基于旋轉式設計的安檢機

葛逸濤，呂長運，周炎淼，張志恒，甘 婧

（1.合肥工業大學 機械工程學院，安徽合肥 230009；2.合肥工業大學 計算機學院，安徽合肥 230009；3.合肥工業大學 本科生院，安徽合肥 230009）

隨著我國社會快速發展，國內基礎設施建設水平日益提高以及各類國際性活動在我國召開，使得安檢工作的重要性日益提高，我國安檢設備應用需求也不斷增長。由于人員與物品的流動性提高，傳統安檢機在使用過程中具有明顯的局限性，文獻[1]對我國城市地鐵安檢故障進行歸納，指出現有安檢機存在無法清晰掃描并呈現重復物品，且存在漏檢現象等問題，繼而圍繞安檢流程、安檢隊伍以及公眾參與度3個方面提出建議和改進措施。文獻[2]指出軌道交通對安檢設備的高要求，并對X 射線在安檢機中有效應用進行分析，進而來支持其對安檢速度不達標，乘客滯留問題的改善。上述研究均聚焦于安檢設備應用流程的優化或掃描技術的改進，卻忽略了安檢機結構設計方面存在的問題。

目前，關于安檢機的設計優化研究主要包括新檢測技術應用、安檢機功能拓展等方面。在X 光檢測技術中，文獻[3]構建了基于YOLOv3深度卷積神經網絡的違禁品檢測探碼器；文獻[4]在雙能X 射線的基礎上設計了一種基于復合辛普森公式的危險品識別系統。在安檢機功能拓展方面，文獻[5]提出了以物聯網為基礎的新型安檢機研發理念；文獻[6]在安檢機上集成了無感測溫、消毒和移動式查驗等多項技術。這些方法解決了安檢機目前存在的檢測效率低下以及精度不高的問題，但仍存在以下不足之處：①大多改進方案集中于提高X 射線方面技術，但沒考慮機械結構的優化設計；②結構改進方案僅考慮安檢效率的提高，忽略了提升行李使用者的主觀感受。

針對以上問題，引入了一種空間并行旋轉安檢的設計思路，結合傳統安檢機以及旋轉門的結構，提出了一款基于旋轉式設計的安檢機的設計方案。相較于傳統安檢設計結構，所提安檢機優點如下：

（1）采用旋轉式傳輸方式，空間并行方式進行行李安檢，提高安檢效率的同時縮短安檢所需的時間。

（2）采用大件行李推入、小件行李懸掛的安檢方式，減少漏檢現象，避免彎腰動作。

（3）圓柱式設計，設計過程考慮整體美觀性，減少占地面積，提高空間利用率以及考慮使用者的心理需求。

1 現狀及問題分析

X 光機安檢設備一般由X 射線發射器、圖像系統、輸送機系統等部分組成，實現對物品的分辨，并通過圖像處理系統實時處理彩色/黑白圖像，實現圖像增強、回拉、報警、檢索等功能，并對不同的材料賦予不同的顏色，便于人員直觀快速識別判斷[7]。依據安檢機傳送帶的高度，可將其分為低臺式安檢機以及高臺式安檢機，傳送帶的高度直接導致了用戶在使用過程中產生不同的問題。

高臺式安檢機（圖1）體積小、重量輕、耗電低，適用于核電站、政府機關、郵檢中心等地對小件物品的安全檢查。但其存在由于傳送高度過高致使大件行李提放費力的缺點。

圖1 高臺式安檢機示意圖

低臺式安檢機（圖2）的入口通常是水平式設計，出口處有水平式設計及斜坡式設計。低臺式的設計有利于大件行李的提放，但不符合人體工程學，效率較低并且斜坡與傳送帶的連接處易造成行李堆積。

圖2 低臺式安檢機示意圖

除此之外，團隊在合肥南站進行實地調查研究與痛點分析。根據超過500個樣本的數據統計，發現約有20%的人存在提放行李困難的問題。其原因為鉛簾的阻力作用，平臺高度影響及安檢機傳送帶速度與人的安檢速度不匹配。根據文獻[8]，將乘客通過時間分為放包時間、放行李箱時間、行李通過時間和乘客通過時間。通過圖3可得，行李的大小與行李的通過時間存在著正相關的關系，其次，大小行李通過時間的差異影響人的通過時間，降低安檢效率，傳送帶速度慢，乘客通過時間主要被行李通過時間拉長，拿行李過程中產生擁堵以及行李箱的放置時間是放包時間的2倍多，行李箱放置存在困難。人、行李和背包的相關流量統計分析顯示小件行李的流量基本與人流量一致，而大件行李的流量是小件行李的1/5左右，流量的差異導致安檢時間的差異，有必要統一安檢時間來提高同時處理不同類型行李的安檢效率。

