李景虎

(上海申通地鐵集團(tuán)有限公司，201103，上?！胃呒?jí)工程師)

城市軌道交通無人駕駛技術(shù)發(fā)展迅速，其信號(hào)系統(tǒng)采用CBTC(基于通信的列車控制)或ATC(列車自動(dòng)控制)系統(tǒng)。為滿足全自動(dòng)駕駛要求，對(duì)站臺(tái)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(hào)系統(tǒng)和站臺(tái)門系統(tǒng)的控制方式由通過硬線的電平信號(hào)控制逐步向硬線信號(hào)和通信信號(hào)相結(jié)合控制升級(jí)轉(zhuǎn)變。從安全性角度考慮，接口也按關(guān)鍵信號(hào)和非關(guān)鍵信號(hào)進(jìn)行相應(yīng)劃分，且關(guān)鍵信號(hào)接口必須滿足SIL4(安全性等級(jí)4)的要求。

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

1 信號(hào)系統(tǒng)與站臺(tái)門系統(tǒng)接口

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

DEC為控制站臺(tái)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(hào)通過硬線發(fā)出控制允許信號(hào)。該信號(hào)通常來源于列車占軌等列車在站檢測(cè)信號(hào)。只有收到控制允許信號(hào)的情況下，才允許站臺(tái)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(xiǎn)。該信號(hào)通常用作站臺(tái)門門鎖解鎖或電機(jī)得電的前提條件。

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

關(guān)鍵信號(hào)接口的設(shè)計(jì)必須滿足SIL4要求。列車信號(hào)接口示意圖如圖1所示。其中，PDM信號(hào)中既有DEC信號(hào)也有安全回路信號(hào)，而靜態(tài)門信號(hào)僅有安全回路信號(hào)。相應(yīng)的，安全回路需分為滑動(dòng)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(hào)接口示意圖

非關(guān)鍵信號(hào)包含與門控制相關(guān)的DOC(開門信號(hào))和門狀態(tài)相關(guān)的反饋信號(hào)。DOC也為通過硬線傳輸?shù)碾娖叫盘?hào)，用以控制站臺(tái)門的打開和關(guān)閉。當(dāng)DOC為1時(shí)，滑動(dòng)門打開，當(dāng)DOC為0時(shí)，滑動(dòng)門關(guān)閉。這一設(shè)計(jì)應(yīng)用廣泛，其安全性等級(jí)可達(dá)到SIL2以上。其他非關(guān)鍵信號(hào)可通過信號(hào)系統(tǒng)與站臺(tái)門系統(tǒng)之間的網(wǎng)絡(luò)接口實(shí)現(xiàn)交互，用于狀態(tài)監(jiān)視和故障診斷。接口信號(hào)見表1。需注意的是， PCC機(jī)柜同時(shí)監(jiān)測(cè)兩側(cè)站臺(tái)。

表1 接口信號(hào)列表

站臺(tái)門系統(tǒng)在每站配備1臺(tái)PCC機(jī)柜用于與信號(hào)系統(tǒng)接口。CBTC或ATC與站臺(tái)門系統(tǒng)的交互包含表1中的所有信號(hào)。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(tái)設(shè)備房?jī)?nèi)，既能減少控制信號(hào)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(duì)于網(wǎng)絡(luò)信號(hào)，需在站臺(tái)共配置2根網(wǎng)線(1根為冗余線)；對(duì)于通過硬線傳輸?shù)姆顷P(guān)鍵信號(hào)DOC，需在每側(cè)站臺(tái)設(shè)置1根2-硬線；在通過硬線傳輸?shù)年P(guān)鍵信號(hào)中，需在每側(cè)站臺(tái)設(shè)置1根4-硬線用于DEC傳輸，需在每側(cè)站臺(tái)設(shè)置2根4-硬線用于安全回路信號(hào)傳輸。

2 接口的設(shè)計(jì)與測(cè)試

2.1 接口電路設(shè)計(jì)

