城際鐵路及高速鐵路站臺(tái)門系統(tǒng)無線監(jiān)控設(shè)計(jì)

魏耀南，闞庭明，郭浩波

（1. 北京經(jīng)緯信息技術(shù)有限公司，北京 100081；2. 中國鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司 電子計(jì)算技術(shù)研究所，北京 100081）

站臺(tái)門系統(tǒng)是保證乘客安全及行車安全的重要系統(tǒng)，其控制模式包括系統(tǒng)級控制、站臺(tái)級控制和緊急級控制[1]。其中，系統(tǒng)級控制優(yōu)先級最低，由信號系統(tǒng)的接口實(shí)現(xiàn)，通過接收信號系統(tǒng)發(fā)出的控制指令，完成站臺(tái)門的開關(guān)動(dòng)作。當(dāng)系統(tǒng)級控制出現(xiàn)故障時(shí)，由運(yùn)營人員操作安裝于站臺(tái)上的就地控制盤（PSL，Platform Screen doors Local control panel）執(zhí)行開關(guān)門動(dòng)作。當(dāng)站臺(tái)發(fā)生火災(zāi)等緊急情況時(shí)，通過安裝于消防控制室或車站控制室的緊急操作盤來控制門體[2-3]。

目前，除城市軌道行業(yè)外，城際鐵路及高速鐵路車站也在逐步推廣和安裝站臺(tái)門系統(tǒng)，為站臺(tái)候車提供重要的安全保障。但因既有線路運(yùn)營車輛類型復(fù)雜及改造困難等原因，大部分車站只配備站臺(tái)級控制和緊急級控制兩種模式，運(yùn)營人員不僅要前往遠(yuǎn)距離的控制盤，手動(dòng)控制站臺(tái)門的開關(guān)，還要巡檢站臺(tái)，確保乘客或物品沒有滯留在列車與站臺(tái)門中間的過道里。這在很大程度上降低了運(yùn)營效率，且存在一定的安全隱患[4]。為解決這一問題，本文提出采用無線通信技術(shù)和現(xiàn)場總線技術(shù)，通過手持終端遠(yuǎn)程控制站臺(tái)門開關(guān)并監(jiān)視系統(tǒng)狀態(tài)的方案。該方案還適用于存在信號系統(tǒng)聯(lián)動(dòng)控制的城市軌道線路，當(dāng)信號系統(tǒng)聯(lián)動(dòng)失敗時(shí)，方便運(yùn)營人員在巡檢站臺(tái)的同時(shí)操作站臺(tái)門系統(tǒng)。

1 方案設(shè)計(jì)

1.1 優(yōu)先級設(shè)計(jì)

本文在原有控制模式的基礎(chǔ)上增加遙控級控制，并考慮其優(yōu)先級的設(shè)置問題。具體優(yōu)先級如圖1 所示。

圖1 站臺(tái)門系統(tǒng)控制優(yōu)先級

（1）系統(tǒng)級控制由信號系統(tǒng)下發(fā)指令控制。信號系統(tǒng)正常時(shí),可正常控制開關(guān)門動(dòng)作，站務(wù)人員無需介入[5]，因此遙控單元不進(jìn)行控制；信號系統(tǒng)故障時(shí)，站務(wù)人員利用遙控單元下發(fā)開關(guān)門命令，保障乘客上下車。因此，系統(tǒng)級控制的優(yōu)先級應(yīng)低于遙控級控制。

（2）站臺(tái)級控制利用PSL 向中央控制盤（PSC，Platform Screen doors Central interface panel）傳遞指令。相對遙控級控制，站臺(tái)級控制采用硬線連接，結(jié)構(gòu)簡單，傳輸信號穩(wěn)定，不需要電池供電[6]，不存在通訊干擾等風(fēng)險(xiǎn)因素。因此從穩(wěn)定性、可靠性方面考慮，遙控級控制的優(yōu)先級應(yīng)當(dāng)?shù)陀谡九_(tái)級控制。

（3）因緊急級控制的優(yōu)先級高于站臺(tái)級控制[7]，所以高于遙控級控制。

1.2 模塊設(shè)計(jì)

本文將站臺(tái)門的無線監(jiān)控系統(tǒng)劃分為操作終端、無線網(wǎng)絡(luò)模塊、接口控制單元和邏輯處理單元4 個(gè)部分，如圖2 所示。無線監(jiān)控系統(tǒng)以站臺(tái)每側(cè)為單位單獨(dú)設(shè)計(jì)，從而保證當(dāng)一側(cè)出現(xiàn)故障時(shí)，不影響另外一側(cè)的正常運(yùn)行。

圖2 系統(tǒng)模塊劃分

1.2.1 操作終端

作為實(shí)現(xiàn)遙控和監(jiān)視功能的主設(shè)備，操作終端與無線網(wǎng)絡(luò)模塊之間采用TCP_MODBUS 協(xié)議通信[8]，為客戶端訪問接口控制單元提供寄存器接口，且安裝有操作軟件App。為保證軟件的通用性，本文選用安卓系統(tǒng)作為其運(yùn)行平臺(tái)。軟件界面包含以下內(nèi)容：

