地铁站台间隙探测系统与信号系统接口浅析

吕文龙，麻吉泉

(1.北京市轨道交通建设管理有限公司，北京 100068；2.交控科技股份有限公司，北京 100070)

0 引言

随着我国经济快速发展和城镇化建设加快，地铁作为城市重要基础设施和城市公共交通的骨干，对缓解城市交通拥堵、改善城市环境、引导优化城市空间结构布局发挥了重要作用。在地铁各类控制系统中，信号系统作为列车运行控制的“中枢神经系统”，是保障列车安全运行的核心。站台门作为地铁线路轨行区与站台区的隔离设备，用于保障乘客与运营线路的安全隔离。列车与站台门之间不可避免的间隙，会导致特殊情况下乘客被夹在间隙区域，从而引发人身危险事故。

为解决这个问题，目前已经研发出基于不同技术路线的站台间隙探测系统，实现了对站台间隙的监测，但也存在与信号系统接口不明晰而影响运营效率等问题。

基于以上现状，本文对站台间隙探测系统和信号系统间实现更高效的接口衔接进行深入研究。

1 间隙探测系统概述

目前，国内防护站台屏蔽门和列车车门之间间隙的装置、系统主要有两大类[1-2]，分别是物理防护工具和自动间隙探测系统。

物理防护工具主要通过装置或司机人工观察防止站台屏蔽门和列车车门之间夹人夹物，属于预防性措施，是国内大多数非全自动运行线路普遍使用的方式。但是这类装置存在站台门关闭后，车门异常打开、再关闭后间隙夹人夹物的情况，以及司机人工瞭望出错的问题，具有一定局限性。

自动间隙探测系统是国内采用最高自动运行等级(grades of automation,GOA)4级运行的线路中采用的方案。随着对运营安全需求的提升，对于GOA4级以下线路，站台屏蔽门与列车车门之间的间隙防护近年来也逐步得到推广应用。

根据GB/T 32590.1《轨道交通 城市轨道交通运输管理和指令/控制系统 第1部分：系统原理和基本概念》要求[3]，列车运行应进行乘客乘降监测，防止乘客在乘降时受到伤害，保障发车的安全性，并要求自动化等级为GOA4级的线路中应由系统自动实现该功能，其他自动化等级下可由系统自动实现该功能。

自动间隙探测系统通常采用红外、光电检测技术[4]，主要功能[5-7]如下。

①与外部系统接口，接收探测工作指令并反馈探测结果。

②接收外部系统发出的“启动探测”“停止探测”指令。

③在异物探测过程中：当间隙内有异物时，能实时给出“有障碍物”状态信息；当间隙内无异物时，能实时给出“无障碍物”状态信息。

④旁路功能[8]。当间隙探测系自身出现故障，在人工确认安全后可以被旁路。被旁路后，间隙探测系统给出“间隙探测旁路”状态信息。

自动间隙探测系统可与信号系统通过直接或间接接口方式，将间隙探测系统的状态纳入列车运行安全防护控制中。

2 间隙探测系统防护范围分析

站台间隙探测是针对车站有效站台范围内是否有乘客或大件物品进行探测，信号系统通过接口对探测结果进行相应安全防护。与车站有效站台范围相关的列车运行分为列车进站过程、列车在站停车过程、列车关门发车及出站过程。车进站过程中，通常车门和站台屏蔽门均为关闭状态。如果有人员进入或闯入轨行区，一般会采用以下方法迫使列车紧急制动：在全自动运行驾驶模式(fully automatic train operating mode,FAM)或蠕动模式(creep automatic mode,CAM)下，激活人员防护开关；当车地无线通信条件完好时，在列车自动驾驶模式(automatic mode,AM)、列车自动防护驾驶模式(coded mode,CM)下按下紧急关闭按钮。如果车门或站台屏蔽门异常打开，信号系统会立即采取相应的防护措施，如基于通信的列车自动控制(communication based train control,CBTC)级别列车紧急制动。因此，该过程无需间隙探测系统进行探测，不涉及信号系统与间隙探测系统的联动、防护。

