城际铁路及高速铁路站台门系统无线监控设计

魏耀南，阚庭明，郭浩波

（1. 北京经纬信息技术有限公司，北京 100081；2. 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）

站台门系统是保证乘客安全及行车安全的重要系统，其控制模式包括系统级控制、站台级控制和紧急级控制[1]。其中，系统级控制优先级最低，由信号系统的接口实现，通过接收信号系统发出的控制指令，完成站台门的开关动作。当系统级控制出现故障时，由运营人员操作安装于站台上的就地控制盘（PSL，Platform Screen doors Local control panel）执行开关门动作。当站台发生火灾等紧急情况时，通过安装于消防控制室或车站控制室的紧急操作盘来控制门体[2-3]。

目前，除城市轨道行业外，城际铁路及高速铁路车站也在逐步推广和安装站台门系统，为站台候车提供重要的安全保障。但因既有线路运营车辆类型复杂及改造困难等原因，大部分车站只配备站台级控制和紧急级控制两种模式，运营人员不仅要前往远距离的控制盘，手动控制站台门的开关，还要巡检站台，确保乘客或物品没有滞留在列车与站台门中间的过道里。这在很大程度上降低了运营效率，且存在一定的安全隐患[4]。为解决这一问题，本文提出采用无线通信技术和现场总线技术，通过手持终端远程控制站台门开关并监视系统状态的方案。该方案还适用于存在信号系统联动控制的城市轨道线路，当信号系统联动失败时，方便运营人员在巡检站台的同时操作站台门系统。

1 方案设计

1.1 优先级设计

本文在原有控制模式的基础上增加遥控级控制，并考虑其优先级的设置问题。具体优先级如图1 所示。

图1 站台门系统控制优先级

（1）系统级控制由信号系统下发指令控制。信号系统正常时,可正常控制开关门动作，站务人员无需介入[5]，因此遥控单元不进行控制；信号系统故障时，站务人员利用遥控单元下发开关门命令，保障乘客上下车。因此，系统级控制的优先级应低于遥控级控制。

（2）站台级控制利用PSL 向中央控制盘（PSC，Platform Screen doors Central interface panel）传递指令。相对遥控级控制，站台级控制采用硬线连接，结构简单，传输信号稳定，不需要电池供电[6]，不存在通讯干扰等风险因素。因此从稳定性、可靠性方面考虑，遥控级控制的优先级应当低于站台级控制。

（3）因紧急级控制的优先级高于站台级控制[7]，所以高于遥控级控制。

1.2 模块设计

本文将站台门的无线监控系统划分为操作终端、无线网络模块、接口控制单元和逻辑处理单元4 个部分，如图2 所示。无线监控系统以站台每侧为单位单独设计，从而保证当一侧出现故障时，不影响另外一侧的正常运行。

图2 系统模块划分

1.2.1 操作终端

作为实现遥控和监视功能的主设备，操作终端与无线网络模块之间采用TCP_MODBUS 协议通信[8]，为客户端访问接口控制单元提供寄存器接口，且安装有操作软件App。为保证软件的通用性，本文选用安卓系统作为其运行平台。软件界面包含以下内容：

（1）系统故障指示信号；

（2）整侧站台门开门到位指示信号；

（3）整侧站台门锁闭指示信号；

（4）开门命令指示信号；

（5）关门命令指示信号；

（6）车型命令指示信号；

（7）操作允许指示信号；

（8）关门命令按钮；

（9）开门命令按钮（包含车型信息）；

（10）操作允许按钮。

App 软件具备的切换服务集标识（SSID，Service Set Identifier）功能，用于每个站台的上下行切换或者多个站台的股道切换，同时，界面中所有显示点需标注地址编号，防止运营人员误操作导致非目标股道执行开门的情况出现。当运营人员需要通过手持终端操作站台门开关时，先选择待操作的股道，通过操作允许按钮将该股道的遥控级控制设置为有效状态，对应的操作允许指示信号有效，针对车型信息触发对应的开门按钮，命令执行成功，则对应开门命令指示信号显示高亮状态；关门操作亦是如此，可通过整侧站台门锁闭指示信号判断出所有站台门是否关闭到位且锁紧。若当前有更高优先级的控制模式，在操作或无线通信网络失效时，对应的操作允许指示信号保持非使能状态，无法进行下一步操作。

1.2.2 无线网络模块

无线网络模块提供手持操作终端与接口控制单元之间的通讯网络通道，与手持操作终端间采用无线连接，工作时处于无线访问接入点（AP，Access Point）模式。目前，高速铁路车站站台长度多为450 m，且站台上普遍布设3 套PSL，因此，无线网络模块的通讯距离应不小于200 m；与接口控制单元之间采用RS485 或USB 等通用接口连接。

