基于紅外光幕的軌道交通屏蔽門(mén)與列車(chē)間異物檢測(cè)

基于紅外光幕的軌道交通屏蔽門(mén)與列車(chē)間的異物檢測(cè)林天嬋目錄CONTENTS01屏蔽門(mén)防夾人措施02基于紅外光幕的軌道交通屏蔽門(mén)與列車(chē)間的異物檢測(cè)系統(tǒng)03系統(tǒng)硬件總體設(shè)計(jì)04系統(tǒng)軟件總體設(shè)計(jì)地鐵直線(xiàn)站臺(tái)屏蔽門(mén)與車(chē)門(mén)間隙寬度在130--145mm，而該間隙在曲線(xiàn)站臺(tái)則最大可增大至176mm，完全可以容下一個(gè)瘦小者或者孩童。由于屏蔽門(mén)自身只能檢測(cè)到滑動(dòng)門(mén)間的障礙物，如果有乘客因故被阻隔在該間隙內(nèi)，則極易造成安全傷害，國(guó)內(nèi)地鐵近年來(lái)己多次出現(xiàn)類(lèi)似事故。2007年7月15號(hào)，上海地鐵1號(hào)線(xiàn)上海體育館站，一名男子在車(chē)門(mén)已經(jīng)開(kāi)始關(guān)閉告警的情況下，強(qiáng)行試圖沖入車(chē)廂，結(jié)果被夾在屏蔽門(mén)和車(chē)門(mén)之間，列車(chē)啟動(dòng)后，男子跌落站臺(tái)當(dāng)場(chǎng)身亡。2014年11月6號(hào)，北京地鐵5號(hào)線(xiàn)惠新西街南口站，一名女性乘客在乘車(chē)過(guò)程中卡在屏蔽門(mén)和車(chē)門(mén)之間，列車(chē)啟動(dòng)后掉下站臺(tái)，經(jīng)醫(yī)院搶救無(wú)效后身亡。因此，設(shè)置屏蔽門(mén)與列車(chē)間隙安全防護(hù)裝置是非常必要的。背景介紹01屏蔽門(mén)防夾人措施防夾擋板防爬護(hù)板瞭望燈帶激光探測(cè)防夾擋板

防夾擋板是一種高60厘米左右的柔性橡膠擋板，豎向安裝在屏蔽門(mén)軌道側(cè)滑動(dòng)門(mén)的側(cè)邊緣，與滑動(dòng)門(mén)成直角，并涂上醒目的警示色。當(dāng)滑動(dòng)門(mén)關(guān)閉時(shí)，擋板增大了兩個(gè)門(mén)間的接觸面積，對(duì)屏蔽門(mén)與車(chē)體間的間隙有一定的補(bǔ)償。防夾擋板與屏蔽門(mén)自身的防夾功能相配合，增大了被防夾功能夾到的可能，即使有乘客位于屏蔽門(mén)與列車(chē)的間隙內(nèi)，也會(huì)由于腿腳被夾而使滑動(dòng)門(mén)彈開(kāi)，大大降低了被困在危險(xiǎn)區(qū)域的概率，是目前比較有效的措施之一。但是該方案功能單一，防護(hù)能力有限，跨越后即失效，對(duì)于客流較大時(shí)乘客未擠上列車(chē)，又未及時(shí)退出已關(guān)閉滑動(dòng)門(mén)的情況，起不到任何防護(hù)作用，也不能解決夾包夾衣物等問(wèn)題。防爬護(hù)板

防爬護(hù)板，安裝在滑動(dòng)門(mén)下部門(mén)框的軌道一側(cè)，起到消除站立區(qū)域的作用，這種方式并不是完全可靠，而且增大了滑動(dòng)門(mén)的門(mén)體重量，改變了重心位置，增大了運(yùn)行阻力，直接影響開(kāi)關(guān)門(mén)速度，滑動(dòng)門(mén)的運(yùn)行不利，同時(shí)增大了滑動(dòng)門(mén)驅(qū)動(dòng)電機(jī)和驅(qū)動(dòng)控制單元的輸出功率，影響了系統(tǒng)整體的性能和壽命。瞭望燈帶

