城市軌道交通站臺門間隙探測系統(tǒng)的信號控制邏輯分析

曹啟濱

(北京市地鐵運營有限公司， 100044, 北京∥高級工程師)

城市軌道交通車站站臺門、列車車門(以下簡稱“雙門”)的間隙存在著夾人夾物的安全隱患。當(dāng)城市軌道交通線路采用FAO(全自動運行)模式時，列車和站臺均取消了人工瞭望確認(rèn)作業(yè)。雙門間無機械或電氣的直接控制接口，由信號系統(tǒng)控制雙門的開關(guān)門聯(lián)動。信號系統(tǒng)僅作為全線列車運行的控制系統(tǒng)，并不具備對雙門的空隙進(jìn)行探測的能力，因此需加裝站臺門間隙探測系統(tǒng)，對雙門的間隙進(jìn)行充分探測，在確保間隙內(nèi)無異常情況后，列車方可安全發(fā)車。

1 站臺門間隙探測系統(tǒng)概述

1.1 站臺門間隙探測系統(tǒng)主要功能

在有人駕駛模式下，列車在站臺完成乘客乘降作業(yè)后，由車載信號系統(tǒng)控制雙門關(guān)閉。經(jīng)人工確認(rèn)雙門關(guān)閉且雙門的間隙內(nèi)無夾人夾物后，司機將列車駛離車站。但是，由人工確認(rèn)雙門間隙的過程存在視覺盲區(qū)，國內(nèi)的城市軌道交通線路中曾發(fā)生過因列車車門或站臺門銜夾異物造成發(fā)車剮蹭事故，以及列車車門或站臺門夾人未被及時發(fā)現(xiàn)而造成嚴(yán)重的乘客傷亡事故。

新一代軌道交通采用FAO模式，不再需要人工介入操作，雙門間隙內(nèi)是否有異物銜夾的探測工作也被站臺門間隙探測系統(tǒng)取代。因此，采用站臺門間隙探測系統(tǒng)對雙門間隙進(jìn)行探測，是確保乘客安全和列車行車安全、實現(xiàn)站車一體化的關(guān)鍵技術(shù)措施。

2019年7月27日我國交通運輸部公布的《城市軌道交通運營險性事件信息報告與分析管理辦法》中，明確將“夾人夾物動車造成客傷”列為城市軌道交通主要的運營險性事件。為了防止此類事件的發(fā)生，新建的軌道交通項目須增加站臺門間隙探測系統(tǒng)，用以對雙門間空隙進(jìn)行監(jiān)測，防止雙門關(guān)閉后因夾人夾物造成客傷。

站臺門間隙探測系統(tǒng)常用的方式包括激光探測和雷達(dá)探測。這兩種探測方式的控制原理類似，本文以激光探測為例予以說明。激光探測方式下，站臺門間隙探測系統(tǒng)采用光通路中斷報警的監(jiān)測原理。激光具備良好的方向性，在站臺門的頭端布置1組激光發(fā)射設(shè)備，在站臺門的尾端布置對應(yīng)的激光接收設(shè)備，通過檢測接收端對激光的接收情況來判斷光路中間是否有障礙物存在。發(fā)射端和接收端都布置數(shù)個并列的對射孔，用于探測不同高度的遮擋物。

如圖1所示，整個探測光路中沒有障礙物存在時，在接收端可以探測到發(fā)射端發(fā)送的完整激光序列；當(dāng)有障礙物存在時，接收端將不能探測到發(fā)射端發(fā)射的完整激光序列，從而可判斷出被遮蔽的可能危及行車安全的異物的高度及范圍。因此，激光探測方式判斷雙門間隙內(nèi)是否存在異常狀況的標(biāo)準(zhǔn)是激光接收端是否檢測到激光信號，即：接受到激光回射時視為間隙內(nèi)無障礙物；無激光回射時，認(rèn)為雙門間隙“異?！?，間隙內(nèi)存在障礙物。

圖1 站臺門間隙探測系統(tǒng)激光對射原理示意圖

雷達(dá)探測的原理與激光探測的原理類似。雷達(dá)反射波通過電信號驅(qū)動繼電器以指令方式將探測結(jié)果發(fā)送給信號系統(tǒng)。

1.2 站臺門間隙探測系統(tǒng)與信號系統(tǒng)的接口

站臺門間隙探測系統(tǒng)的啟動時機為雙門關(guān)閉后、列車發(fā)車前。為此，站臺門探測系統(tǒng)應(yīng)與信號系統(tǒng)有接口，且該接口應(yīng)獨立于雙門系統(tǒng)。接口設(shè)備可采用國產(chǎn)的安全型繼電器，接口設(shè)計應(yīng)符合“故障-安全”原則，接口間采用信號電纜連接，接口信息以繼電器狀態(tài)作為控制及反饋。

