地铁信号系统防淹门防护技术研究

王 鲲，杨华昌，徐 意，刘 璐

(1.中国铁道科学研究院通信信号研究所，北京 100081；2.国家铁路智能运输系统工程技术研究中心，北京 100081)

防淹门设备是地铁系统中特有的一种防止洪水涌入车站与区间隧道的密闭设施。《地铁设计规范》中明确规定：“对下穿河流和湖泊等水域的地铁隧道工程，当水体可能危及使用安全时，应在隧道穿过水域的两端适当位置，设置防淹门或采取其他防水淹措施”[1]。如果发生地质灾害，引起的河水倒灌入地铁隧道内，防淹门设备可以采取紧急隔断措施，避免造成人员及有关设备伤害。城市轨道交通中，信号系统保障地铁列车安全运行时，必须对引入的防淹门设备进行研究，实现与防淹门系统的安全、高效联动控制。目前，在城市轨道交通的各类行业技术规范中，尚未对信号系统中的防淹门防护功能进行明确的技术规定。本文以广州地铁7号线工程为例，详细说明信号系统与防淹门系统之间的功能划分、运营场景分析和建模，以及硬件接口电路的设计实现，为城市轨道交通领域内信号系统与防淹门系统接口的标准化工作提供一些参考。

1 防淹门系统简介

1.1 系统构成

防淹门设备由门体、启闭装置、机械锁定装置、就地控制系统4个基本部分组成[2]。就地控制系统一般包括PLC控制单元、闸门位置行程开关、液位传感器、报警设备以及外部通信接口设备等。

1.2 主要功能

防淹门系统可以在水灾事故发生时，通过控制闸门关闭，保护地铁线路、人员及车站设备的安全；在水灾退去后，通过控制闸门开启，恢复正常的地铁运营。系统功能主要包括区间水位监视和报警、门体状态监控等[3-4]。防淹门的状态直接影响列车运行的安全。控制系统对每一套防淹门设备进行独立状态监督，并实时将门体开关及锁闭状态信息传递给信号、综合监控等系统；控制系统可对防淹门设备进行关闭、开启、停止等操作控制。控制系统通过液位传感器获取水位级别、水位上涨速度等信息，并根据危险程度发出分级报警。当紧急情况发生时，防淹门系统向信号系统发出请求关门信息，获得信号系统的关门允许信息后进行人工关闭控制。

2 信号系统与防淹门系统的接口设计原则

结合信号系统与防淹门系统的各自特点，并遵循信号设计的一些基本安全原则和惯例[1，5-8]，确定两个系统之间的接口设计应满足如下原则。

(1)防淹门设备的状态及操作直接影响行车安全，防淹门系统应能将每一套防淹门设备与行车安全相关的状态信息，实时、正确、持续地传递给信号系统，信号系统依据该信息控制列车的安全运行。

(2)防淹门系统负责监督防淹门设备及区间的水位情况。遇到紧急情况时，须向信号系统进行关门请求。

(3)信号系统收到关门请求后，应能根据线路上的列车运行情况进行判断，决定是否允许防淹门设备的关门请求。只有不影响行车安全时，才向防淹门系统授权动作许可。

(4)当紧急情况发生时，防淹门系统获得信号系统的关门授权许可信息后，方可进行人工关闭控制操作。

(5)信号系统对防淹门设备的控制及防护功能应符合故障-安全原则。

(6)信号系统和防淹门系统之间的通道应考虑有效的电气隔离，采取防干扰和雷害措施。

3 防淹门相关的运营场景分析

在对防淹门相关的运营场景进行分析时，将信号系统作为主要控制对象，着重描述在不同的列车运行场景下，信号系统如何与防淹门系统进行交互的工作过程[9-11]。通过将不同的运行场景变化映射为一个个确定的事件，针对每个事件，分析信号系统的控制行为如何发生改变。信号系统的防淹门相关的控制行为可分为两个方面：各种防淹门状态的改变事件，如何影响信号系统对列车的控制行为；不同场景下的列车运行事件，如何影响信号系统对防淹门系统的控制行为。

