林 琳 付志亮 盧海超

(中車(chē)唐山機(jī)車(chē)車(chē)輛有限公司， 064099， 唐山∥第一作者， 高級(jí)工程師)

車(chē)門(mén)障礙物檢測(cè)功能是地鐵列車(chē)車(chē)門(mén)最普遍和使用最頻繁的功能，直接關(guān)系到乘客的安全。選擇合理的車(chē)門(mén)障礙物檢測(cè)方案十分必要。

車(chē)門(mén)障礙物檢測(cè)方案主要有接觸式障礙物檢測(cè)和非接觸式障礙物檢測(cè)兩大類。

1 接觸式障礙物檢測(cè)方案

目前，城市軌道交通行業(yè)普遍使用接觸式障礙物檢測(cè)方案。在大多數(shù)的現(xiàn)有技術(shù)方案中，車(chē)門(mén)如果在關(guān)閉過(guò)程中夾到障礙物，就會(huì)按一定門(mén)距打開(kāi)，數(shù)秒后再繼續(xù)關(guān)閉；如再次夾到障礙物，則車(chē)門(mén)將重復(fù)上述動(dòng)作；如果車(chē)門(mén)第三次夾到障礙物，則車(chē)門(mén)將完全打開(kāi)至最大開(kāi)度或預(yù)先設(shè)置的門(mén)距，并向司機(jī)室發(fā)出故障警報(bào)。

1.1 檢測(cè)原理

在現(xiàn)有的接觸式障礙物檢測(cè)中，車(chē)門(mén)擠壓障礙物一段時(shí)間后，檢測(cè)器就會(huì)產(chǎn)生擠壓信號(hào)，并反饋給門(mén)控器。其檢測(cè)原理有兩種：

1) 電機(jī)電流監(jiān)控。車(chē)門(mén)驅(qū)動(dòng)電機(jī)的正常關(guān)門(mén)曲線已存儲(chǔ)于門(mén)控器中。當(dāng)門(mén)扇擠壓到障礙物時(shí)，電機(jī)的實(shí)際電流值會(huì)瞬時(shí)增加；當(dāng)電機(jī)電流值超過(guò)預(yù)設(shè)值時(shí)，障礙物探測(cè)系統(tǒng)被激活。

2) 敏感膠條防擠壓。在車(chē)門(mén)門(mén)扇中部的密封膠條內(nèi)部設(shè)置敏感膠條。在關(guān)門(mén)過(guò)程中，當(dāng)門(mén)扇擠壓到障礙物時(shí)，膠條內(nèi)部的電阻電流發(fā)生變化；電阻電流值超過(guò)預(yù)設(shè)值時(shí)，障礙物探測(cè)系統(tǒng)被激活。

1.2 不足之處

1) 接觸式檢測(cè)的擠壓力可能會(huì)夾傷乘客或損壞障礙物。

2) 受干擾因素影響，存在誤報(bào)的隱患。例如，當(dāng)客室內(nèi)空調(diào)風(fēng)壓較大等，車(chē)門(mén)驅(qū)動(dòng)電機(jī)的電流也會(huì)升高，進(jìn)而誤激活障礙物探測(cè)系統(tǒng)。

3) 障礙物探測(cè)靈敏度低。EN14752標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的可探測(cè)最小障礙物尺寸為30 mm(寬)×60 mm(高)。故一些較細(xì)小的障礙物可能無(wú)法被檢測(cè)到。

4) 反應(yīng)時(shí)間長(zhǎng)，需擠壓一段時(shí)間才能開(kāi)門(mén)。

2 非接觸式障礙物檢測(cè)方案

非接觸式障礙物檢測(cè)主要通過(guò)紅外光柵探頭來(lái)探測(cè)障礙物，可基本避免接觸式障礙檢測(cè)方案的所有不足。根據(jù)光柵探頭布設(shè)位置與車(chē)門(mén)系統(tǒng)的關(guān)系，車(chē)門(mén)非接觸式障礙物檢測(cè)方案可分為分散式和集成式兩種。

2.1 檢測(cè)原理

非接觸式障礙物檢測(cè)系統(tǒng)包括紅外光柵發(fā)射探頭、紅外光柵接收探頭及控制電路。將紅外光柵發(fā)射探頭和紅外光柵接受探頭分別布置在車(chē)門(mén)兩側(cè)，當(dāng)車(chē)門(mén)處有乘客或者障礙物時(shí)，部分紅外光柵回路被打斷，則電路中斷，形成障礙物探測(cè)信號(hào)，隨后門(mén)控器控制車(chē)門(mén)機(jī)構(gòu)執(zhí)行相應(yīng)動(dòng)作。

2.2 分散式方案

在分散式方案中，紅外光柵探頭不設(shè)置在車(chē)門(mén)系統(tǒng)的部件上，而是設(shè)置在門(mén)區(qū)立罩板等非車(chē)門(mén)系統(tǒng)部件上。紅外光柵系統(tǒng)的控制功能部件與車(chē)門(mén)控制系統(tǒng)聯(lián)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)車(chē)門(mén)的障礙物檢測(cè)功能。分散式檢測(cè)方案如圖1所示。

