李宇麒，高振天，尹恩華，李正東

(中船重工海為鄭州高科技有限公司，河南 鄭州 450015)

0 引言

隨著全自動駕駛技術(shù)的不斷發(fā)展，形成了控制中心核心設(shè)備、車站控制設(shè)備(例：站臺門)、軌旁設(shè)備、車載設(shè)備的四大核心架構(gòu)[1-4]。為適應(yīng)全自動駕駛的需求，進一步提高運營效率，越來越多的設(shè)備被納入全自動運行系統(tǒng)[9]。

車輛段/停車場是城市軌道交通中列車檢修、日常維護及保養(yǎng)作業(yè)的場地[5-6]。車輛段/停車場通常分為停車列檢庫和洗車庫，其中列檢庫每個股道安裝1樘車庫門，洗車庫兩端分別安裝1樘車庫門，完成諸如輪對檢查、融冰除雪以及列車清洗等作業(yè)[5]。車庫門設(shè)置在庫房的出入口，作為列車進出的必要屏障，起到防曬、防塵、防雨雪、保暖、隔熱等作用[7]。由于列車出車、收車、洗車、維護時，均會經(jīng)過車庫門，其使用頻率較高，且對行車安全有著重要的作用，因而一些全自動駕駛線路開始將車輛段的車庫門(例如：北京燕房山)也納入到全自動駕駛系統(tǒng)中[7]。

然而，傳統(tǒng)車輛段的電動車庫門無法實現(xiàn)遠程控制，一般需要人工在就進處操作開/關(guān)庫門，存在作業(yè)效率低、人為主觀因素干擾大、開關(guān)過程存在安全隱患等問題，無法適應(yīng)全自動駕駛線路的需求[8-10]。

該文結(jié)合全自動駕駛線路的需求，設(shè)計了一種全自動車輛段的車庫門監(jiān)控系統(tǒng)。該監(jiān)控系統(tǒng)分為控制系統(tǒng)和監(jiān)視系統(tǒng)兩部分，二者相對獨立?？刂葡到y(tǒng)可以實現(xiàn)自動控制、遠程人工控制、本地控制的三級控制功能，門體周圍也具有必備的安全防護和報警裝置；監(jiān)視系統(tǒng)可以對各個庫門的運行狀態(tài)和故障進行采集、傳輸、存儲、顯示，方便后期排查故障和縮短維修時間。因而，該車庫門監(jiān)控系統(tǒng)安全可靠，滿足了全自動駕駛線路對車庫門系統(tǒng)的控制和安全需求，有利于提高列車發(fā)車頻率、降低發(fā)車時間間隔，在確保行車安全的同時，提高了運營效率。

1 車庫門監(jiān)控系統(tǒng)組成

該車庫門監(jiān)控系統(tǒng)組成框圖如圖1所示，可分為監(jiān)視系統(tǒng)和控制系統(tǒng)。其中控制系統(tǒng)又可分為就地控制器(GDL)，中央接口盤(GDC)，門體行程檢測裝置、閉鎖固定裝置、電機及其傳動機構(gòu)、安全防護裝置等；監(jiān)視系統(tǒng)可分為監(jiān)視主機軟件、門控單元軟件等。

圖1 系統(tǒng)組成框圖

1.1 車庫門控制系統(tǒng)

車庫門控制系統(tǒng)的構(gòu)成原理如圖2所示。車庫門控制系統(tǒng)主要由總控設(shè)備中央接口盤(GDC)，分散到各個庫門旁的就地控制器(GDL)，以及門體上安裝的行程檢測裝置、閉所固定裝置、電機及其傳動、安全防護裝置組成。其中，GDC作為總控設(shè)備，通過繼電接口實現(xiàn)與外部系統(tǒng)的信息交換，將信號系統(tǒng)或IBP盤發(fā)送的控制命令，經(jīng)優(yōu)先級控制電路處理后，發(fā)送至相應(yīng)庫門的就地控制器。優(yōu)先級控制電路是車庫門系統(tǒng)的重要一環(huán)，起到確保三種控制模式可靠切換的作用，并且有效避免了單純利用軟件識別命令優(yōu)先級的缺點，該內(nèi)容將會在第3章詳細討論。

