基于全自动运行的智能站台门控制系统研究

李 帅，左艳芳，郭顺利，王振欣

（1. 中国铁道科学研究院集团有限公司 电子计算技术研究所，北京 100081；2. 北京经纬信息技术有限公司，北京 100081）

站台门是城市轨道交通中，保障乘客安全、改善候车环境的重要设施，已在城市轨道交通中取得广泛应用。在全自动运行线路中，引入了许多新的应用场景，对站台门控制系统也提出了新的需求。之前对于全自动运行线路中站台门控制系统的研究，提到的多组就地控制盘（PSL，Platform Screen doors Local control panel）应用[1]、障碍物探测[2]、间隙探测[3]等多种研究成果，其实已在人工驾驶线路中取得了普遍应用，在全自动运行线路中并无重大变化。而基于图像识别的障碍物探测技术[4]，并未在全自动运行线路中取得广泛应用。其实，全自动运行线路中，站台门控制系统新增的两项关键需求，是对位隔离功能和达到SIL2 级别的高可靠性和高安全性运行。之前的研究多是针对全自动运行模式下，站台门新增系统需求的探讨和论证，并未给出具体的解决方案。本文根据行业研究成果，结合项目应用情况，针对全自动运行模式下站台门的新增需求，设计研发一套满足功能和性能要求的智能站台门控制系统：实现了对位隔离功能，支持多种列车车型的不同开关门控制方式，符合SIL2 的相关要求，满足全自动运行线路的需求。

1 全自动运行场景下的新增需求

1.1 对位隔离

当前的城市轨道交通人工驾驶线路中，当单个站台门或列车门发生故障无法打开时，其对应的列车门或站台门无法获知对方运行状态，依然会打开。这就造成站台门或列车门只有一方打开，而另一方不打开的问题，可能引起乘客撞伤、挤伤、物品掉落到轨行区等危险事故发生。若因为单个列车门或站台门无法动作，而让整侧站台门或列车门停止使用，对线路运行影响过大。尤其在全自动运行线路中，站台候车区域配备值守人员较少，特别需要在单个站台门或列车门故障时，能让其对应列车门或站台门不打开，同时不影响其它正常站台门和列车门打开，即对位隔离[5]，以此提高系统自动化运行程度，减少运营人员劳动量，降低人力成本。

1.2 安全完整性等级

EN50126[6]、 EN50128[7]、 EN50129[8]3 项 标 准，是由欧洲电气化标准委员会制定，以计算机控制的信号系统作为对象的铁道信号标准，对轨道交通安全相关的电子系统及软件的可靠性、可用性、可维护性和安全性提出了具体要求，并给出规定和示例来描述相关的评估活动和评估方式。目前轨道交通行业均以此3 项标准为依据，对站台门控制系统进行安全评估。

目前，在全自动运行线路中，上海地铁10 号线和北京地铁燕房线、北京大兴机场线均将SIL2 认证作为站台门控制系统交付的条件[2]，而新建的全自动运行线路中，SIL2 认证已成为必备的投标资质。目前，我国正在运营的全自动驾驶线路均在站台设有站务人员值守，对站台门控制系统的运营情况进行监控和管理。随着运营组织要求的不断提高，实现站台无人监管将成为必然趋势[9]。因此，对站台门控制系统进行全生命周期的可靠性、可用性、可维护性和安全性（RAMS，Reliability, Aviliailability, Maintainability, Safety）管理。

2 功能实现

2.1 架构设计

如图1 所示，站台门控制系统由多个门机控制单元（DCU，Door Control Unit）、2 套单元控制器（PEDC，Platform Emergency Door Controller）、两台工控机（运行有监控软件）组成。其中，2 套PEDC 分别由可编程逻辑控制器（PLC， Programmable Logic Controller）和继电器模组构成，分别控制上行和下行的DCU，并采集每个DCU 的运行状态，即每个站台门的状态；将状态信息整合汇总后，通过交换机发送给两台工控机（工控机A 和B）。2 台工控机分别通过两条通信链路与列车自动运行（ATO，Automatic Train Operation）系统进行通信，交换每个列车门和每个站台门的状态信息。

图1 站台门控制系统架构

站台门控制系统和ATO 系统通过网络接口实现双向、实时通信，向对方传输自身状态信息的同时，也要接收对方的状态信息，并据此控制自身设备，实现站台门和列车门的对位隔离。

图2 对位隔离方案示意

如图2 所示，列车门信息通过车辆控制系统传输给信号系统，再经过行车综合自动化系统（TIAS，Traffic control Integrated Automation System）和2 台前端机FEP-A 和FEP-B 发送给站台门控制系统的2台工控机，工控机接收到列车门状态信息后，判断每个列车门的状态，并据此控制站台门实现对未隔离。同时，DCU 可通过声光警报等方式提示站台候车的乘客，该站台门处于对位隔离状态，需要通过其它站台门上车。同理，处于对位隔离状态的列车门也不打开，并提示车上乘客通过其它列车门下车。

2.2 工作流程

如图3 所示，站台门控制系统在完成系统初始化工作后，开始数据发送和数据接收2 项工作，2 项工作相互独立，互不影响。

图3 对位隔离工作流程

2.2.1 数据发送

在数据发送过程中，站台门控制系统中的PLC会周期性（每隔0.5 s）采集每个DCU 的运行状态，站台门控制系统中某个站台门故障或隔离时，该站台门对应的DCU 将其故障或隔离信息上传给PLC，PLC 则根据每个DCU 的状态，生成站台门对位隔离状态字，将其传输给工控机A 和工控机B。2 台工控机上均运行一套监控软件，负责与ATO 系统进行通信，将PLC 发送过来的站台门对位隔离状态字发送给ATO。该状态信息可供ATO 判断当前的站台门状态，并根据当前站台门状态，控制与故障或隔离的站台门相对应的列车门不再打开，而其它列车门正常打开。

