計軸在城市軌道交通信號系統中的應用研究

張平

（成都地鐵運營有限公司 四川成都 610000）

計軸在城市軌道交通信號系統中的應用研究

張平

（成都地鐵運營有限公司 四川成都 610000）

隨城市軌道交通行業迅速發展，人們日常出行對其依賴日益突出，對軌道交通信號系統的可靠度提出了更高的期望和要求。計軸技術為信號系統檢測列車位置常用解決方案，在城市軌道交通CBTC信號系統中應用廣泛，作為CBTC系統后備模式下的列車位置檢測設備，其在保障信號系統整體可靠、穩定運行方面起到了至關重要的作用，本文主要從計軸設備概述、組成、原理及設計、應用、維保等方面進行分析。

計軸；CBTC；原理；后備模式；應用

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

1 計軸概述

在19世紀初，歐洲的德國、瑞士等大量敷設鋼枕，因無法采用常規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軸設備。與工業發展的過程一樣，計軸設備的發展也經歷了機械式、光電式、永磁式、電子式和微電子式的更新換代，但基本工作原理是相同的。①采集車輪信息；②對車輪信息進行處理和運算；③根據運算結果給出區段的空閑/占用信息；各種計軸設備的主要差異在于采集車輪信息的方式不同。

2 計軸構成

計軸設備其構成主要包括室內計軸主機、狀態輸出單元、室外輪軸檢測器（磁頭）；計軸主機接收處理車輪信息，計算區段占用/空閑信息，狀態輸出單元將主機計算結果（多數采用驅動繼電器方式）送至聯鎖設備，輪軸檢測器用來檢測車輪輪軸信息，包括通過方向、通過輪軸數量。

3 工作原理

3.1 計軸主機

計軸主機通過獲取各區段室外輪軸檢測器（磁頭）數據信息，即進入（+1）/出清（-1）區段軸數，當計入（進入）數等于計出（出清）數時，區段顯示空閑，反之為占用。

說明：

（1）計軸主機檢測磁頭、電纜線路等異常時則給出故障告警，并給出占用信息；

（2）當計軸主機檢測相應區段為負軸，此時若有對應數量輪對進入該區段，系統不會計算該區段為“出清”狀態，且會診斷為故障。

3.2 輸出狀態單元

計軸與聯鎖大多采用繼電電路接口，計軸輸出狀態單元根據計軸主機對各區段的計算結果，輸出高/低電平，驅動對應區段軌道繼電器，聯鎖采集軌道繼電器狀態，從而獲得各區段的占用/空閑狀態。

3.3 室外輪軸檢測器（磁頭）

典型的計軸磁頭每套包括兩個發送磁頭和兩個接收磁頭，發送磁頭安裝在軌道外側，接收磁頭安裝在軌道內側，并與相應的發送磁頭一一對應，內接收磁頭部為繞制在鐵芯上的線圈，兩組發送線圈中，因電流的頻率各不相同，他們產生的交變磁場使接收線圈產生感應電壓。當有車輪輪緣壓在鋼軌上時，接收線圈產生的感應電壓的相位反轉180度，系統可根據其相應變化檢測到一個軸。

沒有車輪時，車輪距離磁頭中心超過200mm，發送線圈產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，導致接收線圈中產生與發送線圈的電壓相位相同的感應交流電壓。

車輪距磁頭中心線約200mm的位置時，發送線圈產生的磁力線垂直穿過接收線圈，這樣，接收線圈的感應電壓變為零。車輪到達磁頭上方，發送線圈產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為-A，那么從接收線圈中產生的感應交流電壓較發送線圈的電壓相位發轉了180度。車輪經過計軸時磁感應線變化情況如圖1所示。

圖1

4 計軸復位

4.1 計軸復位類型

根據各計軸廠家所提供技術條件，將計軸復位方式歸納為以下四種方式：

4.1.1 無條件復零

一旦接收到復零命令，計軸檢查設備自身無禁止復零的技術條件，例如持續故障等，區段直接復零，立即給出區段空閑指示。

4.1.2 有條件復零

一旦接收到復零命令，計軸檢查設備自身無禁止復零的技術條件，例如持續故障等，當區間處于正確占用狀態時，計軸設備收到復零命令后會檢查區段最后的進出軸狀態（如果區段最后一軸是進軸，那么系統不允許復位；如果區段最后一軸是出軸，那么系統允許復位）。只有條件滿足計軸設備才能給出區段空閑指示；當區間受干擾時，將不考慮最后一次計數，直接執行復位。

