高架地鐵站半高式屏蔽門防翻越報(bào)警裝置設(shè)計(jì)與研究

郭 勇， 唐艷英

（廣州地鐵集團(tuán)有限公司， 廣東 廣州 510700）

0 引言

出于保護(hù)乘客安全、增加車站空調(diào)及廣播利用率、減緩火災(zāi)影響， 當(dāng)前國內(nèi)各地鐵站臺(tái)基本都采用了封閉式屏蔽門設(shè)計(jì)，高架地鐵站因受限于地理?xiàng)l件，其站臺(tái)通常為半高式屏蔽門。 由于半高式屏蔽門的門體不能將乘客與鐵軌區(qū)進(jìn)行有效隔離， 這就使得乘客容易翻越半高式屏蔽門進(jìn)入鐵軌區(qū)域，地鐵工作人員不能及時(shí)發(fā)現(xiàn)制止，存在乘客觸電、地鐵設(shè)備被破壞的安全隱患，為地鐵運(yùn)營帶來較大安全隱患。

1 設(shè)計(jì)思路

如何設(shè)計(jì)防翻越報(bào)警系統(tǒng)， 既不影響屏蔽門正常使用， 又可以增加有人翻入時(shí)報(bào)警提醒功能， 在這一背景下， 本文提出設(shè)計(jì)基于壓阻式薄膜傳感器的屏蔽門防翻越系統(tǒng)， 實(shí)現(xiàn)有人翻越端門時(shí)， 自動(dòng)觸發(fā)本地聲光器報(bào)警，起到警示乘客和提醒車站工作人員的作用。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

2.1 整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

如圖1 所示， 半高式屏蔽門的防翻越報(bào)警裝置在半高式屏蔽門的門體頂部101 設(shè)置有壓力信息采集器1，并且設(shè)置有與壓力信息采集器1 順次連接的壓力信息檢測器2、驅(qū)動(dòng)電路3 和聲光報(bào)警器4，則當(dāng)發(fā)生乘客翻越半高式屏蔽門的行為時(shí)， 可通過該壓力信息采集器1 采集到乘客翻越半高式屏蔽門產(chǎn)生的壓力信息， 壓力信息檢測器2 在檢測到該壓力信息時(shí)， 則向驅(qū)動(dòng)電路3 輸出該壓力信息， 使得驅(qū)動(dòng)電路3輸出驅(qū)動(dòng)信號， 促使聲光報(bào)警器4 根據(jù)該驅(qū)動(dòng)信號發(fā)出聲光警報(bào)， 實(shí)現(xiàn)乘客翻越半高式屏蔽門行為的監(jiān)測并及時(shí)發(fā)出警報(bào)來警示乘客和地鐵工作人員，防止乘客進(jìn)入鐵軌區(qū)域（見圖2）。

圖1 壓力信息采集器和聲光報(bào)警器的布設(shè)示意圖

圖2 半高式屏蔽門的防翻越報(bào)警裝置的電氣結(jié)構(gòu)框圖

2.2 薄膜壓力傳感器工作原理

本文所選的壓力傳感器采用柔性薄膜壓敏傳感器[1，2]，由綜合機(jī)械性能優(yōu)異的聚酯薄膜， 高導(dǎo)電材料和納米級壓力敏感材料組成， 壓敏層復(fù)合在柔性薄膜中構(gòu)成傳感器的頂層， 導(dǎo)電線路復(fù)合在柔性薄膜中構(gòu)成傳感器的底層。當(dāng)感應(yīng)區(qū)受壓時(shí)，傳感感器底層彼此斷開的線路會(huì)通過頂層的壓敏層導(dǎo)通，端口的電阻輸出值隨著壓力變化，本設(shè)計(jì)中電阻式薄膜壓力傳感器RS 采用帶狀結(jié)構(gòu)，以增加壓力信息采集的面積，提高壓力信息采集的準(zhǔn)確性。電阻式壓敏傳感器是電阻值隨著作用于感應(yīng)區(qū)上的壓力增大而減小的柔性薄膜傳感器。

圖3 所示為一個(gè)在特定測試條件下電阻隨壓力變化的曲線圖，當(dāng)壓力感應(yīng)范圍在200g～10kg 間，當(dāng)壓力超過10kg 時(shí)，該傳感器阻值變化不明顯，但但已滿足使用要求。

圖3 壓敏傳感器阻值受力變化曲線圖

2.3 控制電路設(shè)計(jì)

