张银龙

中铁第四勘察设计院集团有限公司，武汉，430063

0 引言

市域铁路是“高铁之内，地铁之外”的城市综合交通体系重要组成部分，更是联通城市中心、辐射周边地区的未来交通主流模式，为乘客提供全程安全、便捷、贴心的运输服务[1]。实现公交化运营，资源共享互联互通，与高速铁路、城际铁路、地铁无缝衔接，是市域铁路发展的趋势。站台门是提高乘客出行效率，确保乘客候车安全的重要车站设备。

市域铁路站台门与传统地铁站台门最显著的区别主要表现在两个方面：①多种模式互联互通、多种车型混跑混行工况下，站台门需实现对不同车型、不同开门位置的自动适应，并为乘客候车提供智慧引导；②列车高速过站时，地下车站将产生较大的活塞风冲击，对站台门的结构强度提出了很高的要求。

1 国内外技术及存在问题分析

站台门是乘客候车的安全屏障，为了适应多种车型停靠要求，日本、欧洲国家、中国在工程应用中进行了有效的探索和研究。

1.1 日本适应多车型站台门

为了适应多种车型停靠要求，日本科研团队对站台防护方案进行了研究，将站台门分为平移式和升降式[2]两种。

(1)平移式蜂窝铝板。其显著特点是通过将站台边缘退后一定距离来吸收列车门位置和停车精度误差，实现乘客的顺利乘降，具体应用情况如表1所示，蜂窝铝板型站台门如图1所示。

表1 日本高铁安全门站台边缘退后距离设置情况Tab.1 The setting of the back distance for the platform edge of Japanese high-speed railway

图1 平移式蜂窝铝板Fig.1 Translational honeycomb aluminum plate

(2)升降式绳索栏杆的显著特点是采用简易升降绳索或栏杆装置进行安全防护，可以满足多种车型混跑时列车停靠要求，此种防护方式施工周期短，建设成本低，如图2所示。

图2 升降式绳索栏杆Fig.2 Lifting rope railing

1.2 欧洲国家适应多车型站台门

欧洲国家由于客流量少、运营车型相对单一，车站通常不设置站台门系统，如图3所示。

图3 欧洲国家高铁车站Fig.3 European country high-speed railway station

从国外既有站台门设计情况来看，他们主要通过简化站台门结构来提升对车型的兼容性，但该方式降低了服务水平，不能实现候车区域轨行区的有效隔断，无法阻挡高速过站风压，存在较大的安全隐患，不能满足我国市域铁路的发展需求。

1.3 中国适应多车型站台门

(1)退后站台边缘设置。我国城际铁路一般都要求设置站台门系统，为了兼容多种车型停靠，国内城际铁路站台门通常设置在站台边缘退后一定距离处，如图4所示。根据调研统计，现有的城际铁路站台门距离站台边缘的距离(退后距离)如表2所示。

图4 站台门退后设置Fig.4 Platform door back setting

表2 中国城际铁路站台门退后设置情况Tab.2 The setting of back disctance for platform doors in China’s intercity railway

(2)套叠滑动门方案。在地下车站，站台门系统设置在站台边缘退后一定距离处，会扩大车站规模，占用地下城市空间，增加建设成本。基于此，国内研发了兼容多车型的套叠滑动门系统，如图5所示。该系统实现了站台门对几种固定车型的兼容。

图5 套叠滑动门Fig.5 Folding sliding door

从国内既有站台门设计情况来看，退后站台边缘设置方案会增加投资成本，而套叠滑动门方案只能满足固定车型组合，具有一定的局限性。

2 列车高速过站时站台门承受的风压分析

列车高速过站时，车站区间将产生极大的风压冲击，地下车站尤为明显，对站台门门体的强度和可靠性提出了很高的要求。为了研究列车高速过站时可产生的最大风压，从而进一步指导站台门的结构设计，需对列车过站工况进行研究。

市域铁路列车运行时周围诱导气流的速度小于当地声速的30%，但在列车通过车站时，车站内空气受强烈挤压，因此需考虑空气的可压缩性。采用基于可压缩非定常的流动模型进行数值模拟[3]。根据流体的连续性特性，车站区间内的气流在高速活塞风冲击下满足质量守恒定律，建立方程如下：