4.1.3 預復零

一旦接收到復零命令，計軸檢查設備自身無禁止復零的技術條件，例如持續故障等。隨第一列車運行通過該區間。計軸設備將檢查檢測點的正確運行，當進入和離開該區間的計軸數相同時，計軸設備才會給出區段空閑指示，完成復零。

4.1.4 帶確認的預復零

一旦接收到復零命令，計軸檢查設備自身無禁止復零的技術條件，例如持續故障等。隨后須經一列車通過區間，同時要求人為確認列車正確運行通過出清該區段，隨后向計軸發送一個確認命令。計軸設備檢查檢測點的正確運行，如果能夠正確計算進入和離開該區間的軸數，當接收到確認命令時，計軸設備給出區段空閑指示。

4.2 優缺對比

表1

4.3 綜合分析建議

從國內城軌運營維保情況來看，各均設有車站值班員，且信號人員并非常駐每個集中/聯鎖站，考慮故障復零的及時性和安全性，建議：

（1）直接復零和預復零方式各選一種；

（2）同時建議采用無條件復零與預復零方式，分別設置于信號設備室內和車控室IBP盤上。

5 計軸設備特點

（1）計軸設備安裝簡單，其狀態不受鋼軌、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）建設成本相對較高，運營維護工作量較小；

（4）對軌道區段長度沒有限制；

（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用探討

6.1 超限絕緣

常見的超限絕緣有兩種：①當某一道岔區段與相鄰軌道區段的絕緣節到該道岔警沖標距離小于3.5m時，此絕緣節為超限絕緣，經過該道岔區段辦理進路時必須檢查相鄰區段的空閑條件；②某一道岔區段與相鄰道岔區段的絕緣節到該道岔警沖標距離小于3.5m，當相鄰區段的道岔開通本道岔區段或道岔失去表示時，該絕緣節為超限絕緣；當道岔不開通本區段時，該絕緣節就不是超限絕緣，即根據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，計軸點的設置位置考慮諸多因素，造成道岔區段計軸點與警沖標距離難免小于3.5m；關于絕緣節距警沖標3.5m的標準，是根據國鐵機車車輛條件制定的，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，關于城市軌道交通超限絕緣的標準，建議根據城軌車輛的實際情況出臺適應新的標準，以保證整個信號系統的效率最大化。

6.2 模擬占用

從國內CBTC信號系統實際應用情況來看，聯鎖軟件現場測試次數較多，在測試的過程中，對區段模擬占用的需求較大，目前多數通過插拔繼電器或連接線的方式來實現區段的模擬占用，這兩種方式均不科學、不可靠，存在較大風險。

6.3 計軸設備故障時對CBTC的影響

在CBTC模式下，列車定位完全依靠列車自身定位計算而來，不需依靠計軸來對列車位置進行檢測；作為CBTC信號系統后備模式下的列車位置檢測設備，在其故障時對CBTC系統的影響，各廠家處置方式各有不同，主要歸納為以下幾類：

6.3.1 對CBTC進路的影響

完全不影響。無論是普通區段故障，還是道岔區段故障，還是連續多個區段故障，CBTC系統計算確保計軸故障區段無車占用，將不影響CBTC進路和CBTC列車的運行。此解決方案讓計軸設備成為真正意義上的后備模式。

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

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

建議：結合國內城市軌道交通現狀，客流大、運行密度大、對系統可靠性要求高，在確保系統安全的前提下推薦“完全無影響”解決方案

6.3.2 計軸故障對道岔轉換的影響

不影響道岔轉換。當道岔區段故障，CBTC系統計算確保該故障區段無車占用時，聯鎖允許其操動道岔。

影響道岔轉換。當道岔區段故障聯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措施：

（1）道岔區段疊加軌道電路；

（2）系統增加道岔強制轉換功能，設置操作口令/密碼（此項措施有悖于鐵路信號設計規范，在城市軌道交通中的有實際應用案例，建議研究論證后實施）。

7 結束語

隨著城市軌道交通行業迅速發展，給人們帶來便利的同時，也給城市軌道交通運營提出了更高的要求，如何保證CBTC信號系統的安全穩定可靠運行，處理后備模式下計軸與CBTC主系統之間的關系，各廠家提供的解決方案有較大提升空間，在設計規范、系統安全評估、現場實際應用等方面仍值得探討和研究。

[1]《地鐵設計規范》（GB50157-2003）.

[2]《鐵路信號計軸設備通用技術條件》（TBT2296-2011）.

[3]周應覺.計軸設備在中國的發展.

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管理方面工作。