中低速磁浮信號與道岔接口方案對比分析

張寶華

(中鐵磁浮交通投資建設(shè)有限公司 湖北武漢 430060)

1 引言

隨著軌道交通形式和市場需求的多樣化，中低速磁浮交通在國內(nèi)得到越來越多的應(yīng)用，國內(nèi)已開通運(yùn)營的項(xiàng)目包括北京磁浮S1線和長沙磁浮快線[1]，正在建設(shè)的項(xiàng)目包括清遠(yuǎn)磁浮旅游專線和鳳凰磁浮文化旅游線。

中低速磁浮道岔為整體軌道梁移動(dòng)方式，由垛梁、關(guān)節(jié)軌道梁、驅(qū)動(dòng)裝置和鎖定裝置、控制系統(tǒng)等構(gòu)成[2－3](見圖1)，與輪軌交通的道岔區(qū)別較大。道岔可通過自身的控制系統(tǒng)現(xiàn)地人工操作，也可通過與信號聯(lián)鎖系統(tǒng)接口，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程集中控制。

圖1 中低速磁浮關(guān)節(jié)型軌道梁道岔

基于中低速磁浮道岔的特點(diǎn)，中低速磁浮信號聯(lián)鎖系統(tǒng)對磁浮道岔控制方式與輪軌道岔有著較大區(qū)別[4]。正常情況下，信號聯(lián)鎖系統(tǒng)通過接口下達(dá)道岔動(dòng)作命令、接收道岔表示信息等[5]；道岔系統(tǒng)負(fù)責(zé)接收信號動(dòng)作指令，控制道岔的轉(zhuǎn)轍、反饋道岔位置信息等。在運(yùn)營維護(hù)或者故障情況下，道岔可轉(zhuǎn)為現(xiàn)地人工控制，雙方通過接口電路實(shí)現(xiàn)請權(quán)、授權(quán)、安全監(jiān)督等過程。部分項(xiàng)目會將道岔運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測信息通過通信接口納入信號集中監(jiān)測系統(tǒng)集中管理[6]。

本文以國內(nèi)已實(shí)施中低速磁浮項(xiàng)目為案例，分析案例中接口設(shè)計(jì)方案的特點(diǎn)和差異，取長補(bǔ)短，為其他同類項(xiàng)目的設(shè)計(jì)方案優(yōu)化奠定基礎(chǔ)。

2 案例A道岔接口方案分析

2.1 接口概述

案例A信號系統(tǒng)與道岔系統(tǒng)的接口電路采用典型繼電器硬線接口方式，雙方接口信息相對較少，具體接口信息見圖2。道岔控制柜端接口電路和控制電路均采用鐵路信號安全型繼電器。

圖2 案例A－信號與道岔接口信息示意

案例A道岔控制模式主要包括集中控制模式、現(xiàn)地控制模式[7]和維修模式。接口電路主要包括道岔動(dòng)作接口部分、表示接口部分和控制模式轉(zhuǎn)換接口部分。

2.2 動(dòng)作和表示接口

案例A道岔動(dòng)作接口方案原理見圖3所示。

圖3 案例A－道岔動(dòng)作接口示意

案例A道岔動(dòng)作和表示接口方案主要設(shè)計(jì)特點(diǎn)如下:

(1)道岔定位操作(DCJ)、反位操作(FCJ)指令在檢查聯(lián)鎖允許操作(YCJ)、道岔區(qū)段空閑(GJ)條件后，通過接口電路傳遞至道岔控制柜端，直接啟動(dòng)道岔轉(zhuǎn)換。

(2)通過現(xiàn)地道岔位置檢測行程開關(guān)接點(diǎn)構(gòu)成現(xiàn)地道岔表示繼電器回路，再由現(xiàn)地道岔表示繼電器接點(diǎn)將道岔表示信息傳遞給信號聯(lián)鎖系統(tǒng)。

