王炯

上海軌道交通旋轉(zhuǎn)門自動(dòng)檢票機(jī)功能性設(shè)計(jì)

王炯

（上海申通軌道交通工程審圖有限公司，201103，上海//工程師）

介紹了城市軌道交通自動(dòng)檢票機(jī)的發(fā)展與應(yīng)用現(xiàn)狀，論述了三輥、剪式門、拍打門、旋轉(zhuǎn)門等不同的檢票機(jī)阻擋裝置特點(diǎn)，著重通過結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)分析和通行策略分析闡述了上海軌道交通旋轉(zhuǎn)門自動(dòng)檢票機(jī)的功能性設(shè)計(jì)情況。

城市軌道交通；自動(dòng)售檢票系統(tǒng)；自動(dòng)檢票機(jī)；旋轉(zhuǎn)門

Author′s addressShanghai Shentong Metro Engineer Drawing Approval Co.，Ltd.，201103，Shanghai，China

城市軌道交通的自動(dòng)售檢票系統(tǒng)（AFC）是一個(gè)大型的綜合自動(dòng)化系統(tǒng)。全套系統(tǒng)涉及自動(dòng)控制、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)通信、現(xiàn)金自動(dòng)識別、微電子計(jì)算、機(jī)電一體化、嵌入式系統(tǒng)和大型數(shù)據(jù)庫管理等多種高新技術(shù)，科技含量高且系統(tǒng)組成復(fù)雜。作為城市軌道交通系統(tǒng)中時(shí)刻與出行人群交流的一項(xiàng)重要工具，AFC技術(shù)水平的體現(xiàn)不僅僅局限于單純地解決車票發(fā)售、檢票這些表面意義上的工作程序，而是被賦予了更深層次的服務(wù)含義，其中自動(dòng)檢票機(jī)（AGM）的技術(shù)創(chuàng)新與發(fā)展是整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)化中的一個(gè)重要環(huán)節(jié)。

自動(dòng)檢票機(jī)是乘客使用票卡被控制的阻擋機(jī)構(gòu)進(jìn)出付費(fèi)區(qū)的設(shè)備。目前，國內(nèi)城市軌道交通的AGM阻擋裝置主要采用三輥和剪式門，個(gè)別地區(qū)開始采用拍打門。本文通過對各種阻擋裝置優(yōu)缺點(diǎn)的比較分析，結(jié)合對國內(nèi)外同類行業(yè)設(shè)備的調(diào)研，研究確定采用旋轉(zhuǎn)門作為上海軌道交通下一代自動(dòng)檢票機(jī)的阻擋裝置，并已委托設(shè)備廠商生產(chǎn)出了樣機(jī)。樣機(jī)經(jīng)過第三方測試、車站試點(diǎn)等環(huán)節(jié)，證明其運(yùn)行穩(wěn)定可靠，現(xiàn)已在上海軌道交通16號線兩個(gè)車站正式投入使用，后續(xù)將在更多線路上推廣。

1 AGM阻擋裝置特點(diǎn)

AGM的阻擋裝置接收上位機(jī)的控制指令，放行或阻擋乘客出入付費(fèi)區(qū)。縱觀國內(nèi)外同行業(yè)現(xiàn)狀，阻擋裝置主要有三輥、剪式門、拍打門和旋轉(zhuǎn)門等4種形式。

1.1 三輥?zhàn)钃跹b置

三輥?zhàn)钃跹b置采用3根金屬轉(zhuǎn)桿作為阻擋機(jī)構(gòu)。當(dāng)乘客刷卡有效并需要通過檢票機(jī)時(shí)，由上位機(jī)發(fā)送控制一次放行信號給三輥?zhàn)钃跹b置，此時(shí)三輥可以轉(zhuǎn)動(dòng)120°；乘客推動(dòng)三輥通行，三輥轉(zhuǎn)動(dòng)120°后，鎖定轉(zhuǎn)桿；一次正常通行后，三輥不再正方向旋轉(zhuǎn)或反方向旋轉(zhuǎn)，但有一定的緩沖角度，用以安全保護(hù)，此后轉(zhuǎn)桿能夠自動(dòng)歸位，恢復(fù)初始角度。當(dāng)連續(xù)收到多條同一方向的放行指令后，三輥?zhàn)钃跹b置機(jī)芯可在該方向上連續(xù)放行，在完成所有轉(zhuǎn)動(dòng)后鎖定轉(zhuǎn)桿。采用三輥裝置的自動(dòng)檢票機(jī)如圖1所示。

