關于激光雷達在軌道交通站臺門安全防護中的應用

舒駱鵬

（金華市金義東軌道交通有限公司，浙江 金華 321000）

由于站臺門在設計安裝時須滿足限界的要求，因此站臺門與車體之間存在一定的間隙，而由于線路、信號道岔設置等原因引起的限界加寬則導致該間隙進一步加大，在列車門和站臺門關閉后形成了一個不安全的封閉空間。極端情況下乘客會被夾在站臺門與列車車體之間，存在安全事故隱患。近年來各種物理及電氣措施也都在不斷研發，激光雷達作為一種新型防夾檢測系統，已被應用在軌道交通項目中，并且實踐證明運行效果良好。

1 站臺門防夾系統發展現狀分析

1.1 物理防護措施的發展

早期軌道交通站臺呈直線狀，在一些車站的端部有20 到30 毫米的加寬量，采取的安全防護措施主要有防夾擋板、車尾燈帶、防護橫撐、防站人斜板等，但由于物理措施或多或少都有一定的弊端，在安全防護系數上并不高[1]。但對于一些全曲線站臺或限界加寬量較大的站臺，由于車體與站臺門之間的間隙進一步加大，以上的各項物理防夾措施將降低，甚至喪失防護效果。

1.2 電氣探測防護措施

目前軌道交通安裝的電氣探測措施有激光對射和紅外探測兩種。激光對射原理是依靠激光發射，接收器接收信號。站臺門關閉之后，激光對射裝置會開啟工作狀態，若有障礙物阻斷光束的路徑則會發出報警。紅外探測裝置主要通過犧牲探測距離提高探測精準度，但是在工程應用過程中，紅外探測有覆蓋區域狹窄的弊端，且安裝精度要求更高。同時，受列車振動，軌行區灰塵、鐵屑或高架站其他光源等因素干擾，也會影響檢測效果，造成誤報。

2 激光雷達間隙智能探測系統設計方案

2.1 激光雷達的具體工作原理

激光雷達技術應用的是時間飛行(TOF)工作原理，即激光發射器(TX)發射很短的光脈沖，光脈沖被物體反射回后，接收器(RX)收到反射回來的光束。由于傳感器和物體之間有一定的距離，反射回來的光線會有延遲，處理器會計算延遲時間。根據光的傳播速度30 萬千米/秒，處理器會把延遲時間轉換成相應的距離。如圖1 所示。例如，光速30 萬千米/秒，延遲時間是13 納秒，距離是2 米。

圖1 激光時間飛行技術原理圖

2.2 激光雷達間隙智能探測系統的參數指標

激光雷達探測系統主要使用固態激光雷達進行掃描，掃描過程具有分辨率高，抗干擾能力強的優勢，深度精度保持在2.5cm 左右，水平垂直分辨率會持續控制在0.2° ，直線探測距離可達200m[2]。由于激光傳感器內的旋轉反射鏡會把光束反射成不同的角度，使得激光傳感器能夠掃描一個預先設置的平面。反射鏡的每個面能保證傳感器掃描96° 的區域，當反射鏡是立方體時，同一區域內反射鏡每旋轉一圈可以重復掃描4次。激光雷達會對軌道站臺門與列車車門之間的空間進行全覆蓋檢測，由于檢測距離遠，位置信息能夠實現精準探測，且獲取的數據可靠性更高。如圖2 所示。

圖2 激光雷達裝置的四層掃瞄檢測效果圖

2.3 激光雷達的有效探測范圍

在實際應用中，可采用每道滑動門安裝一套雷達裝置或整側站臺安裝一套激光雷達裝置。這兩種方式均能準確對位于某個滑動門的障礙物進行定位。考慮到建設成本及日常系統維護，在軌道交通項目中由于站臺總體有效長度均在200m 以內。因此，對于直線站臺，一側站臺可作為一個探測區域，安裝一套雷達裝置即可。若站臺為全曲線站臺或端部加寬量較大，可根據工程實際情況合理劃分探測區域。

2.4 激光雷達間隙智能探測的工作流程

當列車進入站臺后，激光雷達檢測裝置即進入工作狀態，在站臺門開啟前，通過探測主機獲取車體與站臺門之間的初始狀態信息。當乘客上下車完畢，站臺門關閉后，激光雷達檢測裝置對車體與站臺門之間的情況進行再次掃描探測。若沒有檢測出障礙物，則裝置發出安全信號，并重新進入待機狀態；若檢測出障礙物或檢測出乘客滯留，則進行報警，見圖3。

