地鐵站臺間隙探測系統(tǒng)與信號系統(tǒng)接口淺析

呂文龍，麻吉泉

(1.北京市軌道交通建設(shè)管理有限公司，北京 100068；2.交控科技股份有限公司，北京 100070)

0 引言

隨著我國經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展和城鎮(zhèn)化建設(shè)加快，地鐵作為城市重要基礎(chǔ)設(shè)施和城市公共交通的骨干，對緩解城市交通擁堵、改善城市環(huán)境、引導(dǎo)優(yōu)化城市空間結(jié)構(gòu)布局發(fā)揮了重要作用。在地鐵各類控制系統(tǒng)中，信號系統(tǒng)作為列車運行控制的“中樞神經(jīng)系統(tǒng)”，是保障列車安全運行的核心。站臺門作為地鐵線路軌行區(qū)與站臺區(qū)的隔離設(shè)備，用于保障乘客與運營線路的安全隔離。列車與站臺門之間不可避免的間隙，會導(dǎo)致特殊情況下乘客被夾在間隙區(qū)域，從而引發(fā)人身危險事故。

為解決這個問題，目前已經(jīng)研發(fā)出基于不同技術(shù)路線的站臺間隙探測系統(tǒng)，實現(xiàn)了對站臺間隙的監(jiān)測，但也存在與信號系統(tǒng)接口不明晰而影響運營效率等問題。

基于以上現(xiàn)狀，本文對站臺間隙探測系統(tǒng)和信號系統(tǒng)間實現(xiàn)更高效的接口銜接進(jìn)行深入研究。

1 間隙探測系統(tǒng)概述

目前，國內(nèi)防護(hù)站臺屏蔽門和列車車門之間間隙的裝置、系統(tǒng)主要有兩大類[1-2]，分別是物理防護(hù)工具和自動間隙探測系統(tǒng)。

物理防護(hù)工具主要通過裝置或司機(jī)人工觀察防止站臺屏蔽門和列車車門之間夾人夾物，屬于預(yù)防性措施，是國內(nèi)大多數(shù)非全自動運行線路普遍使用的方式。但是這類裝置存在站臺門關(guān)閉后，車門異常打開、再關(guān)閉后間隙夾人夾物的情況，以及司機(jī)人工瞭望出錯的問題，具有一定局限性。

自動間隙探測系統(tǒng)是國內(nèi)采用最高自動運行等級(grades of automation,GOA)4級運行的線路中采用的方案。隨著對運營安全需求的提升，對于GOA4級以下線路，站臺屏蔽門與列車車門之間的間隙防護(hù)近年來也逐步得到推廣應(yīng)用。

根據(jù)GB/T 32590.1《軌道交通 城市軌道交通運輸管理和指令/控制系統(tǒng) 第1部分：系統(tǒng)原理和基本概念》要求[3]，列車運行應(yīng)進(jìn)行乘客乘降監(jiān)測，防止乘客在乘降時受到傷害，保障發(fā)車的安全性，并要求自動化等級為GOA4級的線路中應(yīng)由系統(tǒng)自動實現(xiàn)該功能，其他自動化等級下可由系統(tǒng)自動實現(xiàn)該功能。

自動間隙探測系統(tǒng)通常采用紅外、光電檢測技術(shù)[4]，主要功能[5-7]如下。

①與外部系統(tǒng)接口，接收探測工作指令并反饋探測結(jié)果。

②接收外部系統(tǒng)發(fā)出的“啟動探測”“停止探測”指令。

③在異物探測過程中：當(dāng)間隙內(nèi)有異物時，能實時給出“有障礙物”狀態(tài)信息；當(dāng)間隙內(nèi)無異物時，能實時給出“無障礙物”狀態(tài)信息。

④旁路功能[8]。當(dāng)間隙探測系自身出現(xiàn)故障，在人工確認(rèn)安全后可以被旁路。被旁路后，間隙探測系統(tǒng)給出“間隙探測旁路”狀態(tài)信息。