三輥?zhàn)鳛樵缙谲壍澜煌ㄗ詣?dòng)檢票機(jī)的阻擋機(jī)構(gòu)，具有結(jié)構(gòu)簡單、使用方便等特點(diǎn)，但在使用功能方面，也存在一定的缺陷：①對使用大件行李的乘客而言通行不方便，如攜帶行李箱、推兒童車等的乘客通行較為困難，通行能力較小；②逃票較為容易，逃票者只要鉆過三輥就可以逃票通過；③如果乘客刷卡無效就通過會(huì)撞到三桿，對于通行速度較快的乘客會(huì)造成一定的傷害。

1.2 剪式門阻擋裝置

剪式門阻擋裝置是由一對回縮型的門型擋板組成，同時(shí)，檢票機(jī)上設(shè)有用于判斷乘客通行行為的傳感器。當(dāng)乘客刷卡有效，需要通過檢票機(jī)時(shí)，由上位機(jī)發(fā)送開門信號給剪式門裝置，門扇打開，允許乘客通過，乘客通過后扇門自動(dòng)關(guān)閉。在乘客通行過程中，檢票機(jī)上設(shè)置的傳感器對乘客的通行行為進(jìn)行全過程跟蹤，可識別各種正常及異常行為的乘客行為，并控制門扇的開啟和關(guān)閉。采用剪式門裝置的自動(dòng)檢票機(jī)如圖2所示。

圖1 采用三輥?zhàn)钃跹b置的自動(dòng)檢票機(jī)

圖2 采用剪式門阻擋裝置的自動(dòng)檢票機(jī)

剪式門阻擋裝置目前是國內(nèi)各地AFC系統(tǒng)檢票機(jī)采用最多的阻擋裝置，由于采用傳感器判斷乘客通行行為，且扇門完全打開后通道中沒有任何阻擋物體，對攜帶行李的乘客提供了較為人性化的使用體驗(yàn)，但仍存在以下缺點(diǎn)：①剪式門在設(shè)計(jì)時(shí)基于安全性考慮，在通道內(nèi)都設(shè)置用于保護(hù)乘客通行安全的傳感器，但在扇門打開后一旦有物體遮擋該傳感器，扇門便不會(huì)再關(guān)閉，造成逃票相對容易；②由于采用了扇門伸縮型門板，在扇門和機(jī)箱間留有縫隙，對體型瘦小的乘客（特別是兒童）存在手指夾入其中的風(fēng)險(xiǎn)；③門板需要收回機(jī)箱中，如果是多臺檢票機(jī)并排布置，各檢票機(jī)的扇門會(huì)交錯(cuò)排列，視覺效果不夠美觀。

1.3 拍打門阻擋裝置

拍打門阻擋裝置由兩對小門板組成，分別位于檢票機(jī)的前端和后端，檢票機(jī)上也設(shè)有用于判斷乘客通行行為的傳感器。當(dāng)乘客刷卡有效，需要通過檢票機(jī)時(shí)，由上位機(jī)發(fā)送開門信號給拍打門裝置，第一對門板打開，允許乘客通過，通過后第一對門板關(guān)閉；乘客通行到第二對門板附近時(shí)，第二對門板打開，允許乘客通過，通過后第二對門板關(guān)閉。在乘客通行過程中，檢票機(jī)上設(shè)置的傳感器對乘客的行為進(jìn)行全過程跟蹤，可識別各種正常及異常行為的乘客行為，并控制拍打門的開啟和關(guān)閉。拍打門檢票機(jī)在國內(nèi)軌道交通領(lǐng)域應(yīng)用較少，目前只有無錫地鐵使用，如圖3所示。

