基于城市軌道交通無人駕駛技術(shù)的站臺門系統(tǒng)與信號系統(tǒng)接口設(shè)計與測試

李景虎

(上海申通地鐵集團(tuán)有限公司，201103，上海∥高級工程師)

城市軌道交通無人駕駛技術(shù)發(fā)展迅速，其信號系統(tǒng)采用CBTC(基于通信的列車控制)或ATC(列車自動控制)系統(tǒng)。為滿足全自動駕駛要求，對站臺門系統(tǒng)的可靠性、安全性及可維護(hù)性要求越來越高。目前，信號系統(tǒng)和站臺門系統(tǒng)的控制方式由通過硬線的電平信號控制逐步向硬線信號和通信信號相結(jié)合控制升級轉(zhuǎn)變。從安全性角度考慮，接口也按關(guān)鍵信號和非關(guān)鍵信號進(jìn)行相應(yīng)劃分，且關(guān)鍵信號接口必須滿足SIL4(安全性等級4)的要求。

以海外地鐵設(shè)計為例，站臺門與信號系統(tǒng)的接口信號通常包括關(guān)鍵信號和非關(guān)鍵信號。其中，關(guān)鍵信號包括DEC(門使能信號)與安全回路信號，非關(guān)鍵信號包括 DOC(開門信號)和滑動門單元的網(wǎng)絡(luò)信號。站臺門中央控制柜(PCC)負(fù)責(zé)整個車站站臺門控制和監(jiān)視信號的傳輸。因此，本文需要深入研究關(guān)鍵信號的安全設(shè)計，以及非關(guān)鍵信號的可靠性設(shè)計和測試驗證。

1 信號系統(tǒng)與站臺門系統(tǒng)接口

信號系統(tǒng)與站臺門系統(tǒng)的關(guān)鍵信號接口主要負(fù)責(zé)傳輸DEC和安全回路信號，就安全性保證來說，站臺門DEC設(shè)計主要滿足防止意外開門的需求，站臺門安全回路信號設(shè)計主要滿足防止列車與站臺門之間夾人夾物的需求。

DEC為控制站臺門開門和關(guān)門的前提條件，以側(cè)為單位，其采用繼電器控制信號通過硬線發(fā)出控制允許信號。該信號通常來源于列車占軌等列車在站檢測信號。只有收到控制允許信號的情況下，才允許站臺門開啟；否則，乘客將有跌落軌道或進(jìn)入軌行區(qū)的安全風(fēng)險。該信號通常用作站臺門門鎖解鎖或電機(jī)得電的前提條件。

安全回路信號包括滑動門(PDM)和靜態(tài)門(PEE(應(yīng)急門)+PFP(端門))的關(guān)閉鎖緊信號，由整側(cè)門體的關(guān)閉鎖緊信號串聯(lián)而成。只有確保所有站臺門均已關(guān)閉、鎖緊信號有效，且無人員進(jìn)入軌行區(qū)時，才能導(dǎo)通安全回路、發(fā)出站臺門安全回路信號，進(jìn)而允許列車發(fā)車；否則，會有夾人夾物的事故發(fā)生。

關(guān)鍵信號接口的設(shè)計必須滿足SIL4要求。列車信號接口示意圖如圖1所示。其中，PDM信號中既有DEC信號也有安全回路信號，而靜態(tài)門信號僅有安全回路信號。相應(yīng)的，安全回路需分為滑動門安全回路和靜態(tài)門安全回路，并獨(dú)立設(shè)置接口。

圖1 信號接口示意圖

非關(guān)鍵信號包含與門控制相關(guān)的DOC(開門信號)和門狀態(tài)相關(guān)的反饋信號。DOC也為通過硬線傳輸?shù)碾娖叫盘枺靡钥刂普九_門的打開和關(guān)閉。當(dāng)DOC為1時，滑動門打開，當(dāng)DOC為0時，滑動門關(guān)閉。這一設(shè)計應(yīng)用廣泛，其安全性等級可達(dá)到SIL2以上。其他非關(guān)鍵信號可通過信號系統(tǒng)與站臺門系統(tǒng)之間的網(wǎng)絡(luò)接口實現(xiàn)交互，用于狀態(tài)監(jiān)視和故障診斷。接口信號見表1。需注意的是， PCC機(jī)柜同時監(jiān)測兩側(cè)站臺。

