地铁屏蔽门障碍物系统的检测+3月27号版+

1、地铁屏蔽门障碍物系统的检测目录1 绪论3论文选题背景和研究意义3选题背景31.1.2 研究意义41.2 国内外研究现状41.2.1 国外屏蔽门系统发展现状41.2.2 国内屏蔽门系统发展现状51.3 论文的主要研究内容62地铁屏蔽门系统的总体方案设计72.1 地铁屏蔽门控制系统的构成7门控单元（DCU: Drive Control Unit）7屏蔽门中央接口盘（PSC:Platform Screen Door Interface Panel）7就地接口盘（PSL）72.2 地铁屏蔽门系统的功能要求72.2.1 地铁屏蔽门系统的控制功能72.2.2 地铁屏蔽门系统的监控功能82.3 地铁屏蔽门系

2、统对障碍物检测的功能要求82.4 电机的选型82.5 地铁屏蔽门系统的总体设计方案93 地铁屏蔽门系统关键技术的研究103.1 地铁屏蔽门障碍物探测实现方法的研究103.1.2 红外光幕的探测原理103.1.3 地铁屏蔽门障碍物探测的实现113.1.4 屏蔽门障碍物探测流程113.2 无刷直流电机调速控制技术的研究123.2.1 无刷直流电机调速控制策略123.2.2 模糊PID控制器的设计133.2.3 模糊PID控制器的编辑13模糊PID控制器参数整定的仿真134 地铁屏蔽门系统的设计及仿真14参考文献151 绪论论文选题背景和研究意义选题背景随着我国城市轨道交通的迅速发展，地铁作为新兴的

3、交通工具，因为其方便、快捷、准时的特点受到了人们的青睐，逐渐成为了人们出行时必不可少的交通工具之一。地铁与城市中其他交通工具相比，有效的避免了城市地面的拥挤，同样减少了由于堵车带来的不便，这也是人们选择地铁出行重要的原因之一。伴随着我国地铁建设的快速发展，地铁带来的各种安全隐患也逐渐被人们所关注。地铁的运行具有以下几个特点：车辆行车密度大、停站时间短、运送客流多、车站占地面积小等，这些都容易给乘客带来安全隐患1。从国内地铁的运行情况来看，乘客跌落站台的事故屡屡发生，以近几年北京地铁为例：2010年07月，地铁一号线天安门东站下行(向西)站台列车进站处有一位男乘客跳下站台；2012年12月一名男

4、子在北京地铁四惠站站台上突然晕厥，掉下站台横卧在一根铁轨上；2013年6月2号线朝阳门外环（东四十条方向）进站处一名乘客掉下站台；2014年2月，地铁号线国贸站向西方向一名乘客跳下站台；这几起事故均发生在没有安装屏蔽门的地铁一号线、二号线，这也引起了社会的广泛关注。屏蔽门系统作为现代化城市轨道交通工程的先进设施，是一项集建筑、机械、电子和控制等学科于一体的城市轨道交通高新技术2。屏蔽门系统在地铁站台属于防护性系统，在地铁站台边缘安装隔离站台和轨道的屏蔽门，通过其控制系统和驱动机构实现列车车门与屏蔽门的同步操作11。屏蔽门系统的优点如下：1、安全。在隧道内运行的地铁列车在运行过程中会产生强烈的活

5、塞效应,这样当列车进站时候车乘客可能会有被活塞风吹吸的危险。3安装屏蔽门后，站台与隧道空间分离开来，有效的避免了乘客追赶列车的现象，也防止了乘客或物体意外掉落站台的发生。2、节能环保。设置屏蔽门系统后，候车站台与隧道完全隔开，避免了大量冷、热气流的交换，明显降低空调环控系统电耗。在空调运行环境不变的情况下，设置屏蔽门系统可以降低站台温度23。4对于列车行驶产生噪声的问题，屏蔽门系统在站台和隧道中间形成了一道隔音屏障，可以有效降低噪声约10dB(A) 25dB(A)3，提高了乘客候车的舒适度。3、降低人工成本。安装屏蔽门后，在乘客较少的车站可以相对减少工作人员，这将减少地铁的日常运营管理费用。在

