站臺門防夾系統3D激光雷達檢測法技術應用

林 耀，韓 飛，戴曉彬，陳 斌

(中鐵工程設計咨詢集團有限公司機械動力設計研究院，北京 100055)

引言

站臺門系統沿著站臺邊緣布置，將列車與車站站臺候車區隔離開，起到防止人員跌落軌道發生意外等作用，以保障乘客的乘車安全[1-2]。站臺門的設置位置需滿足相關的限界要求，因此，車門與站臺門之間存在間隙，會對乘客安全造成一定的安全隱患，實際運營過程中曾發生過當站臺門關閉后乘客被夾在了站臺門與列車門中間，發生人員傷亡事故[3-4]。根據車站站臺門安裝情況及國內既有工程實際運營特點，為避免出現乘客被夾的事故，目前國內工程上采用了多種防護措施，通過整理分類，站臺門與列車車體間隙防護措施主要有物理措施、電氣探測措施兩類[5-6]。物理措施包括設置防夾擋板、車尾燈帶、防護橫撐、防站人斜板等，其結構簡單，防護能力有限；電氣探測措施目前主要為紅外探測裝置及激光對射裝置[7]。安全性較高，適應曲線站、適應全自動駕駛有人和無人的工況，但探測區域覆蓋不足，安裝精度要求高，運營維護不方便，列車振動、地鐵隧道粉塵、鐵屑干擾、車站其他光源、相互干擾等各種因素會造成系統存在一定的誤報率，對行車、運營有一定影響。

由于目前所采用的站臺門與列車車體間隙探測措施存在上述的問題，因此，亟需研究一種新的站臺門防夾檢測方式以保證乘客安全。本次研究提出一種新的站臺門防夾檢測方式-3D激光雷達方式。

1 站臺門防夾系統現狀

1.1 物理防護

早期軌道交通線路的站臺均為直線站臺，在部分車站的站臺端部有20～30 mm加寬量，對站臺門的安全防護影響不大，因此，以往線路站臺門的安全防護措施主要采用物理措施。物理措施[8]包括設置防夾擋板、車尾燈帶、防護橫撐、防站人斜板等。各種間隙物理防護措施如圖1所示。

圖1 間隙物理防護示意

各種間隙物理防護措施的技術分析比較如表1所示。

表1 各種間隙物理防護措施的技術分析

1.2 電氣探測措施

目前，已應用到站臺門實際案例的電氣探測措施主要為激光對射裝置、紅外探測裝置。

激光對射裝置其原理是發射器發出激光，接收器根據檢測到激光的信號特征判斷直線光路上的遮擋物，當激光被障礙物遮擋后，系統進行報警。其原理示意如圖2所示。

圖2 激光對射裝置原理示意

當列車?？空九_，乘客上下車完畢，站臺門閉合處于關門狀態，激光對射裝置觸發功能，發射器發出激光，發射源200 m處的光斑直徑約為170 mm(小于列車車體與站臺門之間距)，以避免光束在站臺門和車體間多次反射影響準確性。若障礙物阻斷了光束的路徑，則聲光報警器發出報警，待障礙清理后，系統在延遲幾秒后退出工作狀態。

紅外探測裝置本質上是激光對射探測法的特殊形式，其原理與激光對射裝置相似，其特點是犧牲探測距離以提高探測密度，并且衍生出反射型型號[9]。其原理示意如圖3所示。

圖3 激光對射裝置原理示意

上述紅外探測或激光對射裝置[10]在使用中存在以下缺陷：探測區域覆蓋不足，安裝與列車與站臺門之間距離站臺面高度 0.6～1.2 m的區域；受限界條件限制，安裝精度要求高；發射端和接收端遠距離對光調試較困難，運營維護不方便；受列車振動、地鐵隧道粉塵、鐵屑干擾、車站其他光源、相互干擾等各種因素影響產生誤報。目前，激光對射裝置、紅外探測裝置在國內部分地鐵線路已有應用，應用情況如表2所示，但由于存在一定的缺陷，在部分地鐵線路已被棄用。

表2 各種間隙物理防護措施的技術分析

1.3 現狀小結

綜上分析，物理措施防護能力有限，主動防護性差，較難適應自動駕駛模式下無司機的工況，而目前電氣探測措施穩定性差，存在一定的誤報率，對行車、運營產生影響，因此，亟需研究一種新的站臺門防夾檢測方式來保證乘客安全。本次研究提出一種新的站臺門防夾檢測方式—3D激光雷達方式，相比傳統的防夾檢測方式，3D激光雷達方式可實現空間檢測，具有檢測距離遠、探測位置精確、可靠性高等優點[11-12]。

2 3D激光雷達間隙智能探測系統設計方案

2.1 探測原理

3D激光雷達探測系統的光學機構向掃描范圍內發射激光脈沖，形成三維掃描面，激光脈沖碰障礙物后反射，處理器根據激光從發射到接收的時間差換算成相應的距離，并記錄存儲激光回收數據，通過模擬計算，結合固有邊界，確定遮擋物的外形及位置信息[13]。