圖1 分散式檢測(cè)示意圖Fig.1 Schematic diagram of distributed grating detection

分散式方案存在的不足之處在于：

1) 當(dāng)乘客較多時(shí)，位于門(mén)區(qū)立罩板探頭和門(mén)扇之間的乘客，會(huì)被誤認(rèn)為是障礙物，誤報(bào)幾率很大。

2) 紅外光柵探頭和門(mén)扇是分體的，電線如布設(shè)在立罩板內(nèi)部，則會(huì)占用立罩板內(nèi)部空間。

3) 紅外光柵探頭外露，既影響美觀，也易被破壞。

2.3 集成式方案

在集成式方案中，紅外光柵探頭集成到車(chē)門(mén)系統(tǒng)部件內(nèi)部。根據(jù)車(chē)門(mén)系統(tǒng)門(mén)扇的結(jié)構(gòu)，紅外光柵探頭可設(shè)置在門(mén)扇鋁型材框架上，也可設(shè)置在門(mén)扇膠條內(nèi)部。

2.3.1 探頭設(shè)置在門(mén)扇鋁型材框架上

紅外光柵檢測(cè)探頭設(shè)置在門(mén)扇鋁型材框架上時(shí)的細(xì)部構(gòu)造如圖2所示。

圖2 探頭設(shè)置在門(mén)扇鋁型材框架上的細(xì)部構(gòu)造

紅外光柵探頭設(shè)置在門(mén)扇鋁型材框架上的不足之處在于：

1) 由于型材剛性較強(qiáng)，探頭安裝不便。

2) 探頭設(shè)置在門(mén)扇內(nèi)部，雖解決了部分偏離門(mén)扇內(nèi)表面的誤報(bào)問(wèn)題，但由于2個(gè)探頭之間有縫隙(因膠條是壓縮的，不可能設(shè)置成密貼，否則存在被擠壓的風(fēng)險(xiǎn))，故不可能完全避免誤報(bào)，理論上存在安全隱患。

3) 在列車(chē)運(yùn)行或車(chē)門(mén)動(dòng)作期間，車(chē)門(mén)會(huì)發(fā)生振動(dòng)或抖動(dòng)，進(jìn)而影響探頭光柵閉合，產(chǎn)生誤報(bào)。

2.3.2 探頭設(shè)置在門(mén)扇膠條內(nèi)部

在門(mén)扇密封膠條內(nèi)部設(shè)置的紅外光柵檢測(cè)探頭包括發(fā)射探頭和接收探頭。探頭設(shè)置在膠條內(nèi)部的細(xì)部結(jié)構(gòu)如圖3所示。在該方案中：控制電路集成在車(chē)門(mén)控制器內(nèi)部，使用DC 24 V電源供電；在設(shè)置光柵檢測(cè)探頭的位置，密封膠條相應(yīng)位置開(kāi)缺口，以保證光柵的發(fā)射和接收。

a) 開(kāi)門(mén)狀態(tài)

b) 關(guān)門(mén)狀態(tài)圖3 探頭設(shè)置在膠條內(nèi)部的細(xì)部結(jié)構(gòu)

紅外光柵探頭設(shè)置在膠條內(nèi)部的不足之處在于：門(mén)扇動(dòng)作產(chǎn)生的震動(dòng)及門(mén)扇安裝誤差，會(huì)使發(fā)射探頭發(fā)出的單一光柵幾乎無(wú)法完全對(duì)準(zhǔn)接收探頭。為了解決這一問(wèn)題，將紅外光柵探頭的光幕發(fā)射方向設(shè)計(jì)為扇形區(qū)域，即1個(gè)發(fā)射極探頭對(duì)應(yīng)接收極的多個(gè)探頭。此時(shí)，只要接收極探頭能收到發(fā)射極探頭的光柵，控制電路就閉合，觸發(fā)車(chē)門(mén)防擠壓動(dòng)作。為了提高門(mén)控器的響應(yīng)速度，本研究將探頭的扇形區(qū)域設(shè)計(jì)成1個(gè)發(fā)射極探頭對(duì)應(yīng)5個(gè)接收極探頭。

在門(mén)扇密封膠條內(nèi)部設(shè)置紅外光柵探頭的檢測(cè)方案安裝方便、靈敏度高、安全性好，為最優(yōu)方案。

3 最優(yōu)方案的設(shè)計(jì)細(xì)節(jié)及優(yōu)勢(shì)

3.1 設(shè)計(jì)細(xì)節(jié)

地鐵車(chē)門(mén)的通過(guò)寬度為1 400 mm，通過(guò)高度為2 000 mm。整套門(mén)系統(tǒng)共設(shè)置32對(duì)紅外檢測(cè)探頭，且探頭間距為46 mm。距門(mén)檻高度25 mm處設(shè)置第一個(gè)探頭，整個(gè)光幕區(qū)域?yàn)? 426 mm。光柵檢測(cè)的靈敏度為23 mm。光幕示意圖如圖4所示。