2.2.2 数据接收

在数据接收流程中，站台门控制系统中的2 台工控机，能够同时接收信号系统发来的列车门状态信息，将该信息传输给PLC。PLC 会对来自2 台工控机的数据进行智能判断，先判断工控机A 是否正常工作，若正常，则采信工控机A 中的列车门状态数据；若工控机A 发生故障，则判断工控机B 是否正常工作，若其正常工作，则使用工控机B 中的列车门状态数据；若工控机B 也发生故障，则清除所有站台门的对位隔离信息，将站台门系统置于没有对位隔离的状态运行，以此保证对位隔离失效后，不会对站台门系统本身的控制逻辑产生不利影响。

在确定状态数据来源之后，站台门控制系统会对接收的报文进行安全校验，在应用层采用双重CRC 校验，保障报文传输的完整性和正确性；同时，对数据发送方的IP 地址和身份标识进行双重认证，保证对方身份合法性。站台门控制系统仅对通过安全校验的报文进行解析。

当前数据通过安全校验后，站台门控制系统从中解析出当前的列车门状态，并将其与上一条接收到的报文进行对比，当某个或多个列车门的对位隔离状态发生变化时，则将其对位隔离信息发送给对应的DCU。

DCU 在接收到开门指令时（来自ATO 系统和PSL 的硬线指令），会对自身对位隔离状态进行智能判断：若其没有处于对位隔离状态，则正常打开站台门；若处于对位隔离状态，则不执行开门指令，并发出声光报警提示乘客从其它站台门上下车。

3 高可靠性控制系统方案

3.1 二取二冗余架构PEDC

如图4 所示，为提高站台门控制系统的可靠性，本文所述站台门控制系统使用PLC 和继电器模组构成的异构“二取二”架构，两者同时运行，同时接收ATO 系统的开、关门指令，进行逻辑判断后生成发送给DCU 的控制命令，仅当两者输出的控制命令一致时，才向DCU 输出开门或关门命令。该方案采用不同的处理方式对同一指令进行逻辑判断，并对判断结果进行二取二操作，极大降低单点故障对站台门控制系统运行产生的不利影响，提高系统的可靠性、可用性。

图4 二取二系统架构

3.2 冗余控制和通信链路

3.2.1 监控主机与TIAS 通信冗余

监控主机与TIAS 之间采用工业以太网连接，其中，监控主机作为从站响应TIAS 的数据读写请求。监控主机提供两套独立的接口程序，共用一套寄存器组提供相同的服务，TIAS 可以访问任何一套接口获取服务，当其中一条通信线路出现故障时，由TIAS 负责切换通道。

3.2.2 PEDC 与DCU 通信冗余

PEDC 与DCU 之间采用双MODBUS 总线冗余方式进行通信，正常运营时，由一条总线与每个DCU 交互信息，另一条总线处于热备状态。PEDC对两条总线的运行状态进行实时监测，并智能选择可用链路：当运行中的总线发生故障，如总线堵塞、断线等状况时，PEDC 选取另一条总线来代替故障总线，负责与每一个DCU 通信。保障信息传输的实时性、准确性，降低安全隐患，保障运营安全。

3.2.3 PEDC 与DCU 硬线控制线缆冗余

PEDC 和DCU 之间的控制线缆采用环形接线方式，从PEDC 引出后，将每个DCU 串行连接后，再次回到PEDC，控制指令可以通过环形线缆两端中的任意一端传送给DCU，当控缆的某一处断开时，不影响控制命令下发至每个DCU，不影响站台门控制系统的正常运行。

4 多车型智能控制

国内有些轨道交通线路中，存在多种车型同时运行的问题，每种车型的列车门数量和位置均不相同，这就要求站台门控制系统根据不同车型的列车门位置，提供相应的控制方式[10]。为此，本方案还能通过配置PEDC 和DCU 之间的控制线缆接口，实现多种开门方式的控制。收到车型信息和开门指令时，PEDC 对相关信息进行智能分析后，控制相应的开门继电器，向对应的一组DCU 发送开门命令。

如图5 所示，当开门继电器1 被驱动后，DCU1 ～DCU7 通过红色控制线路接收到开门命令，执行开门动作。当开门继电器2 被驱动后，DCU8 ～DCU14 通过蓝色控制线路接收到开门命令，执行开门动作。PEDC 还可以同时驱动开门继电器1 和开门继电器2，则所有DCU 均会收到开门命令，整侧站台门全部打开。通过PEDC 和DCU 之间接口的灵活配置，可以实现多种开门方式的控制，适应多种车型列车混跑。

图5 多车型智能控制原理

5 结束语

本文对于全自动运行模式下，站台门控制系统新增的对位隔离和RAMS 要求，进行了深入的研究。在此基础上，设计并研发了一种智能站台门控制系统，实现全自动运行模式下站台门的对位隔离，将站台门自动控制级别延伸到单个站台门，提升了站台门智能化运行水平；通过“二取二”冗余架构及多重冗余措施，极大提高了系统的可靠性；同时还能支持多种车型混跑的运行场景，满足全自动运行线路对站台门控制系统的要求。该系统已成功应用于北京大兴机场线，自交付以来，运行安全可靠，RAM 指标超过预期水平，对全自动运行线路中的站台门控制系统的设计与应用，具有很好的借鉴意义。