表1 接口信號列表

站臺門系統(tǒng)在每站配備1臺PCC機(jī)柜用于與信號系統(tǒng)接口。CBTC或ATC與站臺門系統(tǒng)的交互包含表1中的所有信號。為了縮短接口路由，通常建議PCC機(jī)柜、OCS機(jī)柜及CLP機(jī)柜設(shè)于站臺設(shè)備房內(nèi)，既能減少控制信號的壓降，又能通過通信路由來保證通信數(shù)據(jù)的可靠性。標(biāo)準(zhǔn)接口接線數(shù)量為：對于網(wǎng)絡(luò)信號，需在站臺共配置2根網(wǎng)線(1根為冗余線)；對于通過硬線傳輸?shù)姆顷P(guān)鍵信號DOC，需在每側(cè)站臺設(shè)置1根2-硬線；在通過硬線傳輸?shù)年P(guān)鍵信號中，需在每側(cè)站臺設(shè)置1根4-硬線用于DEC傳輸，需在每側(cè)站臺設(shè)置2根4-硬線用于安全回路信號傳輸。

2 接口的設(shè)計與測試

2.1 接口電路設(shè)計

2.1.1 關(guān)鍵信號接口電路

圖2為每側(cè)站臺的站臺門與信號系統(tǒng)接口電路原理圖。由圖2可知，雙方采用“誰使用誰供電”原則；站臺門系統(tǒng)為DEC的接收方，對DEC信號回路供電；當(dāng)DEC為高電平(常開觸點(diǎn)保持閉合)時，CBTC系統(tǒng)的繼電器通電。DEC是與站臺門解鎖相關(guān)聯(lián)的安全互鎖命令，被視為對安全至關(guān)重要的信號，通過故障導(dǎo)向安全的設(shè)計和設(shè)備來實現(xiàn)。DEC通過雙切電路，繼電器雙段及觸點(diǎn)串聯(lián)電路，保證任何單點(diǎn)故障不會導(dǎo)致信號誤觸發(fā)；其采用高可靠性的2路繼電器電路可保證電路功能的可靠性。CBTC或ATC系統(tǒng)負(fù)責(zé)控制來自2個獨(dú)立繼電器的2對無源觸點(diǎn)(圖2中使能觸點(diǎn))：當(dāng)CBTC或ATC系統(tǒng)使能信號繼電器得電時，站臺門控制使能信號繼電器正負(fù)供電回路導(dǎo)通，使能繼電器得電，允許站臺門開門；站臺門命令控制信號應(yīng)為1個持續(xù)的電平信號；當(dāng)站臺門檢測到障礙物時，站臺門必須打開。在站臺門打開過程中及保持打開狀態(tài)的時間段內(nèi)，DEC應(yīng)始終保持直至站臺門打開到位。

在允許列車駛離站臺之前，CBTC或ATC系統(tǒng)評估的安全標(biāo)準(zhǔn)之一是確認(rèn)該側(cè)站臺PSD(站臺門)系統(tǒng)的所有滑動門和靜態(tài)門均已關(guān)閉并鎖定。為此，站臺門系統(tǒng)將負(fù)責(zé)在每側(cè)站臺向CBTC系統(tǒng)或ATC系統(tǒng)提供CLS-AD(關(guān)閉鎖緊信號-滑動門)及CLS-SD(關(guān)閉鎖緊信號-固定門)：當(dāng)滑動門關(guān)閉并鎖定(常開觸點(diǎn)保持關(guān)閉)時，PSD繼電器通電；當(dāng)靜態(tài)門關(guān)閉和鎖定(常開觸點(diǎn)保持關(guān)閉)時，PSD繼電器通電。該電路借鑒雙切回路設(shè)計，基于收發(fā)回路雙段的原理，實現(xiàn)了電路的安全性和可靠性。