3D激光雷達探測系統的光學機構向范圍內各角度發射出一定強度的激光，形成如圖4、圖5所示的三維扇形光幕，照射到障礙物表面后，會發生漫反射，只有部分光會反射，被探測器接收，產生的點云記錄了探測范圍內物體的反光位置(圖6)，其中，使用3D激光點云進行目標檢測方法有多種，包括BEV(bird’s eye view)目標檢測方法、camera view目標檢測方法、point-wise feature目標檢測方法、融合特征目標檢測方法。當接收的光達到設定閾值，就可以作為判斷依據，閥值是由內部模擬分析軟件算法進行定義[2]，系統探測尺寸在400～500 mm，系統軟件可進行調整定義。

圖4 間隙智能探測

圖5 激光雷達掃描面示意

圖6 物體反光位置點云圖

由于激光雷達形成的三維掃描面為光幕，因此設備的安裝只需滿足限界要求即可，不必像激光對射探測系統必須將發射端的接收端精確安裝。

2.2 激光雷達設備主要技術指標

3D激光雷達探測系統采用固態激光雷達，掃描分辨率高，深度精度2.5 cm，水平垂直分辨率0.2°，探測距離200 m，抗干擾能力強[14]。通過對站臺門與列車車門之間空間檢測，無檢測盲區，檢測距離遠，能精確探測到位置信息，可靠性高。固態激光雷達主要技術指標如表3所示。

表3 固態激光雷達主要技術指標

2.3 探測區域

3D激光雷達間隙智能探測系統的探測區域為0.5～200 m。根據需求，可采用每道滑動門為一個探測區域和不大于200 m的若干道門為一個探測區域。兩種方式均能夠實現障礙物位于某道滑動門的準確定位，滿足探測功能需求。

考慮投資和系統維護的原因，一般的軌道交通項目由于站臺有效長度小于200 m，因此，直線站臺整側站臺可作為一個探測區域。當高速鐵路或城際鐵路站臺有效長度為250 m時，站臺可分為2個探測區域；站臺有效長為450 m時，站臺可分為3個不大于200 m的探測區域。當站臺為曲線站臺時，根據工程實際情況合理設置探測區域。

2.4 工作流程

在系統中，間隙探測主機通過獲取站臺門狀態信息來進行狀態切換。當站臺門處于關閉狀態，間隙探測主機控制3D激光雷達開始發射激光掃描面進行障礙物的掃描檢測。3D激光雷達在列車與站臺門之間的區域若沒有檢測到障礙物，本地告警裝置則綠色狀態燈顯示，若有異物、乘客停留或侵入，本地告警裝置則紅色狀態燈顯示。當站臺門處于打開狀態，系統通過間隙探測主機控制3D激光雷達停止工作，直至再次接收到站臺門關閉的信號，然后重新開始啟動探測。

間隙探測主機將處理結果上傳到車站管理服務器，進行數據分類存儲，用于歷史數據回放，同時將結果發送至車站調車辦公室，使調度中心工作人員收到地鐵站臺門間隙智能探測系統的報警信息后，人工進行應急處理，從多方面提升列車運營的安全性[15]。具體工作流程如圖7所示。

圖7 工作流程

2.5 系統組成

系統主要由激光雷達、間隙探測主機、車站管理服務器等組成。

激光雷達負責執行探測功能。其帶有模擬分析軟件，能夠根據激光脈沖的反饋確定遮擋物的外形及位置信息，激光雷達一般安裝在站臺門的頂部位置，每道門設置1組，亦可若干節車廂設置1組。

車站管理服務器，即系統的控制中樞，設置在站臺門設備室，負責控制雷達探測器的啟停、遮擋物信息的報警及相關數據信息上傳，且對系統的運行狀態及故障信息進行實時監測，將報警信息通過列車自動控制(Automatic Train Control，ATC)網絡反饋給聯鎖模塊和列車自動監控(Automatic Train Supervision，ATS)模塊[16]。

間隙探測主機位于車頭位置的端門外，具有障礙物信息的聲光報警提示，以及系統旁路操作等功能。

智能探測系統在運行過程中，站臺門得到關門指令，系統也同時得到啟動命令開始計時探測，一旦檢測到障礙物，系統將反饋警示信息，重新開始計時，直到在一定的計時時間內沒有障礙物信息，才允許發車，否則信號系統不允許發車，并通知人工處理。

系統框圖如圖8所示。

圖8 系統框圖

2.6 軟件流程

間隙探測主機通過列車ATC網絡與聯鎖模塊連接，聯鎖模塊將屏蔽門與列車門均關閉的信號發送至間隙探測主機[17]。間隙探測主機控制激光雷達開始發射激光掃描面進行障礙物的掃描檢測。激光雷達在列車與屏蔽門之間的區域沒有檢測到障礙物，則列車門與站臺門的狀態將更改為“關閉且鎖閉”。聯鎖模塊將列車門與站臺門關閉且鎖閉的信號通過間隙探測主機控制激光雷達停止工作，直至再次接收到列車門與屏蔽門均關閉的信號重新開始啟動。間隙探測主機將處理結果發送到ATS模塊，使ATS調度中心工作人員收到地鐵站臺門間隙智能探測系統的報警信息后，進行人工應急處理，并保證站臺內的列車不會發出。同時還將報警信息發送給聯鎖模塊，從多方面提升列車運營的安全性。系統軟件工作流程如圖9所示。

