地铁信号系统的接口设计分析

张 涛

（中铁二院工程集团有限责任公司，成都 610031）

地铁信号工程设计的一个主要特点是接口专业工种多，除了需要与建筑、结构、轨道、线路、供电等专业配合，相互提交计算参数以满足安全和功能需求，预留相应的安装接口条件外，还需要与通信、车站监控、电力监控、屏蔽门、防淹门、试车线、车辆等诸多机电系统实现安全可靠的电气接口，以满足控制、监视的功能需求。然而，不同系统设备间的电气接口设计，由于涉及到相关诸多专业、不同硬件设备、不同信息定义和接口协议，因此成为工程实施中最为薄弱、最易出现差、错、漏等严重问题的环节，直接影响到信号系统功能的实现甚至涉及到行车安全，因此正确解决系统间接口问题是设计过程中的一个重要的关键过程。本文通过对Siemens公司的准移动闭塞ATC信号系统与相关机电系统电气接口的接口硬件、信息定义、接口协议的技术分析，以便对系统接口产生更深认识，为实现其他闭塞制式信号系统与相关机电系统的安全、可靠接口提供积极有益的借鉴。

1 系统概述

Siemens公司准移动闭塞ATC信号系统分为：（1）联锁系统：采用专为地铁系统设计的SICAS计算机联锁系统；（2）ATP/ATO系统：采用LZB 700M系统，其中轨道电路为数字报文无绝缘轨道电路（FTGS）；（3）ATS系统：中央采用VICOS OC 501系统，显示屏为背投投影仪，车站ATS采用VICOS 101系统。

2 列车自动监控系统（ATS）

2.1 系统组成

2.1.1 中央ATS系统

ATS控制中心设备采用VICOS OC 501控制系统，是标准的硬件和系统体系结构，服务器采用SUN工作站和UNIX操作系统，之间通过双100 MB以太局域网连接。ATS局域网中使用TCP/IP通信协议，由2台以太网交换机实现路由功能。

热备冗余通信服务器、主数据管理服务器/备用数据管理服务器，以及中央和车辆段人机界面工作站，均采用高速SUN Blade 100工作站，标准的SUN系列硬件，10/100 Mbit Ethernet LAN接口。

过程耦合单元（PCU）采用高可靠性的SIMATIC S5-155H控制器，用于实现车站远程终端系统（RTU）与中央通信服务器（COM）之间的信息传输，同时还负责与SICLOCK、EMCS、SCADA等系统的接口。

2.1.2 车站ATS系统

（1）LOW工作站

采用FUJITSU/SIEMENS PC，19″彩色显示器、鼠标、键盘，Windows NT，通过Profibus总线与RTU连接，用于监控本联锁区的车站。

（2）远程终端单元

采用SIMATIC S5-155H双机热备可编程控制器，通过冗余的Profibus总线与SICAS联锁和LOW相连接，通过单Profibus DP与PIIS、DTI、LCP相连接，通过通信传输网与PCU进行冗余的串行点对点连接。

2.2 与相关系统的接口

2.2.1 与无线系统接口

无线传输系统在控制中心与信号的PCU相连接，该链路采用异步、点对点串行4线RS-422数据接口通道，用帧格式在2个通信设备间传输信息，链路速率9 600 Baud。

列车由车辆段进入正线、列车进入车辆段、列车转线、列车进入车站、列车折返等情况下ATS发送的报文如下：（1）列车服务号及列车识别号；（2）头部车无线电台号；（3）尾部车无线电台号；（4）乘务组号；（5）当前线路号。

2.2.2 与车站设备监控（EMCS）接口

EMCS系统与信号系统PCU之间的数据传输采用4线RS-422数据接口，链路为半双工，传输速率9 600 Baud。

为控制隧道通风设备的工作，ATS监视与追踪系统应监督每个隧道区段内的列车非计划停留时间，如果列车占用隧道轨道电路的时间超过某一限定值，ATS通信服务器（COM-Server）应通过PCU向EMCS系统发送警报信息。

