基于環(huán)線通信的列車對位單元的應(yīng)用設(shè)計研究

王金輝

（上海電氣泰雷茲交通自動化系統(tǒng)有限公司，上海 200020）

0 引 言

列車準(zhǔn)確停靠站臺，系統(tǒng)操作開關(guān)列車門及站臺門是地鐵客運過程中的重要環(huán)節(jié)。對于列車對準(zhǔn)站臺門，不同的系統(tǒng)根據(jù)各自設(shè)備特點及處理邏輯使用了不同的設(shè)計，其中利用802.11的AP天線，信號專用長期演進(jìn)技術(shù)（Long Time Evolution，LTE）信道等方式使用較為普遍。但是各種技術(shù)手段在帶來便利的同時，也帶來頻段干擾、疊加跳頻實施困難的問題[1]。本文對廣州三號線延伸線使用的環(huán)線通信方式進(jìn)行了研究，環(huán)線通信方式速率較慢，數(shù)據(jù)量較小，但是在列車對位停站和軌旁聯(lián)系的通信使用場景里，不需要大量的數(shù)據(jù)量，只需要傳遞個別的列車信息狀態(tài)位信息，且傳輸時機僅需要在列車停站執(zhí)行開關(guān)門操作時使用。環(huán)線通信方案完美地契合了這一需求，通過自上而下的系統(tǒng)性考慮，立足自身系統(tǒng)設(shè)計最優(yōu)應(yīng)用。

1 基于環(huán)線通信的對位單元系統(tǒng)設(shè)計

廣州三號線延伸線路中，信號系統(tǒng)使用基于環(huán)線通信的對位系統(tǒng)，該系統(tǒng)分為車載設(shè)備和軌旁設(shè)備兩部分，兩者的通信使用頻移鍵控（Frequency-Shift Keying，F(xiàn)SK）來實現(xiàn)。 FSK信號的優(yōu)點在于信號傳輸實現(xiàn)簡單，抗噪聲和抗衰減性能好[2]。而列車對位傳輸通信使用的信息量少，中低速數(shù)據(jù)傳輸即可滿足需求，但是對傳輸?shù)目煽啃砸筝^高。FSK信號的傳輸優(yōu)點正好契合列車對位信息的傳輸特點。故在廣州三號線延伸線路中，使用FSK信號傳輸方式作為列車對位信號的傳輸方式，同時考慮在區(qū)間運行時，列車使用36 kHz向軌旁控制器發(fā)送信息，使用56 kHz通道接收軌旁控制器的控制信息[3]。根據(jù)現(xiàn)場測試，最終選定84 kHz通道作為列車和軌旁設(shè)備的傳輸頻率。

在廣州三號線延伸線路中，使用現(xiàn)場可編程邏輯門陣列（Field Programmable Gate Array，F(xiàn)PGA）芯片處理84 kHz信號。每一個IO處理器通道使用一個FPGA，為RX和TX前端電路提供控制功能。每個FPGA提供兩個串行外設(shè)接口（Serial Peripheral Interface，SPI），K60單片機作為總線主控。FPGA第二個模塊接收到電報位后，在存儲到緩沖區(qū)之前被倒置。這樣兩個處理器板卡就會接收到狀態(tài)相反的信息，通過兩個處理器之間的比較，可以實時監(jiān)控和比較兩個處理器的輸入狀態(tài)，從而提高系統(tǒng)的可靠性。

電報信息采用一種類似于高速數(shù)據(jù)鏈路控制（High- level Data Link Control，HDLC）的格式，有一個開始和結(jié)束標(biāo)志字符來標(biāo)記電報的開始和結(jié)束。電報可以用反向不歸零（Non Return Zero Inverted，NRZI）線碼或雙相間空號（Bi-Phase Space，F(xiàn)MO）線碼編碼[4]。然后對電報進(jìn)行頻移鍵控（Frequency-Shift Keying，F(xiàn)SK）調(diào)制，其中“1”位表示為83.4 kHz信號，“0”位表示為84.6 kHz信號。圖1是NRZI和FMO 編碼示意圖。

圖1 NRZI和FMO 編碼舉例

車載對位環(huán)線單元用來與路旁對位單元通信。每個車載控制器（Vehicle On-Board Controller，VOBC）在車體左右兩側(cè)分別設(shè)置有兩個對位環(huán)線單元，這是考慮到車輛在實際營運過程中，因為不同的出場策略會使車頭朝向發(fā)生改變。普通車站的軌旁對位環(huán)線單元只安裝在站臺的其中一側(cè)，這是整合考慮線路條件較好、易于設(shè)備維護(hù)、強電干擾源較少等因素決定的。同時對于部分折返或雙側(cè)開門的站臺，會在兩側(cè)站臺同時設(shè)置軌旁的環(huán)線對位單元，因為在折返站臺或雙側(cè)開門站臺，對列車開啟站臺門有多種組合選擇，按照不同交路運營需求激活期望的站臺門，通過開啟不同側(cè)站臺門達(dá)到旅客客流導(dǎo)向的作用。軌旁對位單元連接示意如圖2所示。

