基于垂直运动的铁路客运站台防护系统设计

2023-09-20左艳芳魏耀南王志飞

铁路计算机应用 2023年8期

左艳芳，魏耀南，李帅，王志飞

（1.中铁科（北京）信息工程设计咨询有限公司，北京 100081；2.北京经纬信息技术有限公司，北京 100081；3.中国铁道科学研究院集团有限公司电子计算技术研究所，北京 100081）

我国铁路运营逐渐向公交化运营模式发展，与传统运营方式相比，铁路客运站台的安全防护面临更大的压力，须消耗大量的人力来维护站台秩序。《铁路技术管理规程》中明确，在我国铁路领域引入站台门是一个必然的发展过程[1]。但铁路客运站台存在多车型停靠、站台面窄等情况，直接引入现有城市轨道交通（简称：城轨）的传统站台防护系统无法解决其站台门与列车门的对应问题。

众多学者针对铁路客运站台防护系统进行了研究，蔡晓民[2]对国内外铁路站台防护系统的设置要求进行研究，明确当建设的站台门与列车车门无法完全对中时，须留出一定宽度的通道方便旅客就近乘降，但铁路站台宽度有限，不能满足该条件；谭平[3]对铁路客运站台防护系统全自动控制技术进行研究，可实现站台门与列车门的联动，但许多车辆不具备全自动模式的条件；黄中全[4]对比了现有站台门的安全保护措施，存在技术手段单一、安全级别低的问题，并提出了站台门应采用多重安全防护措施的观点。

综上，将城轨现有的传统站台防护系统进行简单改进，并不能满足铁路客运站台的实际情况，亟需开发一种新型铁路客运站台防护系统。垂直运动的防护装置具有大开度的结构特点，能满足铁路客运站台多车型对中的要求，因此，本文设计了基于垂直运动的铁路客运站台防护系统（简称：本文系统）。

1 系统组成

本文系统由机械装置、电气控制模块及安全防护装置组成，机械装置提供了本文系统的基本构架；电气控制模块是本文系统的“神经网”；安全防护装置防止本文系统运动过程中对站台上人或物造成挤压、撞击伤害，也防止外部对本文系统的人为破坏。本文系统的具体组成如图1所示。

1.1 机械装置

机械装置底部与站台土建结构连接，固定安装在站台边缘，主要包括支撑驱动结构、防护结构、传动结构和走线结构等4个部分，如图2所示。

图2 机械装置组成示意

（1）支撑驱动结构是机械装置的承重部分，为其他部件提供了安装基础，外层采用装饰外包板进行美化处理，可加装电子显示屏显示车站的各类信息；（2）防护结构可上下垂直运动，分为主动防护扇和被动防护扇，升起时双扇防护结构重叠，减少上部空间，降落时双扇防护结构展开，实现大面积防护；（3）传动结构联接防护结构与动力源，转化运动形式，从而实现防护结构的升降[5]；（4）走线结构用于放置线缆，提供走线空间的同时，与两侧支撑驱动结构形成一个框架，提高了两侧支撑驱动结构的垂直度和平行度。

机械装置是铁路客运站台防护系统的基础，本文基于理论受力分析、SolidWorks三维建模及有限元分析对结构受力、结构布置和结构强度进行设计，保障了机械装置的合理性。

1.2 电气控制模块

每侧站台根据自身长度设置多组机械装置，形成一道防护屏障，每组机械装置配备1组电气控制模块，每组电气控制模块由1套门机控制单元（DCU，Door Control Unit）、2台电机、2台状态指示灯及2套信息语音提示装置组成。电机、状态指示灯及信息语音提示装置分别安装于左右两侧的支撑驱动结构内，DCU单独安装于其中一侧。电机采用无刷直流电机，配备减速箱和电磁刹车器[6-7]。当DCU接收到列车或站台工作人员发出的指令后，向电机下达指令，电机开始运转，实现开/关门动作。

1.3 安全防护装置

安全防护装置包括配重装置、激光雷达探测装置、压力感应结构和电磁刹车器。（1）配重装置直接与防护结构硬性联接[8]，防止防护结构在故障或停电状态下脱落造成伤害，发生突发状况时，配重装置将拉起防护结构，保障旅客的正常通行，其原理如图3所示；（2）激光雷达探测装置安装于支撑驱动结构侧面，在相邻两个支撑驱动结构之间形成无形防护区域，在人或物进入机械装置的防护结构运动范围内时，进行语音提示和警报；（3）压力感应结构分别安装于防护结构的上下两侧，使其在升降过程中，一旦遇到人或物便及时停止动作，避免造成伤害或损坏；（4）电磁刹车器安装在电气控制模块的电机上，当防护结构升起或降落到位后，由电磁刹车器进行电机锁死，保障防护结构不被意外拉下或抬起。