2.2.3 与电力监控（SCADA）系统接口

SCADA系统与信号系统PCU之间的数据传输采用4线RS-422数据接口，链路为全双工，传输速率38 400 Baud。

用于在ATS系统与SCADA系统之间传输牵引供电的状态信息，以使ATS系统能够显示牵引供电的状态。PCU向SCADA系统循环发送数据请求报文，在收到无错数据请求报文后，SCADA系统向PCU发送所有牵引供电的状态信息。每个牵引供电分区用两位数据描述，8个牵引供电分区的状态可用1个数据字来描述。牵引供电状态数据字描述如表1所示。

2.2.4 与时钟系统接口

GPS主时钟系统在控制中心通过串行接口与信号系统无线时钟（SICLOCK）相连接，采用2线RS-485数据接口，传输速率9 600 Baud。

用于在SICLOCK与GPS主时钟系统间传输时间信息，该信息使得ATS系统能够利用GPS主时钟系统提供的时间信息，同步VICOS OC 501工作站、PCU、RTU和SICAS联锁设备。SICLOCK内包含1个内部时钟，当GPS主时钟信号发生故障时，信号系统则通过SICLOCK时钟传输器的内部时钟来实现同步。

2.2.5 与车辆段联锁系统接口

假设车辆段计算机联锁系统通过通信传输网与正线车站的RTU相联接，采用4线RS-422数据接口，链路为全双工，传输速率38 400 Baud。

双方的通信方式为主从方式，RTU向车辆段计算机联锁循环发送数据请求报文，在收到无错数据请求报文后，车辆段计算机联锁向RTU发送车辆段轨道电路状态信息，以便ATS系统能够显示车辆段轨道电路的状态。

3 正线联锁系统

3.1 系统组成

正线联锁系统按故障－安全、高可靠性的SIMIS原则进行设计，其基本部件包括工作站、联锁计算机（三取二）、联锁执行计算机（二取二）、电子接口模块和相关现场元件，如转辙机、信号机、数字轨道电路设备等。联锁计算机执行常规的联锁功能，通过STEKOP和DSTT电子接口模块直接控制和监督室外设备，完成轨道空闲检测、进路控制、道岔控制和信号机控制功能。

3.2 与相关系统的接口

3.2.1 SICAS联锁系统间的连接

各联锁站SICAS联锁系统间的联锁连接通过联锁总线连接逻辑实施，几个联锁区域由1个联锁集中控制，如图1所示。

3.2.2 与防淹门接口

（1）对防淹门状态进行实时监督，确保列车安全，即排列包含防淹门的进路（含防护进路）必须连续检查防淹门的开启状态；一旦防淹门失去开启状态表示，有关进路不能建立；已建立的进路将立即关闭其防护信号。

（2）确定关闭防淹门的时机：收到关闭防淹门的请求后，立即对防淹门进行防护，关闭有关信号机；确认防淹门接近区段没有列车或列车已在防淹门外停住，且隧道内轨道空闲后，向防淹门控制人员发出允许关门信号。

SICAS联锁系统与防淹门接口电路采用故障-安全原则设计的继电电路，如图2所示。

3.2.3 与屏蔽门的接口

（1）正向运行列车，只有列车停在站台区，并满足站台屏蔽门对停车精度要求的情况下，才允许列车向列车车门和站台屏蔽门发送开门命令；在停站时间结束后由列车向列车车门及屏蔽门发出关门命令，车门和屏蔽门均已关闭，并收到车门和屏蔽门均处于关闭状态信息后，才允许启动列车。

（2）正向运行的列车在地下设屏蔽门的车站停车误差超过±0.5 m时，信号ATP将实施保护,不允许开车门和站台屏蔽门。正常情况下，站台屏蔽门的“开启”和“关闭”均受信号系统设备控制，只有从信号系统接收到“开门”或“关门”指令并传送到PSC时，屏蔽门才能打开或关闭。