列车停站过程中，列车施加停放制动，车门和站台屏蔽门均处于打开状态，进行乘客的乘降作业。该过程中列车不会移动，且一直有乘客乘降，没有必要进行障碍物探测，也不涉及信号系统与间隙探测系统的联动、防护。

列车关门发车及出站过程分为三种情况。

①关门过程中，因站台或车厢拥挤，可能会造成乘客或较大物品夹在车门与站台屏蔽门之间的间隙中。

②列车刚启动时，车门异常打开，可能出现乘客掉落在车门与站台屏蔽门之间的间隙中，之后车门再次关闭并继续启动。

③在列车出站过程中，可能出现关门后在间隙中未被检测到的物品随列车运行而移动、掉落等情况。因此，需要在列车关门发车及出站过程中均启动间隙探测系统进行障碍物探测，对信号系统与间隙探测系统联动进行安全防护。

通过以上分析，建议间隙探测系统在列车关门发车及出站过程中进行障碍物探测，由信号系统进行相应的联动和安全防护。

3 接口方案

结合全自动和非全自动运行线路、新建及改造工程等的具体工程特点和应用需求，信号系统可采取以下三种方案实现与间隙探测系统的接口和安全防护。

方案一为间接接口方案，通过站台屏蔽门系统、信号系统与间隙探测系统间接接口[8]。

方案二为间接接口增强方案，在方案一的接口条件中增加车门关闭且锁闭状态信息。

方案三为直接接口方案，由信号系统与站台间隙探测系统直接接口。

3.1 间接接口方案

间接接口方案指信号系统仅与站台屏蔽门系统接口，并通过该接口实现信号系统与站台间隙探测系统的接口。间接接口方案的系统接口信息如图1所示。

图1 间接接口方案的系统接口信息示意图

在地铁工程中，信号系统与站台屏蔽门系统通常采用继电接口，增加站台间隙探测系统后，使得信号系统与站台屏蔽门系统之间的常规接口信息含义发生变化。站台屏蔽门发送给信号系统的“门关且锁闭状态*”包含了站台屏蔽门“门关且锁闭状态”和间隙探测“有/无障碍物状态”。这两个条件是“与”的关系，只要有一个条件不满足，就不能输出“门关且锁闭状态*”信息。

站台屏蔽门发送的“门旁路状态*”包含了站台屏蔽门“门旁路状态”和间隙探测“旁路状态”。这两个条件不是“与”的关系，仅旁路间隙探测系统不会向信号系统输出“门旁路状态”，但只要旁路站台屏蔽门系统就会向信号系统输出“门旁路状态”。需要注意的是，必须对站台屏蔽门状态、站台屏蔽门与车门之间无障碍物等均进行人工安全确认后，才能通过人工手动操作旁路按钮向信号系统发送“门旁路状态*”信息。

3.1.1 正常场景

车门与站台屏蔽门联动功能正常、列车进站停车进行乘客乘降作业为正常场景。信号系统、站台屏蔽门系统、间隙探测系统在间接接口方案的正常场景作业流如图2所示。

图2 间接接口方案的正常场景作业流示意图

3.1.2 异常场景

间接接口方案的优缺点分析如下。

在列车发车至出站过程中，如果间隙探测系统探测到“有障碍物”，间隙探测系统立即将探测结果反馈给站台屏蔽门。即便此时站台屏蔽门处于“门关且锁闭状态”，也无法向信号系统发出“门关且锁闭状态”信息。待人工打开车门、站台屏蔽门处理完毕或旁路间隙探测系统后再次关闭车门、站台屏蔽门，重新执行正常场景作业流程，条件具备后控制列车发车。

