（电路与系统专业论文）基于24g无线扩频通信的psd联动控制系统的研究.pdf

中文摘要 摘要s 随着城市轨道交通的发展，站台屏蔽门系统得到了广泛的应用，加装 站台屏蔽门系统对轨道交通的信号系统提出了新的要求。为了适应这些要求，本 文开发了屏蔽门与列车自动控制联动系统。 目前国外信号设备供应商提供的信号系统与站台屏蔽门系统接口的解决方案 需要整体更改信号系统的软硬件设计。这种设计方案增加了设计和施工难度，不 适合现有线路的加装工程。本系统在原有设备的基础上采集必要的信息进行逻辑 判断，采用2 4 g 无线扩频通信的方式交换列车与地面设备信息，这样的设计使得 本系统可以适用于目前国内正在使用的大部分信号系统。为现有线路的站台屏蔽 门加装工程提供了一个很好的选择。 本文研究了系统的功能需求及其设计方法，并进行了具体的软硬件设计，在 此基础上分析了系统的安全性，并在理论上予以验证。 最后，对本系统在现场的测试情况进行了说明，分析了现场测试记录的数据 和系统逻辑功能输出。 关键词；站台屏蔽门；列车自动控制；2 4 g 无线扩频通信；故障一安全；安全智 能i o 分类号： a b s t r a c t a b s t r a c t w i m 恤ed e v e i o p m e n to fc 时豫i h v a yt m f 五c ，p s d 口i a t f o ms c 心蛐 d o o r ) s y s t e mh 嬲b e e nw i d e - ya p p i i e d t h es i g n a ls y s t e mh a st oi m p o n s o m en e w f u n c t i o n st 0 翰t i s 匆t h e 件q u 嚣to fp s d s y s t e m t h i sa n i c l ed 龉i g st h ep s di i n l a g e c o n 仃o is y s t e mt od e v e l o pt h es i g n a ls y s t e m hm o d e 加t i m 鹤m 鹏te q u i p m e n tp r 钾j d e 礴n dt ou p d a t ea i lo ft h es i g n a i s y s t e mt oa d d n t m i 如n c t i o no fp s ds y s l e m t h i ss c h e m em u s tm o d i 锣b o t h h a r d w a 砷a n d f t w 矗博d 骼i g 肚o fs i g n a ls y s t e m t h ed 瓶c u i t yo fd 鹤i g 叠n d n s t m c t i 叫w b ei n c r 哪e do b v i o u s 帆a di t sn o ts u i t a b kt ou p g m d e 恤ee x i s t c i 邝u i t r y t h et a r g e t 呵s t e mg a t h e 幅n 佻鹤姐r yi n f o 珊a “o na n dd o dt h ei o g i c j u d g m e n ti n 恤eb a o fo 埘e q u i p m 蛐t t h ei n f o m a t i o n 旺c h a n g eb e 伽n 恤e t m i a n du p g m u n d d e v i c 器a d o p t s2 4 gs p r 翰ds p e c r u m m m u n i c a t i o nm o d e s o t h 缸s y s t e mc a nb ea p p h e dt ot h em a j o r i t yo fs i g n a is y s t e m sw h i c ha 心b e i n gu s e d n o wi n i a n d t h i sd 器i g no f f e 幅ab e t t e rc h o i f o rt h ep s da d d i t i o no fc i 比u i t r yi n e x i s t e n c e t h 缸曲e s i sa n a | y s 鹤t h es y s t e mf u n c t i o nr e q u 鹤ta n d s e a 件h 髓i t sd 嚣i g n m e 恤o d t h es y s t e m sh a r d w a 旭a n ds o f t w a md e s i g n 缸伽i s h e d f u r t h e rm o r e t h i s a r t i c i ea k oa n a l y 晒t h es y s t e ms 卵u r i t y 柚dg i v 鹤恤ev e r m 住t i o i nt h r y hm ee n d t h et e s ts i t u a t i o ni nt h es c e n eo ft h et a r g e t 锣s t e m 缸i i l u m i n a t e d t h et e s ti 。