基于旋转式设计的安检机

葛逸涛，吕长运，周炎淼，张志恒，甘 婧

（1.合肥工业大学 机械工程学院，安徽合肥 230009；2.合肥工业大学 计算机学院，安徽合肥 230009；3.合肥工业大学 本科生院，安徽合肥 230009）

随着我国社会快速发展，国内基础设施建设水平日益提高以及各类国际性活动在我国召开，使得安检工作的重要性日益提高，我国安检设备应用需求也不断增长。由于人员与物品的流动性提高，传统安检机在使用过程中具有明显的局限性，文献[1]对我国城市地铁安检故障进行归纳，指出现有安检机存在无法清晰扫描并呈现重复物品，且存在漏检现象等问题，继而围绕安检流程、安检队伍以及公众参与度3个方面提出建议和改进措施。文献[2]指出轨道交通对安检设备的高要求，并对X 射线在安检机中有效应用进行分析，进而来支持其对安检速度不达标，乘客滞留问题的改善。上述研究均聚焦于安检设备应用流程的优化或扫描技术的改进，却忽略了安检机结构设计方面存在的问题。

目前，关于安检机的设计优化研究主要包括新检测技术应用、安检机功能拓展等方面。在X 光检测技术中，文献[3]构建了基于YOLOv3深度卷积神经网络的违禁品检测探码器；文献[4]在双能X 射线的基础上设计了一种基于复合辛普森公式的危险品识别系统。在安检机功能拓展方面，文献[5]提出了以物联网为基础的新型安检机研发理念；文献[6]在安检机上集成了无感测温、消毒和移动式查验等多项技术。这些方法解决了安检机目前存在的检测效率低下以及精度不高的问题，但仍存在以下不足之处：①大多改进方案集中于提高X 射线方面技术，但没考虑机械结构的优化设计；②结构改进方案仅考虑安检效率的提高，忽略了提升行李使用者的主观感受。

针对以上问题，引入了一种空间并行旋转安检的设计思路，结合传统安检机以及旋转门的结构，提出了一款基于旋转式设计的安检机的设计方案。相较于传统安检设计结构，所提安检机优点如下：

（1）采用旋转式传输方式，空间并行方式进行行李安检，提高安检效率的同时缩短安检所需的时间。

（2）采用大件行李推入、小件行李悬挂的安检方式，减少漏检现象，避免弯腰动作。

（3）圆柱式设计，设计过程考虑整体美观性，减少占地面积，提高空间利用率以及考虑使用者的心理需求。

1 现状及问题分析

X 光机安检设备一般由X 射线发射器、图像系统、输送机系统等部分组成，实现对物品的分辨，并通过图像处理系统实时处理彩色/黑白图像，实现图像增强、回拉、报警、检索等功能，并对不同的材料赋予不同的颜色，便于人员直观快速识别判断[7]。依据安检机传送带的高度，可将其分为低台式安检机以及高台式安检机，传送带的高度直接导致了用户在使用过程中产生不同的问题。

高台式安检机（图1）体积小、重量轻、耗电低，适用于核电站、政府机关、邮检中心等地对小件物品的安全检查。但其存在由于传送高度过高致使大件行李提放费力的缺点。

图1 高台式安检机示意图

低台式安检机（图2）的入口通常是水平式设计，出口处有水平式设计及斜坡式设计。低台式的设计有利于大件行李的提放，但不符合人体工程学，效率较低并且斜坡与传送带的连接处易造成行李堆积。

图2 低台式安检机示意图

除此之外，团队在合肥南站进行实地调查研究与痛点分析。根据超过500个样本的数据统计，发现约有20%的人存在提放行李困难的问题。其原因为铅帘的阻力作用，平台高度影响及安检机传送带速度与人的安检速度不匹配。根据文献[8]，将乘客通过时间分为放包时间、放行李箱时间、行李通过时间和乘客通过时间。通过图3可得，行李的大小与行李的通过时间存在着正相关的关系，其次，大小行李通过时间的差异影响人的通过时间，降低安检效率，传送带速度慢，乘客通过时间主要被行李通过时间拉长，拿行李过程中产生拥堵以及行李箱的放置时间是放包时间的2倍多，行李箱放置存在困难。人、行李和背包的相关流量统计分析显示小件行李的流量基本与人流量一致，而大件行李的流量是小件行李的1/5左右，流量的差异导致安检时间的差异，有必要统一安检时间来提高同时处理不同类型行李的安检效率。

