城際鐵路及高速鐵路站臺門系統無線監控設計

魏耀南，闞庭明，郭浩波

（1. 北京經緯信息技術有限公司，北京 100081；2. 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）

站臺門系統是保證乘客安全及行車安全的重要系統，其控制模式包括系統級控制、站臺級控制和緊急級控制[1]。其中，系統級控制優先級最低，由信號系統的接口實現，通過接收信號系統發出的控制指令，完成站臺門的開關動作。當系統級控制出現故障時，由運營人員操作安裝于站臺上的就地控制盤（PSL，Platform Screen doors Local control panel）執行開關門動作。當站臺發生火災等緊急情況時，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，除城市軌道行業外，城際鐵路及高速鐵路車站也在逐步推廣和安裝站臺門系統，為站臺候車提供重要的安全保障。但因既有線路運營車輛類型復雜及改造困難等原因，大部分車站只配備站臺級控制和緊急級控制兩種模式，運營人員不僅要前往遠距離的控制盤，手動控制站臺門的開關，還要巡檢站臺，確保乘客或物品沒有滯留在列車與站臺門中間的過道里。這在很大程度上降低了運營效率，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和現場總線技術，通過手持終端遠程控制站臺門開關并監視系統狀態的方案。該方案還適用于存在信號系統聯動控制的城市軌道線路，當信號系統聯動失敗時，方便運營人員在巡檢站臺的同時操作站臺門系統。

1 方案設計

1.1 優先級設計

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

圖1 站臺門系統控制優先級

（1）系統級控制由信號系統下發指令控制。信號系統正常時,可正常控制開關門動作，站務人員無需介入[5]，因此遙控單元不進行控制；信號系統故障時，站務人員利用遙控單元下發開關門命令，保障乘客上下車。因此，系統級控制的優先級應低于遙控級控制。

（2）站臺級控制利用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，站臺級控制采用硬線連接，結構簡單，傳輸信號穩定，不需要電池供電[6]，不存在通訊干擾等風險因素。因此從穩定性、可靠性方面考慮，遙控級控制的優先級應當低于站臺級控制。

（3）因緊急級控制的優先級高于站臺級控制[7]，所以高于遙控級控制。

1.2 模塊設計

本文將站臺門的無線監控系統劃分為操作終端、無線網絡模塊、接口控制單元和邏輯處理單元4 個部分，如圖2 所示。無線監控系統以站臺每側為單位單獨設計，從而保證當一側出現故障時，不影響另外一側的正常運行。

圖2 系統模塊劃分

1.2.1 操作終端

作為實現遙控和監視功能的主設備，操作終端與無線網絡模塊之間采用TCP_MODBUS 協議通信[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，本文選用安卓系統作為其運行平臺。軟件界面包含以下內容：

（1）系統故障指示信號；

（2）整側站臺門開門到位指示信號；

（3）整側站臺門鎖閉指示信號；

（4）開門命令指示信號；

（5）關門命令指示信號；

（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集標識（SSID，Service Set Identifier）功能，用于每個站臺的上下行切換或者多個站臺的股道切換，同時，界面中所有顯示點需標注地址編號，防止運營人員誤操作導致非目標股道執行開門的情況出現。當運營人員需要通過手持終端操作站臺門開關時，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置為有效狀態，對應的操作允許指示信號有效，針對車型信息觸發對應的開門按鈕，命令執行成功，則對應開門命令指示信號顯示高亮狀態；關門操作亦是如此，可通過整側站臺門鎖閉指示信號判斷出所有站臺門是否關閉到位且鎖緊。若當前有更高優先級的控制模式，在操作或無線通信網絡失效時，對應的操作允許指示信號保持非使能狀態，無法進行下一步操作。

1.2.2 無線網絡模塊

無線網絡模塊提供手持操作終端與接口控制單元之間的通訊網絡通道，與手持操作終端間采用無線連接，工作時處于無線訪問接入點（AP，Access Point）模式。目前，高速鐵路車站站臺長度多為450 m，且站臺上普遍布設3 套PSL，因此，無線網絡模塊的通訊距離應不小于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絡模塊的通訊接口，接收來自手持操作終端的控制指令，進行邏輯分析處理后，通過繼電器組將處理結果發送給PSC，同時采集門體的開關狀態以及PSC 的邏輯狀態，通過無線網絡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部分，如圖3 所示。

