地鐵信號系統的接口設計分析

張 濤

（中鐵二院工程集團有限責任公司，成都 610031）

地鐵信號工程設計的一個主要特點是接口專業工種多，除了需要與建筑、結構、軌道、線路、供電等專業配合，相互提交計算參數以滿足安全和功能需求，預留相應的安裝接口條件外，還需要與通信、車站監控、電力監控、屏蔽門、防淹門、試車線、車輛等諸多機電系統實現安全可靠的電氣接口，以滿足控制、監視的功能需求。然而，不同系統設備間的電氣接口設計，由于涉及到相關諸多專業、不同硬件設備、不同信息定義和接口協議，因此成為工程實施中最為薄弱、最易出現差、錯、漏等嚴重問題的環節，直接影響到信號系統功能的實現甚至涉及到行車安全，因此正確解決系統間接口問題是設計過程中的一個重要的關鍵過程。本文通過對Siemens公司的準移動閉塞ATC信號系統與相關機電系統電氣接口的接口硬件、信息定義、接口協議的技術分析，以便對系統接口產生更深認識，為實現其他閉塞制式信號系統與相關機電系統的安全、可靠接口提供積極有益的借鑒。

1 系統概述

Siemens公司準移動閉塞ATC信號系統分為：（1）聯鎖系統：采用專為地鐵系統設計的SICAS計算機聯鎖系統；（2）ATP/ATO系統：采用LZB 700M系統，其中軌道電路為數字報文無絕緣軌道電路（FTGS）；（3）ATS系統：中央采用VICOS OC 501系統，顯示屏為背投投影儀，車站ATS采用VICOS 101系統。

2 列車自動監控系統（ATS）

2.1 系統組成

2.1.1 中央ATS系統

ATS控制中心設備采用VICOS OC 501控制系統，是標準的硬件和系統體系結構，服務器采用SUN工作站和UNIX操作系統，之間通過雙100 MB以太局域網連接。ATS局域網中使用TCP/IP通信協議，由2臺以太網交換機實現路由功能。

熱備冗余通信服務器、主數據管理服務器/備用數據管理服務器，以及中央和車輛段人機界面工作站，均采用高速SUN Blade 100工作站，標準的SUN系列硬件，10/100 Mbit Ethernet LAN接口。

過程耦合單元（PCU）采用高可靠性的SIMATIC S5-155H控制器，用于實現車站遠程終端系統（RTU）與中央通信服務器（COM）之間的信息傳輸，同時還負責與SICLOCK、EMCS、SCADA等系統的接口。

2.1.2 車站ATS系統

（1）LOW工作站

采用FUJITSU/SIEMENS PC，19″彩色顯示器、鼠標、鍵盤，Windows NT，通過Profibus總線與RTU連接，用于監控本聯鎖區的車站。

（2）遠程終端單元

采用SIMATIC S5-155H雙機熱備可編程控制器，通過冗余的Profibus總線與SICAS聯鎖和LOW相連接，通過單Profibus DP與PIIS、DTI、LCP相連接，通過通信傳輸網與PCU進行冗余的串行點對點連接。

2.2 與相關系統的接口

2.2.1 與無線系統接口

無線傳輸系統在控制中心與信號的PCU相連接，該鏈路采用異步、點對點串行4線RS-422數據接口通道，用幀格式在2個通信設備間傳輸信息，鏈路速率9 600 Baud。

列車由車輛段進入正線、列車進入車輛段、列車轉線、列車進入車站、列車折返等情況下ATS發送的報文如下：（1）列車服務號及列車識別號；（2）頭部車無線電臺號；（3）尾部車無線電臺號；（4）乘務組號；（5）當前線路號。

2.2.2 與車站設備監控（EMCS）接口

EMCS系統與信號系統PCU之間的數據傳輸采用4線RS-422數據接口，鏈路為半雙工，傳輸速率9 600 Baud。

為控制隧道通風設備的工作，ATS監視與追蹤系統應監督每個隧道區段內的列車非計劃停留時間，如果列車占用隧道軌道電路的時間超過某一限定值，ATS通信服務器（COM-Server）應通過PCU向EMCS系統發送警報信息。

