快速公交与站台门之间无线联动系统设计

摘要：快速公交BRT车辆在进站停车和发车时需要与设置在站台上的站台门进行同步的开关门动作，为此设计了一套基于RFID无线射频识别技术的联动系统。该系统主要由RFID单元、PLC控制器单元、DCU门控单元、PSA上位监控单元等组成。经过现场测试，该系统设计能够准确地实现车辆门与站台门的无线联动，并能实时监控和记录各个在线设备的状态。

关键词：快速公交BRT；站台门；RFID无线射頻识别技术；RFID单元；PLC控制器单元 文献标识码：A

中图分类号：U270 文章编号：1009-2374（2017）10-0018-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2017.10.009

目前快速公交BRT车辆与站台门之间的无线联动设计大多采用红外、ZigBee、摄像等技术。考虑到现场开放式全天候运营工况环境，以上技术固有的缺陷无法满足准确联动，比如红外技术受限于发射器与接收器之间的红外感应角度较小且不能有障碍物遮挡；ZigBee无线技术在短距离定位上，精度和重复度无法保证；摄像技术通过捕捉视频采样照片识别公交车辆，易受现场实际环境制约，造成误判等。本文设计了一套基于RFID无线射频识别技术的联动系统方案，包括硬件设计和软件设计两大部分，为BRT与站台门之间实现高效而安全的运营创造条件。

1 系统设计

该系统主要由RFID单元、PLC控制器单元、DCU门控单元、PSA上位监控单元组成。系统拓扑图如图1所示：

1.1 RFID单元设计

RFID单元硬件主要由TAG车载标签、Reader阅读器、天线等组成。标签采用全向天线，安放在车辆仪表盘内预留位置处并设置输入点（开门信号、关门信号、故障反馈等）和输出点（开到位、关到位、故障报警等），标签通过输入点采集司机按钮操作信号，通过输出点指示站台门动作状态及报警。阅读器安装在站台门固定侧盒内，设置控制和通讯端口且与PLC控制器进行连接，完成无线收发数据向PLC有线信号的转换。其中供电部分由就地电源模块提供，即标签由车载电源供电，阅读器由站台门电源供电。

RFID单元硬件除由以上组成外，另外跟随BRT车辆为司机配备了一个无线遥控器，内置锂电池、TAG标签及I/O口，作为司机紧急备用操作时使用。

RFID单元软件通过PC机串口与阅读器连接，使用自定义协议对阅读器及标签相关参数进行读写。主要参数包括设置阅读器及标签唯一ID号（用于识别阅读器和标签的物理属性）、设置RF衰减值（通过对射频高频信号2.4GHz的修改达到控制阅读器与标签磁场感应距离目的）、设置RSSI门限（通过对射频低频信号125kHz的修改达到控制标签是否被激活的目的）。

RFID单元工作机制如下：（1）阅读器及标签供电；（2）阅读器开始以特定频率发射低频触发信号，同时开始扫描区域内标签信号；（3）当车载标签进入阅读器触发信号范围，接收到触发信号后，标签以高频向阅读器发送数据；（4）数据内容包括标签ID、触发器ID、标签以及阅读器被触发时的I/O状态和场强值；（5）阅读器稳定收到标签数据一段时间（该时间段可调）后，通过I/O端口采集站台门状态并发送开关门命令，通过无线磁场耦合传输给标签；（6）区域内标签被低频信号激活一段时间（该时间段可调）后，通过I/O端口发送司机开关门命令并采集站台门状态，通过无线磁场耦合传输给阅读器；（7）阅读器通过串口与PLC控制器连接，进行数据全双工读写。

1.2 PLC控制器单元设计

PLC控制器单元主要由CPU中央处理器、I/O模块、通讯模块等组成。CPU负责软件算法及逻辑编程，I/O模块负责外部输入信号采集及数字逻辑信号的输出，通讯模块负责与RFID阅读器、DCU门控器、PSA上位监控单元之间进行数据交换。

