北京地铁13号线闸机改造方案研究

王 帅

(北京地铁科技发展有限公司，北京 100072)

0 引言

北京地铁13号线自动售检票(AFC)设备于2003年3月全部安装完毕，2008年6月完成了电子车票改造，截至2017年底，北京地铁13号线AFC设备已经运营使用了15年，达到了设备的设计使用年限。根据北京地铁自动售检票系统技术改造二期工程的总目标，为了实现北京地铁灵活的票制票价政策、消除系统对厂商的依赖性、降低系统再修改成本、统一乘客服务体验、提升运营安全、提高运营维护水平、全面提升运营管理能力及乘客服务质量，因此需要对AFC系统进行改造。

北京地铁13号线闸机由日本信号株式会社(日信)生产提供，工控机等主要模块目前均已停产，模块采购价格为原有报价的5倍～10倍，供货周期在6个月以上，现日信已经基本退出中国市场，模块的后续供应将有困难。同时，该型号产品采用裸板设计，处理器、操作系统内存、接口均不支持北京市路网标准化软件改造要求，工控机串口为转接接口，不稳定，与北京统一标准读写器(TPU)硬件接口不兼容，且该工控机所用的接口类型硬盘已停产，设备后续的维护、升级存在较大隐患，按标准化局部改造有一定困难，亟待设计专门的改造方案进行改造。

1 北京地铁13号线闸机及使用现状

1.1 地铁13号线闸机

地铁闸机是安装在地铁车站内隔离付费区和非付费区之间，对出入付费区的乘客车票进行有效性检查，能使持有有效车票的乘客通过，阻挡非法通行人员的自动终端设备，其检测判断过程无需人工干预。闸机分为进站闸机、出站闸机、双向闸机和宽通道闸机4种。闸机可在轨道交通AFC清算管理中心规定的各种运营模式下运行。闸机根据车站计算机的模式命令、火灾自动报警系统、紧急按钮的命令转换运营模式。

北京地铁13号线闸机为日信生产的拍打门闸机，分为标准通道闸机和宽通道闸机，闸机应摆放成一个阵列，两个闸机单元相邻排列，通过电缆连接形成了进/出通道，通道的功能和方向由这两台闸机的种类和方向决定。闸机外形结构如图1所示，结构尺寸如下：

标准通道闸机(mm)：1 600×175×1 000(长×宽×高)，底座长1 250。

宽通道闸机(mm)：1 942×175×1 000(长×宽×高)，底座长1 250。

图1 闸机外形结构

闸机通道根据乘客的通行方向分为进站通道、出站通道和双向通道3种。每个通道的两片闸机因阵列布局的位置不同又可细分为：进站闸机(2门主机)、进站闸机(4门主机)、出站闸机(2门主机)、出站闸机(4门主机)、出站闸机(2门从机)、出站闸机(4门从机)、辅助闸机(2门从机)、辅助闸机(4门从机)、宽通道进站闸机(2门主机)、宽通道出站闸机(2门从机)，共计10种闸机，每种闸机中的内部模块布局也不相同。

北京地铁13号线的闸机因其结构设计特点，单片闸机仅具有单进或单出一种功能，如果在阵列中间做出可双向刷卡的中间机，需要两片闸机并列摆放。整个13号线闸机阵列中间机可分为以下4种：标准通道单片中间机(单向刷卡)、标准通道并排中间机(双向刷卡)、宽通道并排中间机(宽通道双向刷卡)、标准通道/宽通道并排中间机(宽/标通道双向刷卡)，如图2所示。

图2 中间机种类

1.2 北京地铁13号线闸机现场使用现状

北京地铁13号线闸机现场使用现状如下:

(1) 设备停产维修困难。北京地铁13号线闸机采用非标准化设计，设备内模块多采用日信定制开发的产品，无法兼容当前市场的主流模块产品，目前设备整机和模块已经停产，且日信已经基本退出中国市场，设备及其模块的后续维修维护非常困难。

(2) 设备老旧且设计不合理。①主控单元和通行逻辑控制板的设计不利于维修，标准进站闸机的主控板和通信板相互叠加在闸机最下层的单侧狭小空间，且设备内没有照明设备，不利于更换维修；②读写器安装方式不合理，读写器不是分体式，没有外壳保护且安装位置暴露于外部较多，容易破损，读写器直接固定在闸机盖板的刷卡位置上，没有任何的中间介质，乘客直接在读卡器上刷卡时，因力度不可控，致使读卡器的损坏率大大增加。

