地鐵信號(hào)系統(tǒng)的接口設(shè)計(jì)分析

張 濤

（中鐵二院工程集團(tuán)有限責(zé)任公司，成都 610031）

地鐵信號(hào)工程設(shè)計(jì)的一個(gè)主要特點(diǎn)是接口專業(yè)工種多，除了需要與建筑、結(jié)構(gòu)、軌道、線路、供電等專業(yè)配合，相互提交計(jì)算參數(shù)以滿足安全和功能需求，預(yù)留相應(yīng)的安裝接口條件外，還需要與通信、車站監(jiān)控、電力監(jiān)控、屏蔽門(mén)、防淹門(mén)、試車線、車輛等諸多機(jī)電系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)安全可靠的電氣接口，以滿足控制、監(jiān)視的功能需求。然而，不同系統(tǒng)設(shè)備間的電氣接口設(shè)計(jì)，由于涉及到相關(guān)諸多專業(yè)、不同硬件設(shè)備、不同信息定義和接口協(xié)議，因此成為工程實(shí)施中最為薄弱、最易出現(xiàn)差、錯(cuò)、漏等嚴(yán)重問(wèn)題的環(huán)節(jié)，直接影響到信號(hào)系統(tǒng)功能的實(shí)現(xiàn)甚至涉及到行車安全，因此正確解決系統(tǒng)間接口問(wèn)題是設(shè)計(jì)過(guò)程中的一個(gè)重要的關(guān)鍵過(guò)程。本文通過(guò)對(duì)Siemens公司的準(zhǔn)移動(dòng)閉塞ATC信號(hào)系統(tǒng)與相關(guān)機(jī)電系統(tǒng)電氣接口的接口硬件、信息定義、接口協(xié)議的技術(shù)分析，以便對(duì)系統(tǒng)接口產(chǎn)生更深認(rèn)識(shí)，為實(shí)現(xiàn)其他閉塞制式信號(hào)系統(tǒng)與相關(guān)機(jī)電系統(tǒng)的安全、可靠接口提供積極有益的借鑒。

1 系統(tǒng)概述

Siemens公司準(zhǔn)移動(dòng)閉塞ATC信號(hào)系統(tǒng)分為：（1）聯(lián)鎖系統(tǒng)：采用專為地鐵系統(tǒng)設(shè)計(jì)的SICAS計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖系統(tǒng)；（2）ATP/ATO系統(tǒng)：采用LZB 700M系統(tǒng)，其中軌道電路為數(shù)字報(bào)文無(wú)絕緣軌道電路（FTGS）；（3）ATS系統(tǒng)：中央采用VICOS OC 501系統(tǒng)，顯示屏為背投投影儀，車站ATS采用VICOS 101系統(tǒng)。

2 列車自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)（ATS）

2.1 系統(tǒng)組成

2.1.1 中央ATS系統(tǒng)

ATS控制中心設(shè)備采用VICOS OC 501控制系統(tǒng)，是標(biāo)準(zhǔn)的硬件和系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)，服務(wù)器采用SUN工作站和UNIX操作系統(tǒng)，之間通過(guò)雙100 MB以太局域網(wǎng)連接。ATS局域網(wǎng)中使用TCP/IP通信協(xié)議，由2臺(tái)以太網(wǎng)交換機(jī)實(shí)現(xiàn)路由功能。

熱備冗余通信服務(wù)器、主數(shù)據(jù)管理服務(wù)器/備用數(shù)據(jù)管理服務(wù)器，以及中央和車輛段人機(jī)界面工作站，均采用高速SUN Blade 100工作站，標(biāo)準(zhǔn)的SUN系列硬件，10/100 Mbit Ethernet LAN接口。

過(guò)程耦合單元（PCU）采用高可靠性的SIMATIC S5-155H控制器，用于實(shí)現(xiàn)車站遠(yuǎn)程終端系統(tǒng)（RTU）與中央通信服務(wù)器（COM）之間的信息傳輸，同時(shí)還負(fù)責(zé)與SICLOCK、EMCS、SCADA等系統(tǒng)的接口。

2.1.2 車站ATS系統(tǒng)

（1）LOW工作站

采用FUJITSU/SIEMENS PC，19″彩色顯示器、鼠標(biāo)、鍵盤(pán)，Windows NT，通過(guò)Profibus總線與RTU連接，用于監(jiān)控本聯(lián)鎖區(qū)的車站。

（2）遠(yuǎn)程終端單元

采用SIMATIC S5-155H雙機(jī)熱備可編程控制器，通過(guò)冗余的Profibus總線與SICAS聯(lián)鎖和LOW相連接，通過(guò)單Profibus DP與PIIS、DTI、LCP相連接，通過(guò)通信傳輸網(wǎng)與PCU進(jìn)行冗余的串行點(diǎn)對(duì)點(diǎn)連接。