瞭望燈帶是安裝在站臺(tái)尾端屏蔽門(mén)立柱外側(cè)的豎行軟管，當(dāng)有障礙物或人被夾在屏蔽門(mén)和列車(chē)門(mén)之間，燈帶的燈光就被遮擋，列車(chē)司機(jī)在啟動(dòng)列車(chē)前確認(rèn)該空隙時(shí)可清楚地瞭望到這一情況，如果燈光被擋住，司機(jī)就不會(huì)啟動(dòng)列車(chē)。這種方式在地下直線(xiàn)站臺(tái)有較好的應(yīng)用條件，有效性很高，但對(duì)于高架站、地面站或者曲線(xiàn)臺(tái)就不太適用。曲線(xiàn)站受站臺(tái)曲率影響，高架和地面司機(jī)受自然光線(xiàn)干擾，司機(jī)的瞭望條件差有可能看不到或看不清清燈帶，燈帶的有效性大打折扣。此外瞭望燈帶僅起到輔助作用，司機(jī)人工確認(rèn)的本身存在誤判和疏忽風(fēng)險(xiǎn)。激光探測(cè)激光探測(cè)是通過(guò)安裝在站臺(tái)首尾端的一組激光探測(cè)器(曲線(xiàn)站可以直代曲分段增設(shè))，對(duì)整側(cè)空隙形成防護(hù)的主動(dòng)探測(cè)系統(tǒng)的應(yīng)用實(shí)例，最早采用該技術(shù)的是深圳地鐵5號(hào)線(xiàn)。激光發(fā)射散角小于0.05°，光斑小，光束能量集中，穿透能力強(qiáng)，防護(hù)距離長(zhǎng)，能有效的克服隧道內(nèi)灰塵或水霧帶來(lái)的衰減，且波長(zhǎng)單一，可有效避免其它光源干擾。但同樣是因?yàn)槠涔逃械木€(xiàn)性傳輸特性，激光傳感器對(duì)振動(dòng)異常敏感，抗振能力差，對(duì)安裝調(diào)試的精度也有相當(dāng)苛刻的要求，且調(diào)校需采用專(zhuān)用激光定位儀，定期維護(hù)的難度和工作量也不小。此外激光探測(cè)器本身體積也較大，安裝的位置選取不易，為避免侵限往往需要增加自動(dòng)伸縮裝置。這些因素都降低了系統(tǒng)的可靠度，決定了其還不能完全滿(mǎn)足地鐵的工況。國(guó)內(nèi)某地鐵線(xiàn)路就因該系統(tǒng)故障，造成了晚點(diǎn)18趟列車(chē)，最大晚點(diǎn)30分鐘的運(yùn)營(yíng)事故。目前該類(lèi)系統(tǒng)基本處于停用狀態(tài)。02基于紅外光幕的軌道交通屏蔽門(mén)與列車(chē)間的異物檢測(cè)系統(tǒng)針對(duì)于前述方案所存在的弊端，本系統(tǒng)是借鑒工業(yè)防護(hù)領(lǐng)域類(lèi)似場(chǎng)景的防護(hù)技術(shù)，根據(jù)地鐵的實(shí)際工況和需求，設(shè)計(jì)一款基于紅外的主動(dòng)式障礙物探測(cè)防護(hù)系統(tǒng)，在屏蔽門(mén)與列車(chē)之間增設(shè)一種安全有效的紅外探測(cè)傳感器，將長(zhǎng)度120米左右的整側(cè)站臺(tái)作為一個(gè)防護(hù)區(qū)域，自動(dòng)進(jìn)行探測(cè)。當(dāng)屏蔽門(mén)和車(chē)門(mén)關(guān)閉后仍有乘客或者物體處于間隙之中，阻斷任一光束，該系統(tǒng)即切斷屏蔽門(mén)安全回路信號(hào)，阻止列車(chē)啟動(dòng)。裝設(shè)在站臺(tái)頭端司機(jī)立崗位置的報(bào)警裝置，同時(shí)發(fā)出聲光報(bào)警，提醒司機(jī)危險(xiǎn)的存在，直至障礙物清除。此外該系統(tǒng)通過(guò)RS-485總線(xiàn)將報(bào)警信息和探測(cè)傳感器的工作狀態(tài)實(shí)時(shí)傳輸至使用終端，提醒地鐵運(yùn)維人員及時(shí)進(jìn)行處置，增強(qiáng)系統(tǒng)可靠度。從而防止乘客滯留在屏蔽門(mén)與列車(chē)之間的間隙內(nèi)發(fā)生安全事故，縮短司機(jī)瞭望進(jìn)行人工監(jiān)控的時(shí)間，提高地鐵運(yùn)營(yíng)安全效率及自動(dòng)化、智能化水平，為實(shí)現(xiàn)列車(chē)的全無(wú)人駕駛掃清了障礙，為屏蔽門(mén)技術(shù)在城市軌道交通系統(tǒng)中的廣泛應(yīng)用提供更為安全的措施?；诩t外光幕的軌道交通屏蔽門(mén)與列車(chē)間的異物檢測(cè)系統(tǒng)系統(tǒng)邏輯模型圖系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖探測(cè)和保護(hù)功能旁路和聲光報(bào)警功能自檢和自保護(hù)功能信息存儲(chǔ)功能功能需求分析安全性可靠性抗擾性實(shí)用和可擴(kuò)展性性能需求分析03系統(tǒng)硬件總體設(shè)計(jì)硬件總體結(jié)構(gòu)示意圖配套顯示液晶屏顯示屏蔽門(mén)與列車(chē)間信息驅(qū)動(dòng)蜂鳴器警報(bào)脈沖電機(jī)驅(qū)動(dòng)紅外傳感器蜂鳴器微處理器驅(qū)動(dòng)電機(jī)屏蔽門(mén)開(kāi)關(guān)硬件總體結(jié)構(gòu)示意圖單組對(duì)射式紅外傳感器的工作的原理是由紅外發(fā)射管發(fā)射單束紅外線(xiàn)，同時(shí)檢測(cè)相對(duì)應(yīng)的一個(gè)接收管接收到的光線(xiàn)，形成探測(cè)回路。如果該紅外線(xiàn)順利到達(dá)對(duì)應(yīng)的接收管，其紅外光敏元件會(huì)產(chǎn)生特定強(qiáng)度的信號(hào)輸出，主控制器收到該信號(hào)則判斷為檢測(cè)區(qū)域無(wú)障礙物遮擋。反之若該束紅外線(xiàn)被阻擋，對(duì)應(yīng)的接收管無(wú)信號(hào)輸出，或者雖有輸出但未達(dá)到預(yù)設(shè)強(qiáng)度，主控制器則斷為非正常情況，即檢測(cè)區(qū)域有障礙物。而所謂光幕就是將若干組紅外發(fā)射管和接收管分別集成在發(fā)射柱和接收柱上，并控制紅外發(fā)射管按順序依次發(fā)射紅外光束，同時(shí)按一定的順序依次判斷相應(yīng)的接收管的接收紅外線(xiàn)的輸出強(qiáng)度?？刂菩酒巴鈬娐芳稍诎l(fā)射柱和接收柱，能完成紅外線(xiàn)發(fā)射/接收控制同步、信號(hào)判斷等基本功能，一般還可通過(guò)集成在光幕上發(fā)光二極管，給出簡(jiǎn)單的調(diào)校和故障提示。此外，為適應(yīng)地鐵隧道內(nèi)的工況，除了將紅外發(fā)射/接收管集成在柱體上，還應(yīng)選用散角小、可跳頻、壽命長(zhǎng)的半導(dǎo)體紅外發(fā)生器為發(fā)射源，并增加具有過(guò)濾和聚光作用的透鏡構(gòu)架，抗外界光線(xiàn)干擾，提高有效發(fā)射接收長(zhǎng)度。控制芯片應(yīng)采用線(xiàn)同步技術(shù)，避免多套安裝時(shí)的相互干擾，采用實(shí)時(shí)A/D技術(shù)，智能調(diào)節(jié)翻轉(zhuǎn)值，具有光點(diǎn)循環(huán)自檢、芯片自檢功能，適應(yīng)惡劣工況，保證光幕的可靠檢出。為了方便維護(hù)，光幕上還要集成實(shí)時(shí)工作狀態(tài)和故障代碼顯示，并對(duì)對(duì)準(zhǔn)信號(hào)強(qiáng)度做出提示，提前進(jìn)行預(yù)防性維修，增強(qiáng)系統(tǒng)的魯棒性。紅外光幕技術(shù)