6、日本由于人力资源成本较高，东京地铁南北线安装屏蔽门就是出于此种考虑，大大节省了人工成本。 4、拓展乘客的候车空间。安装屏蔽门系统只需要25cm30cm的宽度，而在没有屏蔽门系统的车站，处于安全的考虑，安全线距站台边缘大概有50cm60cm的距离3，因此屏蔽门既可以保障乘客的安全，也可以拓宽乘客的候车空间。1.1.2 研究意义目前屏蔽门系统障碍物的探测是通过计算屏蔽门关门过程中产生的夹紧力来判断的。因为该夹紧力与电机电流存在对应关系，所以可通过比较门速曲线中的电机电流而获得，如广州地铁就采用该方法14。国内所使用的屏蔽门都是依托国外技术，国外的交通环境相对较好，客流量小，因而不需要高敏感的障碍物

7、检测功能，但是由于国内客流量比较大，应用后屡屡发生夹人事故，若将屏蔽门预期电机电流设置过低，又会导致障碍物检测过于敏感，容易造成误判，从而影响运营效率15,16。另外，在实际运营中，由于车门与屏蔽门采取联动控制，当站台某一扇屏蔽门因故障而无法打开时，在该处等待的乘客下车时如果没有发现屏蔽门锁闭，就会撞到屏蔽门上，造成不必要的伤害；如果发现后改用其他车门下车，也会使乘客上下车时间延长。反之，当列车的某个车门故障无法打开时，等待上车的乘客也可能出现类似事件，造成旅客上、下车混乱，干扰正常秩序，降低运营效率17,18。随着地铁的飞速发展和信息化技术的推进，屏蔽门作为乘客候车时的屏障，为每一个乘客的安

8、全保驾护航，它是地铁系统设备生产企业、地铁管理运营商都亟待解决的问题19；但是，即使安装屏蔽门，也可能会有事故发生，所以开展屏蔽门系统安全至关控制技术的研究非常必要的20。1.2 国内外研究现状1.2.1 国外屏蔽门系统发展现状 最早的屏蔽门出现在20世纪60年代前苏联的列宁格勒(现圣彼得堡),当时一为了保证无侧站台的安全和观瞻，设计了一种利用区间隧道停车的车站，这就是地铁屏蔽门的雏形。在法国，巴黎大众运输公司已使用多年屏蔽门，以防止客户进入或落在轨道22，1970年在法国里尔的全自动地铁的设计中为了保证自动行车的安全而装配了屏蔽门。1981年，日本东京地铁南北线上安装了半封闭式的站台安全门，

9、主要是为了把轨道与乘客隔离开，在保证了站台候车乘客的安全的同时也能起到一定的降低噪音的作用23。新加坡常年气候炎热，空调的运行费用在地铁运行成本中占了相当大的比重，为了减少空调的能源消耗，1988年，新加坡地铁NEL线首次采用了世界地铁第一套屏蔽门系统，距今已有26年历史24。这也是世界上最早的以节能为目的的带屏蔽门的地铁运行线路。1991年，日本在东京地铁南北线上安装了屏蔽门之后，只需司机1人操作即可，取消了站台监督接发列车的值班人员，降低了管理成本25。随后,1998年中国香港机场快线、1999年马来西亚吉隆坡轻轨交通二期工程、1999年英国伦敦JUBILEE延长线等工程都相继安装了屏蔽门

10、26。从目前地铁屏蔽门行业的实际情况来看，,由于国外企业屏蔽门技术发展较早,使之在于国内企业的竞争中占据着先机和绝对的优势23。地铁屏蔽门领域，英国的西屋(Westhouse)公司为首家研发企业，该公司与瑞士卡巴(Kaba)公司、法国法维莱(Faiveley)公司和日本纳博克(Nabco)公司一起，成为目前世界上拥有核心生产技术和主要市场份额(约占国际屏蔽门的90%)的厂家27。日本纳博克株式会社于1956年研制出了日本第一台自动门,揭开了日本自动门生产的第一幕。四十多年来,一直以其领先的技术、优良的品质、一流的服务屹立于日本乃至世界自动门领域的最前列。纳博克自动门现年产量万台,日本自动门市场