DEC和安全回路信號為行車安全的關(guān)鍵信號，必須僅通過安全導(dǎo)向的設(shè)計來開發(fā)，并通過安全導(dǎo)向的設(shè)備來實施。為了有效地實現(xiàn)接口的安全性， CBTC或ATC系統(tǒng)與站臺門系統(tǒng)之間交互的信號應(yīng)為持續(xù)信號，并可被雙重切斷。 站臺門系統(tǒng)的每個4線安全回路信號(上、下行滑動門和靜態(tài)門安全回路)傳輸均通過2個獨(dú)立繼電器。且每個繼電器均具有1個常開無源觸點(diǎn)和1個常閉無源觸點(diǎn)(見圖2)。CLS-AD和CLS-SD信號均通過已定義的方波編碼進(jìn)行傳輸收發(fā)，而不再僅僅是1個電平信號。采用方波編碼傳輸可避免因信號或接口的不穩(wěn)定而導(dǎo)致的誤觸發(fā)情況?？紤]不同的故障模式，方波編碼傳輸方式通過雙切回路方波來收發(fā)數(shù)據(jù)組編，以判斷信號是否異常。

圖2 關(guān)鍵信號接口電路圖

如圖3所示，根據(jù)方波收發(fā)現(xiàn)象，可進(jìn)行故障檢測判斷：當(dāng)2路安全回路導(dǎo)通時，信號接收方波與信號發(fā)射方波一致；當(dāng)兩路安全回路斷開時，信號接收方波與信號發(fā)射方波呈互斥方波；當(dāng)安全回路繼電器信號出現(xiàn)開路時，方波發(fā)射器和方波接收器均無法正常收發(fā)數(shù)據(jù)；當(dāng)安全回路繼電器出現(xiàn)觸點(diǎn)短路時，方波發(fā)射器能進(jìn)行數(shù)據(jù)發(fā)送，但方波接收器無法接收方波數(shù)據(jù)。

圖3 安全回路信號

2.1.2 非關(guān)鍵信號接口電路

圖4為單側(cè)站臺站臺門與信號系統(tǒng)的非關(guān)鍵信號接口原理圖。

圖4 非關(guān)鍵信號接口電路圖

為了控制站臺門的開啟，CBTC或ATC系統(tǒng)對每個站臺發(fā)出非關(guān)鍵公共信號DOC。該信號不是安全信號，而僅是功能信號。 CBTC或ATC系統(tǒng)通過1個無電壓觸點(diǎn)來實現(xiàn)對DOC的傳輸(見圖4)。當(dāng)DOC為高電平時，將執(zhí)行開門動作。其余非關(guān)鍵信號可依據(jù)Modbus TCP/IP協(xié)議進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)傳輸，這些非關(guān)鍵信號由每個滑動門單元的控制器監(jiān)測，并通過現(xiàn)場總線將與PCC進(jìn)行信息交互反饋；PCC將信息轉(zhuǎn)化后與信號系統(tǒng)交互。非關(guān)鍵信號的功能描述如表2所示。

表2 非關(guān)鍵信號的功能描述

根據(jù)線路全自動駕駛場景分析，站臺門與列車門的聯(lián)動也是避免出現(xiàn)安全事故的關(guān)鍵方向之一。

在列車門與站臺門的開關(guān)門控制中，均需考慮如何避免乘客意外進(jìn)入軌行區(qū)。DIR和LOS即為“對位隔離”信號的依據(jù)。

在全自動駕駛線路UTO(無人值守的無人駕駛)模式及ATO(列車自動運(yùn)行)模式下，站臺門與列車門均具備“對位隔離”功能：信號系統(tǒng)向站臺門系統(tǒng)實時報告列車門的相關(guān)隔離信息，站臺門系統(tǒng)也向信號系統(tǒng)實時發(fā)送站臺門隔離信息。當(dāng)列車門發(fā)生故障時，列車門被隔離，信號系統(tǒng)將故障門的隔離信息發(fā)送給站臺門系統(tǒng)，站臺門對應(yīng)的滑動門不打開；當(dāng)站臺門發(fā)生故障時，對應(yīng)的列車門也不打開，從而實現(xiàn)“對位隔離”。在交互的信息中，需包含門號地址和隔離信息，以實現(xiàn)門號定位和控制。