如果站台屏蔽门系统故障需要被旁路，在进行旁路操作前需要人工确认车门和站台屏蔽门的间隙内无乘客或物品，确认安全后才可以进行站台屏蔽门系统的旁路操作。

3.1.3 方案分析

①信号系统与站台屏蔽门系统之间接口简单，信号系统无需新增接口。

②间接接口方案适用于各种驾驶模式下信号系统对站台间隙探测系统的防护。

③由于车门和站台屏蔽门动作不同步，为了确保探测结果的准确性，信号系统需要持续“无障碍物”状态一定时间后才可以控制列车发车，在一定程度上影响了运营的效率。

④对于信号系统没有收到“门关且锁闭”的状态下，间接接口方案无法直接判断出是站台屏蔽门系统故障还是间隙探测系统故障，不能给车站值班员、中心调度员、维护工作人员明确的站台屏蔽门或间隙探测系统状态信息，不便于故障定位。

⑤间隙探测系统无法在列车驶离站台区后收到停止探测指令，只能持续探测一定时间，无法保证停止探测时列车已完全出清车站有效站台区域。

3.2 间接接口增强方案

间接接口增强方案的系统接口信息如图3所示。

图3 间接接口增强方案的系统接口信息示意图

针对间接接口方案的不足，间接接口增强方案是在间接接口方案基础上，对信号系统与站台屏蔽门系统之间增加 “车门关闭且锁闭状态”信息。

当车载信号系统收到车辆发送的“车门关闭且锁闭”后，信号系统向站台屏蔽门系统发送“车门关闭且锁闭状态”。此时，站台屏蔽门系统才向间隙探测系统发送“启动探测”指令。待列车出清有效站台、车载信号系统与联锁系统完成注销前，车载信号系统停止向站台屏蔽门系统发送“车门关闭且锁闭状态”信息。该状态信息的撤销也是间隙探测系统的“停止探测”指令。

3.2.1 正常场景

与间接接口方案相比，间接接口增强方案对间隙探测系统“启动探测”和“停止探测”时机进行了优化。间接接口增强方案的正常场景作业流如图4所示。

图4 间接接口增强方案的正常场景作业流示意图

3.2.2 异常场景

与间接接口方案相同。

3.2.3 方案分析

间接接口增强方案在间接接口方案的基础上进行了一定优化，其优缺点分析如下。

①信号系统与站台屏蔽门系统之间接口简单，信号系统无需新增接口。

②间隙探测系统可以在列车驶离站台区后收到停止探测指令，保证列车在出清站台区之前都可以进行障碍物探测。

③间接接口增强方案仅适用于车地无线通信良好、信号系统在CBTC控制级别、列车驾驶模式为FAM、CAM、AM、CM模式的情况。

④对于信号系统没有收到“门关且锁闭”的状态下，间接接口增强方案无法直接判断出是站台屏蔽门系统故障还是间隙探测系统故障，不能给车站值班员、中心调度员、维护工作人员明确的站台屏蔽门或间隙探测系统状态息，不便于故障定位。

3.3 直接接口方案

直接接口方案保留信号系统与站台屏蔽门系统的接口的同时，增加了信号系统与站台间隙探测系统的接口。站台屏蔽门系统可以不与间隙探测系统接口。

直接接口方案的系统接口信息如图5所示。

图5 直接接口方案的系统接口信息示意图

3.3.1 正常场景

直接接口方案的正常场景作业流如图6所示。

图6 直接接口方案的正常场景作业流示意图

与间接接口方案和间接接口增强方案相比，直接接口方案中信号系统与间隙探测系统单独接口，间隙探测系统“启动探测”时机、“停止探测”时机以及间隙探测的探测结果单独反馈给车载信号系统的信息流向与其他两各方案不同。

3.3.2 异常场景

为降低间隙探测系统故障对行车的影响，间隙探测系统设置“互锁解除”的旁路开关。当间隙探测系统因故障一直汇报“有障碍物”时，可在人工确认安全后，通过特殊手段人工对间隙探测系统进行旁路操作。信号系统接收到“旁路状态”信号后，不再监督间隙探测结果。

