带温度检测的铁路通行闸机设计

张松林，费 冬

(通号通信信息集团有限公司，北京 100070)

1 概述

近年来，非典、甲流、禽流感、埃博拉等疫情频发，尤其是2019 年底新冠状病毒疫情突袭，给交通出行以及出入口管控等带来了巨大挑战。体温是表征人体是否健康的重要指标之一，是判断临床疾病和生命体征的重要依据，感染疫情人员很多都伴随着体温升高等异常现象。通过体温的准确测量能够快速分离出疑似发病人群，避免疫情的大范围传播。

铁路车站每天有大量的旅客进出，是控制人员流动的关键环节，在当前的疫情防控中，紧急添加的测温功能是作为一个单独的新增部件存在，未与现有设备有效融合。闸机作为铁路进出口管控的核心设备，本文设计在其上添加测温判断功能，将人员放行与体温监测结合，能够减少排队和工作的流程，提高铁路通行效率，更加方便疫情管控。

2 既有测温模式

常用的水银体温计精度能够达到0.1℃，但由于采用接触式测温模式，测量速度慢且存在感染风险，目前在疫情监控上对于人体体温的测量基本上基于非接触式的红外线测量温度计，有条件的地方采用红外线热成像技术进行温度计量。

红外测温仪可以被动地接收物体发出的红外辐射从而转变为热图像，热图像上面的不同颜色代表被测物体的不同温度。采用红外非接触式体温检测，可实现快速体温筛查，进行远距离、大面积检测，降低交叉感染风险。一旦发现异常体温人员，系统自动响应，做到早发现、早隔离、早治疗，实现有效控制。

3 温度校正

红外温度测量的测温精度与物体发射率、大气传输损耗、环境辐射、目标距离等多种因素有关。

人体的发射率可达0.99 以上，是一个良好的红外辐射体。大气的传输损耗针对不同波长是不一样的，红外线在传输过程中会出现一定的衰减，远距离测温可导致所测温度偏低，设计的闸机系统中温度数据的采集在固定位置完成，距离对测温精度的影响可以精确补偿。车站等场所的环境辐射复杂，干扰因素多，需要采用黑体进行实时校正，最佳的测试距离通常在黑体前后2 ～3 m 为有效检测区域，黑体下方位置最佳[1]。基于闸机目前的尺寸也可以方便的进行黑体校正。

4 结构布局设计

结合红外黑体测量的有效距离以及既有闸机本身的空间，每一个通道闸机安装一个红外测温仪，通过高度和角度的调整，使其仅能有效测量本通道通行人员的体温，尤其是额温，在人员通过闸机通道的有限距离和范围内，对人体最高温度进行多次测量和比对，并决定是否开门。将测温组件安装在闸机中部[2]，通过支架固定在机壳上，如图 1 所示。

根据郭帮辉等人的研究中相关公式推导的结论，红外测温系统的探测元面积、相对灵敏度、最大灵敏度、探测器带宽、系统焦距和入瞳直径都是由红外系统确定，对于相同条件下的同一目标，测试距离变化时，探测器的输出信号只与目标距离和视场角相关[3]。

1）测温位置及角度

闸机长度1 948 mm，宽度210 mm，高度1 020 mm，机头长度600 mm，高度260 mm，宽度210 mm，人体的宽度取中间值450 mm，头部宽度170 mm。通道宽度取标准通道的数值650 mm。红外测温设备的安装位置在机头和门轴之间，相关安装示意如图 2 所示。

图2 位置及角度范围Fig.2 Position and angle range

根据现行的铁路通行规则，当旅客到达闸机时，站在闸机的外侧靠近机头处右手持卡或票进行验证。根据设计在此时对人体的额温进行测量，在票证人比对的结果上，体温正常则放行通过。

依据两个安装位置极限，为防止紧邻通道的干扰，红外测温仪的最大水平角范围为33 °～38 °之间，最小的水平角范围7.6 °～11.9 °之间。根据此分析来选择合适参数的红外测温仪。

人体的测量温度通常在35 ℃～42 ℃范围内，随着温度的升高，红外测温仪的测量误差逐渐增大；随着测量的距离增加，测量误差逐渐增大[4]。

根据以上分析，红外测温仪在靠近机头处距离近，误差小；靠近门轴处距离远，误差大。

2）测温高度及角度

由于测温模块的高度可以通过连接杆的高度进行调节，对人体体表的测温一般测量额温，可以很好地反映被测人体的温度状态。

根据《成年人头面部尺寸》(GB/T 2428-1998)，男性头长分布范围在150 ～215 mm，头宽范围在130 ～175 mm，取头长200 mm，头宽170 mm 的范围则能覆盖99.91%的男性，女性头长在145 ～200 mm，头宽在130 ～175 mm，取头长200 mm，头宽170 mm 的范围则能覆盖99.99%的女性[5]。

人体裸露的面部血管较多且表皮较薄，此部分温度可以很好地反映被测人体的状态，故宜选用带有人脸模拟功能的红外测温仪，减少其他部位的影响。结合人脸识别进行额头的温度标记，更精确测量额温。

5 接口设计

目前，通用的测温模块的硬件接口支持RS-232、USB 以及RJ-45 等，在本地处理数据时通常将其直接接在工控机相关接口上，一般工控机会有多个COM 口和USB 接口，因此选择RS-232 和USB进行连接，优先选用USB 连接。

在既有的工控机上部署温度显示和判断软件，对传送过来的温度数据进行比选判断，温度正常时，按照既有的闸机通行策略进行，发现异常时直接给闸机主控板下发关门以及报警指令。

6 通行逻辑设计

既有闸机通行逻辑主要用于识别行人的通道闸门通行状态，判断行人是否合法通行，并且可以判断行人是否处于安全光幕保护区内，保证行人的人身安全[6]。增加温度测量模块后，整个闸机通行的逻辑示意如图 3 所示。

7 结论

通过对既有闸机的改造设计，在不影响既有闸机运行的前提下，通过黑体对温度数据校正，保证测量精度，能够快捷筛选出疑似患者，同时也方便接入既有系统[7]，同时也符合现有铁路闸机的相关技术规范[8-9]。在人员佩戴口罩、眼镜和帽子，以及有刘海遮挡额头时，可借助AI 算法进行优化，大大提高检测的准确度和通行效率，方便疫情防控。

图3 通行逻辑Fig.3 Pass logic