e s u 缸娃p i a i n e da n da n a i y z e dt k e y w o r d s ；p l a t f o r ms c m e nd o o r ；a u t o m a t i c1 r a i nc o n t m i ；2 4 gw i m i e 鲻 s p r 豫ds p e c t n mc o m m u n i c a t i o n ；f a i l s a f e ；i n t e i i i g e n ti n p u to r 0 u t p u tm o d u k c i 。a s s n o l 致谢 首先要感谢我的导师路勇副教授，路老师严谨的治学态度和科学的工作方法 给了我极大的帮助和影响。在此衷心感谢三年来老师对我的关心和指导。 感谢铁道科学院通信信号研究所贾学祥研究员、郜洪民助理研究员和项目组 同事们对我的关心和帮助 铁道科学院通信信号研究所潘明副研究员对于我的科研工作和论文都提出了 许多的宝贵意见，在此表示衷心的感谢。 另外也感谢我的父母和家人，他们的理解和支持使我能够在学校专心完成我 的学业。 1 1 国内外应用现状 1 绪论 站台屏蔽门( p l a t f o 咖s c r nd o o r 简称p s d ) 系统是现代化轨道交通工程的必 备设施，它沿轨道交通站台边缘设置，将轨道区与站台候车区隔离，减少了列车运行 噪音和活塞风对车站的影响，防止人员跌落轨道产生意外事故，为乘客提供了舒 适、安全的候车环境，提高了地铁的服务水平，在国外地铁线路中得到了广泛的 应用。在国内，新修建的地铁线路，例如北京地铁四号线、十号线、广州地铁二 号线都安装了站台屏蔽门系统。一些目前已经投入运营的线路，也在进行加装站 台屏蔽门系统的安装调试。 信号系统与站台屏蔽门系统相结合是站台屏蔽门系统工程的重要环节。站台 屏蔽门系统不可能单独完成工作，地铁运营对它的功能需求决定了需要其它系统 对其进行控制。首先，从提高地铁运营效率和减轻司机工作强度的角度出发，屏 蔽门应该做到自动与车门同步开启与关闭。虽然站台屏蔽门系统都设置了就地级 控制端，允许司机手动开关屏蔽门。但是，手动开关屏蔽门只能作为故障情况下 的一种处理手段，不能作为正常运营手段。其次，要更好地确保乘客的安全以及奠 定无人驾驶的技术基础，就必须在实现屏蔽门与列车车门的联动的基础上，确保站 台屏蔽门系统与信号系统的列车自动防护( a r p ) 之间建立联锁关系。这些功能只有 通过信号系统才能实现。根据世界各城市轨道交通工程的成功先例，屏蔽门普遍由 信号系统进行控制。 作为衡量城市轨道装备水平高低标志的两大信息系统：列车自动控制系统 ( a u t o m a t i ci h i nc 0 n t r 0 1 ) 和站台屏蔽门系统( p l a t f o ms c r e 锄d o o n 目前国内主 流市场全部被国外厂商所垄断市场旺盛需求和外商设备的高昂造价，呼唤国产技 术设备的早日出现。 1 2 亟待解决的问题 研究地铁列车车载信号系统的特点 地铁列车支持a t d 模式、a r p 模式和手动模式驾驶。需要深入了解车载信 号系统的工作方式以实现对列车开关门动作的准确采集。并且实现屏蔽门未关好 条件下对站台人员的安全防护功能。 研究轨旁信号系统的特点 系统对屏蔽门非法开启条件下的安全防护功能需要利用轨旁信号系统实现 研究车地通信的各种手段并对其优缺点进行比较，最终确定车地通信方案。 车地通信是系统实现的关键部分，列车门开关动作、屏蔽门状态信息都需要 通过车地通信传输。确保通信的安全可靠，是系统稳定工作的前提。 研究屏蔽门系统的工作原理确定本系统与屏蔽门系统的接口方式 研究故障一安全原则，并在软硬件设计上保证系统的安全性。 1 3 本文所做的工作 已经投入运营的线路进行屏蔽门加装工程时，由于原有的信号系统并未考虑 屏蔽门功能接口，重新升级信号系统将浪费大量人力物力。只有在现有的屏蔽门 控制系统与信号系统基础上开发一套列车自动控制与屏蔽门联动系统才能解决这 一问题。本文所作的工作即依托此项目进行。 本文针对现场的实际情况，设计了列车自动控制与屏蔽门联动控制系统。系 统采用2 4 g 直接序列扩频方式实现了列车车载设备和轨旁设备数据交换，轨旁部 分通过与屏蔽门系统和轨旁信号系统的接口实现了对屏蔽门的控制和对站台的安 全防护。经过实验室功能验证和大量的现场实验，验证了系统功能的可靠性和稳 定性。 本系统在保证功能的前提下尽量简化了车辆信息和屏蔽门信息的采集，适用 于绝大多数地铁信号系统制式和不同屏蔽门生产厂家的应用。 2 2 1 系统构成 2 站台屏蔽门控制系统 屏蔽门控制系统主要由中央接口盘( p s c ) 、就地控制盘( p s l ) 、门控单元 ( d c u ) 、通讯介质及通讯接口及外围设备等组成。