站臺(tái)門防夾系統(tǒng)3D激光雷達(dá)檢測(cè)法技術(shù)應(yīng)用

林 耀，韓 飛，戴曉彬，陳 斌

(中鐵工程設(shè)計(jì)咨詢集團(tuán)有限公司機(jī)械動(dòng)力設(shè)計(jì)研究院，北京 100055)

引言

站臺(tái)門系統(tǒng)沿著站臺(tái)邊緣布置，將列車與車站站臺(tái)候車區(qū)隔離開(kāi)，起到防止人員跌落軌道發(fā)生意外等作用，以保障乘客的乘車安全[1-2]。站臺(tái)門的設(shè)置位置需滿足相關(guān)的限界要求，因此，車門與站臺(tái)門之間存在間隙，會(huì)對(duì)乘客安全造成一定的安全隱患，實(shí)際運(yùn)營(yíng)過(guò)程中曾發(fā)生過(guò)當(dāng)站臺(tái)門關(guān)閉后乘客被夾在了站臺(tái)門與列車門中間，發(fā)生人員傷亡事故[3-4]。根據(jù)車站站臺(tái)門安裝情況及國(guó)內(nèi)既有工程實(shí)際運(yùn)營(yíng)特點(diǎn)，為避免出現(xiàn)乘客被夾的事故，目前國(guó)內(nèi)工程上采用了多種防護(hù)措施，通過(guò)整理分類，站臺(tái)門與列車車體間隙防護(hù)措施主要有物理措施、電氣探測(cè)措施兩類[5-6]。物理措施包括設(shè)置防夾擋板、車尾燈帶、防護(hù)橫撐、防站人斜板等，其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，防護(hù)能力有限；電氣探測(cè)措施目前主要為紅外探測(cè)裝置及激光對(duì)射裝置[7]。安全性較高，適應(yīng)曲線站、適應(yīng)全自動(dòng)駕駛有人和無(wú)人的工況，但探測(cè)區(qū)域覆蓋不足，安裝精度要求高，運(yùn)營(yíng)維護(hù)不方便，列車振動(dòng)、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(huì)造成系統(tǒng)存在一定的誤報(bào)率，對(duì)行車、運(yùn)營(yíng)有一定影響。

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

1 站臺(tái)門防夾系統(tǒng)現(xiàn)狀

1.1 物理防護(hù)

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

圖1 間隙物理防護(hù)示意

各種間隙物理防護(hù)措施的技術(shù)分析比較如表1所示。

表1 各種間隙物理防護(hù)措施的技術(shù)分析

1.2 電氣探測(cè)措施

目前，已應(yīng)用到站臺(tái)門實(shí)際案例的電氣探測(cè)措施主要為激光對(duì)射裝置、紅外探測(cè)裝置。

激光對(duì)射裝置其原理是發(fā)射器發(fā)出激光，接收器根據(jù)檢測(cè)到激光的信號(hào)特征判斷直線光路上的遮擋物，當(dāng)激光被障礙物遮擋后，系統(tǒng)進(jìn)行報(bào)警。其原理示意如圖2所示。

圖2 激光對(duì)射裝置原理示意

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

紅外探測(cè)裝置本質(zhì)上是激光對(duì)射探測(cè)法的特殊形式，其原理與激光對(duì)射裝置相似，其特點(diǎn)是犧牲探測(cè)距離以提高探測(cè)密度，并且衍生出反射型型號(hào)[9]。其原理示意如圖3所示。

圖3 激光對(duì)射裝置原理示意

上述紅外探測(cè)或激光對(duì)射裝置[10]在使用中存在以下缺陷：探測(cè)區(qū)域覆蓋不足，安裝與列車與站臺(tái)門之間距離站臺(tái)面高度 0.6～1.2 m的區(qū)域；受限界條件限制，安裝精度要求高；發(fā)射端和接收端遠(yuǎn)距離對(duì)光調(diào)試較困難，運(yùn)營(yíng)維護(hù)不方便；受列車振動(dòng)、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(chǎn)生誤報(bào)。目前，激光對(duì)射裝置、紅外探測(cè)裝置在國(guó)內(nèi)部分地鐵線路已有應(yīng)用，應(yīng)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(hù)措施的技術(shù)分析

1.3 現(xiàn)狀小結(jié)