2.2 與相關(guān)系統(tǒng)的接口

2.2.1 與無(wú)線系統(tǒng)接口

無(wú)線傳輸系統(tǒng)在控制中心與信號(hào)的PCU相連接，該鏈路采用異步、點(diǎn)對(duì)點(diǎn)串行4線RS-422數(shù)據(jù)接口通道，用幀格式在2個(gè)通信設(shè)備間傳輸信息，鏈路速率9 600 Baud。

列車由車輛段進(jìn)入正線、列車進(jìn)入車輛段、列車轉(zhuǎn)線、列車進(jìn)入車站、列車折返等情況下ATS發(fā)送的報(bào)文如下：（1）列車服務(wù)號(hào)及列車識(shí)別號(hào)；（2）頭部車無(wú)線電臺(tái)號(hào)；（3）尾部車無(wú)線電臺(tái)號(hào)；（4）乘務(wù)組號(hào)；（5）當(dāng)前線路號(hào)。

2.2.2 與車站設(shè)備監(jiān)控（EMCS）接口

EMCS系統(tǒng)與信號(hào)系統(tǒng)PCU之間的數(shù)據(jù)傳輸采用4線RS-422數(shù)據(jù)接口，鏈路為半雙工，傳輸速率9 600 Baud。

為控制隧道通風(fēng)設(shè)備的工作，ATS監(jiān)視與追蹤系統(tǒng)應(yīng)監(jiān)督每個(gè)隧道區(qū)段內(nèi)的列車非計(jì)劃停留時(shí)間，如果列車占用隧道軌道電路的時(shí)間超過(guò)某一限定值，ATS通信服務(wù)器（COM-Server）應(yīng)通過(guò)PCU向EMCS系統(tǒng)發(fā)送警報(bào)信息。

2.2.3 與電力監(jiān)控（SCADA）系統(tǒng)接口

SCADA系統(tǒng)與信號(hào)系統(tǒng)PCU之間的數(shù)據(jù)傳輸采用4線RS-422數(shù)據(jù)接口，鏈路為全雙工，傳輸速率38 400 Baud。

用于在ATS系統(tǒng)與SCADA系統(tǒng)之間傳輸牽引供電的狀態(tài)信息，以使ATS系統(tǒng)能夠顯示牽引供電的狀態(tài)。PCU向SCADA系統(tǒng)循環(huán)發(fā)送數(shù)據(jù)請(qǐng)求報(bào)文，在收到無(wú)錯(cuò)數(shù)據(jù)請(qǐng)求報(bào)文后，SCADA系統(tǒng)向PCU發(fā)送所有牽引供電的狀態(tài)信息。每個(gè)牽引供電分區(qū)用兩位數(shù)據(jù)描述，8個(gè)牽引供電分區(qū)的狀態(tài)可用1個(gè)數(shù)據(jù)字來(lái)描述。牽引供電狀態(tài)數(shù)據(jù)字描述如表1所示。

2.2.4 與時(shí)鐘系統(tǒng)接口

GPS主時(shí)鐘系統(tǒng)在控制中心通過(guò)串行接口與信號(hào)系統(tǒng)無(wú)線時(shí)鐘（SICLOCK）相連接，采用2線RS-485數(shù)據(jù)接口，傳輸速率9 600 Baud。

用于在SICLOCK與GPS主時(shí)鐘系統(tǒng)間傳輸時(shí)間信息，該信息使得ATS系統(tǒng)能夠利用GPS主時(shí)鐘系統(tǒng)提供的時(shí)間信息，同步VICOS OC 501工作站、PCU、RTU和SICAS聯(lián)鎖設(shè)備。SICLOCK內(nèi)包含1個(gè)內(nèi)部時(shí)鐘，當(dāng)GPS主時(shí)鐘信號(hào)發(fā)生故障時(shí)，信號(hào)系統(tǒng)則通過(guò)SICLOCK時(shí)鐘傳輸器的內(nèi)部時(shí)鐘來(lái)實(shí)現(xiàn)同步。

2.2.5 與車輛段聯(lián)鎖系統(tǒng)接口

假設(shè)車輛段計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖系統(tǒng)通過(guò)通信傳輸網(wǎng)與正線車站的RTU相聯(lián)接，采用4線RS-422數(shù)據(jù)接口，鏈路為全雙工，傳輸速率38 400 Baud。

雙方的通信方式為主從方式，RTU向車輛段計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖循環(huán)發(fā)送數(shù)據(jù)請(qǐng)求報(bào)文，在收到無(wú)錯(cuò)數(shù)據(jù)請(qǐng)求報(bào)文后，車輛段計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖向RTU發(fā)送車輛段軌道電路狀態(tài)信息，以便ATS系統(tǒng)能夠顯示車輛段軌道電路的狀態(tài)。

