基于全自動運行的智能站臺門控制系統研究

李 帥，左艷芳，郭順利，王振欣

（1. 中國鐵道科學研究院集團有限公司 電子計算技術研究所，北京 100081；2. 北京經緯信息技術有限公司，北京 100081）

站臺門是城市軌道交通中，保障乘客安全、改善候車環境的重要設施，已在城市軌道交通中取得廣泛應用。在全自動運行線路中，引入了許多新的應用場景，對站臺門控制系統也提出了新的需求。之前對于全自動運行線路中站臺門控制系統的研究，提到的多組就地控制盤（PSL，Platform Screen doors Local control panel）應用[1]、障礙物探測[2]、間隙探測[3]等多種研究成果，其實已在人工駕駛線路中取得了普遍應用，在全自動運行線路中并無重大變化。而基于圖像識別的障礙物探測技術[4]，并未在全自動運行線路中取得廣泛應用。其實，全自動運行線路中，站臺門控制系統新增的兩項關鍵需求，是對位隔離功能和達到SIL2 級別的高可靠性和高安全性運行。之前的研究多是針對全自動運行模式下，站臺門新增系統需求的探討和論證，并未給出具體的解決方案。本文根據行業研究成果，結合項目應用情況，針對全自動運行模式下站臺門的新增需求，設計研發一套滿足功能和性能要求的智能站臺門控制系統：實現了對位隔離功能，支持多種列車車型的不同開關門控制方式，符合SIL2 的相關要求，滿足全自動運行線路的需求。

1 全自動運行場景下的新增需求

1.1 對位隔離

當前的城市軌道交通人工駕駛線路中，當單個站臺門或列車門發生故障無法打開時，其對應的列車門或站臺門無法獲知對方運行狀態，依然會打開。這就造成站臺門或列車門只有一方打開，而另一方不打開的問題，可能引起乘客撞傷、擠傷、物品掉落到軌行區等危險事故發生。若因為單個列車門或站臺門無法動作，而讓整側站臺門或列車門停止使用，對線路運行影響過大。尤其在全自動運行線路中，站臺候車區域配備值守人員較少，特別需要在單個站臺門或列車門故障時，能讓其對應列車門或站臺門不打開，同時不影響其它正常站臺門和列車門打開，即對位隔離[5]，以此提高系統自動化運行程度，減少運營人員勞動量，降低人力成本。

1.2 安全完整性等級

EN50126[6]、 EN50128[7]、 EN50129[8]3 項 標 準，是由歐洲電氣化標準委員會制定，以計算機控制的信號系統作為對象的鐵道信號標準，對軌道交通安全相關的電子系統及軟件的可靠性、可用性、可維護性和安全性提出了具體要求，并給出規定和示例來描述相關的評估活動和評估方式。目前軌道交通行業均以此3 項標準為依據，對站臺門控制系統進行安全評估。

目前，在全自動運行線路中，上海地鐵10 號線和北京地鐵燕房線、北京大興機場線均將SIL2 認證作為站臺門控制系統交付的條件[2]，而新建的全自動運行線路中，SIL2 認證已成為必備的投標資質。目前，我國正在運營的全自動駕駛線路均在站臺設有站務人員值守，對站臺門控制系統的運營情況進行監控和管理。隨著運營組織要求的不斷提高，實現站臺無人監管將成為必然趨勢[9]。因此，對站臺門控制系統進行全生命周期的可靠性、可用性、可維護性和安全性（RAMS，Reliability, Aviliailability, Maintainability, Safety）管理。

2 功能實現

2.1 架構設計

如圖1 所示，站臺門控制系統由多個門機控制單元（DCU，Door Control Unit）、2 套單元控制器（PEDC，Platform Emergency Door Controller）、兩臺工控機（運行有監控軟件）組成。其中，2 套PEDC 分別由可編程邏輯控制器（PLC， Programmable Logic Controller）和繼電器模組構成，分別控制上行和下行的DCU，并采集每個DCU 的運行狀態，即每個站臺門的狀態；將狀態信息整合匯總后，通過交換機發送給兩臺工控機（工控機A 和B）。2 臺工控機分別通過兩條通信鏈路與列車自動運行（ATO，Automatic Train Operation）系統進行通信，交換每個列車門和每個站臺門的狀態信息。