11、占有率在50%以上,世界自动门占有率在25%以上。法国法维莱作为屏蔽门与安全门业务的业界领导者,己经安装或正在安装超过一万多扇屏蔽门,这其中有的是完整配套的站台门体,有的是会同此类站台门体中所有关键的PSD核心组件一同提供给客户。瑞士卡巴集团有超过145年的辉煌历史,被公认为全球安防行业和自动门领域中之领先企业,以提供高端优质产品而著称,业务活动遍及80多个国家和地区。集团实行“全面通道控制”战略,是一家高度专业化的公司。拥有300多项技术专利,提供各种一体化解决方案23。为了打开中国地铁屏蔽门市场，这些公司分别与国内的部分企业进行合作，如广州奥的斯电梯公司与英国西屋公司负责设计和建设广州地铁

12、二号线屏蔽门；法维莱公司和深圳方大集团共同承建了泰国曼谷地铁等屏蔽门工程项目；瑞士卡巴公司也与江苏金创集团合作在国内承接屏蔽门工程项目；日本那博克公司与重庆川仪总厂就屏蔽门项目也进行着合作。1.2.2 国内屏蔽门系统发展现状在国内于1997年，香港地铁在机场铁路安装了站台屏蔽门，为乘客上下车提供了很大的方便，另外，在新建将军澳线新车站和北角站的2个站台时也引进了站台屏蔽门。并对已运营的原43km、38个车站的三条地下铁路亦花了四年时间加装屏蔽门系统进行改造1。进入21世纪以后，随着国内相关技术的迅速发展，大陆新建的地铁线也开始考虑大量使用屏蔽门。2002年12月28日建成开通的广州轨道交通2号

13、线（9个车站，8个区间）以及2003年6月28日首期工程全线开通（16个车站，线路），成为我国地铁第一个应用屏蔽门系统的地下轨道交通系统18，与未使用屏蔽门的1号线相比，减少了车站冷气在隧道里的散失，在节能方面，空调通风系统将近减少了20的电能消耗25。随后该项目技术在我国北京、上海、深圳、南京、杭州、沈阳、西安等城市新建地铁线路中得到推广应用。随着地铁屏蔽门的普及，近年来，国内屏蔽门制造企业致力于对地铁屏蔽门硬件产品的研制以及安全至关控制系统的研发，形成了系列化的技术产品，在一定程度上打破了国外企业在这个行业的长期垄断29，深圳方大集团于2006年4月率先研发出了具有自主知识产权的国产化屏蔽

14、门系统，通过了国家评审，并且于2007年3月与深圳地铁签订了一号线续建工程地铁屏蔽门系统的总承包合同，标志着我国的地铁屏蔽门产业已经进入世界先进行列。1.3 论文的主要研究内容论文重点是通过结合无刷直流电机控制技术、红外光幕探测技术对地铁屏蔽门障碍物探测方法的研究，并对设计好的系统的可行性和正确性进行仿真测试。本论文研究内容如下：第1章 地铁屏蔽门系统的研究背景与意义，概述国内外屏蔽门系统的现状，并对我国的屏蔽门系统存在问题进行分析，确定本文的研究目的和意义。第2章 对地铁屏蔽门系统进行总体方案设计，详细介绍了地铁屏蔽门系统组成结构以及控制系统的功能。第3章 地铁屏蔽门门控系统关键技术的研究，