信號系統(tǒng)提供2組繼電器接點，用以發(fā)送“間隙探測系統(tǒng)啟動”、“間隙探測系統(tǒng)停止”信息，由站臺門間隙探測系統(tǒng)提供驅(qū)動電源。站臺門間隙探測系統(tǒng)提供2組繼電器接點，用以發(fā)送“間隙探測系統(tǒng)旁路”、“障礙物檢測狀態(tài)”信息，由信號系統(tǒng)提供驅(qū)動電源。

1.3 站臺門間隙探測系統(tǒng)的控制方式

站臺門間隙探測系統(tǒng)根據(jù)工作狀態(tài)分為主控模式和旁路模式兩種。

1.3.1 主控模式

1) 啟動探測過程：當(dāng)信號系統(tǒng)及站臺門間隙探測系統(tǒng)的主控模式工作正常時，車載信號系統(tǒng)主機檢測到在站列車雙門由開啟狀態(tài)轉(zhuǎn)為關(guān)閉且鎖緊狀態(tài)后，通過車地?zé)o線傳輸系統(tǒng)向軌旁聯(lián)鎖系統(tǒng)發(fā)送啟動探測命令；軌旁聯(lián)鎖系統(tǒng)通過繼電器信息向站臺門間隙探測系統(tǒng)傳遞啟動探測命令。

2) 探測結(jié)果為“無障礙物”：站臺門間隙探測系統(tǒng)持續(xù)探測并實時向軌旁聯(lián)鎖系統(tǒng)反饋探測結(jié)果；聯(lián)鎖系統(tǒng)通過繼電器信息采集得到探測結(jié)果為“無障礙物”后，向車載信號系統(tǒng)轉(zhuǎn)發(fā)該結(jié)果；車載信號系統(tǒng)判定列車具備發(fā)車條件后，允許列車起動離站。

3) 探測結(jié)果為“異?！保喝粽九_門間隙探測系統(tǒng)探測到雙門間存在障礙物時，則持續(xù)向軌旁聯(lián)鎖系統(tǒng)反饋障礙物信息；軌旁聯(lián)鎖系統(tǒng)向車載信號系統(tǒng)轉(zhuǎn)發(fā)障礙物信息；車載信號系統(tǒng)命令列車在站停車。

1.3.2 旁路模式

在站臺門間隙探測系統(tǒng)發(fā)生設(shè)備故障、探測不靈敏、與信號系統(tǒng)接口失靈等情況下，應(yīng)選用旁路模式，以實現(xiàn)互鎖解除。其具體操作為：站臺門間隙探測系統(tǒng)通過人工操作旁路開關(guān)(經(jīng)過授權(quán)的人員在車站內(nèi)進(jìn)行操作)，向信號系統(tǒng)發(fā)送站臺門間隙探測系統(tǒng)處于“旁路”狀態(tài)的信息，用以解除站臺門間隙探測系統(tǒng)與信號系統(tǒng)的互鎖關(guān)系。信號系統(tǒng)將采集到的“旁路”狀態(tài)作為列車是否具備發(fā)車的條件，此時由人工確認(rèn)站臺門間隙內(nèi)是否有障礙物。

1.3.3 異常場景

1) 再次打開/關(guān)閉命令：若已關(guān)閉的列車車門或站臺門再次打開且信號系統(tǒng)已發(fā)送探測啟動命令，則車載信號系統(tǒng)發(fā)送探測停止命令，終止本次探測。直至雙門恢復(fù)“關(guān)閉且鎖緊”狀態(tài)后，車載信號系統(tǒng)再次發(fā)送探測啟動命令。

2) 系統(tǒng)反饋超時：若站臺門間隙探測系統(tǒng)啟動探測后，超過規(guī)定時間(如5 s)仍未向車載信號系統(tǒng)反饋探測結(jié)果，則信號系統(tǒng)按照“故障-安全”原則，禁止在站列車發(fā)車，并在行車監(jiān)控界面ATS上向工作人員發(fā)出“探測到異物禁止發(fā)車，需人工現(xiàn)場確認(rèn)”的提示信息。

