馬建軍

（中國(guó)鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司，北京 100081）

為了縮短列車(chē)進(jìn)站及乘客候車(chē)時(shí)間，滿(mǎn)足大客流的出行需求，高速/城際鐵路采用站臺(tái)候車(chē)已成為當(dāng)前旅客服務(wù)研究的熱點(diǎn)問(wèn)題之一[1]。站臺(tái)門(mén)安裝在站臺(tái)邊緣，將站臺(tái)區(qū)與軌行區(qū)隔離，可提高站臺(tái)候車(chē)的安全性和減少站務(wù)人員的工作強(qiáng)度?；诰┥蚩瓦\(yùn)專(zhuān)線(xiàn)（北京—沈陽(yáng)）高速綜合試驗(yàn)，中國(guó)國(guó)家鐵路集團(tuán)有限公司在北京—張家口高速鐵路（簡(jiǎn)稱(chēng)：京張高鐵）的清河站、八達(dá)嶺站和太子城站安裝了站臺(tái)門(mén)控制系統(tǒng)并進(jìn)行了示范應(yīng)用，為實(shí)現(xiàn)高鐵公交化運(yùn)輸、方便旅客乘降組織、提升車(chē)站工作效率、確保旅客安全等創(chuàng)造了條件。

我國(guó)鐵路車(chē)型眾多，車(chē)站站臺(tái)存在多種車(chē)型混合運(yùn)營(yíng)的情況。在多種車(chē)型混合運(yùn)營(yíng)條件下保證高密度行車(chē)與大客流的無(wú)縫對(duì)接，是保證京張高鐵在北京2022 年冬奧會(huì)和冬殘奧會(huì)期間客運(yùn)組織效率和服務(wù)質(zhì)量的關(guān)鍵。同一站臺(tái)?？康能?chē)型不一致，不同車(chē)型的車(chē)門(mén)位置、車(chē)門(mén)數(shù)量等都不相同，會(huì)導(dǎo)致滑動(dòng)門(mén)與列車(chē)門(mén)無(wú)法實(shí)現(xiàn)一一對(duì)應(yīng)，且影響旅客在站臺(tái)的乘降，是多種車(chē)型運(yùn)營(yíng)條件下站臺(tái)門(mén)工程應(yīng)用的難題。

本文基于熱備冗余控制原理及多種車(chē)型自適應(yīng)控制原理，針對(duì)同一線(xiàn)路不同車(chē)型的高密度行車(chē)及自動(dòng)駕駛情況下站臺(tái)門(mén)控制系統(tǒng)高頻開(kāi)關(guān)的可靠性控制和安全性問(wèn)題，對(duì)一整側(cè)站臺(tái)門(mén)的滑動(dòng)門(mén)進(jìn)行系統(tǒng)性研究，構(gòu)建多種車(chē)型智能同步聯(lián)動(dòng)的站臺(tái)門(mén)控制系統(tǒng)。

1 基本原理

1.1 熱備冗余控制原理

站臺(tái)門(mén)熱備冗余控制系統(tǒng)在中央控制中心內(nèi)設(shè)置兩組可編程邏輯器件，正常情況下，兩組可編程邏輯器件相互監(jiān)測(cè)，交替工作，能夠在其中一組故障時(shí)，自動(dòng)切換到另一組。所設(shè)可編程邏輯器件為兩組站臺(tái)門(mén)控制器（PEDC，Platform Emergency Door Controller），每組PEDC 均包括時(shí)鐘模塊、輸入信號(hào)處理模塊、譯碼模塊、邏輯控制模塊、通信模塊及輸出信號(hào)處理模塊[2]，如圖1 所示。時(shí)鐘模塊產(chǎn)生控制信號(hào)時(shí)鐘及相關(guān)串行通信時(shí)鐘；輸入信號(hào)處理模塊對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行濾波處理；譯碼模塊將來(lái)自信號(hào)系統(tǒng)的信號(hào)譯碼成站臺(tái)門(mén)控制組件所需要的開(kāi)/關(guān)門(mén)信號(hào)；通信模塊完成兩組PEDC 之間的相互通信及與監(jiān)控組件的串行通信功能；邏輯控制模塊根據(jù)通信模塊提供的信號(hào)，監(jiān)測(cè)另一組可編程邏輯器件是否正常工作，并通過(guò)運(yùn)算控制兩組PEDC 輪流工作或單獨(dú)工作；輸出信號(hào)處理模塊對(duì)輸出控制信號(hào)進(jìn)行處理，使控制組件可以可靠地對(duì)后級(jí)安全繼電器組進(jìn)行控制。