15、包括地铁屏蔽门利用红外光幕的障碍物探测方法、无刷直流电机调速控制技术等。第4章 对屏蔽门门控系统控制进行设计、系统仿真结果与分析。2地铁屏蔽门系统的总体方案设计2.1 地铁屏蔽门控制系统的构成地铁屏蔽门控制系统主要包括以下几个部分：门控单元（DCU: Drive Control Unit）、屏蔽门中央接口盘（PSC:Platform Screen Door Interface Panel）、就地接口盘（PSL）以及其他系统接口以及电源设备和相关电缆。典型站配置一个中央接口盘、两个就地控制盘、每扇滑动门一个门控单元5。各主要部分具体功能如下：门控单元（DCU: Drive Control Uni

16、t）DCU是屏蔽门电机的监控装置，每一个屏蔽门均在上方的顶箱内设置一个DCU，主要由CPU、存储器、接口单元及其相关软件组成。正常运行情况下，由DCU控制屏蔽门的开关： PSC发送的命令DCU会迅速执行相应的屏蔽门的开/关、启动、停止操作。屏蔽门中央接口盘（PSC:Platform Screen Door Interface Panel） 中央接口盘(PSC)位于控制室，是自动列车控制系统实现屏蔽门开关的重要控制及接口设备，主要实现接受屏蔽门状态信号和向屏蔽门发出远程控制信号的功能。在正常情况下，系统处于自动状态，PSC接受信号系统发出的信号，对PSD进行控制，同时反馈门状态信号给信号系统，例

17、如门关闭信号等。就地接口盘（PSL） 就地接口盘是位于上行线站台和下行线站台出站端的控制盘，可以向控制室发出命令，通过控制室PSC向同侧的DCU发出开关门信号。所有站台均需要设置一个PSL，与列车正常停车时驾驶室的门相对应，乘务员可以手动操作PSL按钮进行屏蔽门的开关。2.2 地铁屏蔽门系统的功能要求地铁屏蔽门系统的主要功能是控制和监控两大功能。2.2.1 地铁屏蔽门系统的控制功能屏蔽门控制系统采用三级控制方式，由优先级从低到高排列有：系统级控制、站台级控制和手动操作6-7。系统级控制通常应用于列车正常运行时，由列车门控系统直接对屏蔽门进行操作控制。列车进站且停在允许误差范围内时，屏蔽门系统接

18、受门控系统发送的开关门指令，中央接口盘通过通信系统接收命令并通过DCU实现相应动作。站台级控制分为两种情况。在列车运行出现紧急情况时，工作人员可以经授权控制车控室的综合后备盘（IBP）对屏蔽门进行开关操作；在列车非运行维护阶段，可以由维护人员在PSL上对屏蔽门进行操作。手动操作是在屏蔽门操作机构发生故障时工作人员或乘客对屏蔽门进行的操作，发生这种情况是，工作人员可以用钥匙打开屏蔽门或乘客用开门把手打开屏蔽门。2.2.2 地铁屏蔽门系统的监控功能地铁屏蔽门系统的监视功能主要包括：收集屏蔽门的操作模式、屏蔽门的运行状态、屏蔽门的锁闭和互锁解除、障碍物探测、故障报警等信息，并与上位机监控界面建立动画

19、链接，将屏蔽门运行过程中的各个信息直观表示出来；同时还提供参数修改、数据下载以及远程控制的操作手动按钮。通过现场总线，每侧站台屏蔽门中的设备信息都被传送到每个屏蔽门控制子系统的PSC上，可以通过手提电脑从PSC上查询到设备的当前状态。PSC将与运营相关的屏蔽门状态及故障信息、通过电缆或光缆通道发送至EMCS(机电设备控制系统)进行状态、故障显示,EMCS系统的车站控制室工作站可实现屏蔽门相关状态的查询及故障报警,并可以利用屏蔽门系统传送的数据进行运营月报表生成、运营故障记录等。 地铁屏蔽门系统对障碍物检测的功能要求地铁屏蔽门系统对于障碍物检测的功能应满足一下要求34：1、 手动解锁关门延迟时间