圖1 站臺門控制系統架構

站臺門控制系統和ATO 系統通過網絡接口實現雙向、實時通信，向對方傳輸自身狀態信息的同時，也要接收對方的狀態信息，并據此控制自身設備，實現站臺門和列車門的對位隔離。

圖2 對位隔離方案示意

如圖2 所示，列車門信息通過車輛控制系統傳輸給信號系統，再經過行車綜合自動化系統（TIAS，Traffic control Integrated Automation System）和2 臺前端機FEP-A 和FEP-B 發送給站臺門控制系統的2臺工控機，工控機接收到列車門狀態信息后，判斷每個列車門的狀態，并據此控制站臺門實現對未隔離。同時，DCU 可通過聲光警報等方式提示站臺候車的乘客，該站臺門處于對位隔離狀態，需要通過其它站臺門上車。同理，處于對位隔離狀態的列車門也不打開，并提示車上乘客通過其它列車門下車。

2.2 工作流程

如圖3 所示，站臺門控制系統在完成系統初始化工作后，開始數據發送和數據接收2 項工作，2 項工作相互獨立，互不影響。

圖3 對位隔離工作流程

2.2.1 數據發送

在數據發送過程中，站臺門控制系統中的PLC會周期性（每隔0.5 s）采集每個DCU 的運行狀態，站臺門控制系統中某個站臺門故障或隔離時，該站臺門對應的DCU 將其故障或隔離信息上傳給PLC，PLC 則根據每個DCU 的狀態，生成站臺門對位隔離狀態字，將其傳輸給工控機A 和工控機B。2 臺工控機上均運行一套監控軟件，負責與ATO 系統進行通信，將PLC 發送過來的站臺門對位隔離狀態字發送給ATO。該狀態信息可供ATO 判斷當前的站臺門狀態，并根據當前站臺門狀態，控制與故障或隔離的站臺門相對應的列車門不再打開，而其它列車門正常打開。

2.2.2 數據接收

在數據接收流程中，站臺門控制系統中的2 臺工控機，能夠同時接收信號系統發來的列車門狀態信息，將該信息傳輸給PLC。PLC 會對來自2 臺工控機的數據進行智能判斷，先判斷工控機A 是否正常工作，若正常，則采信工控機A 中的列車門狀態數據；若工控機A 發生故障，則判斷工控機B 是否正常工作，若其正常工作，則使用工控機B 中的列車門狀態數據；若工控機B 也發生故障，則清除所有站臺門的對位隔離信息，將站臺門系統置于沒有對位隔離的狀態運行，以此保證對位隔離失效后，不會對站臺門系統本身的控制邏輯產生不利影響。

在確定狀態數據來源之后，站臺門控制系統會對接收的報文進行安全校驗，在應用層采用雙重CRC 校驗，保障報文傳輸的完整性和正確性；同時，對數據發送方的IP 地址和身份標識進行雙重認證，保證對方身份合法性。站臺門控制系統僅對通過安全校驗的報文進行解析。

當前數據通過安全校驗后，站臺門控制系統從中解析出當前的列車門狀態，并將其與上一條接收到的報文進行對比，當某個或多個列車門的對位隔離狀態發生變化時，則將其對位隔離信息發送給對應的DCU。

DCU 在接收到開門指令時（來自ATO 系統和PSL 的硬線指令），會對自身對位隔離狀態進行智能判斷：若其沒有處于對位隔離狀態，則正常打開站臺門；若處于對位隔離狀態，則不執行開門指令，并發出聲光報警提示乘客從其它站臺門上下車。