3 正線聯(lián)鎖系統(tǒng)

3.1 系統(tǒng)組成

正線聯(lián)鎖系統(tǒng)按故障－安全、高可靠性的SIMIS原則進(jìn)行設(shè)計(jì)，其基本部件包括工作站、聯(lián)鎖計(jì)算機(jī)（三取二）、聯(lián)鎖執(zhí)行計(jì)算機(jī)（二取二）、電子接口模塊和相關(guān)現(xiàn)場(chǎng)元件，如轉(zhuǎn)轍機(jī)、信號(hào)機(jī)、數(shù)字軌道電路設(shè)備等。聯(lián)鎖計(jì)算機(jī)執(zhí)行常規(guī)的聯(lián)鎖功能，通過(guò)STEKOP和DSTT電子接口模塊直接控制和監(jiān)督室外設(shè)備，完成軌道空閑檢測(cè)、進(jìn)路控制、道岔控制和信號(hào)機(jī)控制功能。

3.2 與相關(guān)系統(tǒng)的接口

3.2.1 SICAS聯(lián)鎖系統(tǒng)間的連接

各聯(lián)鎖站SICAS聯(lián)鎖系統(tǒng)間的聯(lián)鎖連接通過(guò)聯(lián)鎖總線連接邏輯實(shí)施，幾個(gè)聯(lián)鎖區(qū)域由1個(gè)聯(lián)鎖集中控制，如圖1所示。

3.2.2 與防淹門(mén)接口

（1）對(duì)防淹門(mén)狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)督，確保列車安全，即排列包含防淹門(mén)的進(jìn)路（含防護(hù)進(jìn)路）必須連續(xù)檢查防淹門(mén)的開(kāi)啟狀態(tài)；一旦防淹門(mén)失去開(kāi)啟狀態(tài)表示，有關(guān)進(jìn)路不能建立；已建立的進(jìn)路將立即關(guān)閉其防護(hù)信號(hào)。

（2）確定關(guān)閉防淹門(mén)的時(shí)機(jī)：收到關(guān)閉防淹門(mén)的請(qǐng)求后，立即對(duì)防淹門(mén)進(jìn)行防護(hù)，關(guān)閉有關(guān)信號(hào)機(jī)；確認(rèn)防淹門(mén)接近區(qū)段沒(méi)有列車或列車已在防淹門(mén)外停住，且隧道內(nèi)軌道空閑后，向防淹門(mén)控制人員發(fā)出允許關(guān)門(mén)信號(hào)。

SICAS聯(lián)鎖系統(tǒng)與防淹門(mén)接口電路采用故障-安全原則設(shè)計(jì)的繼電電路，如圖2所示。

3.2.3 與屏蔽門(mén)的接口

（1）正向運(yùn)行列車，只有列車停在站臺(tái)區(qū)，并滿足站臺(tái)屏蔽門(mén)對(duì)停車精度要求的情況下，才允許列車向列車車門(mén)和站臺(tái)屏蔽門(mén)發(fā)送開(kāi)門(mén)命令；在停站時(shí)間結(jié)束后由列車向列車車門(mén)及屏蔽門(mén)發(fā)出關(guān)門(mén)命令，車門(mén)和屏蔽門(mén)均已關(guān)閉，并收到車門(mén)和屏蔽門(mén)均處于關(guān)閉狀態(tài)信息后，才允許啟動(dòng)列車。

（2）正向運(yùn)行的列車在地下設(shè)屏蔽門(mén)的車站停車誤差超過(guò)±0.5 m時(shí)，信號(hào)ATP將實(shí)施保護(hù),不允許開(kāi)車門(mén)和站臺(tái)屏蔽門(mén)。正常情況下，站臺(tái)屏蔽門(mén)的“開(kāi)啟”和“關(guān)閉”均受信號(hào)系統(tǒng)設(shè)備控制，只有從信號(hào)系統(tǒng)接收到“開(kāi)門(mén)”或“關(guān)門(mén)”指令并傳送到PSC時(shí)，屏蔽門(mén)才能打開(kāi)或關(guān)閉。

（3）在屏蔽門(mén)狀態(tài)信息不能有效地傳輸?shù)叫盘?hào)系統(tǒng)時(shí)，站臺(tái)工作人員可在站臺(tái)端部的局控盤(pán)上向信號(hào)ATP系統(tǒng)送出“互鎖解除”的信息。