3.1 列车控制行为

在对信号系统的列车控制行为进行分析的过程中，首先确定防淹门的有效状态集，将复杂的运营场景归纳为有限的防淹门状态集，逐个分析防淹门状态作为激励条件，信号系统中，联锁、ZC、ATS等各个子系统该如何进行列车控制方面的处理。

信号系统监督防淹门系统提供的“防淹门状态”信号，如果防淹门处于“开门并锁闭”状态，联锁可办理相应的通过防淹门的进路，并给控制中心(OCC)的ATS系统提供一个防淹门开启指示，轨旁ZC可为通过该防淹门的列车提供移动授权(MA)；如果防淹门未处于“开门并锁闭”状态，相应的通过防淹门区域的进路将禁止建立，如已建立进路，其防护信号机将会立即关闭，并给控制中心(OCC)的ATS系统提供一个防淹门未开启指示，轨旁ZC将停止为所有列车提供通过该防淹门的移动授权(MA)。

信号系统监督“操作员请求关闭防淹门”的状态信号。如果防淹门的“关门请求”未激活，联锁可办理相应的通过防淹门的进路，并给控制中心(OCC)的ATS系统提供一个防淹门“未请求关闭”的指示，轨旁ZC可为通过该防淹门的列车提供移动授权(MA)；如果防淹门的“关门请求”已激活，相应的通过防淹门区域的进路将禁止建立，如已建立进路，其防护信号机将会立即关闭，并给控制中心(OCC)的ATS系统提供一个防淹门的“关门请求”激活的指示，轨旁ZC将停止为所有列车提供通过该防淹门的移动授权(MA)。ZC收到“防淹门关闭请求”或“防淹门完全开启且锁定”信息丢失时，将列车运行方向顺向的防护信号机所在位置当作危险点处理，移动授权不能越过该危险点，CBTC列车根据更新后移动授权自动采取安全防护。

如表1所示，防淹门状态有3个布尔型变量：‘门开且锁闭’变量，‘关门请求’变量，‘允许关门’变量。3个变量组合出的8个状态，其中，有2个‘未请求关门，却允许关门’的状态被视为无效状态，剩余的有效状态为6个。

表1 防淹门状态的组合分析

综上分析，只有在状态组合2的事件下，信号系统允许列车正常驶过防淹门区域，其他状态组合的事件场景下，信号系统应该阻止列车进入防淹门区域。

3.2 防淹门控制行为

在对信号系统的防淹门控制行为进行分析的过程中，首先将诸多的列车运行场景归为两类：(1)列车已进入或即将进入防淹门区域；(2)列车不会进入防淹门区域。分别分析这两种事件发生后，信号系统如何进行防淹门控制方面的处理。

如果经过某个防淹门的进路(包括保护区段经过该防淹门的进路)没有排列，进路处于未锁闭状态。此时，信号系统认为列车不会进入防淹门区域。当信号系统收到防淹门的‘关门请求’信号后，信号系统将在ATS界面上显示出‘关门请求’激活。信号系统将输出‘关门允许’命令给防淹门系统。一旦防淹门系统停止输出‘关门请求’信号给信号系统，信号系统立即停止输出‘关门允许’信号给防淹门系统。

如果经过某个防淹门的进路(包括保护区段经过该防淹门的进路)已经建立且信号开放，当信号系统收到防淹门的‘关门请求’信号后，信号系统将立即关闭该进路的防护信号机，并在ATS界面上显示出‘关门请求’激活。此时，信号系统无法确保列车不会进入防淹门区域，不能允许防淹门系统的关门请求。在防淹门‘请求关闭’信号持续有效的前提下，信号系统须持续检查下列条件满足后，方可认为列车不会进入防淹门区域，输出‘关门允许’命令：