圖3 接口控制單元硬件結構

（1）電源

輸入電源為24 VDC，通過內部電源電路轉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，主頻最高能達到72 MHz，具有多個通用異步收發傳輸器等外設資源。

（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、關門繼電器和車型繼電器，每個繼電器至少具有兩個常開觸點，一個用于指令的傳遞，另一個用于狀態的反饋。

（4）通信接口

接口控制單元分別提供與PSC 及無線網絡模塊的通信接口，為保證系統的穩定性，通訊電路需隔離處理。

（5）輸出電路

采用光耦隔離，用于處理器驅動繼電器所需的電壓和功率轉換。

當接口控制單元接收到手持操作終端發來的操作允許及開關門命令后，驅動對應的操作，允許開關門繼電器閉合，同時采集繼電器的輸出觸點以確認繼電器是否動作。當檢測到異常時，輸出報警信號，提示操作人員設備故障。操作允許繼電器的觸點與開關門繼電器的線圈串聯，只有在操作允許繼電器觸點閉合的情況下，開關門繼電器才能動作。為防止接口控制單元出現故障導致開關門指令一直處于有效狀態，其內部設置隔離開關，當隔離開關打到有效時，可將繼電器組輸出的控制指令強制斷開。接口控制單元實時從PSC 中讀取門體的狀態信息及邏輯處理結果，經過數據加工和處理后，通過無線網絡模塊發送到手持操作終端進行顯示。為防止通信故障帶來的影響，接口控制單元與PSC 之間需設置心跳數據包，在設定時間內未收到對方發來的心跳數據，則判定為通訊故障，此時應由運營人員切換到PSL 進行操作。

1.2.4 邏輯處理單元

傳統站臺們系統的邏輯處理單元只包含了與信號系統、就地操作盤、緊急操作盤的接口電路和相關處理邏輯[9]。本文設計的系統在此基礎上在每側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，以實現遙控指令的接收處理和控制優先級的劃分。

圖4 邏輯處理單元示意

本文在邏輯處理單元增設安全繼電器，用于在接口控制單元命令有效時屏蔽信號系統的命令。信號系統與站臺門系統之間一般采用繼電接口[10]，設置有開門繼電器、關門繼電器，對于多種車型混跑的線路還設置有車型繼電器。通過接口分析可對繼電器進行設置，信號系統控制命令需經過這些繼電器的常開觸點之后向內部邏輯處理單元傳遞。當接口控制單元處于有效時，繼電器動作，切斷信號系統命令的傳遞；當接口控制單元無效或故障時，繼電器失電，常閉觸點閉合，信號系統正?？刂普九_門的開啟與關閉。邏輯處理單元還需設置用于屏蔽接口控制單元命令的繼電器，當PSL 與緊急控制盤發出指令時，繼電器動作來屏蔽接口控制單元開關門命令。同時，在PLC 部分增設輸入點，用于檢測接口控制單元狀態，并做出優先級判斷，從而確定是否向門體發出開關門命令。

2 系統穩定性分析

（1）基于系統的實際情況，無線網絡模塊及接口控制單元需集成在站臺上的PSL 內部，這樣既可以保證站臺上的設備數量維持不變，又可以直接從PSL 內部取電以減少系統的故障點。

（2）城軌和城際鐵路車站站臺長度普遍為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察亭位置各布設一套；高速鐵路車站站臺長度普遍為450 m 左右，通常一側布設3 套PSL，站臺首端、尾端和中間位置各布置一套，部分車站按5 套PSL 布置。為保證系統的穩定性，需在站臺上每套PSL 中均布置一套遙控設備及相關附件，每側無線網絡模塊可覆蓋整個站臺，足以保證手持操作終端的移動連接。

（3）邏輯控制單元內部需與所有接口控制單元的接口電路相互獨立，使得當一臺設備出現故障時，不影響其他設備的正常運行，可通過接口控制單元中提供的隔離開關進行隔離或直接通過站臺級控制模式執行開關門。

3 結束語

本文從站臺門無線監控的需求出發，提出了模塊化的系統方案。通過搭建平臺測試，系統能夠實現高穩定性、高可靠性和可擴展的目標，解決站臺門運營人員的實際需求。但當前系統功能較為單一，在數據處理和數據挖掘方面還有較大研究空間。后續將重點研究智能診斷的相關算法及功能，實現零部件的故障預判，并主動推送給運營人員，進一步提升運營工作的便捷性和安全性。