2.1.1 關(guān)鍵信號(hào)接口電路

圖2為每側(cè)站臺(tái)的站臺(tái)門與信號(hào)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(tái)門系統(tǒng)為DEC的接收方，對(duì)DEC信號(hào)回路供電；當(dāng)DEC為高電平(常開觸點(diǎn)保持閉合)時(shí)，CBTC系統(tǒng)的繼電器通電。DEC是與站臺(tái)門解鎖相關(guān)聯(lián)的安全互鎖命令，被視為對(duì)安全至關(guān)重要的信號(hào)，通過故障導(dǎo)向安全的設(shè)計(jì)和設(shè)備來實(shí)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(huì)導(dǎo)致信號(hào)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(gè)獨(dú)立繼電器的2對(duì)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(hào)繼電器得電時(shí)，站臺(tái)門控制使能信號(hào)繼電器正負(fù)供電回路導(dǎo)通，使能繼電器得電，允許站臺(tái)門開門；站臺(tái)門命令控制信號(hào)應(yīng)為1個(gè)持續(xù)的電平信號(hào)；當(dāng)站臺(tái)門檢測(cè)到障礙物時(shí)，站臺(tái)門必須打開。在站臺(tái)門打開過程中及保持打開狀態(tài)的時(shí)間段內(nèi)，DEC應(yīng)始終保持直至站臺(tái)門打開到位。

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

DEC和安全回路信號(hào)為行車安全的關(guān)鍵信號(hào)，必須僅通過安全導(dǎo)向的設(shè)計(jì)來開發(fā)，并通過安全導(dǎo)向的設(shè)備來實(shí)施。為了有效地實(shí)現(xiàn)接口的安全性， CBTC或ATC系統(tǒng)與站臺(tái)門系統(tǒng)之間交互的信號(hào)應(yīng)為持續(xù)信號(hào)，并可被雙重切斷。 站臺(tái)門系統(tǒng)的每個(gè)4線安全回路信號(hào)(上、下行滑動(dòng)門和靜態(tài)門安全回路)傳輸均通過2個(gè)獨(dú)立繼電器。且每個(gè)繼電器均具有1個(gè)常開無源觸點(diǎn)和1個(gè)常閉無源觸點(diǎn)(見圖2)。CLS-AD和CLS-SD信號(hào)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(gè)電平信號(hào)。采用方波編碼傳輸可避免因信號(hào)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(hào)是否異常。

圖2 關(guān)鍵信號(hào)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(cè)判斷：當(dāng)2路安全回路導(dǎo)通時(shí)，信號(hào)接收方波與信號(hào)發(fā)射方波一致；當(dāng)兩路安全回路斷開時(shí)，信號(hào)接收方波與信號(hào)發(fā)射方波呈互斥方波；當(dāng)安全回路繼電器信號(hào)出現(xiàn)開路時(shí)，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(shí)，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(hào)

2.1.2 非關(guān)鍵信號(hào)接口電路

圖4為單側(cè)站臺(tái)站臺(tái)門與信號(hào)系統(tǒng)的非關(guān)鍵信號(hào)接口原理圖。

圖4 非關(guān)鍵信號(hào)接口電路圖

為了控制站臺(tái)門的開啟，CBTC或ATC系統(tǒng)對(duì)每個(gè)站臺(tái)發(fā)出非關(guān)鍵公共信號(hào)DOC。該信號(hào)不是安全信號(hào)，而僅是功能信號(hào)。 CBTC或ATC系統(tǒng)通過1個(gè)無電壓觸點(diǎn)來實(shí)現(xiàn)對(duì)DOC的傳輸(見圖4)。當(dāng)DOC為高電平時(shí)，將執(zhí)行開門動(dòng)作。其余非關(guān)鍵信號(hào)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(hào)由每個(gè)滑動(dòng)門單元的控制器監(jiān)測(cè)，并通過現(xiàn)場(chǎng)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(hào)系統(tǒng)交互。非關(guān)鍵信號(hào)的功能描述如表2所示。

表2 非關(guān)鍵信號(hào)的功能描述

根據(jù)線路全自動(dòng)駕駛場(chǎng)景分析，站臺(tái)門與列車門的聯(lián)動(dòng)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(tái)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(duì)位隔離”信號(hào)的依據(jù)。