(1)防淹门区域内没有列车占用；

(2)该防淹门区域相关区段没有进路锁闭或保护进路锁闭。

如果上述条件不能全部满足，信号系统不会发出‘关门允许’命令给防淹门系统。只有上述条件全部满足，信号系统方可输出关门允许命令给防淹门系统。在输出‘关门允许’命令期间，上述任何条件不再满足后，信号系统立即停止输出‘关门允许’信号给防淹门系统。

3.3 实际场景举例

广州地铁7号线项目中，南村站和大学城南站之间的上、下行线路上各设置了1对防淹门，下行线设置了防淹门FG2301和防淹门FG2305，上行线设置了防淹门FG2303和防淹门FG2402。如图1所示。

图1 广州地铁7号线南村站—大学城南站区间信号布置平面

当防淹门FG2303的‘打开且锁闭’条件完好时，该防淹门的防护信号机S2305，X2402可以正常开放，可向ZC发送保护进路O_S2305设置成功状态。当防淹门FG2303的‘打开且锁闭’条件丢失时，该防淹门的防护信号机S2305，X2402不可以开放，保护进路O_S2305不可进入设置成功状态。

当防淹门FG2303的‘请求关闭防淹门’条件未激活时，该防淹门的防护信号机S2305，X2402可以正常开放，可向ZC发送保护进路O_S2305设置成功状态。当防淹门FG2303的‘请求关闭防淹门’条件激活时，该防淹门的防护信号机S2305，X2402不可以开放，保护进路O_S2305不可进入设置成功状态。

当防淹门FG2303的‘请求关闭防淹门’条件激活时，如果防淹门FG2303所在区域2308G空闲，未被进路锁闭或保护进路锁闭时，信号系统输出防淹门FG2303的‘关门允许’信号。

当防淹门FG2303的‘请求关闭防淹门’条件激活时，如果防淹门FG2303所在区域2308G占用，信号系统禁止输出‘关门允许’信号。行车调度员需要指挥列车出清防淹门区域后，区段2308G空闲且解锁后，信号系统自动输出FG2303 的‘关门允许’信号给防淹门系统。

当防淹门FG2303的‘请求关闭防淹门’条件激活时，如果防淹门FG2303所在区域2308G处于进路锁闭，行车调度员需要对进路进行解锁操作后，信号系统自动输出‘关门允许’信号给防淹门系统。

当防淹门FG2303的‘请求关闭防淹门’条件激活时，如果防淹门FG2303所在区域2308G处于保护进路锁闭，行车调度员需要对保护进路进行延时解锁操作后，信号系统自动输出‘关门允许’信号给防淹门系统。

信号系统输出‘关门允许’信号给防淹门系统期间，一旦防淹门请求关闭条件撤回，信号系统立即停止输出‘关门允许’信号给防淹门系统。

4 防淹门防护功能需求分析及建模

4.1 联锁子系统的防淹门防护功能需求

综合上述实际列车运行场景，对信号系统和防淹门系统的交互行为进行分析，抽取其中计算机联锁子系统的功能需求如下。

(1)联锁子系统应实时监督防淹门的门状态、关闭请求信息，并实时显示。联锁子系统不能改变防淹门的门状态，不能取消防淹门的关闭请求。

(2)防淹门常态处于‘打开并锁闭’状态。当防淹门的‘打开并锁闭’状态丢失时，联锁子系统应阻止列车进入防淹门界定的轨道区域：对于已经开放的防淹门防护信号机，应立即关闭；对于未开放的防淹门信号机，应禁止其开放。

(3)防淹门常态不向信号发送关门请求信息。当遇紧急情况，防淹门系统向联锁子系统发出关门请求时，联锁子系统应阻止列车进入防淹门界定的轨道区域：对于已经开放的防淹门防护信号机，应立即关闭；对于未开放的防淹门信号机，应禁止其开放。