由人體身高分布范圍可知，紅外光幕的光點(diǎn)布設(shè)應(yīng)由地面(人體落地點(diǎn))為基礎(chǔ)開(kāi)始依次向上設(shè)置(地面人體存在幾率為100%，高度上升后逐步下降)，探測(cè)高度在距站臺(tái)面Omm～300mm,300mm～600mm的范圍為合理。即低光點(diǎn)設(shè)置在距站臺(tái)面300mm高度，探測(cè)乘客腳踝及小腿范圍;高光點(diǎn)考慮大腿部位遮擋，則設(shè)置在600mm高度。因此在Omm～600m范圍內(nèi)設(shè)置2到4個(gè)光點(diǎn)可有效覆蓋探測(cè)成年人的腳至大腿范圍及未成年人臀部以下的地面存在率極高的范圍。紅外光幕安裝在屏蔽門(mén)軌道一側(cè)即軌行區(qū)內(nèi)，而地鐵列車(chē)對(duì)限界有嚴(yán)格要求，因此考慮安裝在固定門(mén)立柱位置較為合理，且不得侵入列車(chē)限界。直線(xiàn)站臺(tái)可根據(jù)紅外光幕的防護(hù)距離布設(shè)，曲線(xiàn)站要綜合防護(hù)距離和站臺(tái)曲率，以直代曲布設(shè)，每一組光幕通過(guò)支架安裝在固定門(mén)立柱上。一般情況下屏蔽門(mén)的折線(xiàn)均處在列車(chē)連接處的立柱上，單節(jié)車(chē)廂對(duì)應(yīng)區(qū)域內(nèi)的屏蔽門(mén)呈直線(xiàn)，此外鑒于紅外光幕價(jià)格不高，為了便于列車(chē)駕駛司機(jī)準(zhǔn)確定位障礙物位置，可將紅外光幕布設(shè)在每節(jié)車(chē)廂連接處的固定門(mén)立柱處，并且發(fā)射和接收端背靠背安裝避免干擾，分別對(duì)兩邊進(jìn)行探測(cè)。紅外光幕布設(shè)原則紅外光幕直線(xiàn)站、曲線(xiàn)站布設(shè)圖紅外光幕傳感器SMG20系列安全光幕元器件選型Thisisagoodspaceforashortsubtitle微處理器STC89C52RC微處理器串口轉(zhuǎn)換芯片PL2303芯片電壓轉(zhuǎn)換芯片MC34063電壓轉(zhuǎn)換芯片液晶屏LCD12864液晶屏紅外光幕傳感器:SMG20系列安全光幕傳感器在地鐵屏蔽門(mén)防護(hù)系統(tǒng)中，紅外光幕傳感器要安裝在列車(chē)與屏蔽門(mén)的間隙，安裝環(huán)境惡劣，地鐵隧道里較為潮濕，環(huán)境溫度變化較大，列車(chē)通過(guò)會(huì)引發(fā)震動(dòng)，傳感器表面會(huì)積灰。以下是傳感器的工作環(huán)境。（1）溫度：0～45°（2）相對(duì)濕度：≤95%（3）含塵濃度：在靜態(tài)條件下測(cè)試，每升空氣中大于或等于0.5μm的塵粒數(shù)，應(yīng)小于18000粒（4）環(huán)境照度：最大20000lux（5）振動(dòng)：10—55Hz,雙振幅0.7mm,XYZ方向各20次（6）運(yùn)行強(qiáng)度：全天24小時(shí)，每年365天連續(xù)運(yùn)行，每1.5min探測(cè)一次傳感器參數(shù)表微處理器:STC89C52RC微處理器