中央接口盘( p s q 又由主监视 系统( m m s ) 、两个单元控制器( p e d c ) 、接线端子、接口设备及控制配电回路组 成。典型站配置一个中央接口盘( p s c ) 、两个就地控制盘( p s l ) 、每扇滑动门一 个门控单元( d c u ) 。 2 1 1 屏蔽门控制系统功能及实现 屏蔽门控制系统必须完成控制和监视两项基本功能，门控单元( d c u ) 完成每 扇门的具体控制功能，而主监视系统( 删s ) 完成整个车站所有门单元的相关信息 集成。在车站范围内，每个门控单元( d c u ) 检测到的对应滑动门的状态信息必须 通过现场总线网络与主监视系统进行通讯。 2 1 2 控制功能 1 系统级控制( s i g ) 系统级控制是在正常运行模式下由联动系统直接对屏蔽门进行控制的方式。 在系统级控制方式下，列车到站并停在允许的误差范围内时( 如：3 0 0 m m ) ，联 动系统向屏蔽门每侧单元控制器( p e d c ) 发送“开关门”命令，单元控制器( p e d c ) 通过门控单元( d c u ) 对每扇滑动门进行实时控制，实现屏蔽门的系统级控制操 作。单元控制器( p e d c ) 与门控单元( d c u ) 通过可靠的硬线连接。 2 站台级控制( p s l ) 站台级控制是由列车驾驶员或站务人员在站台的就地控制盘( p s l ) 上对屏蔽 门进行“开关门”的控制方式。当系统级控制不能正常实现时，列车驾驶员或站 务人员可在就地控制盘( p s l ) 上通过“专用钥匙”及“开关门按钮”对屏蔽门 进行“开关门”操作，实现屏蔽门的站台级控制操作。 3 手动操作控制 手动操作是由站台人员或乘客对屏蔽门进行的操作。当控制系统电源故障或 个别屏蔽门操作机构发生故障时，站台工作人员可在站台侧用专用钥匙或乘客在 3 轨道侧通过“开门把手”打开屏蔽门。并将相关状态信息上传。 4 火灾模式控制 在隧道车站发生火灾时，为了配合车站环控系统执行火灾模式，屏蔽门系统 必须接受控制，由车站工作人员通过在车站综合控制室的应急后备盘( i b p ) 上的按 钮对屏蔽门系统进行紧急操作所有连接采用硬线连接。 2 1 3 监视功能 主监视系统( m m s ) 是中央接口盘( p s c ) 核心部分，完成每侧屏蔽门单元 相关信息的集成，其通过监视单元控制器( p e d c ) 、门控单元( d c u ) 、电源系统和 与主控系统( m c s ) 及系统维修终端( s m t ) 的通讯完成以下功能： 1 ) 收集p s c ，p s l ，i b p 以及屏蔽门电源的信息； 2 ) 通过内部屏蔽门网络收集全部d c u 信息； 3 ) 提供维修数据； 4 ) 允许对d c u 参数进行修改； 5 ) 允许下载新的d c u 软件； 6 ) 把屏蔽门数据通过光纤送到m c s ； 7 ) 屏蔽门故障警报储存，屏蔽门正常系统运行记录； 8 ) d c u 的自诊断数据传送到m m s ； 9 ) m m s 的储存采用硬盘。储存量满足信息储存要求； l o ) 打印数据； 1 1 ) m m s 能储存d c u 的故障诊断信息； 1 2 ) m m s 从m c s 下载g p s 时钟。 1 单元控制器( p e d c ) 单元控制器( p e d c ) 与主监视系统( m m s ) 之间的监测信号是通过可靠的硬线 连接来实现的。每个单元控制器( p e d c ) 将为主监视系统( m m s ) 的逻辑输入模块 提供其操作状态( 逻辑电平信号) 由主监视系统( m m s ) 监测屏蔽门系统的基本操 作状态，如：来自信号系统( s i g ) 的“开长短车门”和“关门”命令信号、来自站台就 地控制盘( p s l ) 的“p s l 操作允许”信号、来自站台就地控制盘( p s l ) 的“互锁解除” 信号、来自就地控制盘( p s l ) 启动的“开长短车门”命令及“关门”命令，来自i b p 盘上启动的“开门”命令及“关门”命令信号、“所有a s d e e d 关闭且锁紧”信号等。 2 门控单元( d c u ) 门控单元( d c u ) 与主监视系统( m m s ) 之间的监视是通过使用通讯网络( 现场 总线) 来实现的。每个门控单元( d c u ) 在网络上都有一个唯一的地址，工程上， 4 为了便于管理和标识，每个门控单元( d c u ) 的地址可取决于门控单元( d c u ) 在站台上的位置( 上下行线、门单元号) 由主监视系统( m m s ) 监测门控单元 ( d c u ) 的相关状态信息。 2 2 屏蔽门控制系统与联动系统接口 2 2 1 接口信号描述 联动系统与屏蔽门控制系统之间使用信号控制电缆连接，使用继电、双断，安 全型干接点等方式的接口电路。