2 站臺門間隙探測系統(tǒng)與信號系統(tǒng)控制時序分析

站臺門間隙探測系統(tǒng)正常工作時與信號系統(tǒng)間的控制時序如圖2所示。其具體的控制邏輯如下：①地面聯(lián)鎖信號系統(tǒng)收到雙門均關(guān)閉的信息；②地面聯(lián)鎖信號系統(tǒng)向站臺門間隙探測系統(tǒng)發(fā)送啟動探測命令，此時繼電器動作耗時T1(百毫秒級)；③站臺門間隙探測系統(tǒng)接到啟動探測命令后開啟激光探測裝置，經(jīng)T2(百毫秒級)后進(jìn)入探測狀態(tài)；④經(jīng)過探測判斷確認(rèn)無障礙物后，勵磁反饋繼電器耗時T3(2～5 s)，將探測結(jié)果發(fā)送給信號系統(tǒng)；⑤車載信號系統(tǒng)采集到探測結(jié)果為“無障礙物”后，對持續(xù)穩(wěn)定高電平進(jìn)行確認(rèn)，延時T4(3 s左右)，待具備其他發(fā)車條件后列車起動；⑥車載信號系統(tǒng)確認(rèn)列車零速信號消失后，命令列車起動并向站臺門間隙探測系統(tǒng)發(fā)出停止探測指令，此時探測尚未停止；站臺門間隙探測系統(tǒng)接收到停止探測命令后，延時T5(1～2 s)，探測停止。至此，一個完整的雙門間隙探測流程完成。

圖2 站臺門間隙探測系統(tǒng)與信號系統(tǒng)間的控制時序示意圖

3 站臺門間隙探測系統(tǒng)信號控制邏輯方案對比分析

3.1 接口設(shè)計方案分析

站臺門與列車車門間并無直接的接口。如果將站臺門間隙探測系統(tǒng)完全交給站臺門進(jìn)行探測管理，而站臺門并不掌握列車的車門狀態(tài)，將無法確定站臺門間隙探測系統(tǒng)探測的開啟和關(guān)閉時機，由此存在列車車門狀態(tài)未知而造成探測不充分的問題。因此，信號系統(tǒng)作為雙門“聯(lián)絡(luò)”和“統(tǒng)籌”的中間設(shè)備，由其對站臺門間隙探測系統(tǒng)進(jìn)行管理，是較為合理的選擇。

3.2 探測停止的時機分析

站臺門間隙探測系統(tǒng)停止探測的時機，可以有兩種選擇：

1) 將列車起動(非零速)作為發(fā)出停止探測指令的時機。此時，雙門關(guān)閉后的間隙探測已經(jīng)完整、充分，雙門不會再次開啟，因而不存在人/物闖入雙門間隙的可能性，列車可以安全發(fā)車。圖2的探測流程采用了此方式。

2) 將列車全列離開站臺區(qū)域作為發(fā)出停止探測指令的時機。若采用此時機停止探測，將增加探測的時間。當(dāng)信號系統(tǒng)與站臺門間隙探測系統(tǒng)接口中斷、信號系統(tǒng)無法向站臺門間隙探測系統(tǒng)發(fā)送停止探測命令時，可利用此方式作為發(fā)出停止探測命令的補充方法。此方式應(yīng)當(dāng)充分考慮列車運行時因車體擺動誤觸發(fā)探測告警的可能，避免因此發(fā)生列車緊急停車、影響發(fā)車效率的情況。

3.3 站臺門間隙探測系統(tǒng)對發(fā)車效率的影響

有人駕駛模式下，從司機關(guān)門開始到司機完成發(fā)車前確認(rèn)(確認(rèn)雙門間隙無障礙物)，再到列車起動，整個流程約需20 s，較熟練的司機可以將時間壓縮至17 s左右。增設(shè)站臺門間隙探測系統(tǒng)后，列車發(fā)車流程總耗時不應(yīng)超出原有的作業(yè)時間，F(xiàn)AO模式下的探測時間應(yīng)進(jìn)一步壓縮。障礙物探測應(yīng)與發(fā)車作業(yè)環(huán)節(jié)同步實施，不可因探測作業(yè)增加列車停站耗時。為此，需進(jìn)一步研究站臺門間隙探測系統(tǒng)探測障礙物的優(yōu)化措施。

