快速公交與站臺門之間無線聯動系統設計

摘要：快速公交BRT車輛在進站停車和發車時需要與設置在站臺上的站臺門進行同步的開關門動作，為此設計了一套基于RFID無線射頻識別技術的聯動系統。該系統主要由RFID單元、PLC控制器單元、DCU門控單元、PSA上位監控單元等組成。經過現場測試，該系統設計能夠準確地實現車輛門與站臺門的無線聯動，并能實時監控和記錄各個在線設備的狀態。

關鍵詞：快速公交BRT；站臺門；RFID無線射頻識別技術；RFID單元；PLC控制器單元 文獻標識碼：A

中圖分類號：U270 文章編號：1009-2374（2017）10-0018-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2017.10.009

目前快速公交BRT車輛與站臺門之間的無線聯動設計大多采用紅外、ZigBee、攝像等技術。考慮到現場開放式全天候運營工況環境，以上技術固有的缺陷無法滿足準確聯動，比如紅外技術受限于發射器與接收器之間的紅外感應角度較小且不能有障礙物遮擋；ZigBee無線技術在短距離定位上，精度和重復度無法保證；攝像技術通過捕捉視頻采樣照片識別公交車輛，易受現場實際環境制約，造成誤判等。本文設計了一套基于RFID無線射頻識別技術的聯動系統方案，包括硬件設計和軟件設計兩大部分，為BRT與站臺門之間實現高效而安全的運營創造條件。

1 系統設計

該系統主要由RFID單元、PLC控制器單元、DCU門控單元、PSA上位監控單元組成。系統拓撲圖如圖1所示：

1.1 RFID單元設計

RFID單元硬件主要由TAG車載標簽、Reader閱讀器、天線等組成。標簽采用全向天線，安放在車輛儀表盤內預留位置處并設置輸入點（開門信號、關門信號、故障反饋等）和輸出點（開到位、關到位、故障報警等），標簽通過輸入點采集司機按鈕操作信號，通過輸出點指示站臺門動作狀態及報警。閱讀器安裝在站臺門固定側盒內，設置控制和通訊端口且與PLC控制器進行連接，完成無線收發數據向PLC有線信號的轉換。其中供電部分由就地電源模塊提供，即標簽由車載電源供電，閱讀器由站臺門電源供電。

RFID單元硬件除由以上組成外，另外跟隨BRT車輛為司機配備了一個無線遙控器，內置鋰電池、TAG標簽及I/O口，作為司機緊急備用操作時使用。

RFID單元軟件通過PC機串口與閱讀器連接，使用自定義協議對閱讀器及標簽相關參數進行讀寫。主要參數包括設置閱讀器及標簽唯一ID號（用于識別閱讀器和標簽的物理屬性）、設置RF衰減值（通過對射頻高頻信號2.4GHz的修改達到控制閱讀器與標簽磁場感應距離目的）、設置RSSI門限（通過對射頻低頻信號125kHz的修改達到控制標簽是否被激活的目的）。

RFID單元工作機制如下：（1）閱讀器及標簽供電；（2）閱讀器開始以特定頻率發射低頻觸發信號，同時開始掃描區域內標簽信號；（3）當車載標簽進入閱讀器觸發信號范圍，接收到觸發信號后，標簽以高頻向閱讀器發送數據；（4）數據內容包括標簽ID、觸發器ID、標簽以及閱讀器被觸發時的I/O狀態和場強值；（5）閱讀器穩定收到標簽數據一段時間（該時間段可調）后，通過I/O端口采集站臺門狀態并發送開關門命令，通過無線磁場耦合傳輸給標簽；（6）區域內標簽被低頻信號激活一段時間（該時間段可調）后，通過I/O端口發送司機開關門命令并采集站臺門狀態，通過無線磁場耦合傳輸給閱讀器；（7）閱讀器通過串口與PLC控制器連接，進行數據全雙工讀寫。

1.2 PLC控制器單元設計

PLC控制器單元主要由CPU中央處理器、I/O模塊、通訊模塊等組成。CPU負責軟件算法及邏輯編程，I/O模塊負責外部輸入信號采集及數字邏輯信號的輸出，通訊模塊負責與RFID閱讀器、DCU門控器、PSA上位監控單元之間進行數據交換。