20、：0s30s可调；2、 障碍物检测次数：1次5次可调；3、 障碍物检测间隔时间：0s2s可调；4、 重关门延迟停顿时间：0s10s可调；5、 障碍物探测后滑动门打开度：零至最大净开度。2.4 电机的选型屏蔽门系统要求其电机驱动系统需要具有宽调速范围、高可靠性的特点，直流电机具有优良的控制性能，所以直流电机被广泛应用于各大驱动装置中。上世纪90年代，电子技术和可编程逻辑器件的广泛应用，极大地推动了永磁无刷直流电机控制技术的发展89。无刷直流电机内部没有电刷和换向器，其转子一般由永磁体构成,，用多相绕组的定子取代电枢，用固态逆变器和轴位置检测器组成的电子换相器取代机械换相器和电刷。无刷直流电机既具

21、有直流电机控制简单，优良的调速性能，且不会失步的优点，又具有交流电机运行效率高，体积小，维护方便等特点，因此被广泛应用于大多数伺服系统如驱动，机器人，机床等装置中10。在屏蔽门控制系统中，我们选择无刷直流电机作为伺服电机。2.5 地铁屏蔽门系统的总体设计方案通过上述对地铁屏蔽门功能的描述可以看出，PCS和PSL都是通过DCU实现屏蔽门运行参数的逻辑运算过程，通过DCU 发送控制命令控制电机运行和调速控制，再通过机械传动带动屏蔽门进而实现对屏蔽门的控制。12同时DCU会将屏蔽门运行中出现的相关信息反馈到监控界面，为工作人员实时提供系统的运行状态，方便工作人员对紧急的系统故障作出及时反应。由此确定

22、地铁屏蔽门系统设计框图如图所示。图 地铁屏蔽门系统设计框图在地铁屏蔽门系统中，DCU门控单元作为整个系统的核心，一方面PSC的控制命令需要先发送到DCU，再通过驱动电路向电机发送命令来控制屏蔽门的运行；另一方面还需要将屏蔽门运行过程中的各种信息反馈给上位机PSC。除此之外，还给出了手动控制模式，用于屏蔽门故障时以及系统维护等非正常运行状态，根据屏蔽门的功能需求，该设计方案可以满足屏蔽门系统的要求。3 地铁屏蔽门系统关键技术的研究3.1 地铁屏蔽门障碍物探测实现方法的研究3.1.2 红外光幕的探测原理红外光幕是通过控制系统同时控制红外发射器发送信号和红外接收器接收信号，并将接收管探测到的信号反馈

23、给控制系统，这样就形成一个保护回路。如果该回路出现故障，红外光幕就会发出报警13。就一束红外光线来说，红外光线照射到红外传感器会使传感器产生一定的电流，正常情况下，发射器发射的红外光线会被接收器完全接收，此时输出正常信号，若红外光线被障碍物遮挡，则该电流就会发生相应的变化，输出报警信号31。我们通常选用特定的红外光源，且在接收端红外传感器前钱加装滤波片以防止杂光干扰，使其电流值变化更加明显。红外光幕是由多束红外光束在同一个平面上平行或交错构成的一面光墙，若有障碍物遮挡住该光墙的红外光，就可产生信号实现障碍物的探测功能32。构成红外光幕的红外光束示意图如图 3.1 所示。其中，图3.1(a)为直

24、线扫描模式下的光束示意图；图3.1(b)为交叉扫描模式下的光束示意图。(a) 直线扫描模式下的光束示意图 (b) 交叉扫描模式下的光束示意图图3.1 构成红外光束示意图在直线扫描模式下，系统只接收与红外发射管相对应的红外接收管的信号，当控制系统对每一对红外发射管和接收管按照一定周期进行循环扫描时，会形成了一面由平行的红外光束组成的红外光幕。在这种模式下，平行光束之间的距离则不会被扫描到，因此成为扫描盲区。在交叉扫描模式下，由于红外发射管发出的光束具有较大的发射角，因此红外发射管发出的光纤不光会被相对应的红外接收管所接收到，还会被相邻的多组红外接收管接收到，因此当一个红外发射管发射红外光束时，控

