計(jì)軸在城市軌道交通信號系統(tǒng)中的應(yīng)用研究

張平

（成都地鐵運(yùn)營有限公司 四川成都 610000）

計(jì)軸在城市軌道交通信號系統(tǒng)中的應(yīng)用研究

張平

（成都地鐵運(yùn)營有限公司 四川成都 610000）

隨城市軌道交通行業(yè)迅速發(fā)展，人們?nèi)粘３鲂袑ζ湟蕾嚾找嫱怀觯瑢壍澜煌ㄐ盘栂到y(tǒng)的可靠度提出了更高的期望和要求。計(jì)軸技術(shù)為信號系統(tǒng)檢測列車位置常用解決方案，在城市軌道交通CBTC信號系統(tǒng)中應(yīng)用廣泛，作為CBTC系統(tǒng)后備模式下的列車位置檢測設(shè)備，其在保障信號系統(tǒng)整體可靠、穩(wěn)定運(yùn)行方面起到了至關(guān)重要的作用，本文主要從計(jì)軸設(shè)備概述、組成、原理及設(shè)計(jì)、應(yīng)用、維保等方面進(jìn)行分析。

計(jì)軸；CBTC；原理；后備模式；應(yīng)用

目前國內(nèi)外新建軌道交通（包括地鐵、輕軌等）項(xiàng)目絕大多數(shù)采用了基于無線通信的列車自動控制系統(tǒng)，即CBTC；為滿足非裝備列車的運(yùn)行需求及CBTC系統(tǒng)故障情況下的城軌運(yùn)營，各大系統(tǒng)均引入降級后備模式方案，在后備模式下利用計(jì)軸實(shí)現(xiàn)列車位置檢測、定位。

1 計(jì)軸概述

在19世紀(jì)初，歐洲的德國、瑞士等大量敷設(shè)鋼枕，因無法采用常規(guī)的軌道電路來檢測列車位置信息，為此，研制出各種形式的計(jì)軸設(shè)備。與工業(yè)發(fā)展的過程一樣，計(jì)軸設(shè)備的發(fā)展也經(jīng)歷了機(jī)械式、光電式、永磁式、電子式和微電子式的更新?lián)Q代，但基本工作原理是相同的。①采集車輪信息；②對車輪信息進(jìn)行處理和運(yùn)算；③根據(jù)運(yùn)算結(jié)果給出區(qū)段的空閑/占用信息；各種計(jì)軸設(shè)備的主要差異在于采集車輪信息的方式不同。

2 計(jì)軸構(gòu)成

計(jì)軸設(shè)備其構(gòu)成主要包括室內(nèi)計(jì)軸主機(jī)、狀態(tài)輸出單元、室外輪軸檢測器（磁頭）；計(jì)軸主機(jī)接收處理車輪信息，計(jì)算區(qū)段占用/空閑信息，狀態(tài)輸出單元將主機(jī)計(jì)算結(jié)果（多數(shù)采用驅(qū)動繼電器方式）送至聯(lián)鎖設(shè)備，輪軸檢測器用來檢測車輪輪軸信息，包括通過方向、通過輪軸數(shù)量。

3 工作原理

3.1 計(jì)軸主機(jī)

計(jì)軸主機(jī)通過獲取各區(qū)段室外輪軸檢測器（磁頭）數(shù)據(jù)信息，即進(jìn)入（+1）/出清（-1）區(qū)段軸數(shù)，當(dāng)計(jì)入（進(jìn)入）數(shù)等于計(jì)出（出清）數(shù)時，區(qū)段顯示空閑，反之為占用。

說明：

（1）計(jì)軸主機(jī)檢測磁頭、電纜線路等異常時則給出故障告警，并給出占用信息；

（2）當(dāng)計(jì)軸主機(jī)檢測相應(yīng)區(qū)段為負(fù)軸，此時若有對應(yīng)數(shù)量輪對進(jìn)入該區(qū)段，系統(tǒng)不會計(jì)算該區(qū)段為“出清”狀態(tài)，且會診斷為故障。