图3 配重装置原理

2 系统功能

2.1 防护功能

防护功能通过DCU下发控制命令，实现防护结构的升降，防止站台上行走的旅客越过危险限界，将其活动控制在站台安全范围内，若有旅客或物品进入了防护区域，激光雷达探测装置将启动提醒语音和报警，并通知站台工作人员进行处理。安全防护装置能保障防护结构不对站台上的人和物造成伤害，同时也保障本文系统本身不受外物影响。

2.2 信息显示功能

大部分铁路客运站台为多车型停靠站台，为让旅客准确找到其乘坐的列车车厢，一般会在站台地面上设置各种颜色的指示标识，较为混乱，影响旅客乘车体验。本文系统在支撑驱动结构上设置了信息显示屏，其显示的车厢信息可根据到站车辆的车型进行实时调整，起到对乘客的引导作用，此外，也可播放广告和文化宣传等内容。

2.3 美化站台环境功能

现有站台防护系统的外观面主要是不锈钢和玻璃，2者颜色较单调且不易调整。本文系统的外观面材质和颜色有多种选择，可根据站台的风格做不同设计，更能适应站台整体环境，协调性更好，达到美化站台环境的效果。

3 系统工作流程

本文系统的主要功能是防护功能，其工作流程主要针对防护功能进行阐述，如图4所示。

图4 基于垂直运动的铁路客运站台防护系统工作流程

本文系统工作流程主要分为防护结构动作过程和防护结构关闭保持过程。

3.1 防护结构关闭保持过程

在未接收到列车自动或工作人员手动发出的指令时，本文系统处于防护结构关闭保持过程，防护结构不动作，但仍处于防护状态。当人或物误入防护区域内时，安全防护装置启动语音提示和报警，并通知站台工作人员，当人或物离开防护区域后，语音提示和警报声自动中断。

3.2 防护结构动作过程

（1）当列车到站停稳后，由列车自动或工作人员手动发出防护结构开启信号。（2）本文系统收集到开启信号后，防护结构升起并重叠到上部。在此过程中，若遇到障碍物，防护结构停止升起动作，进行延时等待（等待时间可调整），同时启动语音提示、报警，并通知站台工作人员，延时等待结束后，若障碍物未清除，继续延时等待，若障碍物已清除，防护结构再次执行升起动作[9]，升起到位并启动电磁刹车器，将结构锁死在升起（打开）状态，并把本文系统状态信息反馈给电气控制模块的DCU，由DCU实时判断是否执行下一步动作。（3）旅客乘降完毕后，列车自动或工作人员手动发出防护结构关闭信号，防护结构执行降落（关闭）动作，其过程与升起（打开）时相同，当防护结构降落（关闭）到位并锁死后，电气控制模块把本文系统状态信息反馈给外部接口，列车驶离站台，本文系统进入防护结构关闭保持过程。

4 站台防护系统关键技术

4.1 防护结构垂直运动与重合运动的同步技术

本文系统变更了防护结构的运动方向和结构形式，由原来的水平移动变更为垂直运动，由单扇独立平移变更为双扇上下收展，动作复合性更高。传动结构采用了螺旋副与配重平衡相结合的方式，防护结构升起时，传动结构将电机的转动转化为防护结构的垂直直线运动，再通过中间联接设计，使主动防护扇运动到一定位置后与被动防护扇相连，一起升起到位，并实现重叠动作；降落时，传动结构同样将电机转动转化为主动防护结构的垂直直线运动，通过中间联接设计使主动防护扇运动到一定位置后，拖着被动防护扇降落到位，并实现展开动作。每扇防护结构均与配重装置相连，并保持平衡，当电机不动作时，防护结构处于平衡静止状态。

4.2 三重安全防护技术

传统城轨站台防护系统仅采用防夹作为安全保障手段。本文系统为增加设备安全等级，采用了三重安全防护技术。

4.2.1 配重装置

配重装置与防护结构直接机械相连，重力达到平衡，使防护结构在任何情况下，均不会因自身重力的作用对站台上的人和物造成伤害和损坏[10]；

4.2.2 压力感应结构与电磁刹车器

压力感应结构能敏锐地感知防护结构在运动过程中是否遇到障碍物，一旦感应到障碍，立即启动电磁刹车器，使得防护结构停止动作，避免危险的发生。

4.2.3 激光雷达探测装置与电磁刹车器

防护结构在降落（关闭）状态下，若有人或物进入防护区域，激光雷达探测装置均能及时启动语音提示和报警，并通知站台工作人员，从而保障人和物及系统的安全。在此过程中，电磁刹车器始终处于锁死状态，防止非工作人员强行将防护结构抬起造成伤害或损坏。

5 系统应用情况

本文系统已在岚皋站、西安北站、昆明站和苏州站等多个铁路客运车站进行试运行。（1）开启空间更大，能满足铁路客运车站多车型的特点，尤其在春运或其他节假日等客流高峰时期，能协助工作人员高效实现乘客的乘降工作；（2）能较好地阻止旅客靠近站台边缘，站台工作人员无须在站台上维持秩序，节省了人力成本；（3）设置了信息显示屏，可指引旅客就近乘降，方便快捷，本文系统现场应用情况如图5所示。