自動間隙探測系統(tǒng)可與信號系統(tǒng)通過直接或間接接口方式，將間隙探測系統(tǒng)的狀態(tài)納入列車運行安全防護(hù)控制中。

2 間隙探測系統(tǒng)防護(hù)范圍分析

站臺間隙探測是針對車站有效站臺范圍內(nèi)是否有乘客或大件物品進(jìn)行探測，信號系統(tǒng)通過接口對探測結(jié)果進(jìn)行相應(yīng)安全防護(hù)。與車站有效站臺范圍相關(guān)的列車運行分為列車進(jìn)站過程、列車在站停車過程、列車關(guān)門發(fā)車及出站過程。車進(jìn)站過程中，通常車門和站臺屏蔽門均為關(guān)閉狀態(tài)。如果有人員進(jìn)入或闖入軌行區(qū)，一般會采用以下方法迫使列車緊急制動：在全自動運行駕駛模式(fully automatic train operating mode,FAM)或蠕動模式(creep automatic mode,CAM)下，激活人員防護(hù)開關(guān)；當(dāng)車地?zé)o線通信條件完好時，在列車自動駕駛模式(automatic mode,AM)、列車自動防護(hù)駕駛模式(coded mode,CM)下按下緊急關(guān)閉按鈕。如果車門或站臺屏蔽門異常打開，信號系統(tǒng)會立即采取相應(yīng)的防護(hù)措施，如基于通信的列車自動控制(communication based train control,CBTC)級別列車緊急制動。因此，該過程無需間隙探測系統(tǒng)進(jìn)行探測，不涉及信號系統(tǒng)與間隙探測系統(tǒng)的聯(lián)動、防護(hù)。

列車停站過程中，列車施加停放制動，車門和站臺屏蔽門均處于打開狀態(tài)，進(jìn)行乘客的乘降作業(yè)。該過程中列車不會移動，且一直有乘客乘降，沒有必要進(jìn)行障礙物探測，也不涉及信號系統(tǒng)與間隙探測系統(tǒng)的聯(lián)動、防護(hù)。

列車關(guān)門發(fā)車及出站過程分為三種情況。

①關(guān)門過程中，因站臺或車廂擁擠，可能會造成乘客或較大物品夾在車門與站臺屏蔽門之間的間隙中。

②列車剛啟動時，車門異常打開，可能出現(xiàn)乘客掉落在車門與站臺屏蔽門之間的間隙中，之后車門再次關(guān)閉并繼續(xù)啟動。

③在列車出站過程中，可能出現(xiàn)關(guān)門后在間隙中未被檢測到的物品隨列車運行而移動、掉落等情況。因此，需要在列車關(guān)門發(fā)車及出站過程中均啟動間隙探測系統(tǒng)進(jìn)行障礙物探測，對信號系統(tǒng)與間隙探測系統(tǒng)聯(lián)動進(jìn)行安全防護(hù)。

通過以上分析，建議間隙探測系統(tǒng)在列車關(guān)門發(fā)車及出站過程中進(jìn)行障礙物探測，由信號系統(tǒng)進(jìn)行相應(yīng)的聯(lián)動和安全防護(hù)。

3 接口方案

結(jié)合全自動和非全自動運行線路、新建及改造工程等的具體工程特點和應(yīng)用需求，信號系統(tǒng)可采取以下三種方案實現(xiàn)與間隙探測系統(tǒng)的接口和安全防護(hù)。

方案一為間接接口方案，通過站臺屏蔽門系統(tǒng)、信號系統(tǒng)與間隙探測系統(tǒng)間接接口[8]。

方案二為間接接口增強方案，在方案一的接口條件中增加車門關(guān)閉且鎖閉狀態(tài)信息。

方案三為直接接口方案，由信號系統(tǒng)與站臺間隙探測系統(tǒng)直接接口。

3.1 間接接口方案

間接接口方案指信號系統(tǒng)僅與站臺屏蔽門系統(tǒng)接口，并通過該接口實現(xiàn)信號系統(tǒng)與站臺間隙探測系統(tǒng)的接口。間接接口方案的系統(tǒng)接口信息如圖1所示。

圖1 間接接口方案的系統(tǒng)接口信息示意圖

在地鐵工程中，信號系統(tǒng)與站臺屏蔽門系統(tǒng)通常采用繼電接口，增加站臺間隙探測系統(tǒng)后，使得信號系統(tǒng)與站臺屏蔽門系統(tǒng)之間的常規(guī)接口信息含義發(fā)生變化。站臺屏蔽門發(fā)送給信號系統(tǒng)的“門關(guān)且鎖閉狀態(tài)*”包含了站臺屏蔽門“門關(guān)且鎖閉狀態(tài)”和間隙探測“有/無障礙物狀態(tài)”。這兩個條件是“與”的關(guān)系，只要有一個條件不滿足，就不能輸出“門關(guān)且鎖閉狀態(tài)*”信息。