站臺門系統(tǒng)設(shè)計中，LOS為站臺門的隔離發(fā)出信號。當(dāng)站臺門被隔離時， LOS為1，站臺門控制器將LOS通過現(xiàn)場總線反饋至中央控制盤的PCC監(jiān)控主機(jī)，并由PCC實現(xiàn)與信號系統(tǒng)之間的通信交互。當(dāng)列車門被隔離時，DIR為1，站臺門系統(tǒng)收到DIR為1的信號后，主動將對應(yīng)滑動門進(jìn)行軟隔離，禁止門打開。同理，列車門也將DIR和LOS作為對位隔離功能的判斷和執(zhí)行條件。

2.2 接口的測試實施細(xì)則

在測試DEC及DOC等硬線信號時， 先由CBTC或ATC系統(tǒng)發(fā)出相應(yīng)信號，再通過檢測PSD繼電器線圈兩端電壓，來驗證該信號是否有效傳輸至站臺門系統(tǒng)。當(dāng)檢測到繼電器線圈兩端電壓持續(xù)為DC 24 V左右時，可判斷信號系統(tǒng)使能或開門信號有效；當(dāng)繼電器線圈兩端電壓為0時，判斷信號系統(tǒng)使能或開門信號未發(fā)出；當(dāng)繼電器線圈兩端電壓低于DC 24V時，判斷信號系統(tǒng)發(fā)出了控制信號，但可能存在壓降或電壓偏低的情況。通常，繼電器線圈兩端電壓只有接收信號繼電器的工作電壓范圍內(nèi)，方能判斷信號為有效信號。

故障模擬：在測試時，通過模擬接口任何1個單點(diǎn)故障(如使能繼電器A觸點(diǎn)強(qiáng)制斷開)，來檢測接口電路是否有效。

基于接口電路硬件設(shè)計原理，在測試CLS-AD及CLS-SD時，接口設(shè)備均為繼電器接口，故通過檢測繼電接口電壓來判斷信號是否有效。基于安全回路監(jiān)測通過方波收發(fā)原理，根據(jù)設(shè)計原則，參照圖3進(jìn)行故障模擬導(dǎo)向測試。CLS-AD及CLS-SD的信號有效性判斷如表3所示。

表3 滑動門安全回路及靜態(tài)門安全回路的信號有效性判斷

對于網(wǎng)絡(luò)信號，根據(jù)Modbus TCP/IP 協(xié)議，本研究利用調(diào)試軟件進(jìn)行測試。通過模擬站臺門的狀態(tài)，檢查CBTC或ATC系統(tǒng)相應(yīng)的寄存器點(diǎn)位是否被賦值；在信號系統(tǒng)接收端，通過對收發(fā)數(shù)據(jù)的監(jiān)聽，驗證數(shù)據(jù)通信是否正常、數(shù)據(jù)內(nèi)容是否正確；反之，通過CBTC或ATC系統(tǒng)發(fā)出的命令，檢查站臺門系統(tǒng)相應(yīng)寄存器點(diǎn)位的值是否正確跳變。

3 結(jié)語

在未來，站臺門系統(tǒng)與信號系統(tǒng)的信息交互一定會日趨可靠、穩(wěn)定，站臺門與車輛之間的信息交互將會更加密切。本研究為了更好地滿足智慧城軌、智慧站臺的需求，適用于智慧站臺信號系統(tǒng)和站臺門系統(tǒng)之間接口設(shè)計及測試方法，在全自動駕駛線路的應(yīng)用上提高功能的安全性和可靠性。