(4)当防淹门系统向联锁子系统发出关门请求后，联锁子系统应根据下列具体情况对防淹门的关门请求进行响应。

①经过防淹门区域的进路或保护进路未锁闭，且防淹门区域内没有列车占用，此时联锁子系统直接向防淹门系统发出‘关门允许’信息。

②经过防淹门的区域被进路或保护进路锁闭，如果列车尚未进入其接近区段，则人工解锁操作后进路立即解锁，且防淹门区域内没有列车占用，此时联锁子系统向防淹门系统发出‘关门允许’信息。

③经过防淹门的区域被进路或保护进路锁闭，如果列车已进入其接近区段，则人工解锁操作后进路将延时解锁，解锁后如果防淹门区域内没有列车占用，此时联锁子系统向防淹门系统发出‘关门允许’信息。

④经过防淹门的区域被进路或保护进路锁闭，如果列车已驶入防淹门区域，则由行车调度员根据区间水位情况，组织列车通过防淹门区域，或退行回就近车站站台后，人工故障解锁相关区段，此时联锁子系统向防淹门系统发出‘关门允许’信息。

(5)联锁子系统发出“允许关门”信号期间，持续检查防淹门的“关门请求”信息，一旦关门请求信息取消，联锁子系统立即收回‘关门允许’信息。

4.2 建模方法

在对防淹门相关运营场景分析的基础上，采用形式化方法[12-13]将信号系统的运营需求映射到联锁子系统的运营场景中，建立计算机联锁子系统的UML静态模型和动态模型[14-17]，以构造出计算机联锁子系统的功能结构和行为描述。静态模型描述的是计算机联锁子系统在运营场景中的角色、以及它和其他角色之间的关系。动态模型描述的是计算机联锁子系统与其他系统之间的交互行为。静态模型可以通过用例图方法构建，动态模型可以用状态图和顺序图加以描述。

4.3 静态模型

用例图是对系统的功能进行描述的模型，它是从外部视角描述系统的功能，并指出各个功能的操作者。在信号系统中，与计算机联锁子系统相关的外部系统主要包括：轨旁设备(如信号机、道岔、区段、防淹门等)，ATS、ZC、NCBI、LEU等子系统，以及维护人员等。

图2中，联锁子系统的功能模块分为3部分：联锁逻辑运算、安全平台运算、安全执行控制。每一部分内部可以继续划分为更小的功能模块。

图2 计算机联锁系统用例

4.4 动态模型

为了描述计算机联锁子系统和行调、防淹门控制人员、ATS、ZC、列车、区段、信号机、防淹门等系统之间的信息交互顺序，采用了UML顺序图方法进行描述。

图3中描述了防淹门控制活动中的一个典型运营场景。行车调度人员成功排列了一条经过防淹门区域的进路后，防淹门系统发出水位报警信息；防淹门控制人员请求关闭防淹门后，联锁系统及时关闭防淹门防护进路信号，阻止列车进入防淹门区域。顺序图中采用了ALT结构，描述了在列车未接近进路、列车接近进路但未驶入进路、列车驶入进路的3种不同场景下，联锁系统如何进行处理，并给出防淹门系统‘允许关门’信息的顺序过程。

图3 防淹门场景顺序

采用UML状态图方法描述目标模型的所有可能的状态，以及受到不同的事件激励后，系统的状态如何转移。状态图中，矩形框规定每个状态及其入口、出口、内部动作，箭头线表示状态的转换，箭头线上的文字标示了触发事件、监护条件等。图4中，6个矩形框分别表示了防淹门模块的6个有效状态，框中显示了该状态的名称和出口、入口和内部动作。

5 信号系统与防淹门系统的硬件接口设计

5.1 功能接口

为了实现防淹门的安全防护和控制功能，广州7号线信号系统与防淹门系统交换的信息包括：

(1)防淹门的打开并锁闭状态；

(2)防淹门操作员请求关闭防淹门；

(3)信号系统允许防淹门的关闭操作。

广州7号线信号系统与防淹门系统的接口信息如图5所示。

图4 防淹门模块的状态图分析

图5 信号系统与防淹门系统接口信息

5.2 继电器设置及安全侧定义

为了实现信号系统与防淹门系统之间的有效隔离，避免相互干扰，信息交互采用继电接口方式。针对每套防淹门设备的3个安全信息，信号系统分别设置3个安全继电器进行表示：防淹门打开且锁闭继电器FYMKJ，防淹门关门请求继电器FYMGQ，防淹门关门允许继电器FYMGY。