圖3 采用拍打門阻擋裝置的自動(dòng)檢票機(jī)

拍打門阻擋裝置由于門頁較小，乘客較容易擠過或跳過，逃票極為容易，因此在乘客自律性不高的地區(qū)不宜推廣。

1.4 旋轉(zhuǎn)門阻擋裝置

旋轉(zhuǎn)門阻擋裝置由一對可旋轉(zhuǎn)180°的門板組成，乘客通行行為與剪式門類似，其在國內(nèi)城市軌道交通中尚沒有應(yīng)用，但在國外應(yīng)用較為廣泛（如圖4所示）。

除了具備剪式門通行便捷的優(yōu)點(diǎn)外，旋轉(zhuǎn)門裝置還有以下特點(diǎn)：①門板面積大，對于跨越或鉆入等逃票行為防范性好；②門板完全在通道內(nèi)動(dòng)作，使機(jī)箱體積縮小，可以設(shè)計(jì)出多種美觀的設(shè)備外形；③即使通行邏輯失效，門板在運(yùn)動(dòng)過程中與乘客也是門面接觸，相比較剪式門運(yùn)動(dòng)過程中的點(diǎn)接觸，造成的傷害較小。

2 旋轉(zhuǎn)門自動(dòng)檢票機(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

為了適應(yīng)上海日益增長的大客流及提高通行的便捷與流暢，特別是結(jié)合軌道交通迪斯尼樂園車站的建設(shè)，上海軌道交通開始進(jìn)行新型自動(dòng)檢票機(jī)設(shè)備的研制。通過深入分析比較，決定采用旋轉(zhuǎn)門作為部分新一代軌道交通自動(dòng)檢票機(jī)的阻擋裝置。

圖4 采用旋轉(zhuǎn)門阻擋裝置的自動(dòng)檢票機(jī)

2.1 外形結(jié)構(gòu)

采用旋轉(zhuǎn)門作為自動(dòng)檢票機(jī)的阻擋裝置時(shí)，設(shè)備整體外形設(shè)計(jì)上可以將機(jī)身做薄，使之更具備立體感和減少空間占用。經(jīng)過多次比較制作后，最終確定采用如圖5所示的外形結(jié)構(gòu)。

圖5 旋轉(zhuǎn)門自動(dòng)檢票機(jī)外形結(jié)構(gòu)

這種外形結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)上參考運(yùn)動(dòng)跑車硬朗的造型特點(diǎn)，使設(shè)備更具立體美感。設(shè)備主體采用拉絲不銹鋼材質(zhì)，旋轉(zhuǎn)門門板和通道中部采用通透的阻燃聚碳酸酯，通行指示器采用亞克力材質(zhì)。設(shè)備最寬處從上一代的280 mm減小為180 mm，通道凈寬與既有檢票機(jī)一致，標(biāo)準(zhǔn)通道凈寬為520 mm，寬通道凈寬為900 mm。

2.2 部件組成

旋轉(zhuǎn)門檢票機(jī)由主控單元（工控機(jī)）、讀寫器、旋轉(zhuǎn)門機(jī)構(gòu)、通道傳感器、回收模塊、票箱、乘客顯示器、警示燈、電源模塊等部件組成，其中：工控機(jī)、讀寫器、回收模塊、乘客顯示器、票箱和電源模塊與既有設(shè)備要求一致，可以互換。本項(xiàng)研制關(guān)注的重點(diǎn)是旋轉(zhuǎn)門機(jī)構(gòu)以及對應(yīng)的通行邏輯。旋轉(zhuǎn)門機(jī)構(gòu)由機(jī)械部分和電氣部分組成。

