地鐵列車車門障礙物檢測方案探討

林 琳 付志亮 盧海超

(中車唐山機車車輛有限公司， 064099， 唐山∥第一作者， 高級工程師)

車門障礙物檢測功能是地鐵列車車門最普遍和使用最頻繁的功能，直接關系到乘客的安全。選擇合理的車門障礙物檢測方案十分必要。

車門障礙物檢測方案主要有接觸式障礙物檢測和非接觸式障礙物檢測兩大類。

1 接觸式障礙物檢測方案

目前，城市軌道交通行業(yè)普遍使用接觸式障礙物檢測方案。在大多數(shù)的現(xiàn)有技術方案中，車門如果在關閉過程中夾到障礙物，就會按一定門距打開，數(shù)秒后再繼續(xù)關閉；如再次夾到障礙物，則車門將重復上述動作；如果車門第三次夾到障礙物，則車門將完全打開至最大開度或預先設置的門距，并向司機室發(fā)出故障警報。

1.1 檢測原理

在現(xiàn)有的接觸式障礙物檢測中，車門擠壓障礙物一段時間后，檢測器就會產(chǎn)生擠壓信號，并反饋給門控器。其檢測原理有兩種：

1) 電機電流監(jiān)控。車門驅(qū)動電機的正常關門曲線已存儲于門控器中。當門扇擠壓到障礙物時，電機的實際電流值會瞬時增加；當電機電流值超過預設值時，障礙物探測系統(tǒng)被激活。

2) 敏感膠條防擠壓。在車門門扇中部的密封膠條內(nèi)部設置敏感膠條。在關門過程中，當門扇擠壓到障礙物時，膠條內(nèi)部的電阻電流發(fā)生變化；電阻電流值超過預設值時，障礙物探測系統(tǒng)被激活。

1.2 不足之處

1) 接觸式檢測的擠壓力可能會夾傷乘客或損壞障礙物。

2) 受干擾因素影響，存在誤報的隱患。例如，當客室內(nèi)空調(diào)風壓較大等，車門驅(qū)動電機的電流也會升高，進而誤激活障礙物探測系統(tǒng)。

3) 障礙物探測靈敏度低。EN14752標準規(guī)定的可探測最小障礙物尺寸為30 mm(寬)×60 mm(高)。故一些較細小的障礙物可能無法被檢測到。

4) 反應時間長，需擠壓一段時間才能開門。

2 非接觸式障礙物檢測方案

非接觸式障礙物檢測主要通過紅外光柵探頭來探測障礙物，可基本避免接觸式障礙檢測方案的所有不足。根據(jù)光柵探頭布設位置與車門系統(tǒng)的關系，車門非接觸式障礙物檢測方案可分為分散式和集成式兩種。

2.1 檢測原理

非接觸式障礙物檢測系統(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門兩側(cè)，當車門處有乘客或者障礙物時，部分紅外光柵回路被打斷，則電路中斷，形成障礙物探測信號，隨后門控器控制車門機構(gòu)執(zhí)行相應動作。

2.2 分散式方案

在分散式方案中，紅外光柵探頭不設置在車門系統(tǒng)的部件上，而是設置在門區(qū)立罩板等非車門系統(tǒng)部件上。紅外光柵系統(tǒng)的控制功能部件與車門控制系統(tǒng)聯(lián)動，從而實現(xiàn)車門的障礙物檢測功能。分散式檢測方案如圖1所示。

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

分散式方案存在的不足之處在于：

1) 當乘客較多時，位于門區(qū)立罩板探頭和門扇之間的乘客，會被誤認為是障礙物，誤報幾率很大。

2) 紅外光柵探頭和門扇是分體的，電線如布設在立罩板內(nèi)部，則會占用立罩板內(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門系統(tǒng)部件內(nèi)部。根據(jù)車門系統(tǒng)門扇的結(jié)構(gòu)，紅外光柵探頭可設置在門扇鋁型材框架上，也可設置在門扇膠條內(nèi)部。

2.3.1 探頭設置在門扇鋁型材框架上

紅外光柵檢測探頭設置在門扇鋁型材框架上時的細部構(gòu)造如圖2所示。

圖2 探頭設置在門扇鋁型材框架上的細部構(gòu)造

紅外光柵探頭設置在門扇鋁型材框架上的不足之處在于：

1) 由于型材剛性較強，探頭安裝不便。

2) 探頭設置在門扇內(nèi)部，雖解決了部分偏離門扇內(nèi)表面的誤報問題，但由于2個探頭之間有縫隙(因膠條是壓縮的，不可能設置成密貼，否則存在被擠壓的風險)，故不可能完全避免誤報，理論上存在安全隱患。