图3 乘客通过时间统计

综上所述，需要设计一款能够统一不同行李安检时间，提高安检效率，契合人体工程学以及匹配行人与行李的安检时间的安检机。

2 研究方案

2.1 方案概述

为了适应不同大小的行李，本文采用旋转门的设计，改变了传统安检机线性的行李传输方式。本文提出的旋转式安检机的设计方案，能够支持大小行李同步通过安检机。其中，安检机内部空间平均分为4个格子，每个格子的旋转时间为3 s，总旋转时间为12s。大件行李直接推入安检机，小件行李采取悬挂式的形式。以圆柱为基本型进行形态的设计，整体为半封闭设计（图4）。

图4 旋转式安检机模型示意图

2.2 安检机设计方案组成

安检机整体结构分为底座、顶盖和转盘3个部分，利用电子控制系统实现整个安检过程的机械运转。

转盘隔间上方安置挂钩，用于悬挂小件行李，避免弯腰动作，符合人体工程学并且安全高效。

配备紧停开关与指示灯，紧停开关在出现意外情况时可紧停安检机，指示灯显示机器的工作状况以及X 光的发射情况。

顶盖处装有光管发射系统，光管发射系统主要由光管发射器、光线调节装置以及光线接受装置组成。光管发射器发射X 射线，由准直支架和光管调整块调整X 射线，X 射线被物体吸收后照射于L 形挡板，继而被探测器接收并转化为信号发送到电子设备上。

转盘下的称重盘采用双层安装的形式，平台之间采用压力传感器进行测重，测重信号通过驱动板将数据传入单片机，单片机通过电机驱动模块控制步进电机进行旋转。如果被测物体重量超重，单片机会发出报警信号，安检机停止运行，报警信号灯亮起。

图5 光管发射系统示意图

3 研究方案的验证

本团队利用西门子人机工程仿真软件Jack 进行动画验证，采用符合人体工程学分析工具，先进的姿势算法来验证旋转式安检机安检可行性，是否会产生乘客错过拿出行李的时间或需等待较长时间才能拿到行李的情况，以及安检路线设计的合理性。

建立一个虚拟环境，并对虚拟人指派任务，同时对其进行人机工效学的评价并进行分析。其中人物任务设定主要分为排队场景模拟、行李箱的拿取与放置、人物路径设定等。还对安检机的旋转以及行李箱的路径进行了设置。其中安检机的旋转速度为一格3 s，1周12 s。

通过模拟，得出对于乘客而言，有充足的时间完成个人的安检，并且余留部分的时间去拿取自己的行李，行人安检速度与安检机安检速度相匹配，人机工效学评价良好，符合本产品的设计要求。

借鉴于文献[10]和文献[11]对安检机进行外型设计，并考虑安检机使用场合的特性，给予黑色外观的配色，其不仅令使用者对安检机保持一种技术可靠的视觉感受，也保证行李安检过程不被他人观察的严谨性，设计总图如图6所示。

图6 安检机总设计图

4 结论

设计和研制了基于旋转式设计的安检机。安检机采取大件行李推入、小件行李悬挂式的安检形式，契合人体工程学问题；旋转式设计提高了空间资源的利用率，使得安检速度与行人通行速度一致，有效改善安检时的人群拥堵问题；圆柱形设计节省占地面积，兼具美观性。本设计产品在基于对合肥南站实地调研数据的基础上，通过Jack 软件模拟验证，证实其有利于提高安检效率和优化安检流程。为大型机场以及火车站提供了新安检机结构的设计思维，并具有实际的工程应用价值和研究理论。