2.2.1 機(jī)械部分

機(jī)械部分包括驅(qū)動(dòng)電機(jī)、轉(zhuǎn)軸、旋轉(zhuǎn)門板、剎車鎖定裝置。由于要求旋轉(zhuǎn)門開關(guān)門速度快、運(yùn)行柔和（先加速后減速）、對乘客傷害小，所以驅(qū)動(dòng)電機(jī)應(yīng)選用控制精準(zhǔn)、扭矩高的伺服電機(jī)，負(fù)責(zé)驅(qū)動(dòng)旋轉(zhuǎn)門板的打開和關(guān)閉；剎車鎖定裝置，可以防止旋轉(zhuǎn)門板被強(qiáng)行打開，同時(shí)配合安全區(qū)域傳感器，確保行人的安全；根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)JG 305—2011《人行自動(dòng)門安全要求》中有關(guān)規(guī)定，門板對人體的最大沖擊力應(yīng)≤150 N，結(jié)合對門板寬度（標(biāo)準(zhǔn)通道門板寬度240 mm，寬通道門板寬度400 mm）以及運(yùn)行時(shí)間（0.4 s）的計(jì)算，將電機(jī)的安全扭矩設(shè)置在30 NM，即開關(guān)門過程中如通行邏輯失效，門板對乘客的拍打力不會(huì)超過150 N（如圖6所示）。

圖6 門板開門角度與拍打力

2.2.2 電氣部分

電氣部分包括伺服電機(jī)控制器、通行邏輯控制單元、傳感器、變壓器，其中的核心部件是用于判斷乘客通行行為的傳感器以及配套的通行邏輯控制單元。電機(jī)控制器采用數(shù)字信號處理器（DSP）技術(shù)，可以精確控制電機(jī)在任何位置的扭矩、速度、加速度和減速度等參數(shù)，結(jié)合電機(jī)編碼器的反饋，可以高速地驅(qū)動(dòng)電機(jī)。本項(xiàng)設(shè)計(jì)安裝24對紅外對射傳感器，用于偵測乘客的通行，另外還安裝了4只漫反射傳感器，用于偵測兒童的通行。在開關(guān)門過程中，沿門運(yùn)動(dòng)方向，安全傳感器依次排布，當(dāng)乘客處于安全傳感器位置區(qū)域，將優(yōu)先保證乘客的安全。

3 旋轉(zhuǎn)門自動(dòng)檢票機(jī)的通行策略

如圖7所示，一個(gè)通道內(nèi)布置有24對對射式傳感器和4只漫反射傳感器（圖中數(shù)字、字母及其位置為傳感器編號及所布置的位置），其中傳感器1—24為對射式傳感器，以門頁轉(zhuǎn)軸為中心線兩側(cè)對稱分布，1—4以及21—24位于兩端機(jī)殼上，5—20位于通道中部，上下部橫梁均安裝傳感器；傳感器A、B為用于檢測兒童的漫反射傳感器，一個(gè)通道內(nèi)共有4只。

圖7 傳感器布局

假設(shè)乘客為從左向右行走，傳感器區(qū)域定義如表1所示。

表1 傳感器區(qū)域定義表

3.1 攜帶行李通行

行李的高度必須低于橫梁頂部5—8和17—20傳感器，否則認(rèn)為是一個(gè)成年人。若行人在前，行李在后，當(dāng)行人到達(dá)離開區(qū)時(shí)，傳感器9必須已探測到行李，否則門頁將開始關(guān)閉，如圖8所示。若行李在前，行人在后，只要行李高度低于橫梁上部傳感器，門頁就不會(huì)關(guān)閉，直到行人通過。