2.3 控制模式轉(zhuǎn)換接口

案例A道岔控制模式轉(zhuǎn)換接口方案原理見圖4。

圖4 案例A－道岔模式接口示意

案例A模式轉(zhuǎn)換接口方案主要設(shè)計(jì)特點(diǎn)如下:

(1)電路僅完成集中控制模式和現(xiàn)地控制模式之間轉(zhuǎn)換和狀態(tài)表示，道岔“維修模式”與聯(lián)鎖系統(tǒng)沒有接口，相關(guān)安全由人工保證。

道岔轉(zhuǎn)換為“現(xiàn)地控制模式”時(shí)電路執(zhí)行過程:現(xiàn)場轉(zhuǎn)換開關(guān)閉合→現(xiàn)地請求繼電器QQJ↓→室內(nèi)請求繼電器QQJ↓→聯(lián)鎖采集請求信息→控制臺人工確認(rèn)→聯(lián)鎖驅(qū)動(dòng)室內(nèi)同意繼電器TYJ↑→現(xiàn)地同意繼電器JTYJ↑→現(xiàn)地模式狀態(tài)繼電器JTYJa↑并自?！覂?nèi)JTYJa↑→聯(lián)鎖采集JTYJa信息→室內(nèi)TYJ↓→現(xiàn)地JTYJ↓→系統(tǒng)進(jìn)入現(xiàn)地模式。

道岔恢復(fù)“集中控制模式”時(shí)電路執(zhí)行過程:現(xiàn)場轉(zhuǎn)換開關(guān)斷開→現(xiàn)地JTYJa↓/現(xiàn)地QQJ↑→室內(nèi)JTYJa↓/室內(nèi)QQJ↑→系統(tǒng)恢復(fù)集中控制模式。

(2)現(xiàn)地模式狀態(tài)繼電器(JTYa)設(shè)置在道岔控制柜端，集中模式下為落下狀態(tài)，現(xiàn)地模式時(shí)吸起。JTYa吸起后，由現(xiàn)地JTYa接點(diǎn)切斷道岔動(dòng)作指令接口電路。現(xiàn)地JTYa信息通過接口復(fù)示至信號聯(lián)鎖系統(tǒng)。

3 案例B道岔接口方案分析

3.1 接口概述

案例B信號系統(tǒng)與道岔系統(tǒng)的接口電路同樣采用典型繼電器硬線接口方式，但雙方交換的接口信息相對較多，具體接口信息見圖5所示。道岔控制柜端內(nèi)接口電路采用鐵路信號安全型繼電器，其他控制電路采用歐姆龍小型安全繼電器。

圖5 案例B－道岔接口信息示意

案例B道岔控制模式除通常的集中控制模式和現(xiàn)地控制模式外，還包括現(xiàn)地強(qiáng)控模式和IBP應(yīng)急控制模式。接口電路主要包括道岔啟動(dòng)控制接口部分、表示接口部分、控制模式轉(zhuǎn)換接口部分、IBP盤應(yīng)急控制接口部分。

3.2 啟動(dòng)控制接口

案例B道岔啟動(dòng)控制接口方案原理見圖6。

圖6 案例B－道岔啟動(dòng)控制接口示意

案例B道岔啟動(dòng)控制接口方案主要設(shè)計(jì)特點(diǎn)如下:

(1)道岔啟動(dòng)控制接口參考輪軌道岔接口電路和技術(shù)原則，道岔動(dòng)作指令經(jīng)過多級啟動(dòng)電路傳遞至道岔控制柜端，實(shí)現(xiàn)多項(xiàng)道岔控制技術(shù)條件的檢查。

道岔啟動(dòng)電路執(zhí)行過程:聯(lián)鎖系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)定操繼電器DCJ/反操繼電器FCJ↑→檢查道岔區(qū)段空閑GJ↑/道岔未鎖閉SFJ↑→1道岔啟動(dòng)繼電器1DQJ↑并自保→2道岔啟動(dòng)繼電器2DQJ轉(zhuǎn)極→動(dòng)作指令傳遞給道岔端中位操作繼電器NCJ/右位操作繼電器RCJ↑→道岔開始轉(zhuǎn)轍。