两系统接口信号的描述见表2 1 表2 1 屏蔽门系统与信号系统接口信号 t a b l e 2 1s i g n a lb e 眦e nt h ep s ds y s t c m 蛐ds i 驴a ls y 咖m 信号 方式 信号信号， 联动系统描述解蔽门系统描逑 名称类噩方冉 联动菜夷阵停车对位完成，符 开门硬缱安全 统至屏合并门条件联动发出开 由屏蔽门控制设备 龠审连接连续打开屏蔽门 蔽门门由令 联动蓉 关门硬线 安全 统至鼻 列车关门，联动系黻由屏蔽门控制设备 命令 连接 连续 出关r 1 命令关闭屏蔽门 蔽门 屏蔽门关自n 后所有屏蔽门 屏蔽门 的。门并，关状态信号一串 关闭且 聚线 安全 车门和屏蔽门均己关 填紧状至联动连，1 5 成关闭目镇紧信号井 毪接 连续 紧，列车 允许发车 老系统 舟屏蔽门控制设备发迸次 信号 屏蔽门 张硬线 安全 用于紧息状态下的靛车用于屏蔽门因敌不能正常 至联动 解除连接 琏续 攘作关闭的情况 系统 2 2 2 接口信号的条件与功能 1 联动系统与屏蔽门控制系统的接口仅考虑运营线路上列车的正向运行，但要 满足屏蔽门对停车精度的要求。只有停车精度要求被满足，联动系统才允许向站台 屏蔽门系统发送开门命令。例如西门子公司的l z b 7 0 0 m 型a 1 甲、a = t d 目前列车 停车的精度a 1 r o 系统为0 5 m ，成功率9 9 5 ，a t p 系统为l m 。由此可见，要安装 屏蔽门首先必须改善列车的停车状况，停车精度至少要达到a 1 r o 系统为o 4 m ，成 功率9 9 5 ，a r p 系统为o 5 m 的要求；并要保证在列车停车精度为4 0 0 m m 情况 下，列车乘客门净开度1 2 0 0 m m ( 屏蔽门门开宽度为2 0 0 0 m m ) 。 2 只有屏蔽门关闭的情况下列车才能运行。联动系统会实时监视屏蔽门的状 态。如果屏蔽门是非法开启状态，联动系统会设置一个安全停车点不让任何列车驶 入相应的车站站台。 3 屏蔽门系统发生故障，或屏蔽门实际已关闭但因故不能有效地把“关闭及锁 定状态”信号传送给联动系统时，司机只有按“p s d 互锁解除”按钮，屏蔽门系统才 能给联动系统送出“互锁解除”的信号，联动系统此时会切断屏蔽门系统和信号系 统问的联锁关系，a 1 甲才允许启动列车且司机必须在每次发车前都按下“p s d 互 锁解除”按钮，直到故障修复为止。 4 屏蔽门系统应为每侧站台提供一组接口与联动系统连接，因此，岛式站台和 侧式站台有两组接口，一岛两侧式站台有四组接口。 6 32 4 g 无线扩频通信原理 3 1 无线局域网的发展状况 随着通信事业的迅猛发展，对通信系统的要求更加趋向于大容量、高速率、 低误码，以及高效方便和低成本。计算机无线通信事业越来越受到人们的关注。 计算机通过无线信道进行数据业务的传送己被广泛地应用于商业、金融、交通等 许多领域。 2 0 世纪8 0 年代，是计算机有线局域网发展与普及的年代。有线局域网利用电 缆线或光纤把局部区域内( 几米一几公里) 的大型机，工作站、微机等相互连接起来， 并完成计算机间的数据传输与资源共享。由于有线局域网存在布线繁琐、无法从 移动体访问局域网等诸多问题，为了克服以上问题，支持具有移动计算能力的无 线局域网成为了一个重要的发展方向。 现时的无线网络通讯系统较多采用直接序列扩频技术或跳频技术，国内无线 电管理委员会已将2 4 _ 2 4 8 3 5 g h z 频段开放为自由使用的扩频通信i s m 频段。扩频 通信在使用频率上的方便及价格上的优势，已广泛应用于计算机局域网互联，数 据通信，电力一点多址系统，银行备份网络，邮电肋n ，蜂窝基站通信，会议电视， 图像传输，集群通信，微波专用网等领域。 3 2 扩频技术介绍 3 2 1 扩频技术基本原理 扩频技术的基本理论根据是信息论中的仙农( s h a n n o n ) 公式，它可以表示为 c = 阡7 9 9 ，( 1 + s )( 3 1 ) 式中，c 是信道容量( b i t s ) ，w 是信道带宽，n 是噪声功率，s 是信号功率。仙 农公式证明了一个信道无误差传输信息的能力同存在于信道中的信噪比以及用于 传输信息的信道带宽之间的关系。对( 2 一1 ) 式换成以e 为底的对数 c = 1 4 4 i o g 。( 1 + s ) ( 3 2 ) 对于干扰环境中的典型情况，s n 定义为系统的安全度。 定义5 ：将概率仁l s 定义为系统的安全失效度。 由以上定义可知，在系统故障时导向安全侧的概率相同的情况下，一个可靠 性高的系统，其安全性一定高；但反之则不然，一个安全性高的系统，其可靠性 未必高。从理论上讲，要提高一个模块的安全性，首先要提高其可靠性，在此前 提下，还要尽量提高模块故障时导向安全侧的概率。 6 1 2 故障一安全原则的理论基础及实现 随着可靠性理论的发展，使得对故障的分析建立在概率论的理论基础上，进 一步揭示了故障一安全是一个具有概率特性的概念，它具体包含一下几个方面的 内容： ( 1 ) 客观上承认任何系统的故障是不可避免的，即可靠性为l o o 的系统是不 4 1 存在的。如果用 f 表示系统故障率。则在现实意义上我们希望它足够小，但不可 能为零。 ( 2 ) 系统的故障根据它所带来的后果可以分为危险侧故障率和安全侧故障率， 则有af = s + d 。根据实践，危险侧的概率虽然很低，但并不为零，所以说故 障一安全的概念不是绝对的，而是相对的。 ( 3 ) 在考虑了系统所有故障的情况下，危险侧故障 d 相对于全故障率 f 小 到可以忽略的程度时，才认为该系统是故障一安全的，即危险比p = d ， f 应 足够小。 如果逻辑关系来描述上述关系则有如下关系式： 【事故】= 【故障】n 【危险侧】 f 没有事故】- 【没有故障】u 【故障导向安全侧】 【安全性】= 【可靠性】故障安全性】 由上面的叙述可知，提高体统的可靠性，是实现系统安全性的基础。但是， 由于任何系统的可靠度都不可能为l ，因此为了让系统具有安全性，必须使系统在 可靠性的基础上还具有故障一安全特性。 6 1 3 系统实现故障一安全的条件 一般来说，构造一个具有高可靠性的、故障一安全的控制系统，主要应该包 括以下三部份： 故障一安全控制主机：用于实现逻辑运算和数据处理过程的故障一安全。 故障一安全输入输出接口：用于实现数据采集和控制命令驱动过程中的 故障一安全 故障一安全传输：用于实现数据传输过程中的故障一安全。 在本系统的设计中，控制主机的故障一安全是通过双机热备的冗余结构和主 控软件软件实现的，故障一安全输入输出接口是通过安全智能l ，0 模块保证的， 故障一安全数据传输是通过安全通信协议、安全继电器输出电路等手段保证的。 6 2 安全智能i 0 模块 安全智能i o 模块是系统的重要组成部分，安全性和智能性也是采集驱动模块 的发展方向。安全智能i 0 模块通过双c p u 完成控制、通信及自检任务，双c p u 通过比较提高了模块的安全性。由于联动控制系统要求系统各单元间建立实时、 可靠、安全有效的通信。c a n 总线是一种有效支持分布式控制或实时控制的串行 通信网络。模块中采用双c a n 总线方式通信，可以实现与联动控制系统间的实时、 可靠的数据通信。由智能模块构成的控制系统具有以下一些显著优点： l 由于采用双c a n 总线通信方式，可以和现在所有结构的信号控制系统连 接，包括三取、二取二乘二、双机热备等系统结构，突破了信号控制系统结构的 限制。 2 易于实现分布式控制。分布式控制系统中区域机只需在现有的由智能采集 驱动模块组成的智能i o 系统的基础上增加远程通信模块即可实现。 3 采用双c a n 总线通信方式，控制系统和智能i 0 系统间只需4 根通信线即 可。减少了系统内部配线数量，简化了系统结构。 4 提高了系统的安全性。通过采集驱动模块内c p u 的智能处理，能使故障检 测更加严格，并保证系统出现故障时导向安全侧。 5 增加了系统的可靠性、可维护性。通过采取防雷、抗电磁干扰、增加系统 容量、选用工业级的元器件等措施，提高了智能模块的可靠性。同时智能模块支 持热拔插功能，可以实现在线维护。 6 降低系统的成本。由于取消动态驱动单元，减少了中间环节，使系统的总 成本下降。 6 2 1 安全智能i o 模块硬件组成 安全智能i o 模块包括c p u 部分、c a n 总线通信部分、采集或驱动电路部分 以及电源部分。c p u 采用a v r 系列a t 9 0 s 8 5 3 5 ，c a n 总线通信部分采用p h i l i p s 公司的c a n 控制器s j a l o o o 和c a n 收发器8 2 c 2 5 0 工业级芯片组。电源部分采 用爱立信p k f 2 1 l l d c 仍c 电源模块。智能模块印刷电路板为四层板，设计开始就 考虑了多种电磁兼容因素，布板时将5 v 的供电和地线部分与2 4 v 的供电和地线 部分之间隔离开，避免了相互干扰。安全智能i ，o 模块的系统硬件采用二取二结构， 框图如图6 1 所示 c p u 部分采用a v r 系列单片机m a g e l 6 ，它的优点有： 支持1 6 位精简指令的f l a s h 技术，可擦写l o o o 次以上，价格低廉； 高速度、低功耗、具有预取指令功能； 高度保密、可多次烧写的f l a s h 具有多重密码保护锁死( l o c k ) 功能； 具有大电流输出，可直接驱动s s r 或继电器： 具有看门狗定时器的安全保护，防止程序跑飞； 包含丰富的资源，并可用功能很强的c 语言编程； 多功能的并行i ，o 口适于多种应用场合； 具有多个固定中断向量入口地址，可实现快速响应； 有串行异步通讯u a r t 不占用定时器和s p i 传输功能，而波特率可达 5 7 6 k ： 工作电压范围宽2 7 v 6 0 v ，电源抗干扰性能强； 框图如图6 2 所示： i驱动，采集电路 图6 1 智能采集驱动模块结构框图 f i g 6 1 a p t i t u d ei 0m o d u l e 矗狮e 图6 2m a g e l 6 系统框图 f i g 6 2 m a g e l 6s y s t e m 本设计中采用的c a n 控制器s j a l 0 0 0 和c a n 收发器8 2 c 2 5 0 工业级芯片组，框 图如下： r