饒美婉

(廣州地鐵設(shè)計(jì)研究院有限公司,510010,廣州 ∥ 高級(jí)工程師)

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新型地鐵站臺(tái)門與車門之間頂置式防夾人自動(dòng)探測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

饒美婉

(廣州地鐵設(shè)計(jì)研究院有限公司,510010,廣州 ∥ 高級(jí)工程師)

針對(duì)地鐵車站站臺(tái)門與車門之間空隙存在夾人夾物的安全問題,介紹了目前應(yīng)用較廣泛的只適合于直線站臺(tái)的通過司機(jī)瞭望檢測(cè)方式的瞭望燈帶,以及受限界尺寸影響的激光對(duì)射探測(cè)方式存在檢測(cè)盲區(qū)的問題。提出了基于機(jī)器視覺的頂置式防夾人夾物的自動(dòng)探測(cè)設(shè)計(jì)方案。該方案的安裝不受限界尺寸影響,探測(cè)范圍廣,盲區(qū)小,實(shí)現(xiàn)了對(duì)乘客及行車運(yùn)營更為可靠的安全防護(hù)。

地鐵; 站臺(tái)門; 頂置式異物探測(cè); 安全防護(hù)

Author′s address Guangzhou Metro Design & Research Institute Co.,Ltd.,510010,Guangzhou,China

站臺(tái)門作為軌道區(qū)與站臺(tái)區(qū)的隔離設(shè)備,其在保證運(yùn)營安全、節(jié)能等方面的作用非常明顯。如今，國內(nèi)各城市地鐵線路已經(jīng)把站臺(tái)門作為必備設(shè)備而廣泛采用。同時(shí)，為了保證行車安全,站臺(tái)門在站臺(tái)的安裝位置(距軌道中心線的距離)應(yīng)嚴(yán)格按照限界的要求。

本文結(jié)合目前應(yīng)用較廣的設(shè)置瞭望燈帶通過司機(jī)瞭望檢測(cè)方式以及激光對(duì)射探測(cè)方式存在較大探測(cè)盲區(qū)的問題[2],提出了新的基于機(jī)器視覺的頂置式異物探測(cè)方案,解決了目前使用的探測(cè)方案遇到的困難,可實(shí)現(xiàn)對(duì)乘客及行車運(yùn)營更為可靠的安全防護(hù)。

1 目前應(yīng)用較廣的間隙探測(cè)方式

1.1 設(shè)置瞭望燈帶和三角擋板[3]

針對(duì)車門與站臺(tái)門之間的空隙,為方便司機(jī)在關(guān)閉站臺(tái)門后的瞭望,在限界允許的情況下,通用的做法是在每側(cè)站臺(tái)的列車進(jìn)站端設(shè)置橡膠軟管燈帶,固定在1號(hào)站臺(tái)門單元立柱的設(shè)備區(qū)側(cè)；沿立柱從上至下安裝一條燈帶,固定燈帶的支架長度可調(diào)節(jié),如圖1所示。如車門與站臺(tái)門之間有障礙物時(shí),光帶被遮擋,則司機(jī)通過瞭望可發(fā)現(xiàn)障礙物。同時(shí)，在滑動(dòng)門門體底部的機(jī)械結(jié)構(gòu)上設(shè)置安全擋板(見圖2),并結(jié)合滑動(dòng)門在關(guān)門過程中遇到障礙物探測(cè)功能,有效地防止乘客夾于列車與站臺(tái)門之間。在滑動(dòng)門底部設(shè)置的安全擋板,完全覆蓋于門檻的表面上,加寬了站臺(tái)門門體障礙物探測(cè)的范圍。

圖1 瞭望燈帶設(shè)置

圖2 門體底部安全三角擋板

但對(duì)于曲線站臺(tái),由于曲線限界和車輛限界的加寬,列車車門與站臺(tái)門之間的間隙相應(yīng)增大,僅僅設(shè)置瞭望燈帶是無法滿足探測(cè)乘客或障礙物可能夾在車門和屏蔽門之間的問題。針對(duì)此問題,目前應(yīng)用較多的方式為激光對(duì)射探測(cè)。

1.2 激光對(duì)射探測(cè)

激光發(fā)射器與接收器分別置于同一側(cè)站臺(tái)門的兩端[4-5],對(duì)車門與站臺(tái)門之間空隙進(jìn)行探測(cè),如圖3所示。

