帶溫度檢測的鐵路通行閘機設計

張松林，費 冬

(通號通信信息集團有限公司，北京 100070)

1 概述

近年來，非典、甲流、禽流感、埃博拉等疫情頻發，尤其是2019 年底新冠狀病毒疫情突襲，給交通出行以及出入口管控等帶來了巨大挑戰。體溫是表征人體是否健康的重要指標之一，是判斷臨床疾病和生命體征的重要依據，感染疫情人員很多都伴隨著體溫升高等異常現象。通過體溫的準確測量能夠快速分離出疑似發病人群，避免疫情的大范圍傳播。

鐵路車站每天有大量的旅客進出，是控制人員流動的關鍵環節，在當前的疫情防控中，緊急添加的測溫功能是作為一個單獨的新增部件存在，未與現有設備有效融合。閘機作為鐵路進出口管控的核心設備，本文設計在其上添加測溫判斷功能，將人員放行與體溫監測結合，能夠減少排隊和工作的流程，提高鐵路通行效率，更加方便疫情管控。

2 既有測溫模式

常用的水銀體溫計精度能夠達到0.1℃，但由于采用接觸式測溫模式，測量速度慢且存在感染風險，目前在疫情監控上對于人體體溫的測量基本上基于非接觸式的紅外線測量溫度計，有條件的地方采用紅外線熱成像技術進行溫度計量。

紅外測溫儀可以被動地接收物體發出的紅外輻射從而轉變為熱圖像，熱圖像上面的不同顏色代表被測物體的不同溫度。采用紅外非接觸式體溫檢測，可實現快速體溫篩查，進行遠距離、大面積檢測，降低交叉感染風險。一旦發現異常體溫人員，系統自動響應，做到早發現、早隔離、早治療，實現有效控制。

3 溫度校正

紅外溫度測量的測溫精度與物體發射率、大氣傳輸損耗、環境輻射、目標距離等多種因素有關。

人體的發射率可達0.99 以上，是一個良好的紅外輻射體。大氣的傳輸損耗針對不同波長是不一樣的，紅外線在傳輸過程中會出現一定的衰減，遠距離測溫可導致所測溫度偏低，設計的閘機系統中溫度數據的采集在固定位置完成，距離對測溫精度的影響可以精確補償。車站等場所的環境輻射復雜，干擾因素多，需要采用黑體進行實時校正，最佳的測試距離通常在黑體前后2 ～3 m 為有效檢測區域，黑體下方位置最佳[1]。基于閘機目前的尺寸也可以方便的進行黑體校正。

4 結構布局設計

結合紅外黑體測量的有效距離以及既有閘機本身的空間，每一個通道閘機安裝一個紅外測溫儀，通過高度和角度的調整，使其僅能有效測量本通道通行人員的體溫，尤其是額溫，在人員通過閘機通道的有限距離和范圍內，對人體最高溫度進行多次測量和比對，并決定是否開門。將測溫組件安裝在閘機中部[2]，通過支架固定在機殼上，如圖 1 所示。

根據郭幫輝等人的研究中相關公式推導的結論，紅外測溫系統的探測元面積、相對靈敏度、最大靈敏度、探測器帶寬、系統焦距和入瞳直徑都是由紅外系統確定，對于相同條件下的同一目標，測試距離變化時，探測器的輸出信號只與目標距離和視場角相關[3]。

1）測溫位置及角度

閘機長度1 948 mm，寬度210 mm，高度1 020 mm，機頭長度600 mm，高度260 mm，寬度210 mm，人體的寬度取中間值450 mm，頭部寬度170 mm。通道寬度取標準通道的數值650 mm。紅外測溫設備的安裝位置在機頭和門軸之間，相關安裝示意如圖 2 所示。

圖2 位置及角度范圍Fig.2 Position and angle range

根據現行的鐵路通行規則，當旅客到達閘機時，站在閘機的外側靠近機頭處右手持卡或票進行驗證。根據設計在此時對人體的額溫進行測量，在票證人比對的結果上，體溫正常則放行通過。

依據兩個安裝位置極限，為防止緊鄰通道的干擾，紅外測溫儀的最大水平角范圍為33 °～38 °之間，最小的水平角范圍7.6 °～11.9 °之間。根據此分析來選擇合適參數的紅外測溫儀。

人體的測量溫度通常在35 ℃～42 ℃范圍內，隨著溫度的升高，紅外測溫儀的測量誤差逐漸增大；隨著測量的距離增加，測量誤差逐漸增大[4]。

根據以上分析，紅外測溫儀在靠近機頭處距離近，誤差小；靠近門軸處距離遠，誤差大。

2）測溫高度及角度

由于測溫模塊的高度可以通過連接桿的高度進行調節，對人體體表的測溫一般測量額溫，可以很好地反映被測人體的溫度狀態。

根據《成年人頭面部尺寸》(GB/T 2428-1998)，男性頭長分布范圍在150 ～215 mm，頭寬范圍在130 ～175 mm，取頭長200 mm，頭寬170 mm 的范圍則能覆蓋99.91%的男性，女性頭長在145 ～200 mm，頭寬在130 ～175 mm，取頭長200 mm，頭寬170 mm 的范圍則能覆蓋99.99%的女性[5]。

人體裸露的面部血管較多且表皮較薄，此部分溫度可以很好地反映被測人體的狀態，故宜選用帶有人臉模擬功能的紅外測溫儀，減少其他部位的影響。結合人臉識別進行額頭的溫度標記，更精確測量額溫。

5 接口設計

目前，通用的測溫模塊的硬件接口支持RS-232、USB 以及RJ-45 等，在本地處理數據時通常將其直接接在工控機相關接口上，一般工控機會有多個COM 口和USB 接口，因此選擇RS-232 和USB進行連接，優先選用USB 連接。

在既有的工控機上部署溫度顯示和判斷軟件，對傳送過來的溫度數據進行比選判斷，溫度正常時，按照既有的閘機通行策略進行，發現異常時直接給閘機主控板下發關門以及報警指令。

6 通行邏輯設計

既有閘機通行邏輯主要用于識別行人的通道閘門通行狀態，判斷行人是否合法通行，并且可以判斷行人是否處于安全光幕保護區內，保證行人的人身安全[6]。增加溫度測量模塊后，整個閘機通行的邏輯示意如圖 3 所示。

7 結論

通過對既有閘機的改造設計，在不影響既有閘機運行的前提下，通過黑體對溫度數據校正，保證測量精度，能夠快捷篩選出疑似患者，同時也方便接入既有系統[7]，同時也符合現有鐵路閘機的相關技術規范[8-9]。在人員佩戴口罩、眼鏡和帽子，以及有劉海遮擋額頭時，可借助AI 算法進行優化，大大提高檢測的準確度和通行效率，方便疫情防控。

圖3 通行邏輯Fig.3 Pass logic