綜上分析，物理措施防護(hù)能力有限，主動(dòng)防護(hù)性差，較難適應(yīng)自動(dòng)駕駛模式下無(wú)司機(jī)的工況，而目前電氣探測(cè)措施穩(wěn)定性差，存在一定的誤報(bào)率，對(duì)行車、運(yùn)營(yíng)產(chǎn)生影響，因此，亟需研究一種新的站臺(tái)門防夾檢測(cè)方式來(lái)保證乘客安全。本次研究提出一種新的站臺(tái)門防夾檢測(cè)方式—3D激光雷達(dá)方式，相比傳統(tǒng)的防夾檢測(cè)方式，3D激光雷達(dá)方式可實(shí)現(xiàn)空間檢測(cè)，具有檢測(cè)距離遠(yuǎn)、探測(cè)位置精確、可靠性高等優(yōu)點(diǎn)[11-12]。

2 3D激光雷達(dá)間隙智能探測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

2.1 探測(cè)原理

3D激光雷達(dá)探測(cè)系統(tǒng)的光學(xué)機(jī)構(gòu)向掃描范圍內(nèi)發(fā)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(jù)激光從發(fā)射到接收的時(shí)間差換算成相應(yīng)的距離，并記錄存儲(chǔ)激光回收數(shù)據(jù)，通過(guò)模擬計(jì)算，結(jié)合固有邊界，確定遮擋物的外形及位置信息[13]。

3D激光雷達(dá)探測(cè)系統(tǒng)的光學(xué)機(jī)構(gòu)向范圍內(nèi)各角度發(fā)射出一定強(qiáng)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(huì)發(fā)生漫反射，只有部分光會(huì)反射，被探測(cè)器接收，產(chǎn)生的點(diǎn)云記錄了探測(cè)范圍內(nèi)物體的反光位置(圖6)，其中，使用3D激光點(diǎn)云進(jìn)行目標(biāo)檢測(cè)方法有多種，包括BEV(bird’s eye view)目標(biāo)檢測(cè)方法、camera view目標(biāo)檢測(cè)方法、point-wise feature目標(biāo)檢測(cè)方法、融合特征目標(biāo)檢測(cè)方法。當(dāng)接收的光達(dá)到設(shè)定閾值，就可以作為判斷依據(jù)，閥值是由內(nèi)部模擬分析軟件算法進(jìn)行定義[2]，系統(tǒng)探測(cè)尺寸在400～500 mm，系統(tǒng)軟件可進(jìn)行調(diào)整定義。

圖4 間隙智能探測(cè)

圖5 激光雷達(dá)掃描面示意

圖6 物體反光位置點(diǎn)云圖

由于激光雷達(dá)形成的三維掃描面為光幕，因此設(shè)備的安裝只需滿足限界要求即可，不必像激光對(duì)射探測(cè)系統(tǒng)必須將發(fā)射端的接收端精確安裝。

2.2 激光雷達(dá)設(shè)備主要技術(shù)指標(biāo)

3D激光雷達(dá)探測(cè)系統(tǒng)采用固態(tài)激光雷達(dá)，掃描分辨率高，深度精度2.5 cm，水平垂直分辨率0.2°，探測(cè)距離200 m，抗干擾能力強(qiáng)[14]。通過(guò)對(duì)站臺(tái)門與列車車門之間空間檢測(cè)，無(wú)檢測(cè)盲區(qū)，檢測(cè)距離遠(yuǎn)，能精確探測(cè)到位置信息，可靠性高。固態(tài)激光雷達(dá)主要技術(shù)指標(biāo)如表3所示。

表3 固態(tài)激光雷達(dá)主要技術(shù)指標(biāo)

2.3 探測(cè)區(qū)域

3D激光雷達(dá)間隙智能探測(cè)系統(tǒng)的探測(cè)區(qū)域?yàn)?.5～200 m。根據(jù)需求，可采用每道滑動(dòng)門為一個(gè)探測(cè)區(qū)域和不大于200 m的若干道門為一個(gè)探測(cè)區(qū)域。兩種方式均能夠?qū)崿F(xiàn)障礙物位于某道滑動(dòng)門的準(zhǔn)確定位，滿足探測(cè)功能需求。