3.4 旁路狀態(tài)及列車發(fā)車確認(rèn)

站臺門間隙探測系統(tǒng)是獨立于信號系統(tǒng)之外的光機電結(jié)合的監(jiān)測新技術(shù)，其設(shè)備為新設(shè)備，探測系統(tǒng)的穩(wěn)定性、可靠性是制約列車發(fā)車、影響運營效率的關(guān)鍵因素。因此，有必要設(shè)置相關(guān)的旁路環(huán)節(jié)，以實現(xiàn)互鎖解除，確保列車順利發(fā)車。

站臺門間隙探測系統(tǒng)旁路指令是指車站工作人員確認(rèn)雙門間無障礙物后向信號系統(tǒng)發(fā)布的旁開監(jiān)測系統(tǒng)的指令信息。特別是FAO線路中沒有司機瞭望環(huán)節(jié)，在站臺門間隙探測系統(tǒng)發(fā)布探測結(jié)果為“異?！睍r，必須增加人工確認(rèn)環(huán)節(jié)，由車站工作人員現(xiàn)場確認(rèn)雙門間隙內(nèi)無障礙物后，方可使用互鎖解除，切不可未經(jīng)人工確認(rèn)擅自將探測系統(tǒng)調(diào)整到旁路模式并命令列車發(fā)車。

站臺門間隙探測系統(tǒng)旁路與站臺門互鎖解除之間的關(guān)系要明確。站臺門可能會發(fā)生故障卡滯、無法關(guān)閉的情況，為了保證運營安全，需要人工對站臺門進(jìn)行互鎖解除。實施站臺門互鎖解除，相當(dāng)于向信號系統(tǒng)反饋了站臺門的鎖閉指令，此時應(yīng)繼續(xù)觸發(fā)站臺門間隙探測指令，在確認(rèn)雙門間隙內(nèi)無障礙物后再命令列車發(fā)車。

4 站臺門間隙探測系統(tǒng)的應(yīng)用場景及發(fā)展方向

站臺門間隙探測系統(tǒng)是保證行車安全、乘客安全、列車安全的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，也是FAO模式下替代人工操作的補強環(huán)節(jié)。該系統(tǒng)的投用將增加城市軌道交通線路運營安全的防護(hù)水平，提高探測雙門間隙內(nèi)安全風(fēng)險的技防能力。

在站臺門間隙探測系統(tǒng)的使用過程中，需要結(jié)合實際運營情況對系統(tǒng)的可靠性與穩(wěn)定性進(jìn)行評估。特別是配備了站臺門間隙探測系統(tǒng)的新建城市軌道交通工程，在新線開通初期，由于探測系統(tǒng)設(shè)備的穩(wěn)定性尚需磨合，且系統(tǒng)易受到隧洞間粉塵等外界因素的影響，可能會出現(xiàn)系統(tǒng)誤判的情況，進(jìn)而造成發(fā)車晚點，運營指標(biāo)值明顯下滑。為此，建議仔細(xì)評估站臺門間隙探測系統(tǒng)的投運方式與安全行車效能間直接的制約關(guān)系。

現(xiàn)有站臺門間隙探測系統(tǒng)的主要功能為對雙門間隙夾人夾物情況進(jìn)行探測。由于其探測范圍具有局限性，該探測系統(tǒng)并不能對全車、運營全過程進(jìn)行異物侵限檢查，因此不可將其定位為障礙物全息感知系統(tǒng)，可將該探測系統(tǒng)視為FAO模式下局部范圍的功能補強。

采用FAO后，可進(jìn)一步提升城市軌道交通系統(tǒng)的智能化水平，實現(xiàn)無人干預(yù)的自主感知駕駛。下一代的城市軌道交通列車將配備毫米波雷達(dá)、無線及紅外等先進(jìn)的探測技術(shù)及設(shè)備，有望在參考無人駕駛汽車技術(shù)基礎(chǔ)上實現(xiàn)城市軌道交通列車全車的主動感知。因此，F(xiàn)AO線路不應(yīng)局限于現(xiàn)有的站臺門間隙探測和站臺區(qū)域的異物探測等安全保障措施，而應(yīng)放眼于列車運行全過程的自主安全感知，以主動實現(xiàn)列車在停站、乘降及運行等作業(yè)環(huán)節(jié)全過程的安全。