微處理器選型是應(yīng)該遵循以下原則:1)技術(shù)性:考慮微處理器的技術(shù)指標(biāo)，以保證微處理器應(yīng)用到系統(tǒng)中時(shí)在一定的技術(shù)指標(biāo)下能夠可靠運(yùn)行。2)實(shí)用性:考慮微處理器生產(chǎn)廠(chǎng)家的供貨渠道、信譽(yù)、服務(wù)等因素，以保證微處理器能夠在系統(tǒng)中長(zhǎng)期可靠運(yùn)行。3)可開(kāi)發(fā)性:選擇使用的微處理器要有簡(jiǎn)單可靠的程序開(kāi)發(fā)工具、仿真調(diào)試工具等開(kāi)發(fā)手段。STC89C52RC微處理器有以下的主要特性:1)支持寬電壓，不怕電源不穩(wěn)定，正常工作電壓的范圍是5.5V～3.3V2)正常工作的頻率范圍:0-40MHz3)用戶(hù)應(yīng)用程序的存儲(chǔ)空間高達(dá)8K字節(jié)，并且片內(nèi)集成有512字節(jié)的RAM4)不需要配備專(zhuān)用編程器和仿真器，操作者可以將用戶(hù)程序通過(guò)串口(RXD/P3.0,TXD1P3.1)直接下載到微處理器。5)正常工作的溫度范圍為一40℃～+85℃6)具有T0,T1和T2三個(gè)16位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器。7)在正常工作的模式下典型功耗是4mA～7mA，在空閑的模式下典型功耗是2mA8)在掉電的模式下典型功耗小于0.1μA，并且可由外部中斷喚醒。STC89C52RC的功能和工作性能指標(biāo)完全達(dá)到地鐵屏蔽門(mén)防護(hù)系統(tǒng)要求，此外，該微處理器價(jià)格低廉、程序燒寫(xiě)容易、支持多種仿真工具，因此選用STC89C52RC應(yīng)用到系統(tǒng)中較為合適。串口轉(zhuǎn)換芯片:PL2303