考慮投資和系統(tǒng)維護(hù)的原因，一般的軌道交通項(xiàng)目由于站臺(tái)有效長(zhǎng)度小于200 m，因此，直線站臺(tái)整側(cè)站臺(tái)可作為一個(gè)探測(cè)區(qū)域。當(dāng)高速鐵路或城際鐵路站臺(tái)有效長(zhǎng)度為250 m時(shí)，站臺(tái)可分為2個(gè)探測(cè)區(qū)域；站臺(tái)有效長(zhǎng)為450 m時(shí)，站臺(tái)可分為3個(gè)不大于200 m的探測(cè)區(qū)域。當(dāng)站臺(tái)為曲線站臺(tái)時(shí)，根據(jù)工程實(shí)際情況合理設(shè)置探測(cè)區(qū)域。

2.4 工作流程

在系統(tǒng)中，間隙探測(cè)主機(jī)通過(guò)獲取站臺(tái)門狀態(tài)信息來(lái)進(jìn)行狀態(tài)切換。當(dāng)站臺(tái)門處于關(guān)閉狀態(tài)，間隙探測(cè)主機(jī)控制3D激光雷達(dá)開(kāi)始發(fā)射激光掃描面進(jìn)行障礙物的掃描檢測(cè)。3D激光雷達(dá)在列車與站臺(tái)門之間的區(qū)域若沒(méi)有檢測(cè)到障礙物，本地告警裝置則綠色狀態(tài)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(tài)燈顯示。當(dāng)站臺(tái)門處于打開(kāi)狀態(tài)，系統(tǒng)通過(guò)間隙探測(cè)主機(jī)控制3D激光雷達(dá)停止工作，直至再次接收到站臺(tái)門關(guān)閉的信號(hào)，然后重新開(kāi)始啟動(dòng)探測(cè)。

間隙探測(cè)主機(jī)將處理結(jié)果上傳到車站管理服務(wù)器，進(jìn)行數(shù)據(jù)分類存儲(chǔ)，用于歷史數(shù)據(jù)回放，同時(shí)將結(jié)果發(fā)送至車站調(diào)車辦公室，使調(diào)度中心工作人員收到地鐵站臺(tái)門間隙智能探測(cè)系統(tǒng)的報(bào)警信息后，人工進(jìn)行應(yīng)急處理，從多方面提升列車運(yùn)營(yíng)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(tǒng)組成

系統(tǒng)主要由激光雷達(dá)、間隙探測(cè)主機(jī)、車站管理服務(wù)器等組成。

激光雷達(dá)負(fù)責(zé)執(zhí)行探測(cè)功能。其帶有模擬分析軟件，能夠根據(jù)激光脈沖的反饋確定遮擋物的外形及位置信息，激光雷達(dá)一般安裝在站臺(tái)門的頂部位置，每道門設(shè)置1組，亦可若干節(jié)車廂設(shè)置1組。

車站管理服務(wù)器，即系統(tǒng)的控制中樞，設(shè)置在站臺(tái)門設(shè)備室，負(fù)責(zé)控制雷達(dá)探測(cè)器的啟停、遮擋物信息的報(bào)警及相關(guān)數(shù)據(jù)信息上傳，且對(duì)系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)及故障信息進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，將報(bào)警信息通過(guò)列車自動(dòng)控制(Automatic Train Control，ATC)網(wǎng)絡(luò)反饋給聯(lián)鎖模塊和列車自動(dòng)監(jiān)控(Automatic Train Supervision，ATS)模塊[16]。

間隙探測(cè)主機(jī)位于車頭位置的端門外，具有障礙物信息的聲光報(bào)警提示，以及系統(tǒng)旁路操作等功能。

智能探測(cè)系統(tǒng)在運(yùn)行過(guò)程中，站臺(tái)門得到關(guān)門指令，系統(tǒng)也同時(shí)得到啟動(dòng)命令開(kāi)始計(jì)時(shí)探測(cè)，一旦檢測(cè)到障礙物，系統(tǒng)將反饋警示信息，重新開(kāi)始計(jì)時(shí)，直到在一定的計(jì)時(shí)時(shí)間內(nèi)沒(méi)有障礙物信息，才允許發(fā)車，否則信號(hào)系統(tǒng)不允許發(fā)車，并通知人工處理。

