智能道岔融雪系統(tǒng)研究

李 偉，趙丹旭

（北京全路通信信號(hào)研究設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，北京 100070）

目前國(guó)內(nèi)道岔融雪系統(tǒng)基本都是采用電加熱方式，當(dāng)發(fā)生降雪、凍雨或溫度變化時(shí)，操作員人工啟動(dòng)系統(tǒng)后，系統(tǒng)可啟動(dòng)電加熱融雪電路，并通過安裝在道岔活動(dòng)部位的電加熱元件以熱輻射和熱傳導(dǎo)的方式使道岔活動(dòng)部位上的積雪蒸發(fā)以達(dá)到除雪目的，保證道岔在雨雪天氣下能夠正常轉(zhuǎn)換。

雖然現(xiàn)有融雪系統(tǒng)可通過實(shí)時(shí)采集鋼軌溫度與系統(tǒng)設(shè)定的啟停溫度進(jìn)行邏輯判定，實(shí)現(xiàn)對(duì)道岔進(jìn)行間歇性加熱，使道岔鋼軌溫度保持在融雪除冰所需的溫度，從而使道岔不受降雪影響能夠正常轉(zhuǎn)換。但由于系統(tǒng)采用的是粗放型的控制方式，暫未做到按需精準(zhǔn)加熱道岔，導(dǎo)致了大量電能的消耗。

1 系統(tǒng)簡(jiǎn)介

智能融雪系統(tǒng)根據(jù)氣象站反饋的氣象信息自動(dòng)啟停，并結(jié)合列車進(jìn)路道岔使用情況自動(dòng)加熱道岔，實(shí)現(xiàn)對(duì)進(jìn)路上的道岔進(jìn)行融雪除冰，保障所用道岔正常轉(zhuǎn)換。同時(shí)，保留既有融雪系統(tǒng)傳統(tǒng)控制方式，當(dāng)智能控制方式因設(shè)備故障或其他因素未能對(duì)道岔進(jìn)行加熱，達(dá)不到融雪除冰效果時(shí)，系統(tǒng)能夠及時(shí)切換至傳統(tǒng)控制方式，以滿足現(xiàn)場(chǎng)對(duì)融雪系統(tǒng)的需求。

2 研究目的

研究一種基于氣象信息與行車調(diào)度計(jì)劃相結(jié)合的智能道岔融雪系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的自動(dòng)啟停和精準(zhǔn)化控制，達(dá)到融雪除冰目的的同時(shí)滿足節(jié)能降耗的要求。

3 傳統(tǒng)RD1 道岔融雪系統(tǒng)

3.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

融雪設(shè)備由道岔融雪遠(yuǎn)程控制中心工作站（以下簡(jiǎn)稱“工作站”）、道岔融雪車站控制終端（以下簡(jiǎn)稱“控制終端”）、道岔融雪控制柜（以下簡(jiǎn)稱“控制柜”）、鋼軌溫度傳感器、電加熱元件和道岔融雪隔離變壓器（以下簡(jiǎn)稱“隔離變壓器”）等組成[1]。

融雪系統(tǒng)分為3 層：綜合管理層、上層控制層和下層控制層，其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 RD1 道岔融雪系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

3.2 控制方式

該系統(tǒng)具有自動(dòng)、手動(dòng)和應(yīng)急3 種控制模式。

3.3 存在問題

現(xiàn)有控制方式雖然滿足了融雪設(shè)備的基本控制要求，但其粗放型控制方式使得設(shè)備耗電量大、能耗高，操作對(duì)象為控制柜的所有加熱電路，或者所有控制柜的所有加熱電路，實(shí)現(xiàn)方式為控制柜的所有加熱電路全部接通或全部斷開[2]，造成電能的浪費(fèi)。

4 智能融雪系統(tǒng)

智能融雪系統(tǒng)在傳統(tǒng)RD1 融雪系統(tǒng)的基礎(chǔ)上增加了智能傳輸終端和氣象站。系統(tǒng)分為3 層：綜合管理層、上層控制層和下層控制層，其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2 所示。