3.2 輸出狀態(tài)單元

計(jì)軸與聯(lián)鎖大多采用繼電電路接口，計(jì)軸輸出狀態(tài)單元根據(jù)計(jì)軸主機(jī)對各區(qū)段的計(jì)算結(jié)果，輸出高/低電平，驅(qū)動對應(yīng)區(qū)段軌道繼電器，聯(lián)鎖采集軌道繼電器狀態(tài)，從而獲得各區(qū)段的占用/空閑狀態(tài)。

3.3 室外輪軸檢測器（磁頭）

典型的計(jì)軸磁頭每套包括兩個發(fā)送磁頭和兩個接收磁頭，發(fā)送磁頭安裝在軌道外側(cè)，接收磁頭安裝在軌道內(nèi)側(cè)，并與相應(yīng)的發(fā)送磁頭一一對應(yīng)，內(nèi)接收磁頭部為繞制在鐵芯上的線圈，兩組發(fā)送線圈中，因電流的頻率各不相同，他們產(chǎn)生的交變磁場使接收線圈產(chǎn)生感應(yīng)電壓。當(dāng)有車輪輪緣壓在鋼軌上時，接收線圈產(chǎn)生的感應(yīng)電壓的相位反轉(zhuǎn)180度，系統(tǒng)可根據(jù)其相應(yīng)變化檢測到一個軸。

沒有車輪時，車輪距離磁頭中心超過200mm，發(fā)送線圈產(chǎn)生的交變磁場穿過接收線圈，其磁力線與接收線圈的垂直線成一個角度A，導(dǎo)致接收線圈中產(chǎn)生與發(fā)送線圈的電壓相位相同的感應(yīng)交流電壓。

車輪距磁頭中心線約200mm的位置時，發(fā)送線圈產(chǎn)生的磁力線垂直穿過接收線圈，這樣，接收線圈的感應(yīng)電壓變?yōu)榱恪＼囕喌竭_(dá)磁頭上方，發(fā)送線圈產(chǎn)生的磁力線穿過接收線圈，但磁力線與接收線圈的垂直線的角度變?yōu)?A，那么從接收線圈中產(chǎn)生的感應(yīng)交流電壓較發(fā)送線圈的電壓相位發(fā)轉(zhuǎn)了180度。車輪經(jīng)過計(jì)軸時磁感應(yīng)線變化情況如圖1所示。

圖1

4 計(jì)軸復(fù)位

4.1 計(jì)軸復(fù)位類型

根據(jù)各計(jì)軸廠家所提供技術(shù)條件，將計(jì)軸復(fù)位方式歸納為以下四種方式：

4.1.1 無條件復(fù)零

一旦接收到復(fù)零命令，計(jì)軸檢查設(shè)備自身無禁止復(fù)零的技術(shù)條件，例如持續(xù)故障等，區(qū)段直接復(fù)零，立即給出區(qū)段空閑指示。

4.1.2 有條件復(fù)零

一旦接收到復(fù)零命令，計(jì)軸檢查設(shè)備自身無禁止復(fù)零的技術(shù)條件，例如持續(xù)故障等，當(dāng)區(qū)間處于正確占用狀態(tài)時，計(jì)軸設(shè)備收到復(fù)零命令后會檢查區(qū)段最后的進(jìn)出軸狀態(tài)（如果區(qū)段最后一軸是進(jìn)軸，那么系統(tǒng)不允許復(fù)位；如果區(qū)段最后一軸是出軸，那么系統(tǒng)允許復(fù)位）。只有條件滿足計(jì)軸設(shè)備才能給出區(qū)段空閑指示；當(dāng)區(qū)間受干擾時，將不考慮最后一次計(jì)數(shù)，直接執(zhí)行復(fù)位。

4.1.3 預(yù)復(fù)零

一旦接收到復(fù)零命令，計(jì)軸檢查設(shè)備自身無禁止復(fù)零的技術(shù)條件，例如持續(xù)故障等。隨第一列車運(yùn)行通過該區(qū)間。計(jì)軸設(shè)備將檢查檢測點(diǎn)的正確運(yùn)行，當(dāng)進(jìn)入和離開該區(qū)間的計(jì)軸數(shù)相同時，計(jì)軸設(shè)備才會給出區(qū)段空閑指示，完成復(fù)零。