（1）系統(tǒng)故障指示信號；

（2）整側(cè)站臺(tái)門開門到位指示信號；

（3）整側(cè)站臺(tái)門鎖閉指示信號；

（4）開門命令指示信號；

（5）關(guān)門命令指示信號；

（6）車型命令指示信號；

（7）操作允許指示信號；

（8）關(guān)門命令按鈕；

（9）開門命令按鈕（包含車型信息）；

（10）操作允許按鈕。

App 軟件具備的切換服務(wù)集標(biāo)識(shí)（SSID，Service Set Identifier）功能，用于每個(gè)站臺(tái)的上下行切換或者多個(gè)站臺(tái)的股道切換，同時(shí)，界面中所有顯示點(diǎn)需標(biāo)注地址編號，防止運(yùn)營人員誤操作導(dǎo)致非目標(biāo)股道執(zhí)行開門的情況出現(xiàn)。當(dāng)運(yùn)營人員需要通過手持終端操作站臺(tái)門開關(guān)時(shí)，先選擇待操作的股道，通過操作允許按鈕將該股道的遙控級控制設(shè)置為有效狀態(tài)，對應(yīng)的操作允許指示信號有效，針對車型信息觸發(fā)對應(yīng)的開門按鈕，命令執(zhí)行成功，則對應(yīng)開門命令指示信號顯示高亮狀態(tài)；關(guān)門操作亦是如此，可通過整側(cè)站臺(tái)門鎖閉指示信號判斷出所有站臺(tái)門是否關(guān)閉到位且鎖緊。若當(dāng)前有更高優(yōu)先級的控制模式，在操作或無線通信網(wǎng)絡(luò)失效時(shí)，對應(yīng)的操作允許指示信號保持非使能狀態(tài)，無法進(jìn)行下一步操作。

1.2.2 無線網(wǎng)絡(luò)模塊

無線網(wǎng)絡(luò)模塊提供手持操作終端與接口控制單元之間的通訊網(wǎng)絡(luò)通道，與手持操作終端間采用無線連接，工作時(shí)處于無線訪問接入點(diǎn)（AP，Access Point）模式。目前，高速鐵路車站站臺(tái)長度多為450 m，且站臺(tái)上普遍布設(shè)3 套PSL，因此，無線網(wǎng)絡(luò)模塊的通訊距離應(yīng)不小于200 m；與接口控制單元之間采用RS485 或USB 等通用接口連接。

1.2.3 接口控制單元

接口控制單元提供與無線網(wǎng)絡(luò)模塊的通訊接口，接收來自手持操作終端的控制指令，進(jìn)行邏輯分析處理后，通過繼電器組將處理結(jié)果發(fā)送給PSC，同時(shí)采集門體的開關(guān)狀態(tài)以及PSC 的邏輯狀態(tài)，通過無線網(wǎng)絡(luò)模塊上傳到手持操作終端。接口控制單元從硬件上劃分為以下幾個(gè)部分，如圖3 所示。

圖3 接口控制單元硬件結(jié)構(gòu)

（1）電源

輸入電源為24 VDC，通過內(nèi)部電源電路轉(zhuǎn)換為通訊接口所需的5 VDC，及輸入輸出電路和處理器所需的3.3 VDC。

（2）處理器

采用STM32F103C8T6 型處理器和LQFP-48 封裝，主頻最高能達(dá)到72 MHz，具有多個(gè)通用異步收發(fā)傳輸器等外設(shè)資源。

（3）繼電器組

采用24 VDC 供電的安全繼電器，包括操作允許繼電器、開門繼電器、關(guān)門繼電器和車型繼電器，每個(gè)繼電器至少具有兩個(gè)常開觸點(diǎn)，一個(gè)用于指令的傳遞，另一個(gè)用于狀態(tài)的反饋。

（4）通信接口

接口控制單元分別提供與PSC 及無線網(wǎng)絡(luò)模塊的通信接口，為保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性，通訊電路需隔離處理。

（5）輸出電路

采用光耦隔離，用于處理器驅(qū)動(dòng)繼電器所需的電壓和功率轉(zhuǎn)換。

當(dāng)接口控制單元接收到手持操作終端發(fā)來的操作允許及開關(guān)門命令后，驅(qū)動(dòng)對應(yīng)的操作，允許開關(guān)門繼電器閉合，同時(shí)采集繼電器的輸出觸點(diǎn)以確認(rèn)繼電器是否動(dòng)作。當(dāng)檢測到異常時(shí)，輸出報(bào)警信號，提示操作人員設(shè)備故障。操作允許繼電器的觸點(diǎn)與開關(guān)門繼電器的線圈串聯(lián)，只有在操作允許繼電器觸點(diǎn)閉合的情況下，開關(guān)門繼電器才能動(dòng)作。為防止接口控制單元出現(xiàn)故障導(dǎo)致開關(guān)門指令一直處于有效狀態(tài)，其內(nèi)部設(shè)置隔離開關(guān)，當(dāng)隔離開關(guān)打到有效時(shí)，可將繼電器組輸出的控制指令強(qiáng)制斷開。接口控制單元實(shí)時(shí)從PSC 中讀取門體的狀態(tài)信息及邏輯處理結(jié)果，經(jīng)過數(shù)據(jù)加工和處理后，通過無線網(wǎng)絡(luò)模塊發(fā)送到手持操作終端進(jìn)行顯示。為防止通信故障帶來的影響，接口控制單元與PSC 之間需設(shè)置心跳數(shù)據(jù)包，在設(shè)定時(shí)間內(nèi)未收到對方發(fā)來的心跳數(shù)據(jù)，則判定為通訊故障，此時(shí)應(yīng)由運(yùn)營人員切換到PSL 進(jìn)行操作。