2.2.3 與電力監控（SCADA）系統接口

SCADA系統與信號系統PCU之間的數據傳輸采用4線RS-422數據接口，鏈路為全雙工，傳輸速率38 400 Baud。

用于在ATS系統與SCADA系統之間傳輸牽引供電的狀態信息，以使ATS系統能夠顯示牽引供電的狀態。PCU向SCADA系統循環發送數據請求報文，在收到無錯數據請求報文后，SCADA系統向PCU發送所有牽引供電的狀態信息。每個牽引供電分區用兩位數據描述，8個牽引供電分區的狀態可用1個數據字來描述。牽引供電狀態數據字描述如表1所示。

2.2.4 與時鐘系統接口

GPS主時鐘系統在控制中心通過串行接口與信號系統無線時鐘（SICLOCK）相連接，采用2線RS-485數據接口，傳輸速率9 600 Baud。

用于在SICLOCK與GPS主時鐘系統間傳輸時間信息，該信息使得ATS系統能夠利用GPS主時鐘系統提供的時間信息，同步VICOS OC 501工作站、PCU、RTU和SICAS聯鎖設備。SICLOCK內包含1個內部時鐘，當GPS主時鐘信號發生故障時，信號系統則通過SICLOCK時鐘傳輸器的內部時鐘來實現同步。

2.2.5 與車輛段聯鎖系統接口

假設車輛段計算機聯鎖系統通過通信傳輸網與正線車站的RTU相聯接，采用4線RS-422數據接口，鏈路為全雙工，傳輸速率38 400 Baud。

雙方的通信方式為主從方式，RTU向車輛段計算機聯鎖循環發送數據請求報文，在收到無錯數據請求報文后，車輛段計算機聯鎖向RTU發送車輛段軌道電路狀態信息，以便ATS系統能夠顯示車輛段軌道電路的狀態。

3 正線聯鎖系統

3.1 系統組成

正線聯鎖系統按故障－安全、高可靠性的SIMIS原則進行設計，其基本部件包括工作站、聯鎖計算機（三取二）、聯鎖執行計算機（二取二）、電子接口模塊和相關現場元件，如轉轍機、信號機、數字軌道電路設備等。聯鎖計算機執行常規的聯鎖功能，通過STEKOP和DSTT電子接口模塊直接控制和監督室外設備，完成軌道空閑檢測、進路控制、道岔控制和信號機控制功能。

3.2 與相關系統的接口

3.2.1 SICAS聯鎖系統間的連接

各聯鎖站SICAS聯鎖系統間的聯鎖連接通過聯鎖總線連接邏輯實施，幾個聯鎖區域由1個聯鎖集中控制，如圖1所示。

3.2.2 與防淹門接口

（1）對防淹門狀態進行實時監督，確保列車安全，即排列包含防淹門的進路（含防護進路）必須連續檢查防淹門的開啟狀態；一旦防淹門失去開啟狀態表示，有關進路不能建立；已建立的進路將立即關閉其防護信號。

（2）確定關閉防淹門的時機：收到關閉防淹門的請求后，立即對防淹門進行防護，關閉有關信號機；確認防淹門接近區段沒有列車或列車已在防淹門外停住，且隧道內軌道空閑后，向防淹門控制人員發出允許關門信號。

SICAS聯鎖系統與防淹門接口電路采用故障-安全原則設計的繼電電路，如圖2所示。

3.2.3 與屏蔽門的接口

（1）正向運行列車，只有列車停在站臺區，并滿足站臺屏蔽門對停車精度要求的情況下，才允許列車向列車車門和站臺屏蔽門發送開門命令；在停站時間結束后由列車向列車車門及屏蔽門發出關門命令，車門和屏蔽門均已關閉，并收到車門和屏蔽門均處于關閉狀態信息后，才允許啟動列車。

（2）正向運行的列車在地下設屏蔽門的車站停車誤差超過±0.5 m時，信號ATP將實施保護,不允許開車門和站臺屏蔽門。正常情況下，站臺屏蔽門的“開啟”和“關閉”均受信號系統設備控制，只有從信號系統接收到“開門”或“關門”指令并傳送到PSC時，屏蔽門才能打開或關閉。