圖2 智能融雪系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

4.1 綜合管理層

綜合管理層為工作站，主要由工控機(jī)、顯示器和網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)等設(shè)備組成，主要用于監(jiān)控某線路所有車站或無(wú)人值守線路所的融雪設(shè)備，一般設(shè)置在局調(diào)或其他指定地點(diǎn)，通過不低于2 M 信息通道與其他車站或線路所控制終端進(jìn)行連接，采用TCP/IP 方式進(jìn)行通信，實(shí)現(xiàn)對(duì)某線路所有車站或無(wú)人值守線路所的融雪設(shè)備進(jìn)行遠(yuǎn)程操控。

4.1.1 操控權(quán)限

為保障現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)安全，必須明確工作站及控制終端的操控權(quán)限。工作站操控權(quán)限弱于下轄各控制終端。工作站遠(yuǎn)程操控下轄各車站融雪設(shè)備，需得到控制終端授權(quán)處理，否則無(wú)法進(jìn)行遠(yuǎn)程操控加熱，僅支持融雪設(shè)備狀態(tài)顯示及遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)查詢、參數(shù)設(shè)置等功能。

4.1.2 操控狀態(tài)

只有當(dāng)控制終端處于遠(yuǎn)程控制方式時(shí)，工作站才可遠(yuǎn)程操控該站融雪設(shè)備，否則無(wú)法對(duì)該站進(jìn)行遠(yuǎn)程操控。因此，為方便用戶及時(shí)了解系統(tǒng)目前所處狀態(tài)，工作站應(yīng)能正確實(shí)時(shí)顯示當(dāng)前的控制方式。

4.2 上層控制層

上層控制層主要包含控制終端、智能傳輸終端。

4.2.1 控制終端

控制終端主要由工控機(jī)、顯示器、網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)（需要組網(wǎng)時(shí)）、通信模塊和應(yīng)急加熱控制盤等設(shè)備組成，實(shí)現(xiàn)本站道岔融雪設(shè)備的集中控制。通過網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)與綜合管理層的通信，串口RS232 實(shí)現(xiàn)與下層控制層的通信。本次智能融雪系統(tǒng)的研究，需對(duì)控制終端軟件進(jìn)行適配性開發(fā)，涉及與氣象站接口、智能傳輸終端接口、通信監(jiān)測(cè)報(bào)警和接口信息管理等內(nèi)容。

（1）氣象站接口。通過串口RS485 實(shí)現(xiàn)與室外氣象站設(shè)備的通信，實(shí)時(shí)接收、解析氣象信息，是實(shí)現(xiàn)智能融雪系統(tǒng)的基礎(chǔ)。

（2）智能傳輸終端接口。通過串口RS232 實(shí)現(xiàn)與智能傳輸終端設(shè)備的通信，實(shí)時(shí)接收、解析融雪指令，是實(shí)現(xiàn)智能融雪系統(tǒng)按需精準(zhǔn)加熱道岔的基礎(chǔ)。

（3）通信監(jiān)測(cè)報(bào)警。當(dāng)氣象站、智能傳輸終端通信斷開時(shí)，與其他報(bào)警信息類似，信息顯示在報(bào)警信息窗，并伴隨語(yǔ)音作為提示報(bào)警，車站維修人員可及時(shí)進(jìn)行排查處理，保證融雪設(shè)備的正常使用。