4.1.4 帶確認(rèn)的預(yù)復(fù)零

一旦接收到復(fù)零命令，計(jì)軸檢查設(shè)備自身無禁止復(fù)零的技術(shù)條件，例如持續(xù)故障等。隨后須經(jīng)一列車通過區(qū)間，同時要求人為確認(rèn)列車正確運(yùn)行通過出清該區(qū)段，隨后向計(jì)軸發(fā)送一個確認(rèn)命令。計(jì)軸設(shè)備檢查檢測點(diǎn)的正確運(yùn)行，如果能夠正確計(jì)算進(jìn)入和離開該區(qū)間的軸數(shù)，當(dāng)接收到確認(rèn)命令時，計(jì)軸設(shè)備給出區(qū)段空閑指示。

4.2 優(yōu)缺對比

表1

4.3 綜合分析建議

從國內(nèi)城軌運(yùn)營維保情況來看，各均設(shè)有車站值班員，且信號人員并非常駐每個集中/聯(lián)鎖站，考慮故障復(fù)零的及時性和安全性，建議：

（1）直接復(fù)零和預(yù)復(fù)零方式各選一種；

（2）同時建議采用無條件復(fù)零與預(yù)復(fù)零方式，分別設(shè)置于信號設(shè)備室內(nèi)和車控室IBP盤上。

5 計(jì)軸設(shè)備特點(diǎn)

（1）計(jì)軸設(shè)備安裝簡單，其狀態(tài)不受鋼軌、道床等外部條件影響；

（2）軌道無需絕緣裝置，提升城軌的靜音性和舒適性；

（3）建設(shè)成本相對較高，運(yùn)營維護(hù)工作量較小；

（4）對軌道區(qū)段長度沒有限制；

（5）容易受干擾，如電磁干擾，外部金屬物劃過等干擾；

（6）無斷軌檢測功能。

6 在城市軌道交通中的應(yīng)用探討

6.1 超限絕緣

常見的超限絕緣有兩種：①當(dāng)某一道岔區(qū)段與相鄰軌道區(qū)段的絕緣節(jié)到該道岔警沖標(biāo)距離小于3.5m時，此絕緣節(jié)為超限絕緣，經(jīng)過該道岔區(qū)段辦理進(jìn)路時必須檢查相鄰區(qū)段的空閑條件；②某一道岔區(qū)段與相鄰道岔區(qū)段的絕緣節(jié)到該道岔警沖標(biāo)距離小于3.5m，當(dāng)相鄰區(qū)段的道岔開通本道岔區(qū)段或道岔失去表示時，該絕緣節(jié)為超限絕緣；當(dāng)?shù)啦聿婚_通本區(qū)段時，該絕緣節(jié)就不是超限絕緣，即根據(jù)道岔位置條件來決定是否是超限絕緣。典型超限絕緣，如圖2所示。

圖2

城市軌道交通面臨一個特殊的問題，地下空間狹小，計(jì)軸點(diǎn)的設(shè)置位置考慮諸多因素，造成道岔區(qū)段計(jì)軸點(diǎn)與警沖標(biāo)距離難免小于3.5m；關(guān)于絕緣節(jié)距警沖標(biāo)3.5m的標(biāo)準(zhǔn)，是根據(jù)國鐵機(jī)車車輛條件制定的，其主要取決于車輛頭/尾端與鄰近第一輪對軸心距離，由于城軌車輛有別于國鐵車輛參數(shù)，關(guān)于城市軌道交通超限絕緣的標(biāo)準(zhǔn)，建議根據(jù)城軌車輛的實(shí)際情況出臺適應(yīng)新的標(biāo)準(zhǔn)，以保證整個信號系統(tǒng)的效率最大化。