圖9 系統軟件工作流程

2.7 安裝方式

安裝方式主要包括頂裝安裝和地面安裝兩種方案，在實際工程應用中，應結合車站設置條件、運營需求選擇適合的安裝方式。

2.7.1 頂裝安裝方式

頂裝安裝方式適用于直線、曲線站臺，每個站臺門內側上方安裝激光雷達，安裝高度要求離站臺地面不小于3 m，覆蓋范圍不小于10 m寬度(即2個站臺門)，有效檢測面不小于5 cm×5 cm的目標。頂裝安裝示意如圖10所示。

圖10 頂裝安裝示意

此種安裝方式優點為：不占用站臺門與列車門之間的寬度，不會產生侵限問題。缺點為：對車站安裝位置高度有一定要求，且單臺激光雷達檢測范圍較小，一側站臺需布置的設備數量多，投資較高。

2.7.2 地面安裝方式

地面安裝方式適用于直線、曲線站臺，每個站臺門內側上方安裝激光雷達，安裝高度要求離站臺地面不低于0.5 m，覆蓋長度0～200 m(即2個屏蔽門)，有效檢測障礙物直徑不小于20 cm、高度20 cm的目標。地面安裝示意如圖11所示。

圖11 地面安裝示意(俯視)

此種安裝方式優點為：設備數量少、投資低、檢測范圍大，不占用站臺門與列車門之間的寬度，不會產生侵限問題[18]。缺點為：需考慮設備安裝不能侵限，且隨著檢測距離增大，檢測障礙物的體積會增加。

3 3D激光雷達間隙智能探測系統測試

測試主要為工廠測試、實驗室測試及現場測試3部分。

3.1 工廠測試

工廠測試為系統各部件在工廠內的設備性能測試。

工廠測試內容主要為激光雷達系統的高溫試驗、低溫試驗、恒定濕熱試驗、DC電源試驗、絕緣電源試驗和振動試驗[19]。經試驗，測試項目均滿足要求。

3.2 實驗室測試

實驗室測試是通過模擬運營環境進行站臺門間隙探測設備的測試，驗證站臺門與車門之間間隙存在障礙物的探測功能。

實驗室試驗項目包括防區內報警物檢測、光斑尺寸檢測、污染報警功能檢測、環境記憶測試、報警門定位功能、多門并發功能、與信號/ISCS專業的聯動、隔離/旁路功能的測試。經測試，上述試驗項目均合格。

3.3 現場測試

現場測試是間隙探測各設備在實際情況下進行測試，主要包含設備性能測試(如IP防護等級、電源適應性測試、高低溫測試等)和設備功能測試(如設備探測測試、設備聯動功能測試)，目的是為判定該產品是否能滿足相關規定及業主所需的功能與性能指標。主要的測試為探測報警，光斑檢測[20]，污染報警，環境記憶，報警門定位，多門并發報警，與信號、ISCS專業的聯動，隔離/旁路功能。

現場測試原定為利用北京地鐵新機場線新機場航站樓站真實環境進行正線測試。實驗現場主要具備全套信號設備、列車設備、滑動門及固定門、應急門等，其中站臺門為全高站臺門。后期因新機場線開通時間原因，暫未進行。目前，3D激光雷達間隙智能探測系統已在京張高鐵八達嶺長城站安裝完成，且于2019年12月底京張高鐵開通運營至今，現場使用情況良好。圖12為京張高鐵八達嶺長城站間隙探測系統現場，圖13為現場測試結果。

圖12 京張高鐵八達嶺長城站間隙探測系統現場

圖13 測試結果展示

根據目前的使用情況，現場測量情況均與實驗室測試結果一致，測試準確率達100%。

4 結語

針對站臺門防夾系統提出3D激光雷達檢測法，其原理采用激光雷達將激光脈沖向掃描角度內的各個方向掃描而形成三維掃描面，與邊界條件進行對比分析，進而確定遮擋物的大小及位置信息。其主要由激光雷達、間隙探測主機、車站管理服務器等組成，其安裝形式主要包括頂裝安裝和地面安裝兩種方案。本方法可實現空間檢測，具有檢測距離遠、探測位置精確、可靠性高等優點。較物理措施更具主動防護性，較傳統電氣措施更具穩定性、設備安裝簡單等特點，且系統具有自診斷功能和完善的故障處理策略，并采用高效算法即時輸出檢查結果，系統運行全過程痕跡記錄，較傳統方法更具可靠性、先進性、智能性。

目前，已對3D激光雷達間隙智能探測系統進行工廠測試、實驗室測試及試驗線測試，滿足功能需求，并成功應用于京張高鐵八達嶺長城站的站臺門系統中，符合京張高鐵智能化需求，為后續站臺門防夾系統設計提供借鑒。