3.2.4 與車輛段之間的聯(lián)鎖接口

正線車站與車輛段之間出、入段線的聯(lián)鎖接口電路按敵對(duì)照查條件進(jìn)行設(shè)置。出、入段聯(lián)絡(luò)線均納入正線控制范圍，并按雙線雙方向運(yùn)行、列車作業(yè)方式設(shè)計(jì)。為確保列車的出、入段能力與正線列車追蹤間隔相適應(yīng)，出、入段線正向按120 s閉塞設(shè)計(jì)劃分閉塞分區(qū)，列車的出、入段作業(yè)按追蹤方式進(jìn)行,裝設(shè)與正線相同的ATP/ATO設(shè)備，列車進(jìn)入出、入段線后可按ATO或ATP監(jiān)督下的人工模式運(yùn)行。接入正線運(yùn)行不影響正線120 s的運(yùn)行間隔。列車轉(zhuǎn)換軌設(shè)置在出、入段線上車輛段側(cè)，如圖3所示。

4 列車自動(dòng)防護(hù)和列車自動(dòng)駕駛系統(tǒng)（ATP/ATO）

4.1 系統(tǒng)組成

ATP/ATO系統(tǒng)由車載設(shè)備和軌旁設(shè)備組成，軌旁設(shè)備采用LZB 700M系統(tǒng)、FTGS數(shù)字音頻無(wú)絕緣軌道電路、同步定位（SYNCH）單元和PTI軌旁車地信息傳輸單元，車載設(shè)備由ATP、ATO/PTI車載單元和司機(jī)人機(jī)接口MMI以及OPG、PTI和ATP天線組成。

ATP軌旁單元采用SIMIS 3216計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，提供運(yùn)營(yíng)所需的高標(biāo)準(zhǔn)存儲(chǔ)容量和計(jì)算容量。SIMIS計(jì)算機(jī)系統(tǒng)為三取二的配置，在ATP軌旁設(shè)備中存儲(chǔ)了線路參數(shù)（線路坡度，軌道區(qū)間的長(zhǎng)度，區(qū)間速度限制，區(qū)間臨時(shí)速度限制等），并與計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖系統(tǒng)進(jìn)行進(jìn)路設(shè)置和進(jìn)路狀態(tài)的信息交換，從FTGS軌道電路接收軌道空閑/占用狀態(tài)信息，接收“無(wú)人駕駛折返按鈕”、緊急停車按鈕的輸入信息，向列車發(fā)送駕駛指令。

4.2 與車輛的接口

4.2.1 接口界面

原則上，車輛提供信號(hào)車載設(shè)備安裝空間、支架等安裝輔助裝置，并提供信號(hào)車載設(shè)備與車輛的連接電纜、車輛側(cè)的電氣連接器等。

為確保PIS系統(tǒng)信息的傳送和車輛美觀，車載播放控制器、分屏器、顯示屏、攝像頭、電源以及布線由車輛制造商配套提供，如圖4所示。其中，淺灰色為信號(hào)設(shè)備，深灰色為車輛設(shè)備。

4.2.2 電氣接口

（1）ATO數(shù)字/模擬輸出

ATO數(shù)字/模擬輸出，見(jiàn)表2所示。

表2 ATO數(shù)字/模擬輸出表

（2）數(shù)字輸入

在車輛不能提供MVB總線的情況下，條件輸入見(jiàn)表3。其中，24 V供電電壓由ATP/ATO提供，需要浮動(dòng)接點(diǎn)。

表3 非MVB總線的情況下的數(shù)字輸入表

（3）模擬信號(hào)

模擬信號(hào)為1個(gè)0～20 mA的輸出，但是只有4～18 mA的范圍用做線性設(shè)定值，等于設(shè)定值的0～100％，0～2 mA的范圍以及大于19～20 mA的范圍被認(rèn)為無(wú)效。2～4 mA的范圍用于0％的設(shè)定值，而18～19 mA的范圍用于100％的設(shè)定值。

（4）ATP數(shù)字靜態(tài)輸入

ATP數(shù)字靜態(tài)輸入見(jiàn)表4。

表4 ATP數(shù)字靜態(tài)輸入

5 結(jié)論

接口專業(yè)多、技術(shù)復(fù)雜是地鐵信號(hào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的難點(diǎn)，也是工程實(shí)施中的重點(diǎn)，既有與行車組織、線路專業(yè)的信息交換接口，又存在與土建、軌道、車輛等專業(yè)的安裝接口，同時(shí)還存在與機(jī)電和弱電系統(tǒng)的電氣接口。因此在工程實(shí)施的初期，就必須詳細(xì)列出所有接口的明細(xì)表，并進(jìn)行分類、歸納，明確實(shí)施時(shí)間。在實(shí)施中除必須對(duì)接口硬件、信息定義、接口協(xié)議進(jìn)行認(rèn)真分析、研究，提出正確的解決方案外，還須對(duì)雙方接口進(jìn)行檢查和測(cè)試，以確保接口的安全、正確和可靠。

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