圖2 控制系統(tǒng)原理圖

就地控制器負責接收命令并具體執(zhí)行，實現(xiàn)對門體動作的控制、檢測、以及相應(yīng)的安全防護等功能，具體工作流程將在第2章詳細論述。

某些必要的狀態(tài)信息(例如：開到位且閉鎖、關(guān)到位且閉鎖、故障、控制模式等)也需要通過硬線反饋至信號系統(tǒng)或IBP。此時，GDC接收各個GDL反饋回來的信息，匯總反饋至信號系統(tǒng)的接收繼電器，或于IBP上的指示燈顯示。

1.2 車庫門就地控制器(GDL)

車庫門就地控制器(GDL)是車庫門控制系統(tǒng)的核心，其原理如圖3所示。GDL內(nèi)部主要由電源系統(tǒng)、核心控制器、驅(qū)動器、端子排和操作面板組成。

圖3 車庫門就地控制器原理圖

電源系統(tǒng)是整個車庫門現(xiàn)場區(qū)域的供電來源，其向GDL內(nèi)部各器件提供所需電能，同時也向門體上的各電氣部件供電。核心控制器接收端子排轉(zhuǎn)發(fā)的所有檢測信號，通過內(nèi)部微處理器進行邏輯判斷，輸出控制信號至端子排，并向驅(qū)動器發(fā)送相應(yīng)控制命令。驅(qū)動器接收到開/關(guān)/停止命令后，控制電機進行正轉(zhuǎn)/反轉(zhuǎn)/停止。操作面板用于實現(xiàn)車庫門的本地控制模式，并用指示燈顯示相應(yīng)狀態(tài)。

閉鎖固定裝置是由電磁鐵和檢測開關(guān)組成的機電結(jié)構(gòu)，其接受核心控制器的控制，并反饋動作信息。在門體運動過程中，核心控制器通過控制繼電器閉合電磁鐵的供電回路，使其保持吸和，進而拉動鎖銷解鎖；系統(tǒng)出現(xiàn)故障或門體開/關(guān)到位時，核心控制器斷開電磁鐵電源，使其釋放并鎖定。因而，該裝置可以提高庫門的緊急停止能力，并防止外力或強風造成門體的晃動。

安全防護裝置主要包括多個光電開關(guān)組成的防區(qū)和聲光報警裝置，當有障礙物在開/關(guān)門過程中觸碰防區(qū)時，核心控制器會立刻停止電機運動，并鎖定閉鎖固定裝置，實現(xiàn)庫門的緊急停止，并識別為系統(tǒng)故障。當障礙物消失時，庫門仍可以繼續(xù)執(zhí)行當前命令。聲光報警器可在系統(tǒng)故障或有探測到障礙時，閃爍并報警，以提示工作人員。

此外，核心控制器可以通過檢測電機電流實現(xiàn)進一步的遇障礙物防護。即：當障礙物阻礙門體運動時，電機的載荷變大。當電機電流值顯著大于正常值時，核心控制器會判斷門體遇阻，并采取相應(yīng)措施。因而，該車庫門就地控制器具備十分完善的安全防護機制。

1.3 車庫門監(jiān)視系統(tǒng)

車庫門監(jiān)視系統(tǒng)如圖4所示，其中監(jiān)視主機軟件運行于GDC的工控機內(nèi)，門控單元軟件運行于各GDL的核心控制器內(nèi)，工控機作為網(wǎng)絡(luò)上的主機，GDL作為網(wǎng)絡(luò)上的從機，通過通信線(CAN總線)連接成一個整體，實現(xiàn)主節(jié)點與各從節(jié)點的間的信息交換。

圖4 監(jiān)視系統(tǒng)原理圖

監(jiān)視主機采集各GDL收集到的車庫門運行和故障信息，匯總成系統(tǒng)信息，于顯示屏上實時顯示，并按照時間順序?qū)⑾鄳?yīng)記錄存儲于監(jiān)視主機內(nèi)，用于后期維護和查詢。整個車庫門系統(tǒng)的運行和故障信息，可通過網(wǎng)線上傳至外部系統(tǒng)。