3 高可靠性控制系統方案

3.1 二取二冗余架構PEDC

如圖4 所示，為提高站臺門控制系統的可靠性，本文所述站臺門控制系統使用PLC 和繼電器模組構成的異構“二取二”架構，兩者同時運行，同時接收ATO 系統的開、關門指令，進行邏輯判斷后生成發送給DCU 的控制命令，僅當兩者輸出的控制命令一致時，才向DCU 輸出開門或關門命令。該方案采用不同的處理方式對同一指令進行邏輯判斷，并對判斷結果進行二取二操作，極大降低單點故障對站臺門控制系統運行產生的不利影響，提高系統的可靠性、可用性。

圖4 二取二系統架構

3.2 冗余控制和通信鏈路

3.2.1 監控主機與TIAS 通信冗余

監控主機與TIAS 之間采用工業以太網連接，其中，監控主機作為從站響應TIAS 的數據讀寫請求。監控主機提供兩套獨立的接口程序，共用一套寄存器組提供相同的服務，TIAS 可以訪問任何一套接口獲取服務，當其中一條通信線路出現故障時，由TIAS 負責切換通道。

3.2.2 PEDC 與DCU 通信冗余

PEDC 與DCU 之間采用雙MODBUS 總線冗余方式進行通信，正常運營時，由一條總線與每個DCU 交互信息，另一條總線處于熱備狀態。PEDC對兩條總線的運行狀態進行實時監測，并智能選擇可用鏈路：當運行中的總線發生故障，如總線堵塞、斷線等狀況時，PEDC 選取另一條總線來代替故障總線，負責與每一個DCU 通信。保障信息傳輸的實時性、準確性，降低安全隱患，保障運營安全。

3.2.3 PEDC 與DCU 硬線控制線纜冗余

PEDC 和DCU 之間的控制線纜采用環形接線方式，從PEDC 引出后，將每個DCU 串行連接后，再次回到PEDC，控制指令可以通過環形線纜兩端中的任意一端傳送給DCU，當控纜的某一處斷開時，不影響控制命令下發至每個DCU，不影響站臺門控制系統的正常運行。

4 多車型智能控制

國內有些軌道交通線路中，存在多種車型同時運行的問題，每種車型的列車門數量和位置均不相同，這就要求站臺門控制系統根據不同車型的列車門位置，提供相應的控制方式[10]。為此，本方案還能通過配置PEDC 和DCU 之間的控制線纜接口，實現多種開門方式的控制。收到車型信息和開門指令時，PEDC 對相關信息進行智能分析后，控制相應的開門繼電器，向對應的一組DCU 發送開門命令。

如圖5 所示，當開門繼電器1 被驅動后，DCU1 ～DCU7 通過紅色控制線路接收到開門命令，執行開門動作。當開門繼電器2 被驅動后，DCU8 ～DCU14 通過藍色控制線路接收到開門命令，執行開門動作。PEDC 還可以同時驅動開門繼電器1 和開門繼電器2，則所有DCU 均會收到開門命令，整側站臺門全部打開。通過PEDC 和DCU 之間接口的靈活配置，可以實現多種開門方式的控制，適應多種車型列車混跑。

圖5 多車型智能控制原理

5 結束語

本文對于全自動運行模式下，站臺門控制系統新增的對位隔離和RAMS 要求，進行了深入的研究。在此基礎上，設計并研發了一種智能站臺門控制系統，實現全自動運行模式下站臺門的對位隔離，將站臺門自動控制級別延伸到單個站臺門，提升了站臺門智能化運行水平；通過“二取二”冗余架構及多重冗余措施，極大提高了系統的可靠性；同時還能支持多種車型混跑的運行場景，滿足全自動運行線路對站臺門控制系統的要求。該系統已成功應用于北京大興機場線，自交付以來，運行安全可靠，RAM 指標超過預期水平，對全自動運行線路中的站臺門控制系統的設計與應用，具有很好的借鑒意義。