PLC软件编程主要由以下功能模块组成：（1）DCU门控器I/O逻辑处理功能块，用于开关门命令及状态的互锁逻辑处理；（2）RFID单元I/O逻辑处理功能块，用于开关门命令及反馈状态的采集和数字滤波处理；（3）RFID单元参数自适应调整功能块，根据标签与阅读器之间磁场强度值动态调整RF及RSSI门限，吸纳环境因素带来的定位距离漂移误差，确保标签与阅读器之间建立起有效的磁场通道；（4）PSA监控单元数据采集功能块，PLC通过串口与PSA连接，通讯协议采用标准的MODBUS-RTU，按照03（读写）、04（只读）功能码传输相关变量；（5）故障诊断功能块，用于分析在线设备包括RFID单元、DCU单元、PLC单元、PSA单元等各种故障报警及原因追述。

1.3 DCU门控器单元设计

DCU是站台滑动门电机的监控装置，每道滑动门单元配置一套DCU门控单元，控制两扇滑动门动作。门控单元主要由控制驱动器、开关电源、接口单元及驱动与控制软件等组成。驱动器负责电机电流、速度、位置曲线的检测和计算，完成站台门门体动作的加减速曲线。

（1）控制器负责I/O信号采集和输出（开关门命令、站台门运动状态反馈、位置反馈、各种故障状态等），并完成1#DCU与N#DCU之间CAN通讯以及与PLC控制器之间的RS485通讯；（2）驱动器负责电机电流、速度、位置曲线的检测和计算，完成站台门门体动作的加减速曲线；（3）开关电源负责将站台供电，诸如AC220V或DC110V等转换成DCU控制驱动器所需要的工作电源；（4）接口单元主要包括硬件I/O接口和通讯接口。其中I/O接口由单门操作盒LCB、整侧站台门操作箱PSL、就地状态门头灯DOI等组成，通讯接口由DCU之间的CAN通讯和DCU与PLC之间的RS485通讯组成；（5）驱动控制软件包括I/O逻辑控制和电机三环控制。负责站台滑动门按照设定的速度曲线实现对电机的实时控制，能够根据门体在安装后滑动门体推拉阻力的偏差，自动修正速度曲线，使滑动门到达规定的开关门时间。

1.4 PSA上位监控单元设计

PSA上位监控单元主要由通讯驱动模块、数据监控模块、数据库模块、故障报警模块、数据转发模块组成。通讯驱动模块负责解析PLC控制器设备层数据通讯协议及点表内容，数据监控模块负责在线设备所有数据实时采集并进行相关参数设置，数据库模块完成历史数据存储、归档、查询，故障报警模块负责数据变量的实时及逻辑报警。

（1）通讯驱动模块主要负责下位设备层数据与上位监控PSA之间的协议转换与内容传输，包括串口自定义协议、标准MODBUS-RTU、MODBUS-TCP等；（2）数据监控模块包括用户管理、监视画面编辑与发布、变量筛选及存储、工艺流程VBS脚本开发等；（3）数据库模块主要用于变量及报警记录的归档和查询，包括实时运行数据库和历史数据库；（4）故障报警模块负责对在线设备，诸如RFID、DCU、PLC等单元进行实时故障诊断，对故障按级别进行分类显示和处理。同时加入自学习算法，对故障部位、部件及次数等变量参数进行函数统计和计算，自动估算易损件类型和预更换时间等；（5）数据转发模块主要负责与二级计算机管理系统，诸如综合监控ISCS进行数据通讯，即将站台级的数据按照规约筛选后汇总到数据集控中心，便于集控中心对所有BRT站点的数据进行监控。

2 结语

当快速公交BRT越来越多地服务于各大城市时，它的快捷性、安全性、高效性受到了严格的考验。站台门作为公交车与乘客之间的安全屏障，如何实现在全天候工况下与BRT车辆精准而稳定的联动，让司机进站及出站时可以实时掌握站台门状态并提前做出预案，让乘客可以安全上下车，节约车辆驻车等待时间等要求，需要通过成熟、可靠、安全的系统设计来保证。系统中采用RFID无线射频识别技术实现了BRT车辆与站台门之间的无线对话，并通过系统中核心门控DCU单元以及PSA上位监控单元，使就地车辆司机、乘客和远程数据集控中心可以实时动态全过程掌控车辆及站台门状态，最终让司机操作简单，乘客上下车快捷，让作为后台的数据集控中心做出高效的行车安排和调度。

参考文献

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作者簡介：赵忠（1981-），男，上海人，上海嘉成轨道交通安全保障系统股份公司工程师，研究方向：轨道交通站台门电气自动化系统设计及研发、上位机SCADA监控系统设计。

（责任编辑：黄银芳）