圖1 熱備冗余控制技術(shù)基本原理

由于列車(chē)風(fēng)的影響，首、末端站臺(tái)門(mén)開(kāi)/關(guān)門(mén)的阻力不同，且列車(chē)高速過(guò)站產(chǎn)生的氣動(dòng)效應(yīng)，會(huì)對(duì)站臺(tái)門(mén)產(chǎn)生沖擊和吸附，引起站臺(tái)門(mén)發(fā)生抖動(dòng)，從而影響站臺(tái)門(mén)精確開(kāi)關(guān)。基于比例積分（PI，Proportion Integral）調(diào)節(jié)算法，采用三閉環(huán)（電流環(huán)、速度環(huán)、位置環(huán)）控制技術(shù)[3]，實(shí)現(xiàn)每1 ms 完成1 次運(yùn)動(dòng)狀態(tài)反饋，進(jìn)而保證站臺(tái)門(mén)的精準(zhǔn)控制。通過(guò)系統(tǒng)自學(xué)習(xí)功能確定最佳的開(kāi)/關(guān)力、開(kāi)/關(guān)速度曲線(xiàn)，實(shí)現(xiàn)對(duì)所有滑動(dòng)門(mén)同時(shí)開(kāi)/關(guān)的控制及開(kāi)/關(guān)門(mén)力的控制，并達(dá)到開(kāi)/關(guān)門(mén)同步時(shí)間誤差≤0.2 s，控制原理如圖2所示。

圖2 三閉環(huán)控制原理

1.2 多種車(chē)型自適應(yīng)控制原理

我國(guó)鐵路車(chē)型眾多，僅考慮長(zhǎng)短編組、速度目標(biāo)值的差異，車(chē)型就達(dá)30 多種。動(dòng)車(chē)組有CRH1、CHR2、CHR3、CRH5、CRH6、CRH380 和CR400等多個(gè)系列，且分為短編、長(zhǎng)編、重聯(lián)，以及正向、反向等運(yùn)行方式；各線(xiàn)路運(yùn)用的車(chē)型不同，各鐵路局集團(tuán)公司配屬車(chē)輛的占比也不同，因此，需設(shè)計(jì)列車(chē)自動(dòng)駕駛（ATO，Automatic Train Operation）模式下對(duì)多種車(chē)型開(kāi)門(mén)、不同數(shù)量的車(chē)門(mén)與站臺(tái)門(mén)的聯(lián)動(dòng)控制方法，其控制原理，如圖3 所示。

圖3 多種車(chē)型的車(chē)門(mén)/站臺(tái)門(mén)聯(lián)動(dòng)控制原理

ATO 系統(tǒng)通過(guò)地面列車(chē)控制中心（TCC，Train Control Center）轉(zhuǎn)發(fā)站臺(tái)門(mén)控制系統(tǒng)的控制指令，控制站臺(tái)門(mén)的打開(kāi)和關(guān)閉、車(chē)門(mén)與站臺(tái)門(mén)的聯(lián)動(dòng)。開(kāi)門(mén)由ATO 或司機(jī)觸發(fā)，關(guān)門(mén)由司機(jī)觸發(fā)，TCC 接收到臨時(shí)限速服務(wù)器（TSRS，Temporary Speed Restriction Server）發(fā)送的站臺(tái)門(mén)控制指令后，驅(qū)動(dòng)對(duì)應(yīng)繼電器，控制相應(yīng)站臺(tái)門(mén)開(kāi)/關(guān)動(dòng)作，TCC 采集站臺(tái)門(mén)控制系統(tǒng)提供的門(mén)狀態(tài)繼電器信息，并向TSRS、CTC 車(chē)站設(shè)備發(fā)送，且TCC 對(duì)站臺(tái)門(mén)狀態(tài)繼電器實(shí)施連續(xù)、實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)[3-4]。

