地鐵站臺間隙探測系統與信號系統接口淺析

呂文龍，麻吉泉

(1.北京市軌道交通建設管理有限公司，北京 100068；2.交控科技股份有限公司，北京 100070)

0 引言

隨著我國經濟快速發展和城鎮化建設加快，地鐵作為城市重要基礎設施和城市公共交通的骨干，對緩解城市交通擁堵、改善城市環境、引導優化城市空間結構布局發揮了重要作用。在地鐵各類控制系統中，信號系統作為列車運行控制的“中樞神經系統”，是保障列車安全運行的核心。站臺門作為地鐵線路軌行區與站臺區的隔離設備，用于保障乘客與運營線路的安全隔離。列車與站臺門之間不可避免的間隙，會導致特殊情況下乘客被夾在間隙區域，從而引發人身危險事故。

為解決這個問題，目前已經研發出基于不同技術路線的站臺間隙探測系統，實現了對站臺間隙的監測，但也存在與信號系統接口不明晰而影響運營效率等問題。

基于以上現狀，本文對站臺間隙探測系統和信號系統間實現更高效的接口銜接進行深入研究。

1 間隙探測系統概述

目前，國內防護站臺屏蔽門和列車車門之間間隙的裝置、系統主要有兩大類[1-2]，分別是物理防護工具和自動間隙探測系統。

物理防護工具主要通過裝置或司機人工觀察防止站臺屏蔽門和列車車門之間夾人夾物，屬于預防性措施，是國內大多數非全自動運行線路普遍使用的方式。但是這類裝置存在站臺門關閉后，車門異常打開、再關閉后間隙夾人夾物的情況，以及司機人工瞭望出錯的問題，具有一定局限性。

自動間隙探測系統是國內采用最高自動運行等級(grades of automation,GOA)4級運行的線路中采用的方案。隨著對運營安全需求的提升，對于GOA4級以下線路，站臺屏蔽門與列車車門之間的間隙防護近年來也逐步得到推廣應用。

根據GB/T 32590.1《軌道交通 城市軌道交通運輸管理和指令/控制系統 第1部分：系統原理和基本概念》要求[3]，列車運行應進行乘客乘降監測，防止乘客在乘降時受到傷害，保障發車的安全性，并要求自動化等級為GOA4級的線路中應由系統自動實現該功能，其他自動化等級下可由系統自動實現該功能。

自動間隙探測系統通常采用紅外、光電檢測技術[4]，主要功能[5-7]如下。

①與外部系統接口，接收探測工作指令并反饋探測結果。

②接收外部系統發出的“啟動探測”“停止探測”指令。

③在異物探測過程中：當間隙內有異物時，能實時給出“有障礙物”狀態信息；當間隙內無異物時，能實時給出“無障礙物”狀態信息。

④旁路功能[8]。當間隙探測系自身出現故障，在人工確認安全后可以被旁路。被旁路后，間隙探測系統給出“間隙探測旁路”狀態信息。

自動間隙探測系統可與信號系統通過直接或間接接口方式，將間隙探測系統的狀態納入列車運行安全防護控制中。

2 間隙探測系統防護范圍分析

站臺間隙探測是針對車站有效站臺范圍內是否有乘客或大件物品進行探測，信號系統通過接口對探測結果進行相應安全防護。與車站有效站臺范圍相關的列車運行分為列車進站過程、列車在站停車過程、列車關門發車及出站過程。車進站過程中，通常車門和站臺屏蔽門均為關閉狀態。如果有人員進入或闖入軌行區，一般會采用以下方法迫使列車緊急制動：在全自動運行駕駛模式(fully automatic train operating mode,FAM)或蠕動模式(creep automatic mode,CAM)下，激活人員防護開關；當車地無線通信條件完好時，在列車自動駕駛模式(automatic mode,AM)、列車自動防護駕駛模式(coded mode,CM)下按下緊急關閉按鈕。如果車門或站臺屏蔽門異常打開，信號系統會立即采取相應的防護措施，如基于通信的列車自動控制(communication based train control,CBTC)級別列車緊急制動。因此，該過程無需間隙探測系統進行探測，不涉及信號系統與間隙探測系統的聯動、防護。