系統(tǒng)框圖如圖8所示。

圖8 系統(tǒng)框圖

2.6 軟件流程

間隙探測(cè)主機(jī)通過(guò)列車ATC網(wǎng)絡(luò)與聯(lián)鎖模塊連接，聯(lián)鎖模塊將屏蔽門與列車門均關(guān)閉的信號(hào)發(fā)送至間隙探測(cè)主機(jī)[17]。間隙探測(cè)主機(jī)控制激光雷達(dá)開(kāi)始發(fā)射激光掃描面進(jìn)行障礙物的掃描檢測(cè)。激光雷達(dá)在列車與屏蔽門之間的區(qū)域沒(méi)有檢測(cè)到障礙物，則列車門與站臺(tái)門的狀態(tài)將更改為“關(guān)閉且鎖閉”。聯(lián)鎖模塊將列車門與站臺(tái)門關(guān)閉且鎖閉的信號(hào)通過(guò)間隙探測(cè)主機(jī)控制激光雷達(dá)停止工作，直至再次接收到列車門與屏蔽門均關(guān)閉的信號(hào)重新開(kāi)始啟動(dòng)。間隙探測(cè)主機(jī)將處理結(jié)果發(fā)送到ATS模塊，使ATS調(diào)度中心工作人員收到地鐵站臺(tái)門間隙智能探測(cè)系統(tǒng)的報(bào)警信息后，進(jìn)行人工應(yīng)急處理，并保證站臺(tái)內(nèi)的列車不會(huì)發(fā)出。同時(shí)還將報(bào)警信息發(fā)送給聯(lián)鎖模塊，從多方面提升列車運(yùn)營(yíng)的安全性。系統(tǒng)軟件工作流程如圖9所示。

圖9 系統(tǒng)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(shí)際工程應(yīng)用中，應(yīng)結(jié)合車站設(shè)置條件、運(yùn)營(yíng)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(tái)，每個(gè)站臺(tái)門內(nèi)側(cè)上方安裝激光雷達(dá)，安裝高度要求離站臺(tái)地面不小于3 m，覆蓋范圍不小于10 m寬度(即2個(gè)站臺(tái)門)，有效檢測(cè)面不小于5 cm×5 cm的目標(biāo)。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(yōu)點(diǎn)為：不占用站臺(tái)門與列車門之間的寬度，不會(huì)產(chǎn)生侵限問(wèn)題。缺點(diǎn)為：對(duì)車站安裝位置高度有一定要求，且單臺(tái)激光雷達(dá)檢測(cè)范圍較小，一側(cè)站臺(tái)需布置的設(shè)備數(shù)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(tái)，每個(gè)站臺(tái)門內(nèi)側(cè)上方安裝激光雷達(dá)，安裝高度要求離站臺(tái)地面不低于0.5 m，覆蓋長(zhǎng)度0～200 m(即2個(gè)屏蔽門)，有效檢測(cè)障礙物直徑不小于20 cm、高度20 cm的目標(biāo)。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(yōu)點(diǎn)為：設(shè)備數(shù)量少、投資低、檢測(cè)范圍大，不占用站臺(tái)門與列車門之間的寬度，不會(huì)產(chǎn)生侵限問(wèn)題[18]。缺點(diǎn)為：需考慮設(shè)備安裝不能侵限，且隨著檢測(cè)距離增大，檢測(cè)障礙物的體積會(huì)增加。

3 3D激光雷達(dá)間隙智能探測(cè)系統(tǒng)測(cè)試

測(cè)試主要為工廠測(cè)試、實(shí)驗(yàn)室測(cè)試及現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試3部分。

3.1 工廠測(cè)試

工廠測(cè)試為系統(tǒng)各部件在工廠內(nèi)的設(shè)備性能測(cè)試。

工廠測(cè)試內(nèi)容主要為激光雷達(dá)系統(tǒng)的高溫試驗(yàn)、低溫試驗(yàn)、恒定濕熱試驗(yàn)、DC電源試驗(yàn)、絕緣電源試驗(yàn)和振動(dòng)試驗(yàn)[19]。經(jīng)試驗(yàn)，測(cè)試項(xiàng)目均滿足要求。

3.2 實(shí)驗(yàn)室測(cè)試

實(shí)驗(yàn)室測(cè)試是通過(guò)模擬運(yùn)營(yíng)環(huán)境進(jìn)行站臺(tái)門間隙探測(cè)設(shè)備的測(cè)試，驗(yàn)證站臺(tái)門與車門之間間隙存在障礙物的探測(cè)功能。