（4）接口信息管理。保存外部接口輸入的氣象信息及智能傳輸終端生成的融雪指令信息記錄，同時(shí)可供以后查詢、維護(hù)和統(tǒng)計(jì)使用。

（5）控制方式?？刂品绞椒譃檫h(yuǎn)程控、站控，其中，站控又分為智能控、傳統(tǒng)控2 種方式。①智能控。結(jié)合氣象信息和融雪指令，按需精準(zhǔn)加熱道岔。智能控方式下須考慮氣象站與智能傳輸終端通信是否全部正常，發(fā)生故障時(shí)能夠切換到其他控制方式；記錄每組道岔的加熱情況及積雪厚度；記錄降雪數(shù)據(jù)及當(dāng)前降雪情況；無(wú)行車計(jì)劃但發(fā)生降雪時(shí)，為保障行車安全降雪厚度達(dá)到融雪能力上限時(shí)應(yīng)及時(shí)加熱；收到行車計(jì)劃，根據(jù)積雪厚度及列車進(jìn)站時(shí)間，則應(yīng)提前對(duì)該道岔進(jìn)行維護(hù)加熱或預(yù)加熱；關(guān)聯(lián)道岔與控制柜回路，每組道岔可對(duì)應(yīng)不同回路，但2 組道岔不可共用回路。②傳統(tǒng)控。結(jié)合氣象信息、啟停溫度自動(dòng)啟停加熱電路。傳統(tǒng)控方式下須考慮氣象站通信是否正常，發(fā)生故障時(shí)能夠人工操控；雪停后，應(yīng)延時(shí)加熱一段時(shí)間。③遠(yuǎn)程控。授權(quán)給工作站遠(yuǎn)程人工操控。遠(yuǎn)程控方式下須考慮控制終端可切換為站控方式進(jìn)行收權(quán)，此時(shí)工作站無(wú)法遠(yuǎn)程操控。

（6）操控條件及權(quán)限。①氣象站、智能傳輸終端通信正常，遠(yuǎn)程控、站控（智能控、傳統(tǒng)控）方式可用?？刂平K端處于站控時(shí)，此時(shí)控制終端與工作站不可人工操控；處于遠(yuǎn)程控時(shí)，則只能通過工作站遠(yuǎn)程操控，控制終端不可人工操控。②當(dāng)氣象站通信正常但智能傳輸終端發(fā)生通信故障時(shí)，智能控不可用，可切換控制方式為傳統(tǒng)控或遠(yuǎn)程控；處于傳統(tǒng)控時(shí)，若氣象站處于開啟狀態(tài)，此時(shí)控制終端與工作站不可人工操控；處于遠(yuǎn)程控時(shí)，則只能通過工作站遠(yuǎn)程操控，控制終端不可人工操控。③當(dāng)氣象站發(fā)生通信故障但智能傳輸終端通信正?；? 者同時(shí)發(fā)生通信故障時(shí)，智能控不可用，可切換控制方式為傳統(tǒng)控或遠(yuǎn)程控；處于傳統(tǒng)控時(shí)，只能通過控制終端人工操控，工作站不可遠(yuǎn)程操控；處于遠(yuǎn)程控時(shí)，則只能通過工作站遠(yuǎn)程操控，控制終端不可人工操控。

（7）操控狀態(tài)。不同控制方式下控制終端操控權(quán)限受到限制。因此，為方便操控，控制終端應(yīng)能正確實(shí)時(shí)顯示當(dāng)前的控制方式。當(dāng)氣象站設(shè)備、智能傳輸終端因設(shè)備故障或其他因素造成通信故障時(shí)，可切換當(dāng)前控制方式，保證融雪系統(tǒng)持續(xù)正常運(yùn)行。

4.2.2 智能傳輸終端

智能傳輸終端主要由工控機(jī)、顯示器等設(shè)備組成，作為外部行車計(jì)劃與控制終端之間的橋梁，實(shí)現(xiàn)信息的解析與共享。本次智能融雪系統(tǒng)研究中，智能傳輸終端軟件涉及與提供行車計(jì)劃的系統(tǒng)接口、控制終端接口、計(jì)劃輸入、計(jì)劃信息管理、通信狀態(tài)監(jiān)測(cè)報(bào)警和計(jì)劃顯示等內(nèi)容。

（1）與提供行車計(jì)劃的系統(tǒng)接口。通過串口RS232/RS485 實(shí)現(xiàn)與提供行車計(jì)劃的系統(tǒng)通信，接收行車計(jì)劃信息，將其計(jì)劃解析并生成相應(yīng)的融雪指令。