1.2.3 接口控制单元

接口控制单元提供与无线网络模块的通讯接口，接收来自手持操作终端的控制指令，进行逻辑分析处理后，通过继电器组将处理结果发送给PSC，同时采集门体的开关状态以及PSC 的逻辑状态，通过无线网络模块上传到手持操作终端。接口控制单元从硬件上划分为以下几个部分，如图3 所示。

图3 接口控制单元硬件结构

（1）电源

输入电源为24 VDC，通过内部电源电路转换为通讯接口所需的5 VDC，及输入输出电路和处理器所需的3.3 VDC。

（2）处理器

采用STM32F103C8T6 型处理器和LQFP-48 封装，主频最高能达到72 MHz，具有多个通用异步收发传输器等外设资源。

（3）继电器组

采用24 VDC 供电的安全继电器，包括操作允许继电器、开门继电器、关门继电器和车型继电器，每个继电器至少具有两个常开触点，一个用于指令的传递，另一个用于状态的反馈。

（4）通信接口

接口控制单元分别提供与PSC 及无线网络模块的通信接口，为保证系统的稳定性，通讯电路需隔离处理。

（5）输出电路

采用光耦隔离，用于处理器驱动继电器所需的电压和功率转换。

当接口控制单元接收到手持操作终端发来的操作允许及开关门命令后，驱动对应的操作，允许开关门继电器闭合，同时采集继电器的输出触点以确认继电器是否动作。当检测到异常时，输出报警信号，提示操作人员设备故障。操作允许继电器的触点与开关门继电器的线圈串联，只有在操作允许继电器触点闭合的情况下，开关门继电器才能动作。为防止接口控制单元出现故障导致开关门指令一直处于有效状态，其内部设置隔离开关，当隔离开关打到有效时，可将继电器组输出的控制指令强制断开。接口控制单元实时从PSC 中读取门体的状态信息及逻辑处理结果，经过数据加工和处理后，通过无线网络模块发送到手持操作终端进行显示。为防止通信故障带来的影响，接口控制单元与PSC 之间需设置心跳数据包，在设定时间内未收到对方发来的心跳数据，则判定为通讯故障，此时应由运营人员切换到PSL 进行操作。

1.2.4 逻辑处理单元

传统站台们系统的逻辑处理单元只包含了与信号系统、就地操作盘、紧急操作盘的接口电路和相关处理逻辑[9]。本文设计的系统在此基础上在每侧增加与接口控制单元的接口电路、逻辑处理电路以及可编程逻辑控制器（PLC，Programmable Logic Controller），如图4 所示，以实现遥控指令的接收处理和控制优先级的划分。

图4 逻辑处理单元示意

本文在逻辑处理单元增设安全继电器，用于在接口控制单元命令有效时屏蔽信号系统的命令。信号系统与站台门系统之间一般采用继电接口[10]，设置有开门继电器、关门继电器，对于多种车型混跑的线路还设置有车型继电器。通过接口分析可对继电器进行设置，信号系统控制命令需经过这些继电器的常开触点之后向内部逻辑处理单元传递。当接口控制单元处于有效时，继电器动作，切断信号系统命令的传递；当接口控制单元无效或故障时，继电器失电，常闭触点闭合，信号系统正常控制站台门的开启与关闭。逻辑处理单元还需设置用于屏蔽接口控制单元命令的继电器，当PSL 与紧急控制盘发出指令时，继电器动作来屏蔽接口控制单元开关门命令。同时，在PLC 部分增设输入点，用于检测接口控制单元状态，并做出优先级判断，从而确定是否向门体发出开关门命令。

2 系统稳定性分析

（1）基于系统的实际情况，无线网络模块及接口控制单元需集成在站台上的PSL 内部，这样既可以保证站台上的设备数量维持不变，又可以直接从PSL 内部取电以减少系统的故障点。

（2）城轨和城际铁路车站站台长度普遍为200 m左右，通常在车头位置布置一套PSL，部分线路还在车尾及监察亭位置各布设一套；高速铁路车站站台长度普遍为450 m 左右，通常一侧布设3 套PSL，站台首端、尾端和中间位置各布置一套，部分车站按5 套PSL 布置。为保证系统的稳定性，需在站台上每套PSL 中均布置一套遥控设备及相关附件，每侧无线网络模块可覆盖整个站台，足以保证手持操作终端的移动连接。

（3）逻辑控制单元内部需与所有接口控制单元的接口电路相互独立，使得当一台设备出现故障时，不影响其他设备的正常运行，可通过接口控制单元中提供的隔离开关进行隔离或直接通过站台级控制模式执行开关门。

3 结束语

本文从站台门无线监控的需求出发，提出了模块化的系统方案。通过搭建平台测试，系统能够实现高稳定性、高可靠性和可扩展的目标，解决站台门运营人员的实际需求。但当前系统功能较为单一，在数据处理和数据挖掘方面还有较大研究空间。后续将重点研究智能诊断的相关算法及功能，实现零部件的故障预判，并主动推送给运营人员，进一步提升运营工作的便捷性和安全性。