防淹门关门允许继电器由信号系统控制，选用JPXC-1000型偏极继电器。防淹门关门请求继电器与防淹门打开且锁闭继电器选用JWXC-1700 型无极继电器，复示来自防淹门系统的状态系统。其各自含义及安全侧定义如下。

(1)当防淹门状态继电器FYMKJ励磁吸起时，信号系统视为‘防淹门打开且锁闭’，当FYMKJ落下时，信号系统视为‘防淹门关闭’或者‘防淹门未锁闭’。该继电器由防淹门系统送给信号系统，应为一个持续不间断的信息。

(2)关门请求继电器FYMGQ励磁吸起时，信号系统视为防淹门系统未请求信号系统关闭防淹门，当FYMGQ落下时，信号系统视为防淹门系统请求信号系统关闭防淹门。该继电器由防淹门系统送给信号系统，应为一个持续不间断的信息。

(3)联锁系统驱动关门允许继电器FYMGY，当FYMGY励磁吸起时，表示联锁系统输出的允许防淹门关门信号有效。当FYMGY落下时，表示联锁系统未输出允许防淹门关门信号。该继电器由联锁系统送给防淹门系统，应为一个持续不间断的信息。

5.3 联锁系统的采集驱动电路设计

信号系统通过计算机联锁子系统和防淹门直接接口，采集防淹门的‘门开且锁闭’状态继电器信息、‘关门请求’继电器信息，驱动并回采‘关门允许’继电器。联锁子系统对防淹门关门允许继电器的物理驱动采用双断方式。驱动继电器对应执行层的双系采用分线圈方式使用。

联锁子系统采集的防淹门相关继电器通过采集继电器接点的方式直接证明继电器状态。联锁的每一系同时采集‘关门请求’和‘门开且锁闭’两个状态继电器的前后接点，并予以校核。联锁对其本身驱动的‘关门允许’继电器，进行回采及安全校核。

防淹门的相关继电器的采集和驱动电路如图6和图7所示。

图6 与防淹门接口的联锁采集电路

图7 信号系统的防淹门关门允许驱动电路

5.4 接口电路的设计

防淹门系统与信号系统的接口界面位于防淹门控制柜的接线端子排。为实现接口信息传递的安全性及可靠性，接口电路采用以下安全设计方法：①采用双断电路设计；②使用远端供电方法。信号系统采集防淹门系统信息，并由信号系统提供采集电源。防淹门系统采集信号系统信息，并由防淹门系统提供采集电源。电路符合“故障-安全”设计原则，接口采用安全继电器。防淹门接口电路如图8所示。

图8 信号系统与防淹门系统间的接口电路

信号系统与防淹门系统之间相互提供干接点来实现接口信息传递。当信号系统允许关门时会驱动关门允许继电器吸起，防淹门系统的允许关门继电器励磁回路串接信号系统的继电器接点，且励磁电源由防淹门系统提供。信号系统的防淹门关门请求继电器(FYMGQ)与防淹门状态继电器(FYMKJ)励磁回路串联防淹门系统相关的两组干节点，且常态为吸起状态，其可调DC24～60 V励磁电源由信号系统提供。

6 结语

随着国内城市轨道交通建设的蓬勃发展，信号系统与防淹门系统的接口技术标准需要尽早统一。该方案立足于工程实际，功能边界清晰，交互简单，既能有效的保证列车控制的安全和效率，又能兼顾出现地质灾害发生时，高效地控制防淹门设备，在广州地铁7号线工程项目中应用良好，具有进一步推广应用，并纳入城市轨道交通行业技术标准的价值。