（2）與控制終端接口。通過串口RS232 實(shí)現(xiàn)與控制終端設(shè)備的通信，發(fā)送融雪指令到控制終端，是實(shí)現(xiàn)智能融雪系統(tǒng)按需精準(zhǔn)加熱道岔的基礎(chǔ)。

（3）計(jì)劃輸入。當(dāng)因某些不可控因素導(dǎo)致提供行車計(jì)劃的系統(tǒng)無(wú)法正常傳輸數(shù)據(jù)時(shí)，可提前錄入日班計(jì)劃，解析生成融雪指令發(fā)送到控制終端，保證智能控制方式正?？捎?；當(dāng)行車計(jì)劃發(fā)生臨時(shí)變更時(shí)，可人工進(jìn)行修改，及時(shí)解析生成融雪指令發(fā)送到控制終端，保障道岔正常轉(zhuǎn)換。

（4）計(jì)劃信息管理。保存外部系統(tǒng)輸入的行車計(jì)劃信息、人工修改的信息記錄，供以后查詢、維護(hù)和統(tǒng)計(jì)使用。

（5）通信狀態(tài)監(jiān)測(cè)報(bào)警。顯示與提供行車計(jì)劃的系統(tǒng)接口、控制終端的通信狀態(tài)。當(dāng)與提供行車計(jì)劃的系統(tǒng)接口、控制終端通信斷開時(shí)，信息顯示在報(bào)警信息窗，并伴隨語(yǔ)音作為提示報(bào)警，車站維修人員可及時(shí)進(jìn)行排查處理，保證智能融雪系統(tǒng)正常使用。

（6）計(jì)劃顯示。為方便操作人員了解計(jì)劃的時(shí)間順序，將接收的行車計(jì)劃、輸入的計(jì)劃按照時(shí)間排序顯示在界面上。

4.3 下層控制層

下層控制層主要為控制柜和氣象站。

4.3.1 控制柜

控制柜采用模塊化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，各模塊具備獨(dú)自數(shù)據(jù)處理能力，通過遠(yuǎn)程232、CAN（控制器域網(wǎng)）總線等通信方式進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，主要設(shè)備單元包括控制單元、電壓/電流檢測(cè)單元、手動(dòng)/自動(dòng)轉(zhuǎn)換單元、溫度檢測(cè)單元及供電電源單元、防雷單元和通信單元等。同時(shí)包括由斷路器、漏電開關(guān)及交流接觸器組成的加熱回路，其加熱回路具備短路、過載和漏電保護(hù)等功能。

控制柜用于控制現(xiàn)場(chǎng)加熱回路的啟停、信息采集及運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)，實(shí)現(xiàn)對(duì)道岔加熱的啟動(dòng)或關(guān)閉操作，并實(shí)時(shí)反饋狀態(tài)信息給控制終端。

4.3.2 氣象站

氣象站主要由降雪傳感器、溫濕度傳感器、電氣配電柜和立桿等部分組成。根據(jù)檢測(cè)采集的局部區(qū)域環(huán)境實(shí)時(shí)信息，通過通信網(wǎng)絡(luò)將信息傳輸至控制終端，控制系統(tǒng)的自動(dòng)啟停[3]。

4.4 智能型與RD1 型融雪系統(tǒng)比較

4.4.1 相同點(diǎn)

①二者系統(tǒng)構(gòu)架保持一致；②智能融雪系統(tǒng)具備RD1 融雪系統(tǒng)的控制方式及功能。

4.4.2 不同點(diǎn)

①智能融雪系統(tǒng)在硬件方面增加氣象站和智能傳輸終端及相關(guān)軟件的適配性開發(fā)；②智能型比RD1 型融雪系統(tǒng)更加智能化，實(shí)現(xiàn)了利用氣象站控制系統(tǒng)的自動(dòng)啟停；③智能融雪系統(tǒng)基于行車調(diào)度計(jì)劃實(shí)現(xiàn)按需精準(zhǔn)加熱道岔，節(jié)能效果更加理想。