式中，u、v、w分别为速度矢量U在t时刻沿笛卡儿坐标系x、y、z三个坐标方向的分量；ρ为流体密度。

基于动量守恒定律，建立市域铁路黏性、非定常、可压缩流动模式的动量守恒方程[4](即N-S方程)如下：

式中，Su、Sv、Sw分别为气流微元体上的体力；div(ρuU)为求ρuU散度的函数；gradu为求u梯度的函数；μ为空气动力黏度；p为压力。

根据能量守恒定律，列车高速过站冲击过程中，系统的总能量始终保持不变，建立能量守恒方程[5]如下：

式中，k为流体传热系数；cp为质量定压热容；T为温度；ST为热源的热流密度。

本文将列车高速冲击过程中气流流动特性进行简化，并通过有限体积法进行求解[6]。建立的仿真模型如图6所示。网格划分结果如图7所示。

图6 列车表面网格模型Fig.6 Train surface mesh model

图7 地下车站部分网格模型Fig.7 Partial grid model of underground station

在站台门上设置4个风压测点，测点分别设置在两道滑动门和两道应急门的中心位置，如图8所示。针对既有的站台门设置情况，模型按照站台门距离站台边缘距离d分别为1200，1000，800，600，400，200 mm考虑，分别对列车运动速度为120，140，160，180，200 km/h等过站速度工况进行仿真计算，并监测列车运动过程中站台门的压力变化情况。提取对应最高过站速度，退后距离分别为600，800，1000，1200 mm情况下车辆进口位置站台门4个测点处的风压参数进行分析，绘制列车过站风压随进站时间变化曲线，如图9所示。

图8 站台门风压仿真测点Fig.8 Simulation measuring point of platform door wind pressure

(a) d为600 mm和800 mm时

(b) d为1000 mm和1200 mm图9 站台门承受的风压随时间变化曲线Fig.9 The wind pressure on the platform door changes with time

图9a中四条实线为距离站台边缘600 mm处，站台门4个测点风压变化曲线；四条虚线为距离站台边缘800 mm处，站台门4个测点风压变化曲线；图9b中四条实线为距离站台边缘1200 mm处，站台门4个测点风压变化曲线；四条虚线为距离站台边缘1000 mm处，站台门4个测点风压变化曲线。站台门所受最大风压按照对应4个测点中的最大风压值计列。

由图9可以看出，当列车驶入车站区间后，在0～0.5 s时间内，将产生一个极大的压力冲击波。针对站台不同位置风压大小也存在较大差异，具体参数如表3所示。

表3 列车通过车站时站台门所受最大压力统计表Tab.3 Maximum pressure of train passing through platform door of station

为了验证分析结果和分析方法的可靠性，对结果进行了样机试验。利用夜间天窗时间，在距离站台边缘200 mm处安装固定一组站台门风压测试样机，并在站台侧布置位移传感器，在轨道侧与位移传感器对应的位置布置风压传感器，测试在列车通过车站时站台门面上的风压。测试布点如图10所示。

(a) 测点布置

(b) 测试现场图10 站台门测量监测点Fig.10 Platform door measurement and monitoring point

对列车不同过站速度进行多次试验，并将多次测试结果最大值的平均值作为对应过站速度下的风压值，汇总如表4所示。由表4可知，试验风压大小与仿真风压大小差别较小，当列车过站速度超过180 km/h时，站台门承受的风压冲击急剧增大，当过站速度达到200 km/h时，最大风压冲击可达2314 Pa。

表4 站台门风压测试结果Tab.4 Test results of platform door air pressure

3 市域铁路站台门系统

以上海市域铁路机场联络线示范工程为例，线路运营初、近、远期存在4辆、8辆编组市域动车组以及8辆、16辆编组多车型国铁动车组混跑情况，站台门系统按照满足200 km/h高速风压冲击的强度进行设计。列车活塞风压设计最大值取2314 Pa，门体的最大弹性变形量小于等于20 mm。

3.1 升降式站台门设计方案

我国高铁动车组包括CRH1系列、CRH2系列、CRH3系列、CRH5系列、CRH6型城际动车组、CRH380系列、动感号动车组以及CR200/300/400系列的复兴号动车组，不同车型车门位置相互交错。

通过对列车门位置进行分析可知，按照传统的地铁站台门方案布置，存在滑动门与固定门干涉、滑动门与列车门无法对齐等问题。基于此，结合国内外现有技术，本文提出了一种适应多车型的升降式站台门设计方案，并完成了样机试验。升降式站台门由垂直方向两道大宽度门体组成，开启时门体在上方套叠，占用空间小，如图11所示。