站臺屏蔽門發(fā)送的“門旁路狀態(tài)*”包含了站臺屏蔽門“門旁路狀態(tài)”和間隙探測“旁路狀態(tài)”。這兩個條件不是“與”的關(guān)系，僅旁路間隙探測系統(tǒng)不會向信號系統(tǒng)輸出“門旁路狀態(tài)”，但只要旁路站臺屏蔽門系統(tǒng)就會向信號系統(tǒng)輸出“門旁路狀態(tài)”。需要注意的是，必須對站臺屏蔽門狀態(tài)、站臺屏蔽門與車門之間無障礙物等均進(jìn)行人工安全確認(rèn)后，才能通過人工手動操作旁路按鈕向信號系統(tǒng)發(fā)送“門旁路狀態(tài)*”信息。

3.1.1 正常場景

車門與站臺屏蔽門聯(lián)動功能正常、列車進(jìn)站停車進(jìn)行乘客乘降作業(yè)為正常場景。信號系統(tǒng)、站臺屏蔽門系統(tǒng)、間隙探測系統(tǒng)在間接接口方案的正常場景作業(yè)流如圖2所示。

圖2 間接接口方案的正常場景作業(yè)流示意圖

3.1.2 異常場景

間接接口方案的優(yōu)缺點分析如下。

在列車發(fā)車至出站過程中，如果間隙探測系統(tǒng)探測到“有障礙物”，間隙探測系統(tǒng)立即將探測結(jié)果反饋給站臺屏蔽門。即便此時站臺屏蔽門處于“門關(guān)且鎖閉狀態(tài)”，也無法向信號系統(tǒng)發(fā)出“門關(guān)且鎖閉狀態(tài)”信息。待人工打開車門、站臺屏蔽門處理完畢或旁路間隙探測系統(tǒng)后再次關(guān)閉車門、站臺屏蔽門，重新執(zhí)行正常場景作業(yè)流程，條件具備后控制列車發(fā)車。

如果站臺屏蔽門系統(tǒng)故障需要被旁路，在進(jìn)行旁路操作前需要人工確認(rèn)車門和站臺屏蔽門的間隙內(nèi)無乘客或物品，確認(rèn)安全后才可以進(jìn)行站臺屏蔽門系統(tǒng)的旁路操作。

3.1.3 方案分析

①信號系統(tǒng)與站臺屏蔽門系統(tǒng)之間接口簡單，信號系統(tǒng)無需新增接口。

②間接接口方案適用于各種駕駛模式下信號系統(tǒng)對站臺間隙探測系統(tǒng)的防護(hù)。

③由于車門和站臺屏蔽門動作不同步，為了確保探測結(jié)果的準(zhǔn)確性，信號系統(tǒng)需要持續(xù)“無障礙物”狀態(tài)一定時間后才可以控制列車發(fā)車，在一定程度上影響了運營的效率。

④對于信號系統(tǒng)沒有收到“門關(guān)且鎖閉”的狀態(tài)下，間接接口方案無法直接判斷出是站臺屏蔽門系統(tǒng)故障還是間隙探測系統(tǒng)故障，不能給車站值班員、中心調(diào)度員、維護(hù)工作人員明確的站臺屏蔽門或間隙探測系統(tǒng)狀態(tài)信息，不便于故障定位。

⑤間隙探測系統(tǒng)無法在列車駛離站臺區(qū)后收到停止探測指令，只能持續(xù)探測一定時間，無法保證停止探測時列車已完全出清車站有效站臺區(qū)域。

3.2 間接接口增強方案

間接接口增強方案的系統(tǒng)接口信息如圖3所示。

圖3 間接接口增強方案的系統(tǒng)接口信息示意圖

針對間接接口方案的不足，間接接口增強方案是在間接接口方案基礎(chǔ)上，對信號系統(tǒng)與站臺屏蔽門系統(tǒng)之間增加 “車門關(guān)閉且鎖閉狀態(tài)”信息。