5 系統(tǒng)功能

智能融雪系統(tǒng)基于RD1 電加熱道岔融雪系統(tǒng)進(jìn)行研究，既有功能保持不變，新增計(jì)劃管理及氣象信息管理、控制方式和接口通信管理。

5.1 計(jì)劃管理

系統(tǒng)能自動(dòng)接收并存儲(chǔ)由其他信號(hào)系統(tǒng)發(fā)來(lái)的行車計(jì)劃信息并自動(dòng)解析，生成相應(yīng)的融雪指令。當(dāng)行車計(jì)劃信息臨時(shí)變更時(shí)，系統(tǒng)允許通過人工輸入修改，及時(shí)生成最新的融雪指令。系統(tǒng)能按照時(shí)間順序記錄、顯示接收或輸入的行車計(jì)劃信息，且具備歷史查詢功能。

5.2 氣象信息管理

系統(tǒng)能自動(dòng)接收和存儲(chǔ)由氣象站設(shè)備發(fā)送的氣象信息，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)開啟或關(guān)閉系統(tǒng)，并具備歷史查詢和根據(jù)氣象信息生成積雪厚度的功能。

5.3 控制方式

系統(tǒng)控制方式分為遠(yuǎn)程控、站控（智能控、傳統(tǒng)控）。初始狀態(tài)下系統(tǒng)默認(rèn)處于智能控制方式，自動(dòng)依據(jù)氣象信息與融雪指令，按需精準(zhǔn)加熱道岔。當(dāng)系統(tǒng)處于傳統(tǒng)控制方式且氣象站開啟時(shí)，系統(tǒng)可根據(jù)氣象信息與啟停溫度自動(dòng)開啟或關(guān)閉加熱電路。氣象站關(guān)閉時(shí)，可人工啟動(dòng)，系統(tǒng)可根據(jù)啟停溫度自動(dòng)循環(huán)加熱。若系統(tǒng)處于遠(yuǎn)程控制方式，工作站可人工啟動(dòng)，系統(tǒng)可根據(jù)啟停溫度自動(dòng)循環(huán)加熱。

5.4 接口通信管理

系統(tǒng)可監(jiān)測(cè)與外部系統(tǒng)接口、氣象站接口的通信狀態(tài)，若出現(xiàn)通信故障時(shí)可立即記錄并提示報(bào)警信息。

6 系統(tǒng)接口

智能融雪系統(tǒng)主要與外部的信號(hào)集中監(jiān)測(cè)系統(tǒng)和提供行車計(jì)劃的系統(tǒng)進(jìn)行接口。

6.1 與信號(hào)集中監(jiān)測(cè)系統(tǒng)接口

信號(hào)集中監(jiān)測(cè)系統(tǒng)通過RS232 串口接收控制終端發(fā)送的融雪控制柜信息。

6.2 與提供行車計(jì)劃的系統(tǒng)接口

提供行車計(jì)劃的系統(tǒng)通過RS232/RS485 串口傳輸行車計(jì)劃信息至融雪系統(tǒng)智能傳輸終端，且接口側(cè)必須有防雷或光電隔離裝置。

7 結(jié)束語(yǔ)

本文在傳統(tǒng)RD1 電加熱道岔融雪系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，考慮現(xiàn)有融雪系統(tǒng)存在的問題，研究了一套符合實(shí)際需求的智能道岔融雪系統(tǒng)。該系統(tǒng)以國(guó)家鐵路局TB/T 3539—2018《電加熱道岔融雪系統(tǒng)設(shè)備》提出的各項(xiàng)要求為設(shè)計(jì)基礎(chǔ)，通過結(jié)合氣象信息與行車調(diào)度計(jì)劃達(dá)到了系統(tǒng)自動(dòng)啟停、按需精準(zhǔn)加熱道岔和節(jié)能降耗的目的，在一定程度上實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)的智能化、節(jié)能化[4]，契合綠色高鐵、智能高鐵的發(fā)展趨勢(shì)[5]。