r x d v 一 图6 3s ”1 0 0 0 系统框图 f i g 6 3 s j a l 0 0 0s y s t e m8 r c h i t e c t u r e 一嚣i 蛳 图6 48 2 c 2 5 0 系统框图 f i g 6 4 8 2 c 2 5 0s y s t e ma r c h i t e c t u r e 当模块中的c p u 接收到上位机发来的命令时，将写入c a n 通信芯片的接收 缓冲区内的数据，一方面通过串口将数据发送到另一个c p u ，另一方面将状态发 回到c a n 总线上，启动c a n 控制器的发送命令，此时c a n 通信控制芯片将自动 向总线发送数据，不再需要单片机干预，但是要在发送完后检查状态寄存器的发 送完成状态位，以确定上次发送是否完成，如未完成则蕈新发送；系统中若有多 个c a n 控制器同时向总线发送数据，则c a n 通信控制器通过信息帧中的标识符 来进行仲裁，标识符数值最小的具有最高的总线使用权。c a n 通信控制器检测到 盖苫 总线上有与自己接收标识符相同的数据时会自动接收，并存入接收缓冲区。 采集板硬件原理框图如下所示： 蓁 墓 图6 5 采集板原理图 f i g 6 5 g a t l l e rb o a r dp r i n c i p l c 采集驱动电路部分由双c p u 通过光耦器件采集或驱动外部的继电器信息，并 可以动态自检。采集或驱动电路中的器件失效故障不会造成危险侧输出，c p u 不 断重复自检，采集驱动电路中的故障可以被c p u 及时检测出。驱动板硬件原理框 图如图6 6 所示： 图6 6 驱动板原理图 f i g 6 6 d r i v eb o a r d 两n c i p i c 6 2 2 安全智能i o 模块在安全性方面采取的措施 安全智能i o 模块充分考虑了一般情况下和极端情况下的故障。对于各种故障 都采取了严密的措施来保障模块的安全性。这主要体现在以下几个方面： 1 双路比较 驱动模块中的两个c p u 在工作过程中通过串口通信进行双路比较，对于一般 的故障，双c p u 通过处理和比较后能区分故障的性质，并做出相应的处理。如果 处理结果经比较不一致，则可判定某一路发生了故障。同时双路比较可以有效地 避免外界干扰对模块的影响。通过双路比较的方式可以有效地检测出各种故障， 提高了模块的安全性。 2 信息的编码与校验 安全智能型i ，o 模块在工作过程中需要通过现场总线与控制主机进行通信，这 驱动共l a 路 些数据信息在传输过程中进行了一定的编码，同时采用1 6 位c i 屺校验。另外还 采用了正反码重传机制，使传输信息达到二重冗余，从而保证信息传输过程中的 安全性。 3 闭环故障检测 安全智能型i ，o 模块本身具有c p u ，能够进行数据和信息的处理，所以这种 结构的接口对于动态输入输出接口有很多优势。现有的大部分工业控制系统的输 入输出接口的自检功能是由控制主机完成的，而输入输出接口本身并不具有自检 功能。由于控制主机主要负责逻辑运算，所以自检的速度相对较慢，自检测的周 期较长。而安全智能i o 模块本身实现了智能化，具有自检测功能。这使得l o 模 块的自检速度提高了很多，也减轻了控制主机的负担，同时对故障定位起了很大 作用。 安全智能型i o 在故障检测方面具有检测速度快、自检周期短、故障检出率和 检测覆盖率高等特点，并且有效地解决了动态输入输出接口在故障检测方面的不 足，提高了模块安全性。 4 防击穿故障的措施 在驱动模块中，两个功率放大三极管是串连在一起的。在极端情况下，如果 两个三极管的q l 和q 2 同时发生击穿故障，则鉴相安全逆变电源输出的+ 2 4 v 会 经过q l 和q 2 沿曲线方向直接输出到继电器端发生这种情况的故障时，就会存 在继电器误输出的可能。一般情况下继电器在输入端接收到的驱动电压到励磁吸 起需要至少l o o m s 。而安全智能型i o 模块实时对回读信息进行处理，当检测到输 出的控制命令与回读信息不一致，且输出为低电平，回读为高电平时，则认为发 生严重错误。连续检测到3 次严重错误后，由c p u 发出控制命令切断鉴相安全逆 变电源的输出 在考虑模块c p u 处理时间和鉴相安全逆变电源内部电容的放电等因素的前提 下，总的处理和控制时间小于5 0 m s ，这就使模块有充分的余量在继电器吸起前切 断输出，从而保证模块在发生故障时可靠的倒向安全侧。 这种处理方式主要利用了模块本身c p u 具有很强的数据处理能力，能严格的 区分各种故障，并且速度相应快的优势。所以使模块实现智能化能够从根本上防 护一些极端情况下的错误输出，对不同的故障采取不同的处理方式，从而提高了 模块乃至联动系统的安全性。 5 驱动电源的安全控制 当驱动电源收到切断的控制命令或失去控制后，能否成功切断输出则是关键。 如果驱动电源发生故障而导致不能切断，则仍然存在危险因素。 目前使用中的驱动模块中，驱动电源的输入为+ 2 4 v ，采用控制弹力继电器或 干簧继电器的方法进行切断。