PLC軟件編程主要由以下功能模塊組成：（1）DCU門控器I/O邏輯處理功能塊，用于開關門命令及狀態的互鎖邏輯處理；（2）RFID單元I/O邏輯處理功能塊，用于開關門命令及反饋狀態的采集和數字濾波處理；（3）RFID單元參數自適應調整功能塊，根據標簽與閱讀器之間磁場強度值動態調整RF及RSSI門限，吸納環境因素帶來的定位距離漂移誤差，確保標簽與閱讀器之間建立起有效的磁場通道；（4）PSA監控單元數據采集功能塊，PLC通過串口與PSA連接，通訊協議采用標準的MODBUS-RTU，按照03（讀寫）、04（只讀）功能碼傳輸相關變量；（5）故障診斷功能塊，用于分析在線設備包括RFID單元、DCU單元、PLC單元、PSA單元等各種故障報警及原因追述。

1.3 DCU門控器單元設計

DCU是站臺滑動門電機的監控裝置，每道滑動門單元配置一套DCU門控單元，控制兩扇滑動門動作。門控單元主要由控制驅動器、開關電源、接口單元及驅動與控制軟件等組成。驅動器負責電機電流、速度、位置曲線的檢測和計算，完成站臺門門體動作的加減速曲線。

（1）控制器負責I/O信號采集和輸出（開關門命令、站臺門運動狀態反饋、位置反饋、各種故障狀態等），并完成1#DCU與N#DCU之間CAN通訊以及與PLC控制器之間的RS485通訊；（2）驅動器負責電機電流、速度、位置曲線的檢測和計算，完成站臺門門體動作的加減速曲線；（3）開關電源負責將站臺供電，諸如AC220V或DC110V等轉換成DCU控制驅動器所需要的工作電源；（4）接口單元主要包括硬件I/O接口和通訊接口。其中I/O接口由單門操作盒LCB、整側站臺門操作箱PSL、就地狀態門頭燈DOI等組成，通訊接口由DCU之間的CAN通訊和DCU與PLC之間的RS485通訊組成；（5）驅動控制軟件包括I/O邏輯控制和電機三環控制。負責站臺滑動門按照設定的速度曲線實現對電機的實時控制，能夠根據門體在安裝后滑動門體推拉阻力的偏差，自動修正速度曲線，使滑動門到達規定的開關門時間。

1.4 PSA上位監控單元設計

PSA上位監控單元主要由通訊驅動模塊、數據監控模塊、數據庫模塊、故障報警模塊、數據轉發模塊組成。通訊驅動模塊負責解析PLC控制器設備層數據通訊協議及點表內容，數據監控模塊負責在線設備所有數據實時采集并進行相關參數設置，數據庫模塊完成歷史數據存儲、歸檔、查詢，故障報警模塊負責數據變量的實時及邏輯報警。

（1）通訊驅動模塊主要負責下位設備層數據與上位監控PSA之間的協議轉換與內容傳輸，包括串口自定義協議、標準MODBUS-RTU、MODBUS-TCP等；（2）數據監控模塊包括用戶管理、監視畫面編輯與發布、變量篩選及存儲、工藝流程VBS腳本開發等；（3）數據庫模塊主要用于變量及報警記錄的歸檔和查詢，包括實時運行數據庫和歷史數據庫；（4）故障報警模塊負責對在線設備，諸如RFID、DCU、PLC等單元進行實時故障診斷，對故障按級別進行分類顯示和處理。同時加入自學習算法，對故障部位、部件及次數等變量參數進行函數統計和計算，自動估算易損件類型和預更換時間等；（5）數據轉發模塊主要負責與二級計算機管理系統，諸如綜合監控ISCS進行數據通訊，即將站臺級的數據按照規約篩選后匯總到數據集控中心，便于集控中心對所有BRT站點的數據進行監控。

2 結語

當快速公交BRT越來越多地服務于各大城市時，它的快捷性、安全性、高效性受到了嚴格的考驗。站臺門作為公交車與乘客之間的安全屏障，如何實現在全天候工況下與BRT車輛精準而穩定的聯動，讓司機進站及出站時可以實時掌握站臺門狀態并提前做出預案，讓乘客可以安全上下車，節約車輛駐車等待時間等要求，需要通過成熟、可靠、安全的系統設計來保證。系統中采用RFID無線射頻識別技術實現了BRT車輛與站臺門之間的無線對話，并通過系統中核心門控DCU單元以及PSA上位監控單元，使就地車輛司機、乘客和遠程數據集控中心可以實時動態全過程掌控車輛及站臺門狀態，最終讓司機操作簡單，乘客上下車快捷，讓作為后臺的數據集控中心做出高效的行車安排和調度。

參考文獻

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作者簡介：趙忠（1981-），男，上海人，上海嘉成軌道交通安全保障系統股份公司工程師，研究方向：軌道交通站臺門電氣自動化系統設計及研發、上位機SCADA監控系統設計。

（責任編輯：黃銀芳）