可見，監(jiān)視系統(tǒng)與控制系統(tǒng)采用不同的結(jié)構(gòu)和傳輸通道，因而相對獨立，當車庫門的監(jiān)視系統(tǒng)故障時，不影響通過硬線執(zhí)行的控制系統(tǒng)命令。

2 車庫門控制流程分析

車庫門系統(tǒng)的控制流程如圖5所示。

圖5 車庫門系統(tǒng)控制流程圖

系統(tǒng)上電后，GDL進入開機自檢模塊，確認無誤后進入待機模式，等待控制命令。當接收到控制命令后，系統(tǒng)進入命令邏輯模塊。該模塊主要負責對各種命令進行優(yōu)先級識別，挑選出優(yōu)先級最高的命令并判斷有無命令沖突。之后，在產(chǎn)生一個有效的命令后，系統(tǒng)進入命令執(zhí)行模塊。該模塊用于具體執(zhí)行開/關(guān)/停門命令。故障處理模塊通過中斷程序，負責實時監(jiān)控各故障點位，并做出相應(yīng)處理。最后，狀態(tài)傳輸模塊會在每次開關(guān)門到位后或者每次發(fā)生故障時，通過CAN協(xié)議，向監(jiān)視主機發(fā)送狀態(tài)和故障信息。

以開門命令的執(zhí)行過程為例，對命令執(zhí)行模塊做詳細分析，如圖6所示。在命令邏輯模塊鎖存一個有效的開門命令以后，開始進入命令執(zhí)行模塊。首先，聲光報警器閃爍并報警，以提示門體即將開門動作。之后，閉鎖固定裝置解鎖。正常情況下，核心控制器接收到反饋的解鎖信號，向電機驅(qū)動器發(fā)送開門命令；若未接收到解鎖信號，則判斷為解鎖故障，并停止門體運動，等待故障處理模塊處理。門體一旦開始運動，系統(tǒng)便會使能一個計時器開始計時，以防止門體運動過程中產(chǎn)生不可預(yù)知的故障。若門體動作時間遠超正常值，則判斷為出現(xiàn)系統(tǒng)故障，停止門體動作，并等待故障處理模塊處理。門體正常開到位后，核心控制器發(fā)送停止命令，閉鎖固定裝置鎖定。若未正常鎖定，則判斷為鎖定故障，等待故障處理模塊處理。

圖6 命令執(zhí)行模塊詳細流程圖

3 車庫門優(yōu)先級控制電路原理

3.1 電路結(jié)構(gòu)

車庫門系統(tǒng)的優(yōu)先級控制電路如圖7所示，該電路由安全繼電器KA1-KA5，鑰匙開關(guān)SA1、SA2，按鈕SB1，SB2組成。KA1為信號系統(tǒng)的命令發(fā)送繼電器，當其得電時，即表示發(fā)送相應(yīng)控制命令。IBP盤上的SA1鑰匙開關(guān)，當其處于工位“1”時，表示允許IBP控制，處于工位“0”時，表示禁止IBP控制；按鈕SB1，按下時，表示發(fā)送相應(yīng)IBP控制命令。GDL上的SA2鑰匙開關(guān)，當其處于工位“1”時，表示允許本地控制，處于工位“0”時，表示禁止本地控制；按鈕SB2，按下時，表示發(fā)送相應(yīng)本地控制命令。所有控制命令均需最終觸發(fā)繼電器KA5來實現(xiàn)對車庫門的控制。

圖7 車庫門系統(tǒng)優(yōu)先級切換電路原理圖

3.2 原理分析

其優(yōu)先級實現(xiàn)分析如下：

(1)全自動運行情況下，SA1、SA2鑰匙開關(guān)均處于工位“0”，使得其觸點1-2、3-4均斷開。此時，安全繼電器KA2、KA4無法得電，觸點自然釋放，即：1-2、3-4斷開，5-6、7-8接通。因此，只有SIG系統(tǒng)具有控制KA5繼電器的通路(1-3-5)，此時車庫門系統(tǒng)處于與信號系統(tǒng)聯(lián)動的自動運行狀態(tài)。