圖3 激光對(duì)射探測(cè)方案原理圖

曲線段站臺(tái)根據(jù)站臺(tái)的加寬情況由多組激光探測(cè)裝置組成,其設(shè)置方案如圖4所示。

圖4 曲線段站臺(tái)激光裝置安裝示意圖

對(duì)射探測(cè)方式探測(cè)距離長、設(shè)備簡單，但其對(duì)安裝對(duì)位要求極高,而且列車運(yùn)行產(chǎn)生的振動(dòng)容易造成發(fā)射器和接受器瞬時(shí)甚至是穩(wěn)態(tài)對(duì)位失效,容易產(chǎn)生誤報(bào);更突出的缺點(diǎn)是探測(cè)范圍有限,對(duì)射設(shè)備安裝在列車與站臺(tái)門之間,受限界尺寸限制,安裝位置只能超出站臺(tái)門20～30 mm,也就是探測(cè)的區(qū)域只有20～30 mm,剩余100～180 mm之間無法探測(cè)。 國內(nèi)一些地鐵公司采用了該系統(tǒng),但在實(shí)際使用后,由于出現(xiàn)探測(cè)范圍受限制且誤報(bào)率高的問題,致使后續(xù)線路都不再采用。

針對(duì)激光對(duì)射探測(cè)方式由于安裝位置受限界的限制,間隙探測(cè)范圍極小,且未從根本上解決該空隙的檢測(cè),還存在一定的安全隱患等問題，有必要設(shè)計(jì)新的間隙探測(cè)方式。為此，提出了新的設(shè)計(jì)方案——基于機(jī)器視覺的站臺(tái)門與列車門之間頂置式異物探測(cè)設(shè)計(jì)方案。

2 基于機(jī)器視覺的頂置式防夾人自動(dòng)探測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

機(jī)器視覺就是利用攝像頭[6]和計(jì)算機(jī)來代替人眼進(jìn)行測(cè)量和判斷。機(jī)器視覺系統(tǒng)主要由3部分組成[7]:圖像獲取，圖像處理和分析，圖像輸出或顯示?；跈C(jī)器視覺的站臺(tái)門與車門之間的頂置式防夾人自動(dòng)探測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，就是在每扇滑動(dòng)門與列車門之間的間隙范圍內(nèi)頂部設(shè)置一套視覺異物識(shí)別儀,對(duì)滯留在滑動(dòng)門與列車門之間的異物進(jìn)行自動(dòng)探測(cè)；一旦探測(cè)到滯留在滑動(dòng)門與列車門之間的異物(人、包、手等不應(yīng)該存在的東西),探測(cè)系統(tǒng)通過設(shè)置在端門處的監(jiān)控觸摸屏和對(duì)應(yīng)滑動(dòng)門上的門頭燈發(fā)出光報(bào)警信號(hào),將危險(xiǎn)狀況告知司機(jī)和站務(wù)人員,司機(jī)可通過監(jiān)控觸摸屏顯示的存在異物視頻圖像確認(rèn)。

2.1 基本原理

視覺識(shí)別儀向下拍攝縫隙內(nèi)的燈帶圖像,在列車進(jìn)站后滑動(dòng)門開門前建立背景模板,在滑動(dòng)門關(guān)閉且緊鎖后進(jìn)行異物探測(cè)；如有異物,斷開異物探測(cè)結(jié)果繼電器,并通過網(wǎng)絡(luò)將信號(hào)和現(xiàn)場(chǎng)視頻傳送給監(jiān)控主機(jī),并在監(jiān)控觸摸屏上顯示對(duì)應(yīng)的門體情況。同時(shí),視覺異物探測(cè)系統(tǒng)的探測(cè)信號(hào)串入站臺(tái)門安全回路,在異物未排除之前,將不允許列車出站。當(dāng)然，該系統(tǒng)同時(shí)也具備旁路功能,可視需要脫離站臺(tái)門安全回路。

高校體育教學(xué)與專業(yè)課的教學(xué)存在著各方面較大的不同，但是在體育教學(xué)中也按照專業(yè)課程教學(xué)評(píng)價(jià)一樣進(jìn)行相應(yīng)的評(píng)價(jià)管理，并融入學(xué)生評(píng)教還是非常有意義的，大體體現(xiàn)在以下兩個(gè)方面：

每個(gè)站臺(tái)門門單元布置一套自動(dòng)檢測(cè)單元,其中檢測(cè)單元的視覺識(shí)別儀設(shè)置位置比較關(guān)鍵。設(shè)置位置的選取取決于其拍出的視頻圖像是否清晰以及攝像范圍是否存在盲區(qū)。因此，設(shè)計(jì)上采用將圖像采集的攝像頭安裝在距離站臺(tái)面高3 m的混凝土頂梁下方,視覺識(shí)別儀的處理單元?jiǎng)t設(shè)置在門機(jī)梁上,以方便后期的維護(hù)管理。頂置式的安裝方式避免了風(fēng)壓震動(dòng)導(dǎo)致圖像不清晰或誤報(bào)的情況,同時(shí)安裝高度的提高可進(jìn)一步增大探測(cè)范圍(見圖5)。相應(yīng)地，特征光帶設(shè)置于滑動(dòng)門底部站臺(tái)外側(cè)面防踏空膠條處(見圖6)。

