地铁屏蔽门系统中的物理学知识

0 前言

地铁是一种特殊的铁路运输形式,是一种以地下为主、根据环需要有时会在郊区或其他地区转成地上运行的、高密度、高运量的城市轨道交通系统。十九世纪六十年代,伦敦花了三年时间修建了世界上第一辆地铁,首年的载运客量达到近千万。由于当时科技条件落后,很多设施还比较简陋,甚至地铁需要用蒸汽机车牵引。随着科技的飞速发展,地铁的规模、载客量、安全性、舒适度也不断提高,现在,地铁已经成为了人民生活中最喜爱的出行方式之一。

地铁有强大的安全系统来保证其安全有效的运行,其中,大家最熟悉的就是地铁屏蔽门系统。为了营造一个安全舒适的候车环境,科学家和工程师们用连续的玻璃屏将地铁站台包围起来,达到将候车室与轨道行车区间隔离开的目的,同事可以防止候车室的冷空气流失。玻璃的局部可以开启和关闭,实现旅客上下车的目的。屏蔽门是一种先进的环境控制模式,具备节能、安全、环保的的特点,最早出现在二十世纪八十年代。中国第一个屏蔽门于2003年广州地铁二号线上诞生,此后,上海、深圳、北京等地铁公司相继效仿。时至今日,地铁屏蔽门系统的科技含量越来越高,成为了地铁安全系统中最重要的环节之一。

1 地铁屏蔽的分类

屏蔽门主要有两类,封闭式和开式,而开式屏蔽门又叫安全门,分为全高式和半高式。

封闭式屏蔽门是指玻璃幕墙将候车室完全包围起来,形成一个完全封闭玻璃笼子。只有当列车到达月台,中央控制系统将电动门打开,乘客可以通过该电动门上下车,当乘客上下车完成后,电动门关闭。

开式全高屏蔽门与封闭式屏蔽门有类似的结构,只是上下不封顶,门体下部根据需要来设置通风通道。开式半高屏蔽门高度只有全高式屏蔽门的一半,它同样可以防止特殊乘客落轨事件的发生。开式屏蔽门为了降低成本,没有将月台密封起来,因此无法防止月台冷气或暖气流失,特别是半高式屏蔽门适合没制冷系统的车站或者预算较低时选用。

2 地铁屏蔽门的作用以及物理学原理

地铁屏蔽门在地铁运行系统中的作用至关重要,极大程度上影响了乘客的乘坐体验以及整个地铁运行的能耗。接下来,笔者从地铁屏蔽门的设计特点入手,并且与所学物理学知识相结合,分析其功能。

2.1 提高意外事件的响应速度

要理解屏蔽门提高响应速度这一重要作用,要先从屏蔽门系统控制系统来分析。控制系统就像人体的结构一般,该系统由中央控制盘、远程监控设备、紧急控制盘、就地控制盒、门机控制器组成。中央控制盘如同大脑,收集并命令所有的设备工作;远程监控设备就像眼睛,观察设备运行状态;就地控制盒和紧急控制盘就像很长胳膊,在收到大脑的命令后或者是紧急情况下打开或关闭屏蔽门;门机控制器就是系统的双手,用于执行大脑的命令。

在了解屏蔽门的控制系统后,还要了解屏蔽门自身的探测系统。红外光幕探测和激光探测是现在地铁使用比较多的两种探测方法。红外光幕由两部分组成:红外发射和接收装置,两个装置分别安装在玻璃门的两侧,一侧发射另一侧接收,当玻璃门打开时,便形成一个无形的屏幕。当玻璃门关闭后检测装置开启,若接收器无法收到正常的信号,则说明有障碍物阻断了光幕,工作人员会收到警报会快速做出应对措施。激光探测系统的工作原理与红外光幕类似,这里就不再赘述。区别在于激光束的方向远远超过红外光幕,传输效率非常高,同时激光单色性极好,抗干扰能力也远超过红外光幕。因此,现在新修建的地铁,大多使用激光探测系统。

如此完善的控制系统和探测系统,保证了系统能对突发事件作出快速、准确、有效的响应,以免造成不必要的伤害。

2.2 提高安全性,减少意外事件发生的概率

在列车未到站之前,屏蔽门是关闭的,从而保证了特殊人群(如老人和小孩等)不会进入列车形式区间。而在地铁即将进驻时,高速行驶的列车导致了空气的快速流动。依据著名的伯努利方程:

式中ρ、h、g分别是空气的密度、垂直高度和重力加速度,不会改变;C为常量;p和v分别指空气的压强和速度,可以随着环境改变。

在这个过程中,空气的密度、高度和常量都是保持不变,可以得到结论:当列车开进车站时,行车区间的空气流速急剧增加,从而压强减小,而站台的压强保持不变。那么站台与行车区间之间就形成了一个巨大的压强差,若没有屏蔽门的保护,站台上的设备和人,都可能被压强差推入行车区间,造成严重的安全事故。1905年的鄂洛多克车站的惨案正是因为巨大的压强差把工作人员推入了火车的行车区间,造成了34人死亡,4人终生残疾的悲剧。所以地铁安全系统除安全门之外,还设有安全线,也是为了减小压强差带来的影响。

文章来源：《中国医学物理学杂志》 网址: http://www.zgyxwlxzz.cn/qikandaodu/2021/0413/528.html