这种控制方法在安全性方面存在一些安全隐患。首 先驱动电源的输入为+ 2 4 v ，如果发生电源内部击穿故障，则+ 2 4 v 会失去控制直接 输出其次是当继电器发生接点粘连故障时切断继电器的控制命令会失去作用。 以上两种情况都存在错误输出的危险，在设计安全智能i ，o 模块时对驱动电源采取 了相应的措施来消除这些隐患。首先，驱动电源的输入采用2 4 v ，当电源内部发 生故障时，输出只能为o 或者一2 4 v ，不会错误的使继电器吸起。其次，电源在正 常工作时受两个c p u 的联合控制，在模块内部发生故障时，如果c p u 产生的控制 脉冲的序列不符合要求，则驱动电源会停止输入，防止对外部继电器的错误驱动。 6 环境防护 环境防护主要是指提高模块的电磁兼容性和抗干扰能力，减少现场的各种高 压、电磁设备对模块正常工作的影响。同时为了改善模块的运行环境，还采取了 隔离、接地、滤波、防雷等抗干扰措施，提高了模块的运行稳定性和环境适应性。 考虑到室外电磁场产生的脉冲群对模块的干扰，模块设计时采取了如下措施： 采集模块运用双c p u 分时交替工作的方式，使同一脉冲干扰无法同时影 响两个c p u 中的采集数据，从而可以有效地分辨是干扰信息还是正常采集信息。 驱动模块采用双c p u 联合控制的静态驱动方式，使脉冲群干扰在模块内 部不会产生充放电过程，所以避免了外部继电器的错误动作。 模块与控制主机通过c a n 总线进行通信时，除了运用规程传输和纠错编 码外，还采用了相对较短的帧传输以避开突发的脉冲干扰。 6 3 系统主控软件安全性设计 系统主控软件无论是数据结构还是程序结构，都借鉴了计算机联锁控制软件 在提高软件可靠性和安全性方面的经验。主控软件的安全性设计主要表现在以下 几个方面： 1 冗余编码方式 为减少形成危险侧错误输出的可能性，软件采用冗余编码方式，将有关安全 的编码信息按不同规则分别存储于不同的缓冲区，使用时需比较一致才认为其有 效。 2 分层递进的网络结构 系统主控软件分为人机接口层、系统通信层、逻辑运算层、系统自检层。每 层都对应不同的接收数据缓冲区，处理结果缓冲区和错误标志缓冲区，并会对上 一层传递的数据和错误标志进行检验。上一层的错误会被下一层发现，不会由于错 误扩展导致系统级错误。 1 信息的编码与校验 轨旁控制主机是联动系统的核心组成部分，控制主机通过c a n 通信与安全智 能i o 模块交换屏蔽门控制信息，通过2 3 2 串口通信与车载设备交换车辆信息。 c a n 通信与2 3 2 串口通信数据的正确传输是系统安全工作基础。系统主控程序采 用了信息编码与校验方式，保证了信息传递的安全性。 c a n 通信中，针对安全智能i ，o 模块的特点，主控程序对发送数据进行了打 包处理和c r c 运算，并且进行了正反码重传同样，对安全智能i o 模块发送过 来得数据也进行了帧格式的校验、c r c 校验、正反码校验在系统实际运用中， 每台工控机都采集到两个安全智能i o 模块传递过来的信息。系统主控程序对两个 模块传递的信息进行对比，不一致的情况下根据系统的工作状态和错误的类别进 行处理，防止因为硬件故障出现错误信息的采集。 2 3 2 串口通信中，主控程序对传输数据进行c r c 运算，只有通过c r c 运算 和帧格式校验的数据包才会被认为是有效的数据包。另外，对与安全有关的数据 位，系统做了容错处理，状态只有持续一定时间后才会被系统认可。 2 系统自检 轨旁控制系统采用了双机热备结构，两台工控机共同完成系统控制主机功能。 工业控制计算机是标准工业产品，并不具备故障一安全特性，为了防止由于硬件 错误造成继电器误操作。主控程序增加了自检功能，定时对轨旁控制主机的c a n 通信卡、串口、错误标志缓冲区进行检验，一旦发现错误将提供报警信息给操作 者对于影响系统安全性的错误，自检程序将直接停止该工控机输出。 3 错误的分类处理 对于数据错误，程序从发现错误层开始终止执行，对已进行的处理采取程序 卷回的方法恢复执行命令前的状态，并给出相应的提示当影响安全的关键缓冲区 发现错误后，程序将采取切断输出的措施。对于硬件故障引起的错误，如果硬件故 障导致发生的错误是不影响安全的，那么程序将给出报警提示，并将故障可能影 响的信息置为安全侧。如果当硬件故障可能导致发生影响安全的错误时，程序将采 取停止工作的措施。 7 系统现场测试 本系统开发、调试完成后，在现场做了大量的实验，验证了系统的功能和稳 定性。现场试验主要包括以下几部分的工作： 1 硬件接口电路设计的可行性验证 硬件接口电路分轨旁和车载两部分轨旁部分在车站安装，主要完成与车站 原有的屏蔽门控制系统和轨道安全防护电路的连接。车载部分的安装是在试验列 车上进行的，主要完成车门控制继电器动作的采集和车载a r p 门控电路的接入。 安装完成后对系统的工作状态进行了实地测试，验证了硬件接口电路设计的可行 性。 2 无线通信质量测试 系统的数据记录功能对车地通信数据包进行了记录。系统记录数据的显示， 车地无线通信是稳定可靠的。