圖5 視覺識(shí)別儀探測(cè)范圍

機(jī)器視覺系統(tǒng)設(shè)計(jì)的難點(diǎn)在于探測(cè)時(shí)對(duì)光照的穩(wěn)定性要求較高。因光帶安裝在門檻防踏空膠條下,站臺(tái)燈光可照射到膠條,準(zhǔn)確度受到站臺(tái)光照的影響，因此設(shè)計(jì)上要重點(diǎn)考慮環(huán)境光的干擾以及保證主動(dòng)照明光源的發(fā)光穩(wěn)定性；同時(shí)，提高相機(jī)分辨率,也是抗環(huán)境干擾的解決措施之一。

2.2 系統(tǒng)接口設(shè)計(jì)

整個(gè)自動(dòng)探測(cè)系統(tǒng)中，燈帶、視覺識(shí)別儀、組內(nèi)交換機(jī)等設(shè)備電源引自站臺(tái)門門頭電源端子排，監(jiān)控主機(jī)、交換機(jī)等設(shè)備電源引自站臺(tái)門機(jī)房內(nèi)雙電源切換箱。

圖6 自動(dòng)探測(cè)系統(tǒng)安裝示意圖

列車到站、出站信息從設(shè)置于出站端端門處的列車檢測(cè)器識(shí)別,站臺(tái)門系統(tǒng)將此信息傳輸給自動(dòng)探測(cè)系統(tǒng)；自動(dòng)探測(cè)系統(tǒng)接收到列車進(jìn)站信息后開始進(jìn)入工作狀態(tài),并在列車進(jìn)站后滑動(dòng)門開啟前建立背景模板。

滑動(dòng)門開門和關(guān)閉且鎖緊狀態(tài)由站臺(tái)門發(fā)送給自動(dòng)探測(cè)系統(tǒng)；自動(dòng)探測(cè)系統(tǒng)接收到站臺(tái)門發(fā)送的關(guān)閉且鎖緊狀態(tài)后進(jìn)行異物探測(cè)。如探測(cè)到異物,則站臺(tái)門安全回路斷開(也可根據(jù)需要旁路此功能),對(duì)應(yīng)門頭指示燈閃爍報(bào)警;同時(shí)，該信息傳送至端門監(jiān)控觸摸屏,司機(jī)可通過視頻圖像再次確認(rèn)是否存在異物。

自動(dòng)探測(cè)系統(tǒng)接口設(shè)計(jì)原理圖見圖7。

圖7 自動(dòng)探測(cè)系統(tǒng)接口設(shè)計(jì)原理圖

2.3 系統(tǒng)性能指標(biāo)

(1) 系統(tǒng)的平均無故障運(yùn)行周期不小于60萬個(gè)周期。

(2) 系統(tǒng)運(yùn)行強(qiáng)度滿足每天運(yùn)行20 h,每90 s開/關(guān)1次,每年365 d連續(xù)運(yùn)行。

(3) 系統(tǒng)可承受的震動(dòng)水平滿足BS7854第一級(jí)水平。

(4) 在探測(cè)區(qū)域內(nèi)的障礙物大于等于5 cm×5 cm。

(5) 系統(tǒng)的響應(yīng)時(shí)間小于1 s。

(6) 系統(tǒng)最高幀掃頻率為25幀/s,掃描周期小于100 ms。

(7) 系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)滿足地鐵環(huán)境的電磁兼容要求。

2.4 系統(tǒng)特點(diǎn)

2.4.1 頂置式安裝探測(cè)范圍廣

視覺識(shí)別儀安裝在混凝土頂梁下部,受限界影響小,可靈活調(diào)整探測(cè)區(qū)域,滿足能探測(cè)到兩門之間中部位置的要求,避免了以往激光對(duì)射方式由于受限界影響僅能探測(cè)站臺(tái)門外30 mm范圍的弊端。

2.4.2 攝像頭防塵防水

攝像頭設(shè)置在軌道區(qū),環(huán)境相對(duì)較差?？紤]綜合因素,選用彩色攝像頭，其性能指標(biāo)為：焦距2.1 mm,可視角度140°,最大分辨率3M,幀掃頻率最大可達(dá)30幀/s,工作溫度-10～50 ℃。同時(shí)，為防止長期運(yùn)行后視覺識(shí)別儀鏡頭罩沾染灰塵,本方案中的鏡頭罩均涂有納米防塵材料。該防塵材料可使鏡頭罩保持光潔,不留水漬油漬,并避免粘灰。