（3）在屏蔽門狀態信息不能有效地傳輸到信號系統時，站臺工作人員可在站臺端部的局控盤上向信號ATP系統送出“互鎖解除”的信息。

3.2.4 與車輛段之間的聯鎖接口

正線車站與車輛段之間出、入段線的聯鎖接口電路按敵對照查條件進行設置。出、入段聯絡線均納入正線控制范圍，并按雙線雙方向運行、列車作業方式設計。為確保列車的出、入段能力與正線列車追蹤間隔相適應，出、入段線正向按120 s閉塞設計劃分閉塞分區，列車的出、入段作業按追蹤方式進行,裝設與正線相同的ATP/ATO設備，列車進入出、入段線后可按ATO或ATP監督下的人工模式運行。接入正線運行不影響正線120 s的運行間隔。列車轉換軌設置在出、入段線上車輛段側，如圖3所示。

4 列車自動防護和列車自動駕駛系統（ATP/ATO）

4.1 系統組成

ATP/ATO系統由車載設備和軌旁設備組成，軌旁設備采用LZB 700M系統、FTGS數字音頻無絕緣軌道電路、同步定位（SYNCH）單元和PTI軌旁車地信息傳輸單元，車載設備由ATP、ATO/PTI車載單元和司機人機接口MMI以及OPG、PTI和ATP天線組成。

ATP軌旁單元采用SIMIS 3216計算機系統，提供運營所需的高標準存儲容量和計算容量。SIMIS計算機系統為三取二的配置，在ATP軌旁設備中存儲了線路參數（線路坡度，軌道區間的長度，區間速度限制，區間臨時速度限制等），并與計算機聯鎖系統進行進路設置和進路狀態的信息交換，從FTGS軌道電路接收軌道空閑/占用狀態信息，接收“無人駕駛折返按鈕”、緊急停車按鈕的輸入信息，向列車發送駕駛指令。

4.2 與車輛的接口

4.2.1 接口界面

原則上，車輛提供信號車載設備安裝空間、支架等安裝輔助裝置，并提供信號車載設備與車輛的連接電纜、車輛側的電氣連接器等。

為確保PIS系統信息的傳送和車輛美觀，車載播放控制器、分屏器、顯示屏、攝像頭、電源以及布線由車輛制造商配套提供，如圖4所示。其中，淺灰色為信號設備，深灰色為車輛設備。

4.2.2 電氣接口

（1）ATO數字/模擬輸出

ATO數字/模擬輸出，見表2所示。

表2 ATO數字/模擬輸出表

（2）數字輸入

在車輛不能提供MVB總線的情況下，條件輸入見表3。其中，24 V供電電壓由ATP/ATO提供，需要浮動接點。

表3 非MVB總線的情況下的數字輸入表

（3）模擬信號

模擬信號為1個0～20 mA的輸出，但是只有4～18 mA的范圍用做線性設定值，等于設定值的0～100％，0～2 mA的范圍以及大于19～20 mA的范圍被認為無效。2～4 mA的范圍用于0％的設定值，而18～19 mA的范圍用于100％的設定值。

（4）ATP數字靜態輸入

ATP數字靜態輸入見表4。

表4 ATP數字靜態輸入

5 結論

接口專業多、技術復雜是地鐵信號系統設計的難點，也是工程實施中的重點，既有與行車組織、線路專業的信息交換接口，又存在與土建、軌道、車輛等專業的安裝接口，同時還存在與機電和弱電系統的電氣接口。因此在工程實施的初期，就必須詳細列出所有接口的明細表，并進行分類、歸納，明確實施時間。在實施中除必須對接口硬件、信息定義、接口協議進行認真分析、研究，提出正確的解決方案外，還須對雙方接口進行檢查和測試，以確保接口的安全、正確和可靠。

[1]魏曉東.城市軌道交通自動化系統與技術[M].北京：電子工業出版社，2005.

[2]林瑜筠,李鵬,李岱峰，等.鐵路信號新技術概論[M].北京：中國鐵道出版社，2005.

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