圖3 乘客通過時間統計

綜上所述，需要設計一款能夠統一不同行李安檢時間，提高安檢效率，契合人體工程學以及匹配行人與行李的安檢時間的安檢機。

2 研究方案

2.1 方案概述

為了適應不同大小的行李，本文采用旋轉門的設計，改變了傳統安檢機線性的行李傳輸方式。本文提出的旋轉式安檢機的設計方案，能夠支持大小行李同步通過安檢機。其中，安檢機內部空間平均分為4個格子，每個格子的旋轉時間為3 s，總旋轉時間為12s。大件行李直接推入安檢機，小件行李采取懸掛式的形式。以圓柱為基本型進行形態的設計，整體為半封閉設計（圖4）。

圖4 旋轉式安檢機模型示意圖

2.2 安檢機設計方案組成

安檢機整體結構分為底座、頂蓋和轉盤3個部分，利用電子控制系統實現整個安檢過程的機械運轉。

轉盤隔間上方安置掛鉤，用于懸掛小件行李，避免彎腰動作，符合人體工程學并且安全高效。

配備緊停開關與指示燈，緊停開關在出現意外情況時可緊停安檢機，指示燈顯示機器的工作狀況以及X 光的發射情況。

頂蓋處裝有光管發射系統，光管發射系統主要由光管發射器、光線調節裝置以及光線接受裝置組成。光管發射器發射X 射線，由準直支架和光管調整塊調整X 射線，X 射線被物體吸收后照射于L 形擋板，繼而被探測器接收并轉化為信號發送到電子設備上。

轉盤下的稱重盤采用雙層安裝的形式，平臺之間采用壓力傳感器進行測重，測重信號通過驅動板將數據傳入單片機，單片機通過電機驅動模塊控制步進電機進行旋轉。如果被測物體重量超重，單片機會發出報警信號，安檢機停止運行，報警信號燈亮起。

圖5 光管發射系統示意圖

3 研究方案的驗證

本團隊利用西門子人機工程仿真軟件Jack 進行動畫驗證，采用符合人體工程學分析工具，先進的姿勢算法來驗證旋轉式安檢機安檢可行性，是否會產生乘客錯過拿出行李的時間或需等待較長時間才能拿到行李的情況，以及安檢路線設計的合理性。

建立一個虛擬環境，并對虛擬人指派任務，同時對其進行人機工效學的評價并進行分析。其中人物任務設定主要分為排隊場景模擬、行李箱的拿取與放置、人物路徑設定等。還對安檢機的旋轉以及行李箱的路徑進行了設置。其中安檢機的旋轉速度為一格3 s，1周12 s。

通過模擬，得出對于乘客而言，有充足的時間完成個人的安檢，并且余留部分的時間去拿取自己的行李，行人安檢速度與安檢機安檢速度相匹配，人機工效學評價良好，符合本產品的設計要求。

借鑒于文獻[10]和文獻[11]對安檢機進行外型設計，并考慮安檢機使用場合的特性，給予黑色外觀的配色，其不僅令使用者對安檢機保持一種技術可靠的視覺感受，也保證行李安檢過程不被他人觀察的嚴謹性，設計總圖如圖6所示。

圖6 安檢機總設計圖

4 結論

設計和研制了基于旋轉式設計的安檢機。安檢機采取大件行李推入、小件行李懸掛式的安檢形式，契合人體工程學問題；旋轉式設計提高了空間資源的利用率，使得安檢速度與行人通行速度一致，有效改善安檢時的人群擁堵問題；圓柱形設計節省占地面積，兼具美觀性。本設計產品在基于對合肥南站實地調研數據的基礎上，通過Jack 軟件模擬驗證，證實其有利于提高安檢效率和優化安檢流程。為大型機場以及火車站提供了新安檢機結構的設計思維，并具有實際的工程應用價值和研究理論。