列車停站過程中，列車施加停放制動，車門和站臺屏蔽門均處于打開狀態，進行乘客的乘降作業。該過程中列車不會移動，且一直有乘客乘降，沒有必要進行障礙物探測，也不涉及信號系統與間隙探測系統的聯動、防護。

列車關門發車及出站過程分為三種情況。

①關門過程中，因站臺或車廂擁擠，可能會造成乘客或較大物品夾在車門與站臺屏蔽門之間的間隙中。

②列車剛啟動時，車門異常打開，可能出現乘客掉落在車門與站臺屏蔽門之間的間隙中，之后車門再次關閉并繼續啟動。

③在列車出站過程中，可能出現關門后在間隙中未被檢測到的物品隨列車運行而移動、掉落等情況。因此，需要在列車關門發車及出站過程中均啟動間隙探測系統進行障礙物探測，對信號系統與間隙探測系統聯動進行安全防護。

通過以上分析，建議間隙探測系統在列車關門發車及出站過程中進行障礙物探測，由信號系統進行相應的聯動和安全防護。

3 接口方案

結合全自動和非全自動運行線路、新建及改造工程等的具體工程特點和應用需求，信號系統可采取以下三種方案實現與間隙探測系統的接口和安全防護。

方案一為間接接口方案，通過站臺屏蔽門系統、信號系統與間隙探測系統間接接口[8]。

方案二為間接接口增強方案，在方案一的接口條件中增加車門關閉且鎖閉狀態信息。

方案三為直接接口方案，由信號系統與站臺間隙探測系統直接接口。

3.1 間接接口方案

間接接口方案指信號系統僅與站臺屏蔽門系統接口，并通過該接口實現信號系統與站臺間隙探測系統的接口。間接接口方案的系統接口信息如圖1所示。

圖1 間接接口方案的系統接口信息示意圖

在地鐵工程中，信號系統與站臺屏蔽門系統通常采用繼電接口，增加站臺間隙探測系統后，使得信號系統與站臺屏蔽門系統之間的常規接口信息含義發生變化。站臺屏蔽門發送給信號系統的“門關且鎖閉狀態*”包含了站臺屏蔽門“門關且鎖閉狀態”和間隙探測“有/無障礙物狀態”。這兩個條件是“與”的關系，只要有一個條件不滿足，就不能輸出“門關且鎖閉狀態*”信息。

站臺屏蔽門發送的“門旁路狀態*”包含了站臺屏蔽門“門旁路狀態”和間隙探測“旁路狀態”。這兩個條件不是“與”的關系，僅旁路間隙探測系統不會向信號系統輸出“門旁路狀態”，但只要旁路站臺屏蔽門系統就會向信號系統輸出“門旁路狀態”。需要注意的是，必須對站臺屏蔽門狀態、站臺屏蔽門與車門之間無障礙物等均進行人工安全確認后，才能通過人工手動操作旁路按鈕向信號系統發送“門旁路狀態*”信息。

3.1.1 正常場景

車門與站臺屏蔽門聯動功能正常、列車進站停車進行乘客乘降作業為正常場景。信號系統、站臺屏蔽門系統、間隙探測系統在間接接口方案的正常場景作業流如圖2所示。

圖2 間接接口方案的正常場景作業流示意圖

3.1.2 異常場景

間接接口方案的優缺點分析如下。

在列車發車至出站過程中，如果間隙探測系統探測到“有障礙物”，間隙探測系統立即將探測結果反饋給站臺屏蔽門。即便此時站臺屏蔽門處于“門關且鎖閉狀態”，也無法向信號系統發出“門關且鎖閉狀態”信息。待人工打開車門、站臺屏蔽門處理完畢或旁路間隙探測系統后再次關閉車門、站臺屏蔽門，重新執行正常場景作業流程，條件具備后控制列車發車。