圖4 紅外光柵檢測(cè)裝置光幕示意圖

為了便于安裝， 32對(duì)紅外光柵檢測(cè)裝置集成于一體。在檢測(cè)裝置端部引出的信號(hào)線和電源線，沿著門(mén)扇內(nèi)部型腔從門(mén)扇頂部輸出，再連接到門(mén)控器。紅外光柵探頭整體插于門(mén)扇密封膠條的型腔內(nèi)部，且膠條內(nèi)部的型腔和紅外光柵探頭外形一致，可保證安裝的牢固性。

在關(guān)門(mén)過(guò)程中：當(dāng)門(mén)扇中間有障礙物時(shí)，相應(yīng)位置的光柵被打斷；光柵檢測(cè)裝置的障礙物檢測(cè)功能啟動(dòng)，發(fā)出探測(cè)信號(hào)；門(mén)控器收到障礙物探測(cè)信號(hào)后，控制門(mén)扇停留在當(dāng)前位置；直到障礙物移除后，光柵恢復(fù)，門(mén)控器才控制車(chē)門(mén)繼續(xù)執(zhí)行關(guān)門(mén)動(dòng)作。

車(chē)門(mén)關(guān)閉到位時(shí)，膠條密封嚴(yán)密，紅外探頭完全在膠條內(nèi)部，頭發(fā)及衣服等細(xì)小物件難以伸到探頭之間，不僅避免了誤報(bào)，還能防止探頭被惡意破壞。車(chē)門(mén)在關(guān)閉狀態(tài)時(shí)，探頭之間存在一定距離，無(wú)碰撞等隱患。

集成的紅外光柵檢測(cè)裝置還設(shè)置了信號(hào)指示燈，用不同顏色的指示燈直觀顯示光柵狀態(tài)，用于檢修及故障維修的快速定位。綠燈為光柵電源狀態(tài)指示燈，綠燈亮表示電源接通；橙色為光柵狀態(tài)指示燈，光柵信號(hào)接通時(shí)，橙色燈亮，光柵被打斷時(shí)，橙色燈滅；紅色指示燈表示光柵故障。

3.2 方案優(yōu)勢(shì)

本方案使用紅外光柵檢測(cè)技術(shù)，可有效實(shí)現(xiàn)非接觸式車(chē)門(mén)障礙物檢測(cè)功能。其檢測(cè)效果明顯、靈敏度高，具有如下優(yōu)點(diǎn)：

1) 光柵裝置集成到密封膠條內(nèi)部，裝置外形與膠條型腔結(jié)構(gòu)一致，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、安裝牢固。

2) 探頭位于門(mén)扇厚度范圍內(nèi)，解決了光柵誤報(bào)的隱患，障礙物檢測(cè)準(zhǔn)確度高。

3) 光柵裝置不突出門(mén)扇外表面，美觀實(shí)用。

4) 設(shè)置了光柵狀態(tài)指示燈，有助于實(shí)施關(guān)注光柵檢測(cè)功能狀態(tài)。

5) 光柵探頭的發(fā)射角度為扇形區(qū)域，發(fā)射探頭與接收探頭的對(duì)應(yīng)關(guān)系為一對(duì)多，解決了車(chē)門(mén)運(yùn)行過(guò)程中振動(dòng)和安裝誤差導(dǎo)致的探頭中心不對(duì)中的問(wèn)題，同時(shí)也避免誤報(bào)。

6) 光柵電線全部集成到門(mén)扇內(nèi)部，便于安裝，電線不會(huì)受到外部影響。電線從門(mén)扇頂部引出，連接到門(mén)控制器對(duì)應(yīng)位置。

7) 車(chē)門(mén)關(guān)閉時(shí)，膠條進(jìn)行壓縮，不會(huì)造成探頭之間的碰撞。

8) 在密封膠條的門(mén)內(nèi)側(cè)端，設(shè)計(jì)膠條搭接區(qū)，保證紅外探頭完全封閉在內(nèi)部，門(mén)關(guān)閉到位時(shí)，不會(huì)產(chǎn)生縫隙。

4 結(jié)語(yǔ)

本文比選了常見(jiàn)的列車(chē)車(chē)門(mén)障礙物檢測(cè)方案。在門(mén)扇密封膠條內(nèi)部設(shè)置紅外光柵探頭的非接觸式車(chē)門(mén)障礙物檢測(cè)方案，采用一對(duì)多的探頭排布設(shè)計(jì)，能有效解決車(chē)門(mén)振動(dòng)等因素帶來(lái)的誤報(bào)檢測(cè)，避免了接觸式車(chē)門(mén)障礙物探測(cè)方案易夾傷乘客或損壞障礙物的隱患，檢測(cè)效率高、靈敏度高、誤報(bào)率低，提高了車(chē)輛運(yùn)行效率。