。300 mm寬閘機(jī)則按照標(biāo)準(zhǔn)尺寸進(jìn)行設(shè)計(jì)，350 mm寬閘機(jī)相比300 mm寬閘機(jī)更寬，內(nèi)部空間更大，設(shè)計(jì)上不存在難點(diǎn)。下文將對180 mm寬閘機(jī)方案進(jìn)行詳細(xì)介紹。

180 mm寬閘機(jī)外觀及尺寸如圖6所示，180 mm寬閘機(jī)的結(jié)構(gòu)布局如圖7所示。為保證同一項(xiàng)目內(nèi)自主設(shè)備關(guān)鍵模塊型號的一致性，降低物料管理和備件采購成本，閘機(jī)的模塊配置在功能和性能上得到充分保障的情況下，最大范圍地兼容了北京地鐵現(xiàn)有閘機(jī)的同類配置，其硬件設(shè)計(jì)框架如圖8所示。

圖6 180 mm寬閘機(jī)外觀及尺寸

180 mm寬閘機(jī)由主控單元、扇門、通行邏輯控制單元、票卡讀寫器、乘客顯示器、票卡回收單元、方向指示器、乘客通行指示燈、對射傳感器、身高傳感器、維修鍵盤、揚(yáng)聲器等部件組成，除扇門模塊和部分對射傳感器外，其余部件均與現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)閘機(jī)兼容。

圖7 180 mm寬閘機(jī)結(jié)構(gòu)布局

圖8 硬件設(shè)計(jì)框架

4.3 改造難點(diǎn)及解決方案

(1) 模塊安裝問題：180 mm寬閘機(jī)較標(biāo)準(zhǔn)的200 mm寬閘機(jī)寬度減小了20 mm，造成在設(shè)計(jì)時(shí)標(biāo)準(zhǔn)扇門模塊和布置在回收模塊端的3個(gè)通行邏輯對射傳感器因與外殼和回收模塊干涉無法安裝，特此設(shè)計(jì)了適用于180 mm寬閘機(jī)的扇門模塊，將這3個(gè)常規(guī)的對射傳感器改用超小型對射傳感器進(jìn)行替代來解決干涉問題。

(2) 底座固定與走線問題：根據(jù)現(xiàn)場預(yù)埋底座孔位尺寸進(jìn)行相對應(yīng)的閘機(jī)底座固定孔位設(shè)計(jì)，標(biāo)準(zhǔn)通道閘機(jī)底座固定孔位為930 mm×95 mm，寬通道閘機(jī)底座固定孔位為930 mm×270 mm，出線孔與現(xiàn)場保持一致，設(shè)置為中間開孔出線。

(3) 部分陣列邊機(jī)維護(hù)問題：部分邊機(jī)靠墻體太近，無法打開靠墻側(cè)維修門，只能從內(nèi)側(cè)維修門進(jìn)行維護(hù)，需要更改受到影響的票卡回收模塊的定位方式，將票卡回收模塊一側(cè)做成插入卡板式定位，使其可進(jìn)行單側(cè)(內(nèi)側(cè))維護(hù)，如圖9所示。

圖9 票卡回收模塊單側(cè)固定示意圖

(4) 特殊陣列問題：知春路站的南口進(jìn)站左寬通道邊機(jī)距樓梯80 mm，由于寬通道剪式門閘機(jī)寬度最小為300 mm，因此，在不縮減通道寬度的情況下將無法安裝。13號線所有站設(shè)備除了知春路站南口進(jìn)站左寬通道邊機(jī)挨著樓梯無法安裝，其余所有站設(shè)備均可替換安裝，因此按特殊情況處理，將該通道寬度縮減為850 mm進(jìn)行安裝。

4.4 測試與安裝

改造后的閘機(jī)樣機(jī)和關(guān)鍵模塊先后通過了北京市軌道交通聯(lián)網(wǎng)收費(fèi)系統(tǒng)檢測中心的終端設(shè)備入圍檢測和樣機(jī)檢測，滿足現(xiàn)場安裝要求，并在通過了試點(diǎn)站測試后進(jìn)行了整條線路的逐站替換安裝。整體施工均在夜間(13號線停止運(yùn)營后)進(jìn)行，在第二天開始運(yùn)營前結(jié)束施工，并未影響13號線的正常運(yùn)營。北京市軌道交通自動(dòng)售檢票系統(tǒng)技術(shù)改造二期工程——13號線自動(dòng)售檢票系統(tǒng)整體改造自2016年編制項(xiàng)目建議書，2017年12月完工，13號線整體替換改造閘機(jī)285臺(tái)，新增閘機(jī)41臺(tái)，目前已使用1年多，設(shè)備使用狀況良好。13號線望京西站部分閘機(jī)改造前、后對比如圖10所示。

圖10 13號線望京西站部分閘機(jī)改造前、后對比

5 結(jié)語

為了保障線路的正常運(yùn)營，降低成本，北京地鐵13號線閘機(jī)改造在不更換原有底座和線槽的基礎(chǔ)上采用了180 mm和350 mm兩種非標(biāo)準(zhǔn)寬度的閘機(jī)，但閘機(jī)內(nèi)部模塊均為標(biāo)準(zhǔn)化或接口兼容的模塊產(chǎn)品，具有很強(qiáng)的互換性和兼容性，極大地降低了設(shè)備維修難度和維護(hù)成本，且閘機(jī)設(shè)計(jì)時(shí)對未來發(fā)展可能需要加裝新的設(shè)備的接口、處理能力和結(jié)構(gòu)空間進(jìn)行了預(yù)留。隨著軌道交通建設(shè)的飛速發(fā)展，國內(nèi)城市軌交運(yùn)營企業(yè)圍繞提升服務(wù)質(zhì)量，打造智慧車站，減員增效等方面不斷加大研發(fā)投入，一大批新的技術(shù)被應(yīng)用到軌交運(yùn)營中，比如移動(dòng)支付、生物識(shí)別等，加速了那些老舊技術(shù)設(shè)備的改造進(jìn)程。以北京地鐵為例，為了給乘客提供更快捷、更安全的出行服務(wù)，北京地鐵先后進(jìn)行了AFC設(shè)備互聯(lián)網(wǎng)支付改造、首都機(jī)場線閘機(jī)的人臉識(shí)別改造等。故在閘機(jī)改造方案設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)滿足標(biāo)準(zhǔn)化要求的同時(shí)，兼顧設(shè)備的接口、處理能力和結(jié)構(gòu)空間的預(yù)留，保障了未來升級改造和新技術(shù)的推廣與應(yīng)用的需求。