如圖4 所示，本文采用惠斯登電橋[3]設(shè)計(jì)壓力采集器， 壓力信息采集器1 包括電阻式薄膜壓力傳感器RS；所述壓力信息檢測器2 包括基準(zhǔn)電阻Ro、 第一電阻R1、第二電阻R2 和電壓比較器U， 所述第一電阻R1 和所述第二電阻R2 的電阻值相同；所述基準(zhǔn)電阻Ro 的第一端連接至第一電源VCC1，第二端通過所述第一電阻R1 接地，并連接至所述電壓比較器U 反相輸入端；所述電阻式薄膜壓力傳感器RS 的第一端連接至所述第一電源VCC1，第二端通過所述第二電阻R2 接地，并連接至所述電壓比較器U 的同相輸入端；所述電壓比較器U 的輸出端通過第三電阻R3 連接至所述第一電源VCC1。

圖4 半高式屏蔽門的防翻越報(bào)警裝置的電路結(jié)構(gòu)圖

在該實(shí)施方式中，電阻式薄膜壓力傳感器RS 用于采集乘客翻越半高式屏蔽門時(shí)產(chǎn)生壓力信息， 電阻式薄膜壓力傳感器RS 將乘客施加于半高式屏蔽門的壓力轉(zhuǎn)換為電阻值，實(shí)現(xiàn)壓力信息的采集，其中，壓力與電阻式薄膜壓力傳感器RS 的電阻值成反比；基準(zhǔn)電阻Ro、第一電阻R1、第二電阻R2 和電阻式薄膜壓力傳感器RS 構(gòu)成惠斯通電橋， 以檢測電阻式薄膜壓力傳感器RS 的電阻值；當(dāng)電阻式薄膜壓力傳感器RS 的電阻值小于基準(zhǔn)電阻Ro的電阻值時(shí)， 則表示檢測到的壓力信息大于預(yù)設(shè)的壓力閾值，此時(shí)，電壓比較器U 同相輸入端的電壓大于反相輸入端的電壓，電壓比較器U 輸出端輸出高電平；當(dāng)電阻式薄膜壓力傳感器RS 的電阻值大于基準(zhǔn)電阻Ro 的電阻值時(shí)，則表示檢測到的壓力信息小于預(yù)設(shè)的壓力閾值，此時(shí)， 電壓比較器U 同相輸入端的電壓小于反相輸入端的電壓，電壓比較器U 輸出端輸出低電平；進(jìn)而通過電壓比較器U 輸出高電平來指示檢測到的壓力信息大于預(yù)設(shè)的壓力閾值， 通過電壓比較器U 輸出低電平來指示檢測到的壓力信息小于預(yù)設(shè)的壓力閾值。

在該實(shí)施方式中，基準(zhǔn)電阻Ro 為可調(diào)電阻，以便調(diào)節(jié)基準(zhǔn)電阻Ro 的電阻值， 實(shí)現(xiàn)預(yù)設(shè)壓力閾值的調(diào)節(jié)，提高監(jiān)測的靈活性。

所述驅(qū)動(dòng)電路3 包括三極管Q 和繼電器K1；所述繼電器K1 包括線圈和常開開關(guān)；其中，所述三極管Q 的基極通過第四電阻R4 連接至所述壓力信息檢測器2 的輸出端， 集電極通過所述繼電器K1 的線圈和第五電阻R5連接至所述第一電源VCC1，發(fā)射極接地；所述繼電器K1的常開開關(guān)的第一端連接至第二電源VCC2，第二端與所述聲光報(bào)警器4 的一端連接； 所述聲光報(bào)警器4 的另一端連接至第三電源VCC3。

在該實(shí)施方式中， 當(dāng)壓力信息檢測器2 的輸出端輸出高電平時(shí)，三極管Q 導(dǎo)通，繼電器K1 的線圈得電，進(jìn)而繼電器K1 的常開開關(guān)接通，繼電器K1 處于自鎖常閉狀態(tài)，使得第二電源VCC2 和第三電源VCC3 為聲光報(bào)警器4 供電，驅(qū)動(dòng)聲光報(bào)警器4 發(fā)出聲光警報(bào)；當(dāng)壓力信息檢測器2 的輸出端輸出低時(shí)，三極管Q 截止，繼電器K1的線圈無電流通過，進(jìn)而常開開關(guān)仍然保持?jǐn)嚅_狀態(tài)。