當(dāng)車載信號系統(tǒng)收到車輛發(fā)送的“車門關(guān)閉且鎖閉”后，信號系統(tǒng)向站臺屏蔽門系統(tǒng)發(fā)送“車門關(guān)閉且鎖閉狀態(tài)”。此時，站臺屏蔽門系統(tǒng)才向間隙探測系統(tǒng)發(fā)送“啟動探測”指令。待列車出清有效站臺、車載信號系統(tǒng)與聯(lián)鎖系統(tǒng)完成注銷前，車載信號系統(tǒng)停止向站臺屏蔽門系統(tǒng)發(fā)送“車門關(guān)閉且鎖閉狀態(tài)”信息。該狀態(tài)信息的撤銷也是間隙探測系統(tǒng)的“停止探測”指令。

3.2.1 正常場景

與間接接口方案相比，間接接口增強方案對間隙探測系統(tǒng)“啟動探測”和“停止探測”時機(jī)進(jìn)行了優(yōu)化。間接接口增強方案的正常場景作業(yè)流如圖4所示。

圖4 間接接口增強方案的正常場景作業(yè)流示意圖

3.2.2 異常場景

與間接接口方案相同。

3.2.3 方案分析

間接接口增強方案在間接接口方案的基礎(chǔ)上進(jìn)行了一定優(yōu)化，其優(yōu)缺點分析如下。

①信號系統(tǒng)與站臺屏蔽門系統(tǒng)之間接口簡單，信號系統(tǒng)無需新增接口。

②間隙探測系統(tǒng)可以在列車駛離站臺區(qū)后收到停止探測指令，保證列車在出清站臺區(qū)之前都可以進(jìn)行障礙物探測。

③間接接口增強方案僅適用于車地?zé)o線通信良好、信號系統(tǒng)在CBTC控制級別、列車駕駛模式為FAM、CAM、AM、CM模式的情況。

④對于信號系統(tǒng)沒有收到“門關(guān)且鎖閉”的狀態(tài)下，間接接口增強方案無法直接判斷出是站臺屏蔽門系統(tǒng)故障還是間隙探測系統(tǒng)故障，不能給車站值班員、中心調(diào)度員、維護(hù)工作人員明確的站臺屏蔽門或間隙探測系統(tǒng)狀態(tài)息，不便于故障定位。

3.3 直接接口方案

直接接口方案保留信號系統(tǒng)與站臺屏蔽門系統(tǒng)的接口的同時，增加了信號系統(tǒng)與站臺間隙探測系統(tǒng)的接口。站臺屏蔽門系統(tǒng)可以不與間隙探測系統(tǒng)接口。

直接接口方案的系統(tǒng)接口信息如圖5所示。

圖5 直接接口方案的系統(tǒng)接口信息示意圖

3.3.1 正常場景

直接接口方案的正常場景作業(yè)流如圖6所示。

圖6 直接接口方案的正常場景作業(yè)流示意圖

與間接接口方案和間接接口增強方案相比，直接接口方案中信號系統(tǒng)與間隙探測系統(tǒng)單獨接口，間隙探測系統(tǒng)“啟動探測”時機(jī)、“停止探測”時機(jī)以及間隙探測的探測結(jié)果單獨反饋給車載信號系統(tǒng)的信息流向與其他兩各方案不同。

3.3.2 異常場景

為降低間隙探測系統(tǒng)故障對行車的影響，間隙探測系統(tǒng)設(shè)置“互鎖解除”的旁路開關(guān)。當(dāng)間隙探測系統(tǒng)因故障一直匯報“有障礙物”時，可在人工確認(rèn)安全后，通過特殊手段人工對間隙探測系統(tǒng)進(jìn)行旁路操作。信號系統(tǒng)接收到“旁路狀態(tài)”信號后，不再監(jiān)督間隙探測結(jié)果。

3.3.3 方案分析

直接接口方案優(yōu)缺點分析如下。

①信號系統(tǒng)與間隙探測系統(tǒng)單獨接口，減少了接口層級，使信號系統(tǒng)、間隙探測系統(tǒng)、站臺門系統(tǒng)之間的接口更加清晰，便于故障排查和運營快速恢復(fù)。

②間隙探測系統(tǒng)可以在列車駛離站臺區(qū)后收到停止探測指令，保證列車在出清站臺區(qū)之前都可以進(jìn)行障礙物探測。

③直接接口方案僅適用于車地?zé)o線通信良好、信號系統(tǒng)在CBTC控制級別、列車駕駛模式為FAM、CAM、AM、CM模式的情況。

④間隙探測系統(tǒng)進(jìn)入待機(jī)模式后(即信號系統(tǒng)未要求啟動的常態(tài)下)，間隙探測系統(tǒng)向信號系統(tǒng)反饋的探測結(jié)果為“有障礙物”狀態(tài)。由于信號系統(tǒng)未下發(fā)“啟動探測”指令，因此信號系統(tǒng)不處理這種情況下的“有障礙物”狀態(tài)。