2 改造范围与要求

2.1 改造范围

13号线闸机改造范围为整条线路的日信拍打门闸机，涵盖了闸机所有关键模块和外壳的更换，其中西二旗站和霍营站因车站位置变化和进出口位置改动，已更换为剪式扇门闸机，此次改造这两个站的闸机只涉及到标准读写器和小童身高的改造，不进行其他关键模块和外壳的改造。

2.2 改造要求

《轨道交通联网收费系统技术要求第7部分：终端设备》中闸机外形尺寸要求：①常规双折门通道检票机机体应不大于2 000 mm×200 mm×1 100 mm(长×宽×高)；②适用于常规双折门通道550 mm宽度，闸门关闭时最小间隔不大于40 mm；③宽通道检票机机体应不大于2 000 mm×300 mm×1 100 mm(长×宽×高)；④适用于宽通道900 mm宽度，闸门关闭时最小间隔不大于40 mm。因此，改造后的闸机应为剪式扇门闸机，且该款闸机外形尺寸和通道宽度均符合上述标准。

3 现场勘察情况

3.1 闸机阵列及周围环境勘察

13号线闸机设计时为通道内侧维护，部分边机紧贴墙体安装，且闸机整体外形尺寸较现行标准的剪式扇门闸机小，用标准规定的剪式扇门闸机替换改造后，周围环境可能造成标准闸机改造替换时无法安装，或影响闸机维护门开启。其中，知春路站南口进站左宽通道边机可能会影响安装，西直门站、大钟寺站、立水桥站、光熙门站、东直门站部分边机替换安装后靠墙侧可能无法维护。现场闸机阵列周围环境可能影响改造情况示意图如图3所示。

图3 现场闸机阵列周围环境可能影响改造情况示意图

单片标准剪式扇门闸机可以实现双向刷卡功能，不需要并排布置，而整个13号线大部分车站存在标准通道闸机并排现象，小部分车站存在宽通道闸机并排现象，所有车站都存在标准通道与宽通道闸机并排现象。

3.2 闸机预埋底座勘察

13号线标准通道闸机和宽通道闸机的预埋底座尺寸一致，预埋底座安装尺寸为：1 250 mm×145 mm×50 mm(长×宽×高)；闸机固定的焊接螺母规格为M12，孔位尺寸为930 mm×95 mm；线槽开孔位置在底座中间。

《轨道交通联网收费系统技术要求第7部分：终端设备》中对闸机的预埋底座设计尺寸已有明确要求：现行标准通道闸机和宽通道闸机的预埋底座尺寸分别为1 790 mm×194 mm×50 mm(长×宽×高)、1 790 mm×280 mm×50 mm(长×宽×高)，开孔尺寸分别为1 550 mm×100 mm、1 550 mm×180 mm,线槽开孔位置在进站端一侧。

通过对比13号线单片标准通道闸机的预埋底座实物图和标准规定的预埋底座图纸可以看出，现场闸机的预埋底座与标准中要求的尺寸差异较大，不能直接进行安装，如果用标准闸机替换，需要更改预埋底座孔位和出线槽位置，以及解决并排机预埋底座的问题。

4 改造方案及设备

因13号线闸机已达使用年限，设备老旧且设计落后，局部更新改造已无法满足现有北京市路网标准化软件等使用要求，且设备维护非常困难，所以将采用整体替换的改造方案。

4.1 改造方案

设计出180 mm、350 mm和300 mm三种宽度的闸机，利用原有底座和线槽，分别对标准通道单片中间机/边机、宽通道边机和并排机进行设备整体替换。方案不需要更改预埋底座和布线，无需重新设计阵列，节约成本且改造周期短，同时可以夜间施工不影响运营。改造方案示意图如图4所示，详细方案如下：

(1) 原有标准通道闸机(标准通道边机和单片中间机2种情况)采用外形尺寸为2 000 mm×180 mm×1 100 mm(长×宽×高)的剪式门闸机替换。

(2) 原有并排情况中间机(标准通道并排、宽通道并排、宽通道和标准通道并排3种情况)采用外形尺寸为2 000 mm×350 mm×1 100 mm(长×宽×高)的剪式门闸机替换。

(3) 原有宽通道边机(宽通道边机1种情况)采用外形尺寸为2 000 mm×300 mm×1 100 mm(长×宽×高)的剪式门闸机替换。

(4) 所有替换闸机利用原有闸机的预埋底座固定孔位进行固定。

图4 改造方案示意图

改造前、后闸机和通道尺寸对比如图5所示。

图5 改造前、后闸机和通道尺寸对比

4.2 改造设备

改造的难点在于180 mm宽闸机的设计，其宽度比现行标准通道闸机宽度要窄，部分模块需要改动设计才能满足装配要求。300 mm宽闸机则按照标准尺寸进行设计，350 mm宽闸机相比300 mm宽闸机更宽，内部空间更大，设计上不存在难点。下文将对180 mm宽闸机方案进行详细介绍。