圖3 激光雷達間隙智能探測的工作流程

2.5 激光雷達主要系統構成

激光雷達工作框架主要由間隙探測主機，車站管理服務器和激光雷達三個元件構成。間隙探測主機一般安裝在車頭位置，在具體工作過程中會有聲光報警以及系統旁路操作等功能。車站管理服務器是整個間隙探測系統的控制中心，通常會安裝在站臺門設備室，直接負責雷達的關停，障礙物的報警以及數據的存儲和處理。激光雷達接入門控器端子排內，主要負責障礙物的檢測，主要通過對激光脈沖反饋的分析，確定障礙物的位置[3]，見圖4。

圖4 激光雷達主要系統構成

3 激光雷達在軌道交通站臺門安全防護中的具體應用

3.1 激光雷達在軌道交通站臺門處的安裝位置

目前軌道交通車站型式主要分為地下站和高架站，而根據車站的型式，站臺門對應分為全高站臺門和半高站臺門。廣州地鐵8 號線北延段華林寺、滘心、陳家祠等站在每道單元滑門設置了一套激光傳感器。激光雷達安裝在站臺門的下方，激光雷達安裝處會凸出站臺門頂箱后封板5 厘米，光口向上傾斜，與車體滑動門之間有一定的距離，這樣可以最大程度發揮安全防護的作用。當站臺門、列車門關閉時，觸發系統功能，如果此時系統探測到車體和站臺門門間傳感器檢測區域內存在障礙物時，則自動報警[4]。如圖5 所示。

圖5 激光傳感器安裝效果圖

3.2 通訊帶寬的有效選擇

激光雷達裝置在具體運行過程中會受到雷達收集的數據和控制主機之間的數據交換的影響，須合理選取數據的傳輸方式。例如一些城市軌道交通線路的車體采用8 個編組，每節車廂一共有5 個車門，最終安裝了40 臺激光雷達，運行過程中檢測雷達裝置傳輸速度為每秒通信量1339200b，設計人員此時就要選擇160M 以上的通訊帶寬，這樣才能有效滿足激光雷達工作時的需求，并且也能有效提高軌道交通整個系統的安全性。

3.3 服務器系統的有效選擇

傳統的間隙探測措施準確性和穩定性較低，后期需要投入大量的人力和物力進行校準和維護保養工作。安裝激光雷達系統可以在某種程度上降低人力物力的投資。在具體運行過程中，激光雷達采集數據通過傳輸到存儲系統，并且對所有數據進行分類和整合，且多數激光雷達系統本身自帶服務器，可以對所有數據展開分析，這樣可以有效提高運算的效率。此外，激光雷達需要穩定的運行環境，在選取服務器系統時，最好用雙機熱備方法進行數據備份，這樣一來，若主機出現異常，備份系統可以繼續工作，并且可通過報警系統通知維修人員。

3.4 設計方案的明確

激光雷達系統在安裝之前要嚴格對現場進行勘測，設計出可行性較高的方案，這樣才能確保雷達系統運轉正常。目前國家也在大力發展市域軌道交通項目，市域軌道交通線路以輕軌為主，而輕軌主要通過高架的形式構建，安裝激光雷達時需要根據施工特點設計有效的方案。可考慮在站臺門邊框上鉆孔攻絲，將雷達固定在門的左下方，電纜敷設可以采用線槽設計，這樣可以保證激光雷達探測系統在高架站應用的可實施性。

3.5 采用動態邊界防護算法

在激光雷達安設過程中要采用動態邊界防護算法，保證軌行區的振動對雷達造成的影響最小。可以將站臺門的延伸部位設置為防護A 區，延伸部位和車身之間設置為動態防護B 區，A區進行設備安裝，然后對數據進行收集傳輸至數據內部，B 區則主要對列車停止后的數據進行測量，當列車完成一周期的運行之后，數據清零，如此反復。A 區域和B 區域要在同一掃描周期內完成數據的收集，這樣可以對列車產生最大的保護作用。

綜上所述，激光雷達掃描裝置的技術原理穩定可靠，并且已經在城市軌道交通項目中試點性實際應用，使用效果良好。可以有效解決以往傳統電氣探測裝置準確性低、誤報率高、后期維護困難等問題，具有較為廣闊的使用前景。當然在各地具體工程項目的實際應用中，由于各地的列車車型、線路及站臺情況各不相同，項目各方應根據本項目的實際情況，因地制宜的研究具體實施方案。同時需經過實地檢驗和測試，且測試結果各項顯示均達最優之后才能正式投入使用，這樣才能最大程度保障軌道交通工程的運營安全。