25、制多个红外接收管依次接收该发射管发射的光束，并对每条光束按照一定周期进行循环扫描，也会形成一面由交叉光束组成的红外光幕。在这种模式下，由于有了交叉光束，安装的红外发射管和红外接收管会明显少于直线扫描模式。 图给出了相邻两对发射管互不干扰的条件，发射管的发射角为，发射管与接收管之间的距离为L，则可以计算出相邻两对发射管互补干扰的最小距离d25。d=L×tan2图3.2 相邻两对发射管互不干扰条件3.1.3 地铁屏蔽门障碍物探测的实现在地铁屏蔽门系统红外光幕系统中，由于红外发射器和接收器安装在地铁屏蔽门两侧，因此发射器和接收器的距离会随着屏蔽门之间的距离变化而变化，如果发射器发射的光源是

26、恒定的，当屏蔽门之间的距离变化时，距离较近时接收器有可能出现接收强光而饱和，距离较远时，接收器接收到的光较弱则会使接收器产生误判。因此，在地铁屏蔽门安装红外光幕时，需要对光源的光强进行控制，使接收器接收到的光强基本保持一个恒定值。我们可以采用可调电压对发光二极管进行供电33。通过单片机编程进行供电电压的调节，其原理框图如图3.3所示。图3.3 实现红外光幕原理框图红外光幕的红外发射和接收通路数目理论上最大可有215 个，考虑到地铁屏蔽门的高度和红外光幕上下通路之间的间距，一般不会超过64 个；而地铁屏蔽门的有效探测区域为1 900 mm(宽)×2 000 mm(高)，故红外光幕能探测

27、到的最小障碍物直径约为30 mm28。3.1.4 屏蔽门障碍物探测流程在滑动门关闭期间，如果滑动门门扇探测到障碍物，该滑动门停止关闭（其他滑动门继续关闭）。该滑动门卸掉加紧力，处于自由状态，便于解脱被夹的人或物。经过一定时间的延迟等待（在 010s 内可调）后，门将尝试再次关闭。在尝试关闭三次（次数可调）后，如果障碍物还没有被排除，滑动门处于自由状态，门状态指示灯闪烁。此时，可通过站台工作人员排除障碍物，手动关闭且锁定滑动门；也可通过 SIG、PSL 或 IBP 重新发送开门命令，然后发送关门命令，门将以低速自动关闭1。屏蔽门障碍物探测流程图如图所示。图3.4 屏蔽门障碍物探测流程图3.2 无

28、刷直流电机调速控制技术的研究3.2.1 无刷直流电机调速控制策略系统实现全数字双闭环控制，内环是电流环、外环是速度环。其中，速度环控制器采用模糊PID 控制算法; 电流环控制器采用PID 控制算法; 这样就可以使电流紧紧跟随速度控制器的输出，防止系统扰动。28系统中PWM 占空比的控制量是先通过给定转速与速度反馈量比较后形成偏差，经速度环控制器调节后产生电流参考量，然后与电流反馈量比较并形成偏差，最后经电流环调节器调节后形成。系统通过速度环的模糊PID 控制算法和电流环的PID 控制算法的有效结合，使系统具有较强的鲁棒性和适应性，确保速度主被控量的控制质量30。图3.4 无刷直流电机的控制策略

29、框图3.2.2 模糊PID控制器的设计3.2.3 模糊PID控制器的编辑模糊PID控制器参数整定的仿真4 地铁屏蔽门系统的设计及仿真参考文献1 劳运敬 地铁屏蔽门控制系统的研究D.广州:华南理工大学,2011.2 向骏. 城市轨道交通站台屏蔽门系统电气设计J.建筑电气,2006, 25(2): 21-25.3 岑永明. 地铁屏蔽门系统的工程技术及其应用D.华南理工大学,2010.4 朱伟峰,丁剑红,叶倩,等.屏蔽门安装前后地铁车站室内环境的比较J.全国暖通空调制冷 2008年学术年会论文集, 2008.5 梁永波. 地铁屏蔽门控制系统介绍J. 科技资讯, 2009 (19): 69-69.6

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