該防翻越報(bào)警裝置還包括：復(fù)位開關(guān)K2，串聯(lián)于所述常開開關(guān)所在的串聯(lián)支路上；當(dāng)繼電器K1 的常開開關(guān)接通且處于自鎖常閉狀態(tài)時(shí)，通過接通該復(fù)位開關(guān)K2 來斷開繼電器K1 的常開開關(guān)，以停止聲光報(bào)警器4 的聲光警報(bào)。

2.4 壓力采集結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

如圖5 所示，在本文設(shè)計(jì)的新型防翻越報(bào)警裝置中，壓力信息采集器1 除了包括電阻式薄膜壓力傳感器RS之外，還包括：第一橡膠保護(hù)層11，設(shè)置于所述電阻式薄膜壓力傳感器RS 朝向所述半高式屏蔽門的一面，且與所述半高式屏蔽門的門體頂部101 連接， 用于隔離電阻式薄膜壓力傳感器RS 和半高式屏蔽門的門體頂部101，避免電阻式薄膜壓力傳感器RS 與門體頂部的金屬層接觸，提高壓力信息采集的準(zhǔn)確性；第二橡膠保護(hù)層12，設(shè)置于所述電阻式薄膜壓力傳感器RS 遠(yuǎn)離所述半高式屏蔽門的一面，以對電阻式薄膜壓力傳感器RS 進(jìn)行保護(hù)，柔性地采集乘客翻越半高式屏蔽門所施加的壓力信息。

所述第一橡膠保護(hù)層11 的厚度為3mm，所述第二橡膠保護(hù)層12 的厚度為5mm。

為了對電阻式薄膜壓力傳感器RS 進(jìn)行防潮和防粘保護(hù)， 延長電阻式薄膜壓力傳感器RS 的使用壽命，所述壓力信息采集器1 還包括：第一蠟紙保護(hù)層13，設(shè)置于所述第一橡膠保護(hù)層11 與所述電阻式薄膜壓力傳感器RS 之間；第二蠟紙保護(hù)層14，設(shè)置于所述電阻式薄膜壓力傳感器RS 與所述第二橡膠保護(hù)層12 之間。

所述電阻式薄膜壓力傳感器RS 為帶狀，以增加壓力信息采集的面積，提高壓力信息采集的準(zhǔn)確性。

在上述防翻越報(bào)警裝置中， 聲光報(bào)警器4 設(shè)置于半高式屏蔽門的門體頂部101，以直觀提醒乘客；壓力信息檢測器2 和驅(qū)動(dòng)電路3 設(shè)置于控制箱內(nèi)（圖中未示出），以便對壓力信息檢測器2 和驅(qū)動(dòng)電路3 進(jìn)行收納和保護(hù)。

具體地，在上述防翻越報(bào)警裝置中，第一電源VCC1為5V 直流電源，第二電源VCC2 為24V 直流電源，第三電源VCC3 為-24V 直流電源。

圖5 壓力信息采集器的結(jié)構(gòu)示意圖

3 安裝與調(diào)試

經(jīng)現(xiàn)場測試， 該報(bào)警系統(tǒng)最小檢測壓力為0.2kg，設(shè)定電阻值越大， 可實(shí)現(xiàn)報(bào)警壓力值越大， 當(dāng)壓力值超過10kg 時(shí)，繼續(xù)增大壓力時(shí)壓敏電阻值不會(huì)繼續(xù)下降，保持在800Ω 左右。現(xiàn)場測試壓力繼續(xù)增大至100kg 進(jìn)行重復(fù)試驗(yàn)，報(bào)警系統(tǒng)可準(zhǔn)確觸發(fā)。 詳見數(shù)據(jù)如表1 所示。

表1 防爬報(bào)警系統(tǒng)壓力測試

4 結(jié)束語

實(shí)踐證明， 本文所設(shè)計(jì)的防翻越報(bào)警裝置能夠?qū)Τ丝偷姆叫袨檫M(jìn)行有效監(jiān)測和報(bào)警，誤報(bào)率極低，有效的消除了乘客翻越端門行為產(chǎn)生的安全隱患， 該防翻越報(bào)警系統(tǒng)設(shè)計(jì)可應(yīng)用于所有半高式屏蔽門， 也為后續(xù)新地鐵線路設(shè)計(jì)使用提供實(shí)踐依據(jù)。