基于环线通信的列车对位单元的应用设计研究

王金辉

（上海电气泰雷兹交通自动化系统有限公司，上海 200020）

0 引 言

列车准确停靠站台，系统操作开关列车门及站台门是地铁客运过程中的重要环节。对于列车对准站台门，不同的系统根据各自设备特点及处理逻辑使用了不同的设计，其中利用802.11的AP天线，信号专用长期演进技术（Long Time Evolution，LTE）信道等方式使用较为普遍。但是各种技术手段在带来便利的同时，也带来频段干扰、叠加跳频实施困难的问题[1]。本文对广州三号线延伸线使用的环线通信方式进行了研究，环线通信方式速率较慢，数据量较小，但是在列车对位停站和轨旁联系的通信使用场景里，不需要大量的数据量，只需要传递个别的列车信息状态位信息，且传输时机仅需要在列车停站执行开关门操作时使用。环线通信方案完美地契合了这一需求，通过自上而下的系统性考虑，立足自身系统设计最优应用。

1 基于环线通信的对位单元系统设计

广州三号线延伸线路中，信号系统使用基于环线通信的对位系统，该系统分为车载设备和轨旁设备两部分，两者的通信使用频移键控（Frequency-Shift Keying，FSK）来实现。 FSK信号的优点在于信号传输实现简单，抗噪声和抗衰减性能好[2]。而列车对位传输通信使用的信息量少，中低速数据传输即可满足需求，但是对传输的可靠性要求较高。FSK信号的传输优点正好契合列车对位信息的传输特点。故在广州三号线延伸线路中，使用FSK信号传输方式作为列车对位信号的传输方式，同时考虑在区间运行时，列车使用36 kHz向轨旁控制器发送信息，使用56 kHz通道接收轨旁控制器的控制信息[3]。根据现场测试，最终选定84 kHz通道作为列车和轨旁设备的传输频率。

在广州三号线延伸线路中，使用现场可编程逻辑门阵列（Field Programmable Gate Array，FPGA）芯片处理84 kHz信号。每一个IO处理器通道使用一个FPGA，为RX和TX前端电路提供控制功能。每个FPGA提供两个串行外设接口（Serial Peripheral Interface，SPI），K60单片机作为总线主控。FPGA第二个模块接收到电报位后，在存储到缓冲区之前被倒置。这样两个处理器板卡就会接收到状态相反的信息，通过两个处理器之间的比较，可以实时监控和比较两个处理器的输入状态，从而提高系统的可靠性。

电报信息采用一种类似于高速数据链路控制（High- level Data Link Control，HDLC）的格式，有一个开始和结束标志字符来标记电报的开始和结束。电报可以用反向不归零（Non Return Zero Inverted，NRZI）线码或双相间空号（Bi-Phase Space，FMO）线码编码[4]。然后对电报进行频移键控（Frequency-Shift Keying，FSK）调制，其中“1”位表示为83.4 kHz信号，“0”位表示为84.6 kHz信号。图1是NRZI和FMO 编码示意图。

图1 NRZI和FMO 编码举例

车载对位环线单元用来与路旁对位单元通信。每个车载控制器（Vehicle On-Board Controller，VOBC）在车体左右两侧分别设置有两个对位环线单元，这是考虑到车辆在实际营运过程中，因为不同的出场策略会使车头朝向发生改变。普通车站的轨旁对位环线单元只安装在站台的其中一侧，这是整合考虑线路条件较好、易于设备维护、强电干扰源较少等因素决定的。同时对于部分折返或双侧开门的站台，会在两侧站台同时设置轨旁的环线对位单元，因为在折返站台或双侧开门站台，对列车开启站台门有多种组合选择，按照不同交路运营需求激活期望的站台门，通过开启不同侧站台门达到旅客客流导向的作用。轨旁对位单元连接示意如图2所示。

图2 轨旁对位单元连接示意图

目前，广州三号线延伸线使用6节编组车辆，在靠近车站两端的站台附近各设置1个轨旁对位天线用于接收信息。但是考虑到既有车辆有3节和3+3节编组车辆，这就意味着在短编组的列车或者列车组合运行时，有可能需要在站台中心区域激活对位单元。考虑到这种场景，广州三号线延伸线在每个站台设置了4个室外对位环线天线，这4个天线通过串联方式连接在一起。在实际测试中，室外的对位天线最多可以串联到8个，与室内信息传输可以通过调节内串电阻的大小实现。

对位单元通过对位环线将信息传送给车站控制器来进行站台门控制，并传送后备模式信息。轨旁对位指示灯提供列车在某一车站的对位状态。在下列两种情况下该指示灯显示：一是激活的VOBC 已经确定列车在车站停车，所有对位条件已满足；二是激活的VOBC 已经确定列车在车站的停站偏差内，即列车仍然在移动，但是如果立即停车，则列车将成功对位。在第二种情况下，对位指示灯的显示向司机提供状态指示，有助于在保护人工模式运行下成功对位。如果上面两种条件都不满足，那么对位指示灯将无显示。在保护人工、自动和无人驾驶模式下该指示灯可用。列车进入降级模式且列车上有激活的VOBC主控设备，在最高人工限速为25 km/h和最高人工限速为60 km/h的模式下，一旦与对位环线建立通信，对位指示灯将显示。