PL2303芯片是一類(lèi)集成度較高的RS232轉(zhuǎn)USB接口轉(zhuǎn)換芯片，通過(guò)該芯片可以方便地實(shí)現(xiàn)USB功能接口與具備RS232全雙工異步串行通信接口的設(shè)施的相互連接。該芯片內(nèi)部具有USB功能控制器、USB收發(fā)器以及振蕩器，同時(shí)還具備帶有全部調(diào)制解調(diào)器控制信號(hào)的UART。該芯片體積小巧，電路搭建方便，能夠方便地嵌入到各種設(shè)備中，完成USB信號(hào)與RS232信號(hào)的相互轉(zhuǎn)換的功能。PL2303芯片價(jià)格低廉、使用簡(jiǎn)單，而且USB接口比串口更為常用，故而本次設(shè)計(jì)選用PL2303串口轉(zhuǎn)USB芯片來(lái)實(shí)現(xiàn)微處理器主控模塊與上位機(jī)的通訊。PL2303的特性如下:1)完全符合USB2.0的使用規(guī)范，并且支持完整的RS232接口。2)完全兼容USBI.1協(xié)議，輸出電壓3V～SV可調(diào)節(jié)。3)可編程波特率75bps～6Mbps，同時(shí)也能夠?yàn)橥獠刻峁╇娫础?)擁有可配置的512個(gè)字節(jié)雙向數(shù)據(jù)緩沖器。S)提供支持Windows系統(tǒng)、MacOS系統(tǒng)、Linux系統(tǒng)和WinCE系統(tǒng)等多種操作系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)程序。電壓轉(zhuǎn)換芯片:MC34063

地鐵屏蔽門(mén)防護(hù)系統(tǒng)中所選用的對(duì)射式紅外傳感器工作電壓為DC10V～30V，遠(yuǎn)高于微處理器主控模塊供給的5V電壓，故本次設(shè)計(jì)選用MC34063電壓轉(zhuǎn)換芯片將5V轉(zhuǎn)換為12V為傳感器供電。MC34063芯片是一類(lèi)用于控制從直流到直流變換的單片雙極型線(xiàn)性集成電路。芯片內(nèi)部具有溫度補(bǔ)償帶隙基準(zhǔn)源、占空比周期控制振蕩器、驅(qū)動(dòng)器和大電流輸出開(kāi)關(guān)，輸出的開(kāi)關(guān)電流最高能達(dá)到1.5A。MC34063芯片特點(diǎn)如下:1)能夠在2.5V～40V的輸入電壓下工作。2)具有短路電流限制。3)輸出電壓可調(diào)節(jié)范圍為1.25V～40V。4)正常工作的頻率范圍為100Hz～100KHz。S)低靜態(tài)電流。液晶屏:LCD12864液晶屏

LCD12864液晶屏作為顯示器件。其顯示分辨率為128X64，可以選擇串行、并行兩種顯示方式，內(nèi)部含有中文字庫(kù)(多達(dá)8192個(gè)16*16點(diǎn)漢字)，還包含128個(gè)16X8點(diǎn)陣字符，也可以完成圖形顯示，操作指令簡(jiǎn)單，程序易于編寫(xiě)。+3.OV～5.SV范圍的電壓供電，價(jià)格也低于市場(chǎng)上同類(lèi)的具有相同點(diǎn)陣的液晶顯示模塊。引腳介紹04系統(tǒng)軟件總體設(shè)計(jì)微處理器程序設(shè)計(jì)思想微處理器接收來(lái)自傳感器和上位機(jī)的信號(hào)，判斷控制12864模塊、報(bào)警模塊、指示燈模塊、繼電器模塊等功能模塊，并將屏蔽門(mén)狀態(tài)信息返回給上位機(jī)顯示。微處理器程序流程圖微處理器程序流程圖如右圖所示，各個(gè)狀態(tài)描述如下:(1)狀態(tài)1:繼電器1閉合，綠色指示燈點(diǎn)亮，12864模塊顯示“發(fā)車(chē)信號(hào):有”和“屏蔽門(mén)狀態(tài):正在關(guān)閉”，返回信號(hào)給上位機(jī)。(2