如果站臺屏蔽門系統故障需要被旁路，在進行旁路操作前需要人工確認車門和站臺屏蔽門的間隙內無乘客或物品，確認安全后才可以進行站臺屏蔽門系統的旁路操作。

3.1.3 方案分析

①信號系統與站臺屏蔽門系統之間接口簡單，信號系統無需新增接口。

②間接接口方案適用于各種駕駛模式下信號系統對站臺間隙探測系統的防護。

③由于車門和站臺屏蔽門動作不同步，為了確保探測結果的準確性，信號系統需要持續“無障礙物”狀態一定時間后才可以控制列車發車，在一定程度上影響了運營的效率。

④對于信號系統沒有收到“門關且鎖閉”的狀態下，間接接口方案無法直接判斷出是站臺屏蔽門系統故障還是間隙探測系統故障，不能給車站值班員、中心調度員、維護工作人員明確的站臺屏蔽門或間隙探測系統狀態信息，不便于故障定位。

⑤間隙探測系統無法在列車駛離站臺區后收到停止探測指令，只能持續探測一定時間，無法保證停止探測時列車已完全出清車站有效站臺區域。

3.2 間接接口增強方案

間接接口增強方案的系統接口信息如圖3所示。

圖3 間接接口增強方案的系統接口信息示意圖

針對間接接口方案的不足，間接接口增強方案是在間接接口方案基礎上，對信號系統與站臺屏蔽門系統之間增加 “車門關閉且鎖閉狀態”信息。

當車載信號系統收到車輛發送的“車門關閉且鎖閉”后，信號系統向站臺屏蔽門系統發送“車門關閉且鎖閉狀態”。此時，站臺屏蔽門系統才向間隙探測系統發送“啟動探測”指令。待列車出清有效站臺、車載信號系統與聯鎖系統完成注銷前，車載信號系統停止向站臺屏蔽門系統發送“車門關閉且鎖閉狀態”信息。該狀態信息的撤銷也是間隙探測系統的“停止探測”指令。

3.2.1 正常場景

與間接接口方案相比，間接接口增強方案對間隙探測系統“啟動探測”和“停止探測”時機進行了優化。間接接口增強方案的正常場景作業流如圖4所示。

圖4 間接接口增強方案的正常場景作業流示意圖

3.2.2 異常場景

與間接接口方案相同。

3.2.3 方案分析

間接接口增強方案在間接接口方案的基礎上進行了一定優化，其優缺點分析如下。

①信號系統與站臺屏蔽門系統之間接口簡單，信號系統無需新增接口。

②間隙探測系統可以在列車駛離站臺區后收到停止探測指令，保證列車在出清站臺區之前都可以進行障礙物探測。

③間接接口增強方案僅適用于車地無線通信良好、信號系統在CBTC控制級別、列車駕駛模式為FAM、CAM、AM、CM模式的情況。

④對于信號系統沒有收到“門關且鎖閉”的狀態下，間接接口增強方案無法直接判斷出是站臺屏蔽門系統故障還是間隙探測系統故障，不能給車站值班員、中心調度員、維護工作人員明確的站臺屏蔽門或間隙探測系統狀態息，不便于故障定位。

3.3 直接接口方案

直接接口方案保留信號系統與站臺屏蔽門系統的接口的同時，增加了信號系統與站臺間隙探測系統的接口。站臺屏蔽門系統可以不與間隙探測系統接口。

直接接口方案的系統接口信息如圖5所示。

圖5 直接接口方案的系統接口信息示意圖

3.3.1 正常場景

直接接口方案的正常場景作業流如圖6所示。

圖6 直接接口方案的正常場景作業流示意圖

與間接接口方案和間接接口增強方案相比，直接接口方案中信號系統與間隙探測系統單獨接口，間隙探測系統“啟動探測”時機、“停止探測”時機以及間隙探測的探測結果單獨反饋給車載信號系統的信息流向與其他兩各方案不同。

3.3.2 異常場景

為降低間隙探測系統故障對行車的影響，間隙探測系統設置“互鎖解除”的旁路開關。當間隙探測系統因故障一直匯報“有障礙物”時，可在人工確認安全后，通過特殊手段人工對間隙探測系統進行旁路操作。信號系統接收到“旁路狀態”信號后，不再監督間隙探測結果。