2 基于环线通信的对位单元硬件设计

对位单元是一种用于列车与地面控制的设备。对位单元分为两种型号匹配使用，一种安装在列车侧面，为车载VOBC提供了一个通信接口，当列车停站且需要开关站台门操作时，在系统容许的时间窗口内发送对位信息。另一种安装在车站站台侧面，为轨旁联锁系统提供通信接口，用以与VOBC通信。在列车到达车站，速度为零的情况下，接收车辆对位天线发送的信息。轨旁联锁控制单元结合进路信息、站台门状态、联锁条件等从而控制站台门。

2.1 车载硬件设计

车载硬件由两部分构成，车体外安装对位环线天线的实体部分，通过电缆连接到VOBC主控机柜的对位模块。对位单元通信模块被看做是承运人，并在中央处理器（Central Processing Unit，CPU） 板卡的监督下运行。输入/输出（Input/Output，I/O）微控制器子板有两个独立的通道（Replica R1和Replica R2），获取输入信号的状态，并与主CPU通信。图3为对位环线单元主要的信息处理路径，其主要处理过程如下：

图3 对位单元内部信息处理

（1）连接器P1连接到Replica R1；

（2）连接器P2连接器到Replica R2；

（3）位于通信模块上的P3连接器用于内部连接；

（4）接收R2的调制解调后的TX信号；

（5）通过电源模块控制，向后端传送放大后的TX信号；

（6）经过内部断联隔离保护模块，向左右两个环线天线发送信号；

（7）RX信号通过可编程增益放大处理后，进入到滤波器和比较器；

（8）在接收系统外部增益反馈后，对位单元模块输出RX R1/R2信号；

（9）均值放大器和直流转换器接收TX和RX信号，用于直流域的校验监控；

（10）双通道ADC为CAN I/O DB提供校验信息；

（11）LED状态指示灯显示设备工作状态。

2.2 轨旁硬件设计

基于车载对位单元的配置信息可以对硬件设备做更新升级，将PCB板卡中使用的12 V DC电源，替换为24 V DC电源模块。在子架前面板增加连接器P4，用于室外感应线圈连接。断开内部固态继电器K1，为冗余配置的轨旁对位单元的共享连接提供物理隔离[5]。表1汇总了对位单元的关键电气特性。

表1 关键电气特性

对位单元主CPU的Replica R1使用24/12 V DC电源，仅用于TX功能。轨旁对位单元子架内提供均匀的电力负载分配，每个对位单元都可以连接到PSU1或PSU2的12 VDC输出。该功能由现场可编程逻辑门阵列（Field Programmable Gate Array，FPGA）控制，通过使用锁存继电器实现。

在模数转换器（Analog-to- Digital Converter，ADC）选型使用上对位单元使用了AD7866系列。AD7866是一款双12位高速、低功耗、逐次逼近ADC。在应用中，芯片从5 V电源和功能贯穿率高达1 MSPS。模拟输入范围为2×VREF，直接二进制输出编码。采用2.5 V片内基准，因此模拟输入范围为5 V，相当于4 096个计数。AD7886具有两个完整的ADC功能，允许两个通道同时采样和转换。每个ADC都有一个二通道输入多路复用器。两个通道的转换结果可在单独的数据线上同时获得。

3 基于环线通信的对位单元安全性考虑

轨旁应用中，对位单元模块支持无源冗余配置，其中两个对位单元模块连接到同一个天线。无源对位单元模块通常不会被激活，不会对天线电路有任何影响。无源对位单元模块无法发送或影响连接到同一天线的另一个有源对位单元模块的发送或接收。一个有源对位单元模块处于运行状态，能够使用连接的天线发送和接收。任何时候只能有一个对位单元模块发射机处于激活状态。使用断开继电器的设计确保无源、关闭或故障的对位单元模块不会干扰有源模块的操作[6]。

在系统方面，联锁冗余系统使用两个对位单元子架连接到独立的主控板，以提供更高的可用性，从而最大限度地减少单点故障。

由于VOBC切换机制提供了冗余，因此在车载应用中没有涉及子架冗余。在这种情况下，每个VOBC都独立设置了的对位天线。

冗余机制可以防止控制部件的故障，故障时的首选状态是被动的。两个Replica都在投票，以命令对位单元模块活动，使其成为活动的。对位单元使用有一种可靠的方法来检测断开继电器的状态，再提供给两个Replica的天线电路中测量电流。如果继电器断开，则电流将接近于零。对位单元模块的切换是在CPU的控制下进行的，如果CPU命令对位单元在启动时处于无源状态，或者检测到关键故障或CPU通信超时，则该对位单元将会为有限设置处于无源状态。同时对位单元的信息交互只有在CPU命令使能下才会生效[5]。

当CPU收到来自激活对位单元模块的故障指示或根据逻辑判断对位单元模块D不工作(通信超时等)时，CPU会启动激活模块和非激活模块质检的切换，还会安排一定的周期性切换，以测试切换机制，监测非激活模块的工作状态。

4 结 论

通过对应用于广州地铁3号线延伸线对位单元的研究，深入探讨了列车对位停车的系统设计，详细阐述了环线通信的原理、处理逻辑及轨旁、车体设备设置。在硬件应用设计中，详细介绍了信息数据流的处理，对于硬件设备的电气特性进行了说明。该对位单元设备已应用于广州地铁三号线延伸线，并取得了良好效果，给未来列车对位方案的设计和优化提供了较高的参考价值。