6.2 模擬占用

從國內(nèi)CBTC信號系統(tǒng)實(shí)際應(yīng)用情況來看，聯(lián)鎖軟件現(xiàn)場測試次數(shù)較多，在測試的過程中，對區(qū)段模擬占用的需求較大，目前多數(shù)通過插拔繼電器或連接線的方式來實(shí)現(xiàn)區(qū)段的模擬占用，這兩種方式均不科學(xué)、不可靠，存在較大風(fēng)險。

6.3 計(jì)軸設(shè)備故障時對CBTC的影響

在CBTC模式下，列車定位完全依靠列車自身定位計(jì)算而來，不需依靠計(jì)軸來對列車位置進(jìn)行檢測；作為CBTC信號系統(tǒng)后備模式下的列車位置檢測設(shè)備，在其故障時對CBTC系統(tǒng)的影響，各廠家處置方式各有不同，主要?dú)w納為以下幾類：

6.3.1 對CBTC進(jìn)路的影響

完全不影響。無論是普通區(qū)段故障，還是道岔區(qū)段故障，還是連續(xù)多個區(qū)段故障，CBTC系統(tǒng)計(jì)算確保計(jì)軸故障區(qū)段無車占用，將不影響CBTC進(jìn)路和CBTC列車的運(yùn)行。此解決方案讓計(jì)軸設(shè)備成為真正意義上的后備模式。

有條件影響。計(jì)軸區(qū)段在某種特定的情況下故障，如連續(xù)幾個區(qū)段順序依次故障或道岔位置在反位且該道岔區(qū)段故障等情況下，影響CBTC進(jìn)路及列車通過。代表性廠家：卡斯柯、浙大網(wǎng)新等。

無條件影響。任一區(qū)段故障，均影響通過該區(qū)段的CBTC進(jìn)路和列車通過。該方案為非常保守的CBTC系統(tǒng)解決方案，大大降低了整個CBTC信號系統(tǒng)的可用性，故障時對運(yùn)營行車組織影響較大。

建議：結(jié)合國內(nèi)城市軌道交通現(xiàn)狀，客流大、運(yùn)行密度大、對系統(tǒng)可靠性要求高，在確保系統(tǒng)安全的前提下推薦“完全無影響”解決方案

6.3.2 計(jì)軸故障對道岔轉(zhuǎn)換的影響

不影響道岔轉(zhuǎn)換。當(dāng)?shù)啦韰^(qū)段故障，CBTC系統(tǒng)計(jì)算確保該故障區(qū)段無車占用時，聯(lián)鎖允許其操動道岔。

影響道岔轉(zhuǎn)換。當(dāng)?shù)啦韰^(qū)段故障聯(lián)鎖不允許其操動道岔。為盡可能降低折返站的影響方位，此方案可采取一下彌補(bǔ)措施：

（1）道岔區(qū)段疊加軌道電路；

（2）系統(tǒng)增加道岔強(qiáng)制轉(zhuǎn)換功能，設(shè)置操作口令/密碼（此項(xiàng)措施有悖于鐵路信號設(shè)計(jì)規(guī)范，在城市軌道交通中的有實(shí)際應(yīng)用案例，建議研究論證后實(shí)施）。

7 結(jié)束語

隨著城市軌道交通行業(yè)迅速發(fā)展，給人們帶來便利的同時，也給城市軌道交通運(yùn)營提出了更高的要求，如何保證CBTC信號系統(tǒng)的安全穩(wěn)定可靠運(yùn)行，處理后備模式下計(jì)軸與CBTC主系統(tǒng)之間的關(guān)系，各廠家提供的解決方案有較大提升空間，在設(shè)計(jì)規(guī)范、系統(tǒng)安全評估、現(xiàn)場實(shí)際應(yīng)用等方面仍值得探討和研究。

[1]《地鐵設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB50157-2003）.

[2]《鐵路信號計(jì)軸設(shè)備通用技術(shù)條件》（TBT2296-2011）.

[3]周應(yīng)覺.計(jì)軸設(shè)備在中國的發(fā)展.

U239.5

A

1004-7344（2016）17-0123-02

2016-6-1

張平（1983-），男，工程師，本科，主要從事地鐵信號技術(shù)管理方面工作。