3.3.3 方案分析

直接接口方案优缺点分析如下。

①信号系统与间隙探测系统单独接口，减少了接口层级，使信号系统、间隙探测系统、站台门系统之间的接口更加清晰，便于故障排查和运营快速恢复。

②间隙探测系统可以在列车驶离站台区后收到停止探测指令，保证列车在出清站台区之前都可以进行障碍物探测。

③直接接口方案仅适用于车地无线通信良好、信号系统在CBTC控制级别、列车驾驶模式为FAM、CAM、AM、CM模式的情况。

④间隙探测系统进入待机模式后(即信号系统未要求启动的常态下)，间隙探测系统向信号系统反馈的探测结果为“有障碍物”状态。由于信号系统未下发“启动探测”指令，因此信号系统不处理这种情况下的“有障碍物”状态。

⑤间隙探测系统对外反馈的探测结果只有“有障碍物”和“无障碍物”。但是间隙探测系统的探测传感器在启动过程中处于启动、尚未进行探测的状态时，间隙探测系统无法给出是否有障碍物的真实探测结果。因此，为了保证安全，在探测传感器启动过程中，间隙探测系统向信号系统发送“有障碍物”状态。

3.4 小结

通过上述对三个方案的分析以及各自主要特殊点的对比，可得如表1所示的信号系统与间隙探测系统接口方案对比表。

表1 信号系统与间隙探测系统接口方案对比表

通过分析表1可知，三种方案均可以实现信号系统与间隙探测系统之间的接口功能。直接接口方案各系统间接口清晰、故障分析和判断便捷，在整个出站过程中均进行间隙探测，应优先选择。在工程实施条件受限的情况下，亦可采用间接接口增强方案或间接接口方案。

4 非正常驾驶模式下的处理策略

本文对于非全自动驾驶模式和信号系统降级模式，提出以下应对策略。

①非全自动驾驶模式的处理策略。

在上述三种方案中，全自动驾驶模式下，当发车条件具备则列车自动发车。对于在需要人工参与的AM、CM模式下，由于列车需要在司机进行确认后才能自动发车，可采用车载信号系统在收到站台屏蔽门系统的“门关且锁闭状态”和“无障碍物”状态信息后，点亮驾驶台上的“ATO启动灯”的策略。司机人工判断无风险后，缓解牵引切除状态，按下司控台上的“ATO启动按钮”后，列车才可以正常发车。

②信号系统降级模式下的防护策略。

间接接口增强方案和直接接口方案适用于信号系统在CBTC控制级别，列车驾驶模式为FAM、CAM、AM、CM模式的情况。由于降级模式下不具备车地无线通信条件，此时对车门与站台屏蔽门之间间隙的安全防护须由司机和站台站务人员共同保证，车载信号系统无法进行正常防护。

对于信号系统处于降级模式的情况，可以考虑增加间隙探测系统与联锁系统的接口信息处理。在降级模式下，通过站台门和间隙探测系统的就地控制盘分别关闭站台屏蔽门、启动间隙探测系统时，如检测到有障碍物，间隙探测系统向信号系统反馈“有障碍物”信息，联锁系统立即关闭出站信号机，以防止列车运行，避免发生乘客被夹在站台屏蔽门和列车车门之间的危险事故。

5 结论

随着轨道交通技术装备水平的不断提升，特别是全自动运行线路的逐步推广应用，无人值守运行条件对系统的安全性、可靠性和可用性提出了更高的要求。通过站台间隙探测系统与信号系统的接口设计，实现系统间的联动控制，是保障运营安全、提升运营效率的重要条件。在实际工程设计中，应根据运营线路特点，选取适合工程实际运行等级、线路应用场景的接口方案，以满足运营实际需求，提升运营安全和效率，从而更好地服务于城市轨道交通发展。