在全自動(dòng)駕駛線路UTO(無人值守的無人駕駛)模式及ATO(列車自動(dòng)運(yùn)行)模式下，站臺(tái)門與列車門均具備“對(duì)位隔離”功能：信號(hào)系統(tǒng)向站臺(tái)門系統(tǒng)實(shí)時(shí)報(bào)告列車門的相關(guān)隔離信息，站臺(tái)門系統(tǒng)也向信號(hào)系統(tǒng)實(shí)時(shí)發(fā)送站臺(tái)門隔離信息。當(dāng)列車門發(fā)生故障時(shí)，列車門被隔離，信號(hào)系統(tǒng)將故障門的隔離信息發(fā)送給站臺(tái)門系統(tǒng)，站臺(tái)門對(duì)應(yīng)的滑動(dòng)門不打開；當(dāng)站臺(tái)門發(fā)生故障時(shí)，對(duì)應(yīng)的列車門也不打開，從而實(shí)現(xiàn)“對(duì)位隔離”。在交互的信息中，需包含門號(hào)地址和隔離信息，以實(shí)現(xiàn)門號(hào)定位和控制。

站臺(tái)門系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，LOS為站臺(tái)門的隔離發(fā)出信號(hào)。當(dāng)站臺(tái)門被隔離時(shí)， LOS為1，站臺(tái)門控制器將LOS通過現(xiàn)場(chǎng)總線反饋至中央控制盤的PCC監(jiān)控主機(jī)，并由PCC實(shí)現(xiàn)與信號(hào)系統(tǒng)之間的通信交互。當(dāng)列車門被隔離時(shí)，DIR為1，站臺(tái)門系統(tǒng)收到DIR為1的信號(hào)后，主動(dòng)將對(duì)應(yīng)滑動(dòng)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(duì)位隔離功能的判斷和執(zhí)行條件。

2.2 接口的測(cè)試實(shí)施細(xì)則

在測(cè)試DEC及DOC等硬線信號(hào)時(shí)， 先由CBTC或ATC系統(tǒng)發(fā)出相應(yīng)信號(hào)，再通過檢測(cè)PSD繼電器線圈兩端電壓，來驗(yàn)證該信號(hào)是否有效傳輸至站臺(tái)門系統(tǒng)。當(dāng)檢測(cè)到繼電器線圈兩端電壓持續(xù)為DC 24 V左右時(shí)，可判斷信號(hào)系統(tǒng)使能或開門信號(hào)有效；當(dāng)繼電器線圈兩端電壓為0時(shí)，判斷信號(hào)系統(tǒng)使能或開門信號(hào)未發(fā)出；當(dāng)繼電器線圈兩端電壓低于DC 24V時(shí)，判斷信號(hào)系統(tǒng)發(fā)出了控制信號(hào)，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(hào)繼電器的工作電壓范圍內(nèi)，方能判斷信號(hào)為有效信號(hào)。

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

基于接口電路硬件設(shè)計(jì)原理，在測(cè)試CLS-AD及CLS-SD時(shí)，接口設(shè)備均為繼電器接口，故通過檢測(cè)繼電接口電壓來判斷信號(hào)是否有效?；诎踩芈繁O(jiān)測(cè)通過方波收發(fā)原理，根據(jù)設(shè)計(jì)原則，參照?qǐng)D3進(jìn)行故障模擬導(dǎo)向測(cè)試。CLS-AD及CLS-SD的信號(hào)有效性判斷如表3所示。

表3 滑動(dòng)門安全回路及靜態(tài)門安全回路的信號(hào)有效性判斷

對(duì)于網(wǎng)絡(luò)信號(hào)，根據(jù)Modbus TCP/IP 協(xié)議，本研究利用調(diào)試軟件進(jìn)行測(cè)試。通過模擬站臺(tái)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(hào)系統(tǒng)接收端，通過對(duì)收發(fā)數(shù)據(jù)的監(jiān)聽，驗(yàn)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(tái)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(tái)門系統(tǒng)與信號(hào)系統(tǒng)的信息交互一定會(huì)日趨可靠、穩(wěn)定，站臺(tái)門與車輛之間的信息交互將會(huì)更加密切。本研究為了更好地滿足智慧城軌、智慧站臺(tái)的需求，適用于智慧站臺(tái)信號(hào)系統(tǒng)和站臺(tái)門系統(tǒng)之間接口設(shè)計(jì)及測(cè)試方法，在全自動(dòng)駕駛線路的應(yīng)用上提高功能的安全性和可靠性。