1.2.4 邏輯處理單元

傳統(tǒng)站臺(tái)們系統(tǒng)的邏輯處理單元只包含了與信號系統(tǒng)、就地操作盤、緊急操作盤的接口電路和相關(guān)處理邏輯[9]。本文設(shè)計(jì)的系統(tǒng)在此基礎(chǔ)上在每側(cè)增加與接口控制單元的接口電路、邏輯處理電路以及可編程邏輯控制器（PLC，Programmable Logic Controller），如圖4 所示，以實(shí)現(xiàn)遙控指令的接收處理和控制優(yōu)先級的劃分。

圖4 邏輯處理單元示意

本文在邏輯處理單元增設(shè)安全繼電器，用于在接口控制單元命令有效時(shí)屏蔽信號系統(tǒng)的命令。信號系統(tǒng)與站臺(tái)門系統(tǒng)之間一般采用繼電接口[10]，設(shè)置有開門繼電器、關(guān)門繼電器，對于多種車型混跑的線路還設(shè)置有車型繼電器。通過接口分析可對繼電器進(jìn)行設(shè)置，信號系統(tǒng)控制命令需經(jīng)過這些繼電器的常開觸點(diǎn)之后向內(nèi)部邏輯處理單元傳遞。當(dāng)接口控制單元處于有效時(shí)，繼電器動(dòng)作，切斷信號系統(tǒng)命令的傳遞；當(dāng)接口控制單元無效或故障時(shí)，繼電器失電，常閉觸點(diǎn)閉合，信號系統(tǒng)正常控制站臺(tái)門的開啟與關(guān)閉。邏輯處理單元還需設(shè)置用于屏蔽接口控制單元命令的繼電器，當(dāng)PSL 與緊急控制盤發(fā)出指令時(shí)，繼電器動(dòng)作來屏蔽接口控制單元開關(guān)門命令。同時(shí)，在PLC 部分增設(shè)輸入點(diǎn)，用于檢測接口控制單元狀態(tài)，并做出優(yōu)先級判斷，從而確定是否向門體發(fā)出開關(guān)門命令。

2 系統(tǒng)穩(wěn)定性分析

（1）基于系統(tǒng)的實(shí)際情況，無線網(wǎng)絡(luò)模塊及接口控制單元需集成在站臺(tái)上的PSL 內(nèi)部，這樣既可以保證站臺(tái)上的設(shè)備數(shù)量維持不變，又可以直接從PSL 內(nèi)部取電以減少系統(tǒng)的故障點(diǎn)。

（2）城軌和城際鐵路車站站臺(tái)長度普遍為200 m左右，通常在車頭位置布置一套PSL，部分線路還在車尾及監(jiān)察亭位置各布設(shè)一套；高速鐵路車站站臺(tái)長度普遍為450 m 左右，通常一側(cè)布設(shè)3 套PSL，站臺(tái)首端、尾端和中間位置各布置一套，部分車站按5 套PSL 布置。為保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性，需在站臺(tái)上每套PSL 中均布置一套遙控設(shè)備及相關(guān)附件，每側(cè)無線網(wǎng)絡(luò)模塊可覆蓋整個(gè)站臺(tái)，足以保證手持操作終端的移動(dòng)連接。

（3）邏輯控制單元內(nèi)部需與所有接口控制單元的接口電路相互獨(dú)立，使得當(dāng)一臺(tái)設(shè)備出現(xiàn)故障時(shí)，不影響其他設(shè)備的正常運(yùn)行，可通過接口控制單元中提供的隔離開關(guān)進(jìn)行隔離或直接通過站臺(tái)級控制模式執(zhí)行開關(guān)門。

3 結(jié)束語

本文從站臺(tái)門無線監(jiān)控的需求出發(fā)，提出了模塊化的系統(tǒng)方案。通過搭建平臺(tái)測試，系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)高穩(wěn)定性、高可靠性和可擴(kuò)展的目標(biāo)，解決站臺(tái)門運(yùn)營人員的實(shí)際需求。但當(dāng)前系統(tǒng)功能較為單一，在數(shù)據(jù)處理和數(shù)據(jù)挖掘方面還有較大研究空間。后續(xù)將重點(diǎn)研究智能診斷的相關(guān)算法及功能，實(shí)現(xiàn)零部件的故障預(yù)判，并主動(dòng)推送給運(yùn)營人員，進(jìn)一步提升運(yùn)營工作的便捷性和安全性。