（3）在屏蔽门状态信息不能有效地传输到信号系统时，站台工作人员可在站台端部的局控盘上向信号ATP系统送出“互锁解除”的信息。

3.2.4 与车辆段之间的联锁接口

正线车站与车辆段之间出、入段线的联锁接口电路按敌对照查条件进行设置。出、入段联络线均纳入正线控制范围，并按双线双方向运行、列车作业方式设计。为确保列车的出、入段能力与正线列车追踪间隔相适应，出、入段线正向按120 s闭塞设计划分闭塞分区，列车的出、入段作业按追踪方式进行,装设与正线相同的ATP/ATO设备，列车进入出、入段线后可按ATO或ATP监督下的人工模式运行。接入正线运行不影响正线120 s的运行间隔。列车转换轨设置在出、入段线上车辆段侧，如图3所示。

4 列车自动防护和列车自动驾驶系统（ATP/ATO）

4.1 系统组成

ATP/ATO系统由车载设备和轨旁设备组成，轨旁设备采用LZB 700M系统、FTGS数字音频无绝缘轨道电路、同步定位（SYNCH）单元和PTI轨旁车地信息传输单元，车载设备由ATP、ATO/PTI车载单元和司机人机接口MMI以及OPG、PTI和ATP天线组成。

ATP轨旁单元采用SIMIS 3216计算机系统，提供运营所需的高标准存储容量和计算容量。SIMIS计算机系统为三取二的配置，在ATP轨旁设备中存储了线路参数（线路坡度，轨道区间的长度，区间速度限制，区间临时速度限制等），并与计算机联锁系统进行进路设置和进路状态的信息交换，从FTGS轨道电路接收轨道空闲/占用状态信息，接收“无人驾驶折返按钮”、紧急停车按钮的输入信息，向列车发送驾驶指令。

4.2 与车辆的接口

4.2.1 接口界面

原则上，车辆提供信号车载设备安装空间、支架等安装辅助装置，并提供信号车载设备与车辆的连接电缆、车辆侧的电气连接器等。

为确保PIS系统信息的传送和车辆美观，车载播放控制器、分屏器、显示屏、摄像头、电源以及布线由车辆制造商配套提供，如图4所示。其中，浅灰色为信号设备，深灰色为车辆设备。

4.2.2 电气接口

（1）ATO数字/模拟输出

ATO数字/模拟输出，见表2所示。

表2 ATO数字/模拟输出表

（2）数字输入

在车辆不能提供MVB总线的情况下，条件输入见表3。其中，24 V供电电压由ATP/ATO提供，需要浮动接点。

表3 非MVB总线的情况下的数字输入表

（3）模拟信号

模拟信号为1个0～20 mA的输出，但是只有4～18 mA的范围用做线性设定值，等于设定值的0～100％，0～2 mA的范围以及大于19～20 mA的范围被认为无效。2～4 mA的范围用于0％的设定值，而18～19 mA的范围用于100％的设定值。

（4）ATP数字静态输入

ATP数字静态输入见表4。

表4 ATP数字静态输入

5 结论

接口专业多、技术复杂是地铁信号系统设计的难点，也是工程实施中的重点，既有与行车组织、线路专业的信息交换接口，又存在与土建、轨道、车辆等专业的安装接口，同时还存在与机电和弱电系统的电气接口。因此在工程实施的初期，就必须详细列出所有接口的明细表，并进行分类、归纳，明确实施时间。在实施中除必须对接口硬件、信息定义、接口协议进行认真分析、研究，提出正确的解决方案外，还须对双方接口进行检查和测试，以确保接口的安全、正确和可靠。

[1]魏晓东.城市轨道交通自动化系统与技术[M].北京：电子工业出版社，2005.

[2]林瑜筠,李鹏,李岱峰，等.铁路信号新技术概论[M].北京：中国铁道出版社，2005.

[3]汪希时.智能铁路运输系统 ITS-R[M].北京：中国铁道出版社，2004.