(2)當IBP盤的SA1鑰匙開關(guān)撥到工位“1”時，SA1的觸點1-2、3-4接通，GDC內(nèi)的安全繼電器KA2得電，使其常開觸點閉合，常閉觸點斷開，即：KA2的1-2、3-4接通，5-6、7-8斷開，強制關(guān)閉了SIG系統(tǒng)控制KA5的命令信號通路。此時，IBP盤具有控制KA5繼電器的通路(2-3-5)，當按鈕SB1按下時，SB1的1-2、3-4接通，GDC內(nèi)的KA3繼電器得電，KA3的1-2、3-4接通，使得KA5繼電器得電，GDL即判斷識別到了一次開/關(guān)門命令。此時，車庫門系統(tǒng)處于遠程人工控制模式。

(3)當GDL的SA2鑰匙開關(guān)撥到工位“1”時，SA2的觸點1-2、3-4接通，安全繼電器KA4得電，KA4的1-2、3-4接通，5-6、7-8斷開，強制關(guān)閉了SIG系統(tǒng)和IBP盤控制KA5的命令信號通路。此時，只有GDL具有控制KA5繼電器的通路(4-5)，當按鈕SB2按下時，SB2的1-2、3-4接通，使得KA5繼電器得電，GDL即判斷識別到了一次開/關(guān)門命令。此時，車庫門系統(tǒng)處于本地控制模式。

(4)綜上，車庫門系統(tǒng)從硬線上實現(xiàn)了控制模式的優(yōu)先級(自動運行<遠程人工<本地控制)，在車庫門系統(tǒng)工作在高優(yōu)先級的控制模式時，低優(yōu)先級的系統(tǒng)無論是否有誤觸發(fā)信號，均不影響系統(tǒng)的正常工作。且安全繼電器的切換簡單可靠，極大的提升了系統(tǒng)的安全性、可靠性。

4 實驗

該文設(shè)計的車庫門監(jiān)控系統(tǒng)實驗樣機實物圖如圖8所示。

圖8 車庫門樣機實物圖

車庫門GDL的內(nèi)部實物圖如圖9所示。車庫監(jiān)視軟件主界面如圖10所示，此時14#車庫門正處于就地控制模式，相應(yīng)的點位變成綠色。當門體處于開到位且閉鎖狀態(tài)時，相應(yīng)序號的門體圖標也變?yōu)榇蜷_狀態(tài)。

圖9 車庫門GDL內(nèi)部實物圖

圖10 車庫門監(jiān)視軟件主界面

當需要查看車庫門系統(tǒng)的狀態(tài)或故障信息時，單擊狀態(tài)欄的“歷史記錄”，即可彈出圖11所示界面。可查詢記錄分為“操作記錄”和“故障記錄”兩類，通過查詢相應(yīng)記錄，即可獲取各車庫門的運行狀態(tài)，數(shù)據(jù)以月份為單位匯總存儲。

圖11 車庫門操作記錄界面

經(jīng)過后續(xù)的功能測試和循環(huán)壽命實驗，該監(jiān)控系統(tǒng)運行穩(wěn)定、可靠，完全實現(xiàn)了上述的安全防護，優(yōu)先級識別，實時監(jiān)控等功能。

5 結(jié)語

該文設(shè)計了一種用于全自動駕駛線路的車庫門監(jiān)控系統(tǒng)。其控制系統(tǒng)實現(xiàn)了三級控制模式，并通過硬件，安全可靠的切換其優(yōu)先級，各庫門的控制軟件和硬件還具有完善的安全防護措施。其監(jiān)視系統(tǒng)可以實時監(jiān)控系統(tǒng)內(nèi)部，并收集、存儲、顯示各庫門的狀態(tài)和故障信息。因而，該監(jiān)視系統(tǒng)解決了傳統(tǒng)車庫門的諸多問題，應(yīng)用于全自動駕駛線路，可以在確保列車安全出入的前提下，極大提高運營效率，減少工作人員的負擔。