圖8 攜帶行李通行示意圖

3.2 反向闖入

正常方向上乘客刷卡有效，門頁開啟后，另一端有人闖入時(shí)，只要傳感器24被遮擋，門頁就開始關(guān)閉，如圖9所示。

圖9 反向闖入示意圖

3.3 尾隨通行

當(dāng)?shù)谝晃怀丝退⒖ㄓ行?，門頁打開，但其后緊跟一位未刷卡的行人時(shí)，傳感器能根據(jù)時(shí)序檢測到第二位尾隨乘客，并進(jìn)行聲光報(bào)警。通行策略上要求，在第一位乘客已通過安全區(qū)到達(dá)離開區(qū)，且尾隨乘客未到達(dá)安全區(qū)時(shí)，門頁能完全關(guān)閉，如圖10所示。

圖10 尾隨通行示意圖1

當(dāng)?shù)谝晃怀丝鸵淹ㄟ^安全區(qū)到達(dá)離開區(qū)，且尾隨乘客也已到達(dá)安全區(qū)時(shí)，可根據(jù)參數(shù)設(shè)定，將策略設(shè)定為開始關(guān)閉門頁，或是維持門頁開啟狀態(tài)。若是將策略設(shè)定為開始關(guān)閉門頁，應(yīng)在軟件設(shè)計(jì)中預(yù)防門頁主動(dòng)觸碰乘客，如圖11所示。

3.4 兒童通行

設(shè)備使用漫反射傳感器檢測兒童，如圖12所示。兩只傳感器分別射出一束紅外光，在1.3 m的高度相交，其下所覆蓋的區(qū)域?yàn)閮和綔y區(qū)。只要任意一束紅外光未被遮擋，就認(rèn)為是一名兒童，否則認(rèn)為是一名成年人。

圖11 尾隨通行示意圖2

圖12 漫反射傳感器檢測示意圖1

通行規(guī)則為一個(gè)大人攜帶一個(gè)1.3 m以下兒童可以通行，以下兩種情況應(yīng)都可以通行：①兒童在前，大人在后；②大人在前，兒童在后，但需確保大人完全離開安全區(qū)前，兒童已通過漫反射傳感器監(jiān)測區(qū)，如圖13所示。

圖13 漫反射傳感器檢測示意圖2

4 設(shè)計(jì)方案改型

旋轉(zhuǎn)門自動(dòng)檢票機(jī)的樣機(jī)經(jīng)過各方測試后，在龍陽路站進(jìn)行了為期3個(gè)月的上線試點(diǎn)運(yùn)營，整體效果良好（見圖14）。同期進(jìn)行了如下改進(jìn)：①為減少各種跨越、鉆入等異常逃票行為，旋轉(zhuǎn)門門板高度增大了23 cm，同時(shí)門板材質(zhì)由設(shè)計(jì)時(shí)的聚碳酸酯改為柔性包邊材料，以減少在可能意外情況時(shí)，乘客所感受的接觸感；②通行指示器修改為LED光帶，減少了一組檢票機(jī)并排布置下原先多個(gè)箭頭下對視覺的干擾效果。

圖14 旋轉(zhuǎn)門檢票機(jī)現(xiàn)場實(shí)物圖

5 結(jié)語

旋轉(zhuǎn)門自動(dòng)檢票機(jī)在城市軌道交通中的開發(fā)和應(yīng)用，在推動(dòng)我國城市軌道交通發(fā)展方面具有典型的示范作用。隨著相關(guān)研究成果的進(jìn)一步推廣應(yīng)用，將進(jìn)一步促進(jìn)軌道交通裝備的產(chǎn)業(yè)化發(fā)展，有利于我國城市軌道交通自動(dòng)售檢票系統(tǒng)技術(shù)的可持續(xù)性發(fā)展。

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Design of Automatic Gate Machine with Revolving Door in Shanghai Metro

WANG Jiong

The development and application situation of the automatic gate machine(AGM)in AFC system are introduced，the characters of four blocking devices，including threeroller door，scissor door，flapping door and revolving door are analyzed and compared，the design of AGM with revolving door is especially expounded based on an analysis of its architectural design and passenger flow strategy.

urban rail transit；automatic fare collection system；automatic gate machine；revolving door

U293.22

10.16037/j.1007-869x.2017.08.032

2015-09-01）