3) 在列車運行或車門動作期間，車門會發(fā)生振動或抖動，進而影響探頭光柵閉合，產(chǎn)生誤報。

2.3.2 探頭設置在門扇膠條內(nèi)部

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

a) 開門狀態(tài)

b) 關門狀態(tài)圖3 探頭設置在膠條內(nèi)部的細部結(jié)構(gòu)

紅外光柵探頭設置在膠條內(nèi)部的不足之處在于：門扇動作產(chǎn)生的震動及門扇安裝誤差，會使發(fā)射探頭發(fā)出的單一光柵幾乎無法完全對準接收探頭。為了解決這一問題，將紅外光柵探頭的光幕發(fā)射方向設計為扇形區(qū)域，即1個發(fā)射極探頭對應接收極的多個探頭。此時，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)車門防擠壓動作。為了提高門控器的響應速度，本研究將探頭的扇形區(qū)域設計成1個發(fā)射極探頭對應5個接收極探頭。

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

3 最優(yōu)方案的設計細節(jié)及優(yōu)勢

3.1 設計細節(jié)

地鐵車門的通過寬度為1 400 mm，通過高度為2 000 mm。整套門系統(tǒng)共設置32對紅外檢測探頭，且探頭間距為46 mm。距門檻高度25 mm處設置第一個探頭，整個光幕區(qū)域為1 426 mm。光柵檢測的靈敏度為23 mm。光幕示意圖如圖4所示。

圖4 紅外光柵檢測裝置光幕示意圖

為了便于安裝， 32對紅外光柵檢測裝置集成于一體。在檢測裝置端部引出的信號線和電源線，沿著門扇內(nèi)部型腔從門扇頂部輸出，再連接到門控器。紅外光柵探頭整體插于門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。

在關門過程中：當門扇中間有障礙物時，相應位置的光柵被打斷；光柵檢測裝置的障礙物檢測功能啟動，發(fā)出探測信號；門控器收到障礙物探測信號后，控制門扇停留在當前位置；直到障礙物移除后，光柵恢復，門控器才控制車門繼續(xù)執(zhí)行關門動作。

車門關閉到位時，膠條密封嚴密，紅外探頭完全在膠條內(nèi)部，頭發(fā)及衣服等細小物件難以伸到探頭之間，不僅避免了誤報，還能防止探頭被惡意破壞。車門在關閉狀態(tài)時，探頭之間存在一定距離，無碰撞等隱患。

集成的紅外光柵檢測裝置還設置了信號指示燈，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，光柵信號接通時，橙色燈亮，光柵被打斷時，橙色燈滅；紅色指示燈表示光柵故障。

3.2 方案優(yōu)勢

本方案使用紅外光柵檢測技術，可有效實現(xiàn)非接觸式車門障礙物檢測功能。其檢測效果明顯、靈敏度高，具有如下優(yōu)點：

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)簡單、安裝牢固。

2) 探頭位于門扇厚度范圍內(nèi)，解決了光柵誤報的隱患，障礙物檢測準確度高。

3) 光柵裝置不突出門扇外表面，美觀實用。

4) 設置了光柵狀態(tài)指示燈，有助于實施關注光柵檢測功能狀態(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應關系為一對多，解決了車門運行過程中振動和安裝誤差導致的探頭中心不對中的問題，同時也避免誤報。

6) 光柵電線全部集成到門扇內(nèi)部，便于安裝，電線不會受到外部影響。電線從門扇頂部引出，連接到門控制器對應位置。

7) 車門關閉時，膠條進行壓縮，不會造成探頭之間的碰撞。

8) 在密封膠條的門內(nèi)側(cè)端，設計膠條搭接區(qū)，保證紅外探頭完全封閉在內(nèi)部，門關閉到位時，不會產(chǎn)生縫隙。

4 結(jié)語

本文比選了常見的列車車門障礙物檢測方案。在門扇密封膠條內(nèi)部設置紅外光柵探頭的非接觸式車門障礙物檢測方案，采用一對多的探頭排布設計，能有效解決車門振動等因素帶來的誤報檢測，避免了接觸式車門障礙物探測方案易夾傷乘客或損壞障礙物的隱患，檢測效率高、靈敏度高、誤報率低，提高了車輛運行效率。