3.3.3 方案分析

直接接口方案優缺點分析如下。

①信號系統與間隙探測系統單獨接口，減少了接口層級，使信號系統、間隙探測系統、站臺門系統之間的接口更加清晰，便于故障排查和運營快速恢復。

②間隙探測系統可以在列車駛離站臺區后收到停止探測指令，保證列車在出清站臺區之前都可以進行障礙物探測。

③直接接口方案僅適用于車地無線通信良好、信號系統在CBTC控制級別、列車駕駛模式為FAM、CAM、AM、CM模式的情況。

④間隙探測系統進入待機模式后(即信號系統未要求啟動的常態下)，間隙探測系統向信號系統反饋的探測結果為“有障礙物”狀態。由于信號系統未下發“啟動探測”指令，因此信號系統不處理這種情況下的“有障礙物”狀態。

⑤間隙探測系統對外反饋的探測結果只有“有障礙物”和“無障礙物”。但是間隙探測系統的探測傳感器在啟動過程中處于啟動、尚未進行探測的狀態時，間隙探測系統無法給出是否有障礙物的真實探測結果。因此，為了保證安全，在探測傳感器啟動過程中，間隙探測系統向信號系統發送“有障礙物”狀態。

3.4 小結

通過上述對三個方案的分析以及各自主要特殊點的對比，可得如表1所示的信號系統與間隙探測系統接口方案對比表。

表1 信號系統與間隙探測系統接口方案對比表

通過分析表1可知，三種方案均可以實現信號系統與間隙探測系統之間的接口功能。直接接口方案各系統間接口清晰、故障分析和判斷便捷，在整個出站過程中均進行間隙探測，應優先選擇。在工程實施條件受限的情況下，亦可采用間接接口增強方案或間接接口方案。

4 非正常駕駛模式下的處理策略

本文對于非全自動駕駛模式和信號系統降級模式，提出以下應對策略。

①非全自動駕駛模式的處理策略。

在上述三種方案中，全自動駕駛模式下，當發車條件具備則列車自動發車。對于在需要人工參與的AM、CM模式下，由于列車需要在司機進行確認后才能自動發車，可采用車載信號系統在收到站臺屏蔽門系統的“門關且鎖閉狀態”和“無障礙物”狀態信息后，點亮駕駛臺上的“ATO啟動燈”的策略。司機人工判斷無風險后，緩解牽引切除狀態，按下司控臺上的“ATO啟動按鈕”后，列車才可以正常發車。

②信號系統降級模式下的防護策略。

間接接口增強方案和直接接口方案適用于信號系統在CBTC控制級別，列車駕駛模式為FAM、CAM、AM、CM模式的情況。由于降級模式下不具備車地無線通信條件，此時對車門與站臺屏蔽門之間間隙的安全防護須由司機和站臺站務人員共同保證，車載信號系統無法進行正常防護。

對于信號系統處于降級模式的情況，可以考慮增加間隙探測系統與聯鎖系統的接口信息處理。在降級模式下，通過站臺門和間隙探測系統的就地控制盤分別關閉站臺屏蔽門、啟動間隙探測系統時，如檢測到有障礙物，間隙探測系統向信號系統反饋“有障礙物”信息，聯鎖系統立即關閉出站信號機，以防止列車運行，避免發生乘客被夾在站臺屏蔽門和列車車門之間的危險事故。

5 結論

隨著軌道交通技術裝備水平的不斷提升，特別是全自動運行線路的逐步推廣應用，無人值守運行條件對系統的安全性、可靠性和可用性提出了更高的要求。通過站臺間隙探測系統與信號系統的接口設計，實現系統間的聯動控制，是保障運營安全、提升運營效率的重要條件。在實際工程設計中，應根據運營線路特點，選取適合工程實際運行等級、線路應用場景的接口方案，以滿足運營實際需求，提升運營安全和效率，從而更好地服務于城市軌道交通發展。