TCC 與站臺(tái)門(mén)的中央控制中心通過(guò)繼電器接口實(shí)現(xiàn)。其中，TCC 與中央控制中心中包含多種車(chē)型的繼電器，不同車(chē)型對(duì)應(yīng)的繼電器不同，在TCC 下達(dá)開(kāi)門(mén)指令的同時(shí)下達(dá)車(chē)型信息指令。TCC 側(cè)設(shè)置開(kāi)/關(guān)門(mén)控制繼電器，以復(fù)興號(hào)8 輛、16 輛和17 輛編組為例，TCC 側(cè)設(shè)置開(kāi)/關(guān)門(mén)控制繼電器，包括開(kāi)門(mén)繼電器（KMJ）、關(guān)門(mén)繼電器（GMJ）、8 編組正向車(chē)型繼電器（CXZ8J）、8 編組反向車(chē)型繼電器（CXF8J）、16 編組正向車(chē)型繼電器（CXZ16J）、16 編組反向車(chē)型繼電器（CXF16J）、17 編組車(chē)型繼電器（CX17J），繼電器的動(dòng)作狀態(tài)控制站臺(tái)門(mén)的動(dòng)作[4-8]。TCC 與站臺(tái)門(mén)繼電器采集驅(qū)動(dòng)原理，如圖4 所示，其中，靠前端接點(diǎn)采集的繼電器信號(hào)KMJ、GMJ、CXZ8J、CXF8J、CXZ16J、CXF16J、CX17J 由TCC 側(cè)采集。

圖4 TCC 與站臺(tái)門(mén)繼電器采集驅(qū)動(dòng)原理

行車(chē)綜合自動(dòng)化系統(tǒng)（TIAS，Traffic Integrated Automation System）實(shí)時(shí)地向站臺(tái)門(mén)控制系統(tǒng)報(bào)告列車(chē)車(chē)門(mén)故障信息，站臺(tái)門(mén)控制系統(tǒng)實(shí)時(shí)地向TIAS 發(fā)送站臺(tái)門(mén)的故障信息。中央控制中心主機(jī)和從機(jī)與前置處理器-A（FEP-A）、前置處理器-B（FEP-B）的連接方式，如圖5 所示。

圖5 通信接口連接方式

當(dāng)單個(gè)滑動(dòng)門(mén)或列車(chē)門(mén)發(fā)生故障無(wú)法打開(kāi)時(shí)，其對(duì)應(yīng)的列車(chē)門(mén)或滑動(dòng)門(mén)無(wú)法獲知對(duì)方狀態(tài)，依然會(huì)打開(kāi)。這就造成滑動(dòng)門(mén)或列車(chē)門(mén)只有一方打開(kāi)，而另一方?jīng)]有打開(kāi)的問(wèn)題，可能會(huì)引起乘客撞傷、擠傷、物品掉落到軌行區(qū)等危險(xiǎn)事故發(fā)生。若因?yàn)閱蝹€(gè)列車(chē)門(mén)或滑動(dòng)門(mén)無(wú)法動(dòng)作而設(shè)定整側(cè)站臺(tái)門(mén)或列車(chē)門(mén)不動(dòng)作，則會(huì)嚴(yán)重影響線(xiàn)路運(yùn)行。為此，站臺(tái)門(mén)控制系統(tǒng)采用“對(duì)位隔離”的方法，由站臺(tái)門(mén)監(jiān)控系統(tǒng)、中央控制中心和門(mén)控單元（DCU，Door Control Unit）共同完成。工作原理如下：

（1）站臺(tái)門(mén)監(jiān)控系統(tǒng)從PEDC 讀取每個(gè)滑動(dòng)門(mén)的故障隔離狀態(tài)信息并發(fā)送給信號(hào)系統(tǒng)，同時(shí)，接收信號(hào)系統(tǒng)發(fā)送過(guò)來(lái)的每個(gè)列車(chē)門(mén)的故障隔離狀態(tài)信息；

（2）站臺(tái)門(mén)監(jiān)控系統(tǒng)根據(jù)接收到的列車(chē)門(mén)狀態(tài)信息，經(jīng)邏輯分析后，向PEDC 寫(xiě)入站臺(tái)門(mén)對(duì)位隔離控制字；

（3）PEDC 實(shí)時(shí)采集每個(gè)DCU 的運(yùn)行狀態(tài)，每次接收到監(jiān)控系統(tǒng)發(fā)送的對(duì)位隔離控制字后，將DCU 運(yùn)行狀態(tài)字和對(duì)位隔離控制字進(jìn)行比較，若兩者不一致，則向?qū)?yīng)DCU 發(fā)送“對(duì)位隔離”狀態(tài)控制字。之后，再次讀取DCU 對(duì)位隔離狀態(tài)字，判斷是否已經(jīng)成功寫(xiě)入，最多支持3 次（可調(diào)）自動(dòng)重寫(xiě)；

（4）每個(gè)DCU 在接收到ATO 開(kāi)門(mén)指令后，根據(jù)內(nèi)存中的“對(duì)位隔離”狀態(tài)字，判斷是否執(zhí)行開(kāi)門(mén)動(dòng)作。