180 mm宽闸机外观及尺寸如图6所示，180 mm宽闸机的结构布局如图7所示。为保证同一项目内自主设备关键模块型号的一致性，降低物料管理和备件采购成本，闸机的模块配置在功能和性能上得到充分保障的情况下，最大范围地兼容了北京地铁现有闸机的同类配置，其硬件设计框架如图8所示。

图6 180 mm宽闸机外观及尺寸

180 mm宽闸机由主控单元、扇门、通行逻辑控制单元、票卡读写器、乘客显示器、票卡回收单元、方向指示器、乘客通行指示灯、对射传感器、身高传感器、维修键盘、扬声器等部件组成，除扇门模块和部分对射传感器外，其余部件均与现行标准闸机兼容。

图7 180 mm宽闸机结构布局

图8 硬件设计框架

4.3 改造难点及解决方案

(1) 模块安装问题：180 mm宽闸机较标准的200 mm宽闸机宽度减小了20 mm，造成在设计时标准扇门模块和布置在回收模块端的3个通行逻辑对射传感器因与外壳和回收模块干涉无法安装，特此设计了适用于180 mm宽闸机的扇门模块，将这3个常规的对射传感器改用超小型对射传感器进行替代来解决干涉问题。

(2) 底座固定与走线问题：根据现场预埋底座孔位尺寸进行相对应的闸机底座固定孔位设计，标准通道闸机底座固定孔位为930 mm×95 mm，宽通道闸机底座固定孔位为930 mm×270 mm，出线孔与现场保持一致，设置为中间开孔出线。

(3) 部分阵列边机维护问题：部分边机靠墙体太近，无法打开靠墙侧维修门，只能从内侧维修门进行维护，需要更改受到影响的票卡回收模块的定位方式，将票卡回收模块一侧做成插入卡板式定位，使其可进行单侧(内侧)维护，如图9所示。

图9 票卡回收模块单侧固定示意图

(4) 特殊阵列问题：知春路站的南口进站左宽通道边机距楼梯80 mm，由于宽通道剪式门闸机宽度最小为300 mm，因此，在不缩减通道宽度的情况下将无法安装。13号线所有站设备除了知春路站南口进站左宽通道边机挨着楼梯无法安装，其余所有站设备均可替换安装，因此按特殊情况处理，将该通道宽度缩减为850 mm进行安装。

4.4 测试与安装

改造后的闸机样机和关键模块先后通过了北京市轨道交通联网收费系统检测中心的终端设备入围检测和样机检测，满足现场安装要求，并在通过了试点站测试后进行了整条线路的逐站替换安装。整体施工均在夜间(13号线停止运营后)进行，在第二天开始运营前结束施工，并未影响13号线的正常运营。北京市轨道交通自动售检票系统技术改造二期工程——13号线自动售检票系统整体改造自2016年编制项目建议书，2017年12月完工，13号线整体替换改造闸机285台，新增闸机41台，目前已使用1年多，设备使用状况良好。13号线望京西站部分闸机改造前、后对比如图10所示。

图10 13号线望京西站部分闸机改造前、后对比

5 结语

为了保障线路的正常运营，降低成本，北京地铁13号线闸机改造在不更换原有底座和线槽的基础上采用了180 mm和350 mm两种非标准宽度的闸机，但闸机内部模块均为标准化或接口兼容的模块产品，具有很强的互换性和兼容性，极大地降低了设备维修难度和维护成本，且闸机设计时对未来发展可能需要加装新的设备的接口、处理能力和结构空间进行了预留。随着轨道交通建设的飞速发展，国内城市轨交运营企业围绕提升服务质量，打造智慧车站，减员增效等方面不断加大研发投入，一大批新的技术被应用到轨交运营中，比如移动支付、生物识别等，加速了那些老旧技术设备的改造进程。以北京地铁为例，为了给乘客提供更快捷、更安全的出行服务，北京地铁先后进行了AFC设备互联网支付改造、首都机场线闸机的人脸识别改造等。故在闸机改造方案设计时应满足标准化要求的同时，兼顾设备的接口、处理能力和结构空间的预留，保障了未来升级改造和新技术的推广与应用的需求。