圖2 軌旁對位單元連接示意圖

目前，廣州三號線延伸線使用6節(jié)編組車輛，在靠近車站兩端的站臺附近各設(shè)置1個軌旁對位天線用于接收信息。但是考慮到既有車輛有3節(jié)和3+3節(jié)編組車輛，這就意味著在短編組的列車或者列車組合運行時，有可能需要在站臺中心區(qū)域激活對位單元。考慮到這種場景，廣州三號線延伸線在每個站臺設(shè)置了4個室外對位環(huán)線天線，這4個天線通過串聯(lián)方式連接在一起。在實際測試中，室外的對位天線最多可以串聯(lián)到8個，與室內(nèi)信息傳輸可以通過調(diào)節(jié)內(nèi)串電阻的大小實現(xiàn)。

對位單元通過對位環(huán)線將信息傳送給車站控制器來進(jìn)行站臺門控制，并傳送后備模式信息。軌旁對位指示燈提供列車在某一車站的對位狀態(tài)。在下列兩種情況下該指示燈顯示：一是激活的VOBC 已經(jīng)確定列車在車站停車，所有對位條件已滿足；二是激活的VOBC 已經(jīng)確定列車在車站的停站偏差內(nèi)，即列車仍然在移動，但是如果立即停車，則列車將成功對位。在第二種情況下，對位指示燈的顯示向司機提供狀態(tài)指示，有助于在保護(hù)人工模式運行下成功對位。如果上面兩種條件都不滿足，那么對位指示燈將無顯示。在保護(hù)人工、自動和無人駕駛模式下該指示燈可用。列車進(jìn)入降級模式且列車上有激活的VOBC主控設(shè)備，在最高人工限速為25 km/h和最高人工限速為60 km/h的模式下，一旦與對位環(huán)線建立通信，對位指示燈將顯示。

2 基于環(huán)線通信的對位單元硬件設(shè)計

對位單元是一種用于列車與地面控制的設(shè)備。對位單元分為兩種型號匹配使用，一種安裝在列車側(cè)面，為車載VOBC提供了一個通信接口，當(dāng)列車停站且需要開關(guān)站臺門操作時，在系統(tǒng)容許的時間窗口內(nèi)發(fā)送對位信息。另一種安裝在車站站臺側(cè)面，為軌旁聯(lián)鎖系統(tǒng)提供通信接口，用以與VOBC通信。在列車到達(dá)車站，速度為零的情況下，接收車輛對位天線發(fā)送的信息。軌旁聯(lián)鎖控制單元結(jié)合進(jìn)路信息、站臺門狀態(tài)、聯(lián)鎖條件等從而控制站臺門。

2.1 車載硬件設(shè)計

車載硬件由兩部分構(gòu)成，車體外安裝對位環(huán)線天線的實體部分，通過電纜連接到VOBC主控機柜的對位模塊。對位單元通信模塊被看做是承運人，并在中央處理器（Central Processing Unit，CPU） 板卡的監(jiān)督下運行。輸入/輸出（Input/Output，I/O）微控制器子板有兩個獨立的通道（Replica R1和Replica R2），獲取輸入信號的狀態(tài)，并與主CPU通信。圖3為對位環(huán)線單元主要的信息處理路徑，其主要處理過程如下：

圖3 對位單元內(nèi)部信息處理

（1）連接器P1連接到Replica R1；

（2）連接器P2連接器到Replica R2；

（3）位于通信模塊上的P3連接器用于內(nèi)部連接；

（4）接收R2的調(diào)制解調(diào)后的TX信號；

（5）通過電源模塊控制，向后端傳送放大后的TX信號；

（6）經(jīng)過內(nèi)部斷聯(lián)隔離保護(hù)模塊，向左右兩個環(huán)線天線發(fā)送信號；

（7）RX信號通過可編程增益放大處理后，進(jìn)入到濾波器和比較器；

（8）在接收系統(tǒng)外部增益反饋后，對位單元模塊輸出RX R1/R2信號；

（9）均值放大器和直流轉(zhuǎn)換器接收TX和RX信號，用于直流域的校驗監(jiān)控；

（10）雙通道ADC為CAN I/O DB提供校驗信息；

（11）LED狀態(tài)指示燈顯示設(shè)備工作狀態(tài)。

2.2 軌旁硬件設(shè)計

基于車載對位單元的配置信息可以對硬件設(shè)備做更新升級，將PCB板卡中使用的12 V DC電源，替換為24 V DC電源模塊。在子架前面板增加連接器P4，用于室外感應(yīng)線圈連接。斷開內(nèi)部固態(tài)繼電器K1，為冗余配置的軌旁對位單元的共享連接提供物理隔離[5]。表1匯總了對位單元的關(guān)鍵電氣特性。