⑤間隙探測系統(tǒng)對外反饋的探測結(jié)果只有“有障礙物”和“無障礙物”。但是間隙探測系統(tǒng)的探測傳感器在啟動過程中處于啟動、尚未進(jìn)行探測的狀態(tài)時，間隙探測系統(tǒng)無法給出是否有障礙物的真實探測結(jié)果。因此，為了保證安全，在探測傳感器啟動過程中，間隙探測系統(tǒng)向信號系統(tǒng)發(fā)送“有障礙物”狀態(tài)。

3.4 小結(jié)

通過上述對三個方案的分析以及各自主要特殊點的對比，可得如表1所示的信號系統(tǒng)與間隙探測系統(tǒng)接口方案對比表。

表1 信號系統(tǒng)與間隙探測系統(tǒng)接口方案對比表

通過分析表1可知，三種方案均可以實現(xiàn)信號系統(tǒng)與間隙探測系統(tǒng)之間的接口功能。直接接口方案各系統(tǒng)間接口清晰、故障分析和判斷便捷，在整個出站過程中均進(jìn)行間隙探測，應(yīng)優(yōu)先選擇。在工程實施條件受限的情況下，亦可采用間接接口增強方案或間接接口方案。

4 非正常駕駛模式下的處理策略

本文對于非全自動駕駛模式和信號系統(tǒng)降級模式，提出以下應(yīng)對策略。

①非全自動駕駛模式的處理策略。

在上述三種方案中，全自動駕駛模式下，當(dāng)發(fā)車條件具備則列車自動發(fā)車。對于在需要人工參與的AM、CM模式下，由于列車需要在司機(jī)進(jìn)行確認(rèn)后才能自動發(fā)車，可采用車載信號系統(tǒng)在收到站臺屏蔽門系統(tǒng)的“門關(guān)且鎖閉狀態(tài)”和“無障礙物”狀態(tài)信息后，點亮駕駛臺上的“ATO啟動燈”的策略。司機(jī)人工判斷無風(fēng)險后，緩解牽引切除狀態(tài)，按下司控臺上的“ATO啟動按鈕”后，列車才可以正常發(fā)車。

②信號系統(tǒng)降級模式下的防護(hù)策略。

間接接口增強方案和直接接口方案適用于信號系統(tǒng)在CBTC控制級別，列車駕駛模式為FAM、CAM、AM、CM模式的情況。由于降級模式下不具備車地?zé)o線通信條件，此時對車門與站臺屏蔽門之間間隙的安全防護(hù)須由司機(jī)和站臺站務(wù)人員共同保證，車載信號系統(tǒng)無法進(jìn)行正常防護(hù)。

對于信號系統(tǒng)處于降級模式的情況，可以考慮增加間隙探測系統(tǒng)與聯(lián)鎖系統(tǒng)的接口信息處理。在降級模式下，通過站臺門和間隙探測系統(tǒng)的就地控制盤分別關(guān)閉站臺屏蔽門、啟動間隙探測系統(tǒng)時，如檢測到有障礙物，間隙探測系統(tǒng)向信號系統(tǒng)反饋“有障礙物”信息，聯(lián)鎖系統(tǒng)立即關(guān)閉出站信號機(jī)，以防止列車運行，避免發(fā)生乘客被夾在站臺屏蔽門和列車車門之間的危險事故。

5 結(jié)論

隨著軌道交通技術(shù)裝備水平的不斷提升，特別是全自動運行線路的逐步推廣應(yīng)用，無人值守運行條件對系統(tǒng)的安全性、可靠性和可用性提出了更高的要求。通過站臺間隙探測系統(tǒng)與信號系統(tǒng)的接口設(shè)計，實現(xiàn)系統(tǒng)間的聯(lián)動控制，是保障運營安全、提升運營效率的重要條件。在實際工程設(shè)計中，應(yīng)根據(jù)運營線路特點，選取適合工程實際運行等級、線路應(yīng)用場景的接口方案，以滿足運營實際需求，提升運營安全和效率，從而更好地服務(wù)于城市軌道交通發(fā)展。