1DQJ 3-4線圈，負(fù)責(zé)接收聯(lián)鎖“定操”、“反操”指令，檢查道岔區(qū)未鎖閉聯(lián)鎖條件，實(shí)現(xiàn)“道岔處于鎖閉狀態(tài)時(shí)道岔不能轉(zhuǎn)換”的道岔控制技術(shù)原則[8]。1DQJ 1-2線圈負(fù)責(zé)自保和啟動(dòng)電路切斷。

道岔啟動(dòng)電路中2DQJ，利用其極性保持特性將道岔動(dòng)作指令不間斷傳遞給道岔端，而非由DCJ/FCJ直接傳遞給道岔端，實(shí)現(xiàn)“道岔一經(jīng)啟動(dòng)即使有車進(jìn)入也繼續(xù)轉(zhuǎn)換到底”、“道岔在所需的位置時(shí)道岔操作指令不會傳給道岔控制系統(tǒng)”的技術(shù)原則。

(2)聯(lián)鎖系統(tǒng)的鎖閉防護(hù)繼電器(SFJ)，除用于常規(guī)的安全檢查外，還通過接口電路遠(yuǎn)程控制道岔控制柜端道岔動(dòng)作電源的接通和斷開，實(shí)現(xiàn)“道岔轉(zhuǎn)轍完成后切斷道岔控制柜動(dòng)作電源”的技術(shù)原則。

(3)設(shè)置啟動(dòng)切斷繼電器(QDJ)，負(fù)責(zé)實(shí)現(xiàn)“道岔啟動(dòng)電路動(dòng)作后因故無法轉(zhuǎn)換時(shí)，應(yīng)切斷啟動(dòng)電路”的技術(shù)原則。

在1DQJ吸起后，接通包括阻容RC和QDJ線圈的回路，通過電容C和電阻R規(guī)格選擇，控制回路放電時(shí)間，從而控制QDJ吸起時(shí)間約6.5 s，與道岔解鎖時(shí)間4.5～5 s相匹配。電路中的監(jiān)督繼電器(JDJ)在道岔梁開始移動(dòng)時(shí)吸起，道岔梁移動(dòng)到位后落下。在道岔解鎖時(shí)間內(nèi)，道岔失去表示，JDJ落下，QDJ自保電路不會構(gòu)成，由電容C放電保持QDJ吸起，道岔解鎖完成、道岔梁開始移動(dòng)后，JDJ吸起，QDJ自?；芈窐?gòu)成，直至道岔梁移動(dòng)到位、JDJ落下。如在6.5 s時(shí)間內(nèi)，JDJ未能吸起，則判斷道岔未能按指令動(dòng)作，QDJ落下，切斷1QDJ自保電路，從而切斷動(dòng)作指令傳遞到道岔端。

3.3 表示接口

案例B道岔表示接口方案主要設(shè)計(jì)特點(diǎn)如下:

(1)信號聯(lián)鎖端道岔位置表示繼電器直接通過檢測道岔位置的冗余行程開關(guān)接點(diǎn)構(gòu)成接口回路[9]，減少了現(xiàn)地設(shè)置表示中繼電器的環(huán)節(jié)。

(2)設(shè)置監(jiān)督繼電器(JDJ)，通過轉(zhuǎn)轍電機(jī)搖臂基座上的行程開關(guān)檢測道岔梁的啟動(dòng)和到位，用于判斷道岔在動(dòng)作指令發(fā)出后是否因故未啟動(dòng)，并在道岔故障時(shí)通過相關(guān)電路中止道岔啟動(dòng)電路。

3.4 控制模式轉(zhuǎn)換接口

案例B道岔模式轉(zhuǎn)換接口方案原理見圖7。

圖7 案例B－道岔模式轉(zhuǎn)換接口示意

案例B道岔模式轉(zhuǎn)換接口方案主要設(shè)計(jì)特點(diǎn)如下:

(1)道岔由集中控制模式轉(zhuǎn)換至現(xiàn)地控制模式，除常規(guī)的請求和授權(quán)過程外，要求聯(lián)鎖先對道岔進(jìn)行“封閉”操作后，才能使“同意授權(quán)”按鈕。

(2)具備“強(qiáng)控模式”接口。道岔強(qiáng)控模式為無需聯(lián)鎖系統(tǒng)授權(quán)，道岔即可實(shí)現(xiàn)現(xiàn)地控制功能的模式。

強(qiáng)控模式轉(zhuǎn)換過程:道岔控制柜端轉(zhuǎn)動(dòng)“強(qiáng)控開關(guān)”，通過接口電路，室內(nèi)強(qiáng)控繼電器(QKJ)吸起，控制臺“強(qiáng)控?zé)簟绷疗?，切斷集中狀態(tài)繼電器(JZZJ)電路，控制臺“集中燈”滅，道岔即進(jìn)入強(qiáng)控模式。

(3)JZZJ設(shè)置在聯(lián)鎖端，常態(tài)為吸起狀態(tài)，表示系統(tǒng)處于集中控制模式。系統(tǒng)進(jìn)入現(xiàn)地控制模式、強(qiáng)控模式、IBP盤應(yīng)急控制模式時(shí)，都將切斷JZZJ回路。JZZJ落下后，一是由室內(nèi)JZZJ負(fù)責(zé)切斷聯(lián)鎖道岔動(dòng)作指令接口回路；二是由其后接點(diǎn)接通道岔控制柜端鎖閉防護(hù)復(fù)示繼電器(SFJF)，從而在非集中控制模式下接通道岔控制柜內(nèi)的動(dòng)作電源。室內(nèi)JZZJ信息通過接口電路復(fù)示至道岔控制端。

3.5 IBP盤應(yīng)急控制電路

案例B道岔IBP盤應(yīng)急控制接口方案原理見圖8。

圖8 案例B－道岔IBP盤應(yīng)急控制接口示意

IBP盤應(yīng)急控制模式相當(dāng)于計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖應(yīng)用初期的“道岔應(yīng)急盤”功能。在發(fā)生特殊故障而無法通過聯(lián)鎖進(jìn)路或控制臺操作道岔時(shí)，通過操作IBP盤上的相關(guān)按鈕，越過聯(lián)鎖啟動(dòng)控制接口電路而直接遠(yuǎn)程控制道岔轉(zhuǎn)換。IBP盤應(yīng)急控制電路疊加在既有道岔動(dòng)作接口之上，無需額外接口線纜。

IBP盤應(yīng)急控制過程:IBP盤上設(shè)置道岔應(yīng)急操作允許按鈕、道岔定位操作按鈕和道岔反位操作按鈕。當(dāng)需要應(yīng)急操作時(shí)，同時(shí)按下“應(yīng)急＋定操”或“應(yīng)急＋反操”按鈕，并保持按下狀態(tài)，道岔開始轉(zhuǎn)換，道岔轉(zhuǎn)換到位、控制臺表示信息返回后可松開應(yīng)急操作按鈕。

4 方案優(yōu)缺點(diǎn)分析和比較

4.1 方案比較

經(jīng)前文的論述和分析，案例A和案例B兩個(gè)方案的主要特性比較見表1。

表1 中低速磁浮信號與道岔接口方案比較

4.2 案例A道岔接口優(yōu)缺點(diǎn)分析

案例A的現(xiàn)地道岔控制系統(tǒng)相對獨(dú)立，承擔(dān)較多安全防護(hù)責(zé)任。接口方案簡潔直觀，便于調(diào)試和運(yùn)營維護(hù)，滿足中低速磁浮交通對道岔的控制需求。但對特殊條件下道岔控制安全防護(hù)未作更多考慮，主要包括:

(1)道岔動(dòng)作指令經(jīng)接口電路傳遞至道岔柜端后，如果道岔因故未能啟動(dòng)或者轉(zhuǎn)轍至中途故障，方案無切斷道岔動(dòng)作指令功能。由于磁浮道岔采用大量機(jī)械行程開關(guān)、繼電器進(jìn)行控制，如果道岔轉(zhuǎn)轍因故中斷，存在由于震動(dòng)等原因造成故障消失而再次轉(zhuǎn)轍的可能，可能危及行車或軌旁運(yùn)維人員安全。

(2)現(xiàn)地通過鑰匙開關(guān)強(qiáng)行進(jìn)入不經(jīng)授權(quán)的“維修模式”時(shí)，由于無相關(guān)接口，聯(lián)鎖不能顯示當(dāng)前道岔控制狀態(tài)及控制道岔動(dòng)作指令的輸出，相關(guān)安全完全由人工保證。

(3)現(xiàn)地模式狀態(tài)繼電器(JTYa)在正常模式下為落下狀態(tài)，如在現(xiàn)地控制模式下因故引起JTYa落下，會接通道岔動(dòng)作接口回路，聯(lián)鎖端也會失去現(xiàn)地控制模式表示，存在信號聯(lián)鎖端意外操作道岔的風(fēng)險(xiǎn)。

4.3 案例B道岔接口優(yōu)缺點(diǎn)分析

案例B更多地將信號聯(lián)鎖系統(tǒng)和道岔控制系統(tǒng)作為整體考慮接口安全原則，接口電路參考傳統(tǒng)輪軌道岔接口控制理念和電路設(shè)計(jì)，在滿足中低速磁浮對道岔控制需求的前提下，對特殊情況下的安全防護(hù)考慮較多。聯(lián)鎖系統(tǒng)防護(hù)道岔動(dòng)作電源的通斷功能、道岔啟動(dòng)后發(fā)生故障時(shí)切斷啟動(dòng)控制接口電路功能、道岔強(qiáng)控模式接口功能等都進(jìn)一步保證了道岔控制的安全性，IBP應(yīng)急控制功能為緊急情況下的運(yùn)營故障處理多提供了一種手段。但該方案經(jīng)工程驗(yàn)證也存在一些不足，主要包括:

(1)道岔多級啟動(dòng)電路較為復(fù)雜，對系統(tǒng)調(diào)試和運(yùn)營維護(hù)較為不利。例如多級啟動(dòng)電路的2DQJ采用有極繼電器，繼電器兩個(gè)極性分別對應(yīng)道岔的定、反位，實(shí)際使用中，如道岔轉(zhuǎn)轍中途因故中斷，在故障排除后，存在2DQJ極性錯(cuò)誤、需要人工恢復(fù)的問題。

(2)通過檢測道岔梁的移動(dòng)位置來判斷道岔動(dòng)作指令發(fā)出后是否因故未轉(zhuǎn)換，從而切斷道岔啟動(dòng)電路的方式無法同時(shí)適用于單開道岔和三開道岔。

(3)方案中用鎖閉防護(hù)繼電器(SFJ)防護(hù)道岔控制柜端的道岔動(dòng)作電源，道岔轉(zhuǎn)換過程中如果有列車駛?cè)?，會使SFJ落下，從而切斷道岔控制柜端動(dòng)作電源，道岔無法繼續(xù)轉(zhuǎn)換，這使得“道岔一經(jīng)啟動(dòng)即使有車進(jìn)入也繼續(xù)轉(zhuǎn)換到底”的原技術(shù)原則無法實(shí)現(xiàn)，也讓多級啟動(dòng)電路的設(shè)計(jì)失去了意義。在輪軌交通中，“道岔一經(jīng)啟動(dòng)即使有車進(jìn)入也繼續(xù)轉(zhuǎn)換到底”的原則是為了防護(hù)在道岔轉(zhuǎn)轍過程中發(fā)生列車冒進(jìn)道岔區(qū)而脫軌的情形[10]。磁浮道岔為關(guān)節(jié)式軌道梁道岔，道岔非開向側(cè)為斷軌形式，如列車冒進(jìn)道岔區(qū)段，危險(xiǎn)程度取決列車位置、速度等，道岔繼續(xù)轉(zhuǎn)換不會更有利于行車安全，此情形更應(yīng)由列車自動(dòng)防護(hù)系統(tǒng)來保證行車安全。