實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)項(xiàng)目包括防區(qū)內(nèi)報(bào)警物檢測(cè)、光斑尺寸檢測(cè)、污染報(bào)警功能檢測(cè)、環(huán)境記憶測(cè)試、報(bào)警門定位功能、多門并發(fā)功能、與信號(hào)/ISCS專業(yè)的聯(lián)動(dòng)、隔離/旁路功能的測(cè)試。經(jīng)測(cè)試，上述試驗(yàn)項(xiàng)目均合格。

3.3 現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試

現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試是間隙探測(cè)各設(shè)備在實(shí)際情況下進(jìn)行測(cè)試，主要包含設(shè)備性能測(cè)試(如IP防護(hù)等級(jí)、電源適應(yīng)性測(cè)試、高低溫測(cè)試等)和設(shè)備功能測(cè)試(如設(shè)備探測(cè)測(cè)試、設(shè)備聯(lián)動(dòng)功能測(cè)試)，目的是為判定該產(chǎn)品是否能滿足相關(guān)規(guī)定及業(yè)主所需的功能與性能指標(biāo)。主要的測(cè)試為探測(cè)報(bào)警，光斑檢測(cè)[20]，污染報(bào)警，環(huán)境記憶，報(bào)警門定位，多門并發(fā)報(bào)警，與信號(hào)、ISCS專業(yè)的聯(lián)動(dòng)，隔離/旁路功能。

現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試原定為利用北京地鐵新機(jī)場(chǎng)線新機(jī)場(chǎng)航站樓站真實(shí)環(huán)境進(jìn)行正線測(cè)試。實(shí)驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)主要具備全套信號(hào)設(shè)備、列車設(shè)備、滑動(dòng)門及固定門、應(yīng)急門等，其中站臺(tái)門為全高站臺(tái)門。后期因新機(jī)場(chǎng)線開(kāi)通時(shí)間原因，暫未進(jìn)行。目前，3D激光雷達(dá)間隙智能探測(cè)系統(tǒng)已在京張高鐵八達(dá)嶺長(zhǎng)城站安裝完成，且于2019年12月底京張高鐵開(kāi)通運(yùn)營(yíng)至今，現(xiàn)場(chǎng)使用情況良好。圖12為京張高鐵八達(dá)嶺長(zhǎng)城站間隙探測(cè)系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)，圖13為現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試結(jié)果。

圖12 京張高鐵八達(dá)嶺長(zhǎng)城站間隙探測(cè)系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)

圖13 測(cè)試結(jié)果展示

根據(jù)目前的使用情況，現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量情況均與實(shí)驗(yàn)室測(cè)試結(jié)果一致，測(cè)試準(zhǔn)確率達(dá)100%。

4 結(jié)語(yǔ)

針對(duì)站臺(tái)門防夾系統(tǒng)提出3D激光雷達(dá)檢測(cè)法，其原理采用激光雷達(dá)將激光脈沖向掃描角度內(nèi)的各個(gè)方向掃描而形成三維掃描面，與邊界條件進(jìn)行對(duì)比分析，進(jìn)而確定遮擋物的大小及位置信息。其主要由激光雷達(dá)、間隙探測(cè)主機(jī)、車站管理服務(wù)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(shí)現(xiàn)空間檢測(cè)，具有檢測(cè)距離遠(yuǎn)、探測(cè)位置精確、可靠性高等優(yōu)點(diǎn)。較物理措施更具主動(dòng)防護(hù)性，較傳統(tǒng)電氣措施更具穩(wěn)定性、設(shè)備安裝簡(jiǎn)單等特點(diǎn)，且系統(tǒng)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(shí)輸出檢查結(jié)果，系統(tǒng)運(yùn)行全過(guò)程痕跡記錄，較傳統(tǒng)方法更具可靠性、先進(jìn)性、智能性。

目前，已對(duì)3D激光雷達(dá)間隙智能探測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行工廠測(cè)試、實(shí)驗(yàn)室測(cè)試及試驗(yàn)線測(cè)試，滿足功能需求，并成功應(yīng)用于京張高鐵八達(dá)嶺長(zhǎng)城站的站臺(tái)門系統(tǒng)中，符合京張高鐵智能化需求，為后續(xù)站臺(tái)門防夾系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供借鑒。