2 系統(tǒng)構(gòu)建

多種車(chē)型智能同步聯(lián)動(dòng)的站臺(tái)門(mén)控制系統(tǒng)按車(chē)站站臺(tái)面數(shù)量設(shè)置多個(gè)獨(dú)立系統(tǒng)，通過(guò)中央控制中心實(shí)現(xiàn)每個(gè)獨(dú)立系統(tǒng)滑動(dòng)門(mén)的開(kāi)啟和關(guān)閉，在每一道滑動(dòng)門(mén)上設(shè)置控制滑動(dòng)門(mén)開(kāi)和關(guān)的DCU，且獨(dú)立系統(tǒng)中任何一個(gè)DCU 發(fā)生故障時(shí)，不影響其它DCU 的正常運(yùn)行。每個(gè)獨(dú)立系統(tǒng)按照安全等級(jí)由低到高分為4 個(gè)等級(jí)，分別為由TCC 自動(dòng)控制的系統(tǒng)級(jí)、站臺(tái)人員操作的站臺(tái)級(jí)、車(chē)站控制室人員操作的緊急控制級(jí)和單個(gè)站臺(tái)門(mén)操作的就地控制級(jí)。站臺(tái)級(jí)配制就地控制盤(pán)，緊急控制級(jí)配置緊急控制盤(pán)，單個(gè)站臺(tái)門(mén)操作就地控制級(jí)配制單門(mén)控制盒，各控制等級(jí)的指令下達(dá)都是通過(guò)通信線(xiàn)路傳輸，系統(tǒng)的工作狀態(tài)和故障信息通過(guò)總線(xiàn)傳輸。此外，中央控制中心上設(shè)有監(jiān)控系統(tǒng)，實(shí)時(shí)顯示設(shè)備工作狀態(tài)和故障信息。系統(tǒng)組成如圖6 所示。

圖6 系統(tǒng)組成

3 試驗(yàn)驗(yàn)證

為證明站臺(tái)門(mén)控制系統(tǒng)同步控制的正確性，結(jié)合既有線(xiàn)路進(jìn)行試驗(yàn)。在緊鄰正線(xiàn)的站臺(tái)進(jìn)口、中部、出口的站臺(tái)門(mén)滑動(dòng)門(mén)處安裝測(cè)試裝置，在現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)380AL 16 編組動(dòng)車(chē)組車(chē)型，測(cè)試以160 km/h 速度過(guò)站時(shí)一整側(cè)滑動(dòng)門(mén)的開(kāi)門(mén)時(shí)間，結(jié)果如圖7、圖8 所示。

圖8 站臺(tái)門(mén)擾動(dòng)曲線(xiàn)

由圖7、圖8 可知，站臺(tái)門(mén)在160 km/h 的列車(chē)風(fēng)壓作用下，一整側(cè)滑動(dòng)門(mén)開(kāi)門(mén)同步誤差≤0.2 s，且開(kāi)門(mén)速度曲線(xiàn)與設(shè)定的曲線(xiàn)趨勢(shì)保持一致。此外，滑動(dòng)門(mén)受到列車(chē)風(fēng)壓的作用時(shí)都會(huì)出現(xiàn)程度不同的抖動(dòng)，但在控制系統(tǒng)的作用下很快恢復(fù)到原始設(shè)定狀態(tài)。試驗(yàn)結(jié)果表明，該系統(tǒng)具有很強(qiáng)的自適應(yīng)能力，該試驗(yàn)結(jié)果可為站臺(tái)門(mén)控制系統(tǒng)在高速鐵路的工程應(yīng)用提供參考。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文針對(duì)同一線(xiàn)路不同車(chē)型的高密度行車(chē)及自動(dòng)駕駛情況下的站臺(tái)門(mén)控制系統(tǒng)高頻開(kāi)/合、多控制單元聯(lián)控的可靠性控制和安全性問(wèn)題，基于熱備冗余控制原理及多種車(chē)型自適應(yīng)控制原理，構(gòu)建多種車(chē)型智能同步聯(lián)動(dòng)的站臺(tái)門(mén)控制系統(tǒng)。現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)結(jié)果表明：

（1）系統(tǒng)在160 km/h 的列車(chē)風(fēng)壓作用下，一整側(cè)滑動(dòng)門(mén)開(kāi)關(guān)門(mén)同步誤差≤0.2 s，且開(kāi)門(mén)速度曲線(xiàn)與設(shè)定的曲線(xiàn)趨勢(shì)保持一致；

（2）系統(tǒng)對(duì)列車(chē)風(fēng)擾動(dòng)具有很強(qiáng)的自適應(yīng)能力。