2.4.3 模式可選,增強(qiáng)穩(wěn)定性和可靠性

整個(gè)系統(tǒng)由自動(dòng)和旁路兩種模式構(gòu)成,每種模式可以單獨(dú)使用也可以混合使用,從而保證整個(gè)探測(cè)系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。當(dāng)某個(gè)檢測(cè)單元發(fā)生不可恢復(fù)的故障時(shí),可以對(duì)該檢測(cè)單元起動(dòng)旁路模式,因而不影響其他檢測(cè)單元在自動(dòng)模式下運(yùn)行。因此,該系統(tǒng)可以同時(shí)讓多種模式并存進(jìn)行探測(cè)來增強(qiáng)系統(tǒng)的可靠性。

視覺識(shí)別儀每天定時(shí)對(duì)燈帶區(qū)域進(jìn)行檢查來判斷燈帶是否正常,同時(shí)與連接設(shè)備進(jìn)行連通性檢測(cè)，并將檢測(cè)結(jié)果發(fā)送到監(jiān)控主機(jī)。監(jiān)控主機(jī)可根據(jù)各視覺識(shí)別儀的自檢結(jié)果來判斷設(shè)備是否存在異常。通過上述狀態(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)設(shè)備,保障及時(shí)發(fā)現(xiàn)異常設(shè)備并進(jìn)行維修。

2.4.4 LED光帶作為特征光帶

LED(發(fā)光二極管)光帶作為特征光帶設(shè)置在站臺(tái)門滑動(dòng)門門檻邊,長3 m,燈珠100個(gè)/m,發(fā)光顏色為藍(lán)色,波長450 nm,單位長度光通量為42～90 lm/m,防護(hù)等級(jí)IP67,電源采用24 V安全直流電壓。

2.4.5 方便司機(jī)操作

系統(tǒng)在站臺(tái)門端頭處設(shè)置監(jiān)控顯示屏,將探測(cè)到有異物的門體畫面顯示在屏幕上,方便司機(jī)查看。同時(shí)，設(shè)置有“誤報(bào)”和“異物確認(rèn)”2個(gè)按鈕,當(dāng)系統(tǒng)報(bào)出有異物時(shí),司機(jī)可進(jìn)行再次確認(rèn),以降低系統(tǒng)誤報(bào)而影響行車的概率。

3 結(jié)語

對(duì)于直線站臺(tái),設(shè)置瞭望燈帶及三角擋板是屬于站臺(tái)門與車門之間空隙探測(cè)簡潔有效的防護(hù)措施,但司機(jī)必須下車瞭望檢查。對(duì)于曲線站臺(tái),激光對(duì)射探測(cè)方案由于受限界限制,探測(cè)范圍小,盲區(qū)大。而基于機(jī)器視覺的站臺(tái)門與列車門之間頂置式自動(dòng)探測(cè)系統(tǒng),其頂置式布置的核心優(yōu)勢(shì)在于不受限界影響,可探測(cè)兩門之間的任何位置,并且通過圖像二次確認(rèn),提高了可靠性。

隨著地鐵線網(wǎng)的延伸,地鐵車站曲線站臺(tái)的類型越來越多,站臺(tái)門與車門之間空隙存在的安全問題不容忽視。鑒于基于機(jī)器視覺的站臺(tái)門與車門之間頂置式自動(dòng)探測(cè)系統(tǒng)是全新的方案,已作為科研項(xiàng)目在廣州地鐵運(yùn)營車站的一個(gè)站臺(tái)門上進(jìn)行了試驗(yàn),效果良好。結(jié)合試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)一步完善改進(jìn)后,該系統(tǒng)將應(yīng)用于廣州地鐵線路的曲線站臺(tái),不僅解決曲線站臺(tái)帶來的安全問題,并使以后實(shí)現(xiàn)司機(jī)無需下車瞭望從而提高運(yùn)營行車效率成為可能。

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Design of Top Mounted Anti-pinch Automatic Detection System between Platform Screen Door and Train Door

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To avoid clamping problems caused by the gap between subway platform door and train door, the widely used outlook light band is introduced, which is only suitable for the linear platform and driver′s outlook detection, because of the blind area in laser detection affected by the limited size. So, the design of the top mounted foreign body detection based on machine vision is put forward, which has a wide detection range, smaller blind area and could not be affected by the limit of installation, the safety of passengers and more reliable protection for the vehicle operation are achieved.

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2016-04-13)