图11 升降式站台门系统方案Fig.11 Lifting platform door system scheme

升降式站台门系统门体开度大、结构简单、车型兼容性强，有效满足了我国市域铁路与其他轨道交通互联互通的需求。

3.2 站台门结构分析

根据本工程实际工况要求，对站台门系统进行了详细设计，并结合运行工况特点对其进行了受力分析。通过分析，站台门门体主要承受三种外力冲击：风压载荷、乘客挤压力和冲击力，受力大小如表5所示。

表5 站台门承受的冲击力Tab.5 Impact force of platform door

根据站台门受力情况，建立有限元模型，并进行有限元仿真分析，结果如图12所示。从图12中可以看出，本文设计的站台门系统最大位移为17.03 mm，满足弹性变形量小于等于20 mm要求，表明设计完成的市域铁路站台门系统结构可靠，能够满足列车高速过站风压冲击要求。

(a) 网格划分

(b) 仿真分析图12 站台门门体结构有限元仿真分析Fig.12 Finite element simulation analysis of platform door structure

3.3 站台门多媒体智能候车引导技术

市域铁路存在多编组、多车型混跑情况，站台候车区最长可达450 m，采用地标指引候车，存在不直观、不方便、不智能等问题，不满足市域铁路大客流、快速换乘、公交化运营需求。基于此，本文提出了多媒体智能候车引导技术，在站台门上嵌入智能多媒体系统，实现乘客候车的智能引导。通过获取来自列车调度指挥系统和运输调度管理系统的列车信息(包括运行图、时刻表、调度，命令等)，对数据进行筛选整合并传输给信息接口服务器，再由信息系统将指定显示的信息输送至站台门控制室的PC机终端，最终在站台门上显示。站台门应用多媒体智能候车引导技术可提前获知当前到达车型、门开关位置、列车开往方向、当前车厢位置、到达时间、车厢拥挤度等基本信息。乘客候车时，根据提示信息，提前到达并合理选择候车位置，实现智慧化乘车，可提高乘降效率，乘车体验更优。

3.4 站台门智慧运维技术

站台门是乘客候车安全的屏障，同时也是乘客乘降的通道，门体故障会对运营产生直接的冲击。目前，站台门系统的养护维修模式主要采用故障修和周期修相结合的方法，进行定期维保和故障应急维修，容易造成设备的“欠修”或“过修”。

站台门系统主要包括机械部分和控制部分，其常见的故障有：门体无法打开、电磁锁故障、绝缘失效、滑轮磨损、逻辑控制单元(PEDC)继电器故障、门控单元(DCU)电路板故障和电磁干扰等。具体物理特征表现为：振动加剧、噪声增加、发热升温、受力变大等。基于此，本文以提高设备使用寿命为目标，提出了立足大数据、信息化、智慧化的运维技术及理念，通过对站台门传动机构的振动和噪声、控制回路的电阻及电流、PEDC和DCU等核心控制部件的温度等状态，进行基于“声-热-力-速”的多传感器融合监测(图13)，实时获取设备的运行状态，集中站台门系统长期运行的状态信息和故障数据，构建设备故障状态数据库和知识库，通过机器学习和自进化算法，研究设备状态曲线的阈值，分析设备状态曲线的发展趋势，并实现设备服役状态的预测和故障特征发展趋势的预判。

图13 站台门状态实时监测Fig.13 Real time monitoring of platform door status

应用智慧运维技术，可以准确、及时地对站台门故障进行预判，在故障发生之前对异常零部件进行精准维修或更换，提高设备的可靠性、可用性和使用寿命。

4 结语

本文从国内外研究现状出发，立足我国市域铁路发展趋势，探讨了市域铁路智慧站台门技术，为解决多车型兼容、高速列车过站风压等难题提供了合理的技术方案。本文提出的升降式站台门技术有效提高了车型的适应能力，研究的智能候车引导技术优化了乘降效率、乘车体验，研发的智慧运维技术提高了设备的可靠性、可用性和使用寿命。通过整体结构设计，站台门系统可满足200km/h列车高速过站活塞风冲击,为市域铁路的安全运营和乘客的便捷候车提供了安全保障。