(4)道岔啟動(dòng)切斷繼電器(QDJ)勵(lì)磁回路采用電容充放電方式，一是長期使用存在電容容量變化、放電時(shí)間不滿足設(shè)計(jì)要求的可能；二是QDJ的緩放特性對道岔啟動(dòng)電路的時(shí)序造成影響，特殊情況下會造成道岔轉(zhuǎn)轍故障[11]。在QDJ自保回路切斷后，QDJ因線圈中串接電容，需經(jīng)6.5 s緩放后方能落下，然后1DQJ落下，道岔啟動(dòng)電路方能復(fù)原。實(shí)際使用中，如果道岔在較短間隔內(nèi)進(jìn)行連續(xù)操作，由于前一次操作的道岔啟動(dòng)電路尚未復(fù)原，會發(fā)生道岔轉(zhuǎn)換中途被切斷故障。

5 結(jié)論和建議

中低速磁浮道岔是關(guān)系行車安全的重要設(shè)備，信號系統(tǒng)與道岔系統(tǒng)的接口國內(nèi)尚無統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，已實(shí)施項(xiàng)目的信號系統(tǒng)與道岔系統(tǒng)接口方案總體上滿足對磁浮道岔控制和基本安全防護(hù)需求，但在技術(shù)原則和實(shí)現(xiàn)方法上存在較大差異，在安全防護(hù)原則、接口電路設(shè)計(jì)等方面存在優(yōu)化的余地。

結(jié)合各方案的優(yōu)勢和不足，本文提出下列接口方案優(yōu)化原則性建議，供其他同類工程借鑒，以促進(jìn)中低速磁浮交通相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的完善。

(1)建議進(jìn)一步優(yōu)化信號與道岔接口電路，提高可靠性，減少故障點(diǎn)，便于運(yùn)營維護(hù)。采用多級啟動(dòng)電路的必要性不足。

(2)建議接口電路考慮在道岔動(dòng)作指令發(fā)出后因故無法轉(zhuǎn)換、或者在規(guī)定時(shí)間內(nèi)未能轉(zhuǎn)換到位時(shí)，切斷動(dòng)作接口電路，避免道岔意外二次啟動(dòng)，危及行車或軌旁運(yùn)維人員安全。

(3)建議接口電路中包含“強(qiáng)控模式”或者“維修模式”相關(guān)接口，系統(tǒng)進(jìn)入上述模式時(shí)，聯(lián)鎖系統(tǒng)應(yīng)能給出模式狀態(tài)指示，并關(guān)閉相關(guān)進(jìn)路信號，禁止輸出道岔動(dòng)作指令。

(4)建議監(jiān)督道岔控制模式狀態(tài)的繼電器按常態(tài)吸起設(shè)計(jì)，會更加符合故障－安全原則[12]。

(5)建議道岔控制系統(tǒng)的道岔運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測信息應(yīng)統(tǒng)一納入信號集中監(jiān)測系統(tǒng)管理，便于運(yùn)營維護(hù)和故障處理。

(6)建議將IBP盤應(yīng)急控制道岔功能作為可選功能，根據(jù)接口電路的成熟度、運(yùn)營需求選擇配置。

(7)建議磁浮道岔接口電路中不必完全遵循輪軌道岔控制技術(shù)條件，應(yīng)根據(jù)磁浮道岔的特點(diǎn)確定適用的接口控制技術(shù)原則。