表1 關(guān)鍵電氣特性

對位單元主CPU的Replica R1使用24/12 V DC電源，僅用于TX功能。軌旁對位單元子架內(nèi)提供均勻的電力負(fù)載分配，每個對位單元都可以連接到PSU1或PSU2的12 VDC輸出。該功能由現(xiàn)場可編程邏輯門陣列（Field Programmable Gate Array，F(xiàn)PGA）控制，通過使用鎖存繼電器實現(xiàn)。

在模數(shù)轉(zhuǎn)換器（Analog-to- Digital Converter，ADC）選型使用上對位單元使用了AD7866系列。AD7866是一款雙12位高速、低功耗、逐次逼近ADC。在應(yīng)用中，芯片從5 V電源和功能貫穿率高達(dá)1 MSPS。模擬輸入范圍為2×VREF，直接二進(jìn)制輸出編碼。采用2.5 V片內(nèi)基準(zhǔn)，因此模擬輸入范圍為5 V，相當(dāng)于4 096個計數(shù)。AD7886具有兩個完整的ADC功能，允許兩個通道同時采樣和轉(zhuǎn)換。每個ADC都有一個二通道輸入多路復(fù)用器。兩個通道的轉(zhuǎn)換結(jié)果可在單獨的數(shù)據(jù)線上同時獲得。

3 基于環(huán)線通信的對位單元安全性考慮

軌旁應(yīng)用中，對位單元模塊支持無源冗余配置，其中兩個對位單元模塊連接到同一個天線。無源對位單元模塊通常不會被激活，不會對天線電路有任何影響。無源對位單元模塊無法發(fā)送或影響連接到同一天線的另一個有源對位單元模塊的發(fā)送或接收。一個有源對位單元模塊處于運行狀態(tài)，能夠使用連接的天線發(fā)送和接收。任何時候只能有一個對位單元模塊發(fā)射機處于激活狀態(tài)。使用斷開繼電器的設(shè)計確保無源、關(guān)閉或故障的對位單元模塊不會干擾有源模塊的操作[6]。

在系統(tǒng)方面，聯(lián)鎖冗余系統(tǒng)使用兩個對位單元子架連接到獨立的主控板，以提供更高的可用性，從而最大限度地減少單點故障。

由于VOBC切換機制提供了冗余，因此在車載應(yīng)用中沒有涉及子架冗余。在這種情況下，每個VOBC都獨立設(shè)置了的對位天線。

冗余機制可以防止控制部件的故障，故障時的首選狀態(tài)是被動的。兩個Replica都在投票，以命令對位單元模塊活動，使其成為活動的。對位單元使用有一種可靠的方法來檢測斷開繼電器的狀態(tài)，再提供給兩個Replica的天線電路中測量電流。如果繼電器斷開，則電流將接近于零。對位單元模塊的切換是在CPU的控制下進(jìn)行的，如果CPU命令對位單元在啟動時處于無源狀態(tài)，或者檢測到關(guān)鍵故障或CPU通信超時，則該對位單元將會為有限設(shè)置處于無源狀態(tài)。同時對位單元的信息交互只有在CPU命令使能下才會生效[5]。

當(dāng)CPU收到來自激活對位單元模塊的故障指示或根據(jù)邏輯判斷對位單元模塊D不工作(通信超時等)時，CPU會啟動激活模塊和非激活模塊質(zhì)檢的切換，還會安排一定的周期性切換，以測試切換機制，監(jiān)測非激活模塊的工作狀態(tài)。

4 結(jié) 論

通過對應(yīng)用于廣州地鐵3號線延伸線對位單元的研究，深入探討了列車對位停車的系統(tǒng)設(shè)計，詳細(xì)闡述了環(huán)線通信的原理、處理邏輯及軌旁、車體設(shè)備設(shè)置。在硬件應(yīng)用設(shè)計中，詳細(xì)介紹了信息數(shù)據(jù)流的處理，對于硬件設(shè)備的電氣特性進(jìn)行了說明。該對位單元設(shè)備已應(yīng)用于廣州地鐵三號線延伸線，并取得了良好效果，給未來列車對位方案的設(shè)計和優(yōu)化提供了較高的參考價值。