另外，还进行了车地通信有效距离测试，测试结果 如下表所示： 表7 1 车地通信有效距离测试表 t h b l e 7 】c o m m u n i c a t i o nd i s t a l l c eb e t 、v n 仃a i l la n d 翻越i o n 轨旁电台牟颧目 序号车辆运行懊式 有效遥雷距离 有效通信距爵 1 2m 0m5 h m 5m 5 h 3 屏蔽门与列车门联动功能验证 对屏蔽门状态、列车门状态、操作模式等各种可能的逻辑组合下系统的输出 进行了验证，保证系统在不同情况下的输出都是安全的。测试结果如表7 2 所示： 表7 2 屏蔽门与车门联动功能测试表 1 a b i e7 2 p s d 锄dt m i nd o o rl i n k a g et e s tt a b k 控翻模式车r 愀态屏蔽n 畎态系缚 譬出 开启开启开门 开启 关闭 开门 关闭 开启 关门 自动模式 关两 关闭关门 开启关门 无牟翻袖 关闭关门 开启开启开门 开启 关闭关门 关期开喜开门 维燃 关闭关闭关门 开启关门 j 离a 随售 关闭关门 开启开启开门 开启关闭关门 旁塌馘 关闭 开启 开门 关闭关胡 关门 4 安全防护功能验证 现场试验中对系统安全防护功能的激活和取消都进行了验证，确保了安全防 护功能可以对非安全状态进行及时有效地防护，并保证了车站操作人员和司机可 以按系统规定的操作流程停止安全防护功能。测试结果如下所示： 表7 3 安全防护功能测试表 1 a b l e 7 3 p m t e c t i o n 如n c t i o nt c s tt a b l e 列车运行 控翻懊式列车n 状态屏蕞门状态系绩着出 区段 自动懊式 无车塘通信 开启紧急停车 区闩远行 关闭 正鬻 开启正常 维静畦式无车地谴信 关闭正常 自动懊式关闭 开启紧急停车 站区运行 关闭正常 开启 正常 维謦陵式 关闭 关闭 正常 关闭关闭 正常 开启 关闭 正譬 断开车辆仃控电 白霉蚺i e 式 开启开启 路 关闭开启 断开车辆仃控电 站区停蕾 路 关闭关闭 正常 开启 关闭 正常 维掌模式 断开车辆仃控电 开启开启 路 关闭 开启正常 5 系统稳定性测试 对系统的功能测试完成后，为了考验系统运行的稳定性。在2 0 0 6 年1 0 月对 系统进行了试运营试验。试运营期间，系统正式上线运营，连续工作一个月时间 未出现异常现象。并且在屏蔽门控制系统开关门控制出现故障，站台屏蔽门无法 正常关闭的情况下成功的实现了安全防护功能，初步验证了系统的可靠性。 8 结论 1 课题研究工作 本课题是城市轨道交通站台屏蔽门系统研究的一部分。主要实现了屏蔽 门控制系统与列车自动控制系统的接口设计。在半年多的课题研究期间，主 要做了以下几方面的工作： 分析了大量关于无线扩频通信、轨道交通信号系统、c b t c 和各种通 信传输机制的文献著作，了解国内外有关方面技术的最新进展。深入 研究了安全智能i o 模块的设计与应用。对信号的数据帧结构和故障 一安全原则有了比较深入的认识。这些都为系统软硬件的开发提供了 坚实的基础。 实现了系统的控制软件设计与调试，实现了对采集信息的校验和逻辑 处理，实现了故障条件下的安全侧输出。完成了硬件设计与实现。实 现了无线扩频方式的车地信息交换，实现了不同系统间的硬件接口 对系统进行了长时间的跟踪测试，验证了系统功能和设计的可靠性。 2 课题意义 本课题实现了站台屏蔽门系统接口部分的国产化，可以取代昂贵的进口 设备。同时，进口设备需要更新加装屏蔽门线路的整个信号控制系统，工程 量繁重对人力物力都是一种无谓的浪费。而本系统只需要在原有系统的基础 上加装设备，工程量小而且对不同厂商生产的信号设备与屏蔽门控制设备有 很好的兼容性，为现有线路的屏蔽门加装工作提供了一个很好的选择，有利 于打破目前该领域中外国设备的垄断局面。 本课题研究了目前先进的c b t c 系统的特点，并成功实现了通过无线扩频 通信的方式采集列车和轨旁设备信息并通过车载设备和轨旁设备进行控制，初 步实现了c b t 系统的基本功能。这对开发具有自主知识产权的轨道交通 c b t c 系统奠定了基础。 3 研究展望 本课题完成了屏蔽门与列车自动控制接口系统的软硬件设计与功能测 试。但是由于时间和课题进度所限，系统的设计还有待完善，下一步进行的 工作主要包括： 完善系统轨旁控制主机的双机热备结构，修改安全握手通信协议。 完善系统软件模块化设计，增强系统主控软件对不同应用环境的适应 性 增加对系统硬件状态的采集与判断，进一步提高系统安全性。 实现车站间数据交换，完成控制中心对全线车站的实时监控。 参考文献 f 1 】刘承东屏蔽门子系统在地铁中的应用城市轨道交通研究，2 0 0 0 ( 1 ) ，p 4 3 【2 】孙增田广州地铁屏蔽门系统的方案比选地铁与轻轨，2 0 0 2 ( 6 ) ，p 2 8 【3 】赵志熙，微机联锁技术中国铁道出版社，1 9 9 5 ，p p 7 7 7 9 【4 】何梅芳，段武，开祥宝等t y 儿2 i i 计算机联锁控制系统研究报告( r ) ，北京：铁道科 学研究院。1 9 9