整體梁型跨座式單軌道岔電控系統的設計研究

李琦

摘 要：道岔是跨座式單軌系統的三大關鍵技術之一，道岔電控系統的可靠性和安全性對整個道岔起著至關重要的作用。本文在對整體梁型跨座式單軌道岔的結構及工作原理進行簡單介紹的基礎上對道岔電控系統的設計研究進行了闡述。本次設計研發使用了道岔故障在線診斷系統，實現了道岔各關鍵部件從計劃性到狀態修的突破。增設了在人工駕駛模式下的道岔的位置與鎖閉信息自檢功能，安全性得到了大幅度的提升。在電控系統設計研究的過程中，首先選用高精度的伺服系統作為驅動裝置的控制方式。但在調試階段發現，該方案不能精準地控制道岔梁活動端在每次轉轍后的位置。通過現場的不斷試驗，將控制點從驅動裝置改為終端。即在設計中增設道岔梁在終端處控制點（梁減速傳感器和梁到位傳感器）。較好地解決了閉環伺服方案在試驗中所發現的問題。并在實際項目中得到了良好的應用，有一定的推廣價值。

關鍵詞：跨座式單軌道岔;電控系統;故障在線診斷

中圖分類號：U213.6 文獻標識碼：A

1 整體梁型跨座式單軌道岔的結構及工作原理

跨座式單軌道岔從結構形式上可分為節段梁型和整體梁型兩種，其中節段梁型道岔已應用在重慶跨座式單軌交通系統中。整體梁型道岔又可分為樞軸型和換梁型兩類，此類型道岔將應用在蕪湖跨座式單軌交通系統中。以整體梁型道岔為例，道岔主要由道岔梁、轉轍驅動裝置、鎖定裝置、臺車、尾軸、底板、軌道以及電氣控制系統等部分組成。

其工作原理為：在集中控制模式下，當道岔收到轉轍信號后，鎖定裝置的電動推桿帶動鎖銷收回。當道岔解鎖后，驅動裝置的電動推桿驅動道岔梁轉動。當道岔轉轍到位后，鎖定裝置的電動推桿帶動鎖銷伸出，此時道岔鎖定在給定位置的信息傳至中控室，允許車輛正常通車。

2 電控系統概述

道岔電控系統包括驅動控制、鎖銷控制、狀態檢測及手動操作等，它負責對道岔各部件進行控制和監測，即按照信號系統發出的轉動指令，完成道岔的鎖銷解鎖、道岔梁轉動、鎖銷鎖定、檢測等作業，并將道岔的狀態信息實時反饋給信號系統，保證道岔系統能夠安全、高效地運行。

本次設計的道岔電控系統研發使用了故障在線診斷系統，智能化水平大幅度提升。并增設了在人工駕駛模式下的道岔的位置及鎖閉信息自檢功能，極大提升了系統的安全性及可靠性。電控系統的程序編制采用模塊化編程思路，一套程序適用于不同類型的換梁型及樞軸型道岔，效率更高、可維護性更好。系統支持RS485、MODBUS以及TCP/IP等多種通訊協議，系統兼容性更好。在道岔控制柜內設人機交互式觸摸屏，人機界面更加友好，可擴展性更強。

道岔的控制方式分為集中控制、本地控制以及手動控制三種模式，有且僅有一種控制方式有效。道岔電控系統的邏輯流程圖如圖1所示。

3 關鍵技術及創新點

3.1 增設了故障在線診斷系統

本次設計研究研發使用了故障在線診斷系統，通過基于神經網絡的圖像識別技術實現了對道岔的鎖銷狀態，接縫板與走行面的平齊狀態，推桿、連桿、驅動安裝座處的螺栓狀態等關鍵部件的智能化實時監測，實現了從計劃修到狀態修的突破。通過基于傳感器采集技術及MFC框架平臺對道岔在轉轍過程中道岔梁的振動、噪聲以及電機的各項參數進行歸納匯總并描繪出樣條分析曲線，實現了線路所有道岔的系統化與網絡化管理及道岔設備的全壽命周期管理，為智能運維的實現奠定了基礎。

3.2 增設了獨立的發光警示裝置及標簽控制單元

當信號系統失效時，列車將由全自動駕駛模式轉為人工駕駛模式，在人工駕駛模式下，常規的電控設計并沒有可行的有效措施確保列車通過道岔時的可靠性及安全性，存在一定的安全隱患。為了保證行車安全，提高智能化水平。本次研究設計的道岔電控系統增設了獨立的發光警示裝置及標簽控制單元，不受信號系統的影響。

其中樞軸型道岔的發光警示裝置安裝于活動端固定段的走行面上，換梁型道岔的發光警示裝置安裝于樞軸端固定段的走行面上。發光警示裝置內部由4個發光區域組成，2紅2綠，其能見度不低于100 m，并以1 Hz 的頻率閃爍。當道岔鎖閉在列車行進方向的相應位置時，駕駛員觀察到的發光警示裝置為綠色，可安全通行。當道岔異常或未鎖閉到位時，發光警示裝置為紅色，禁止通行。

標簽控制單元由道岔狀態分析柜、信標裝置及車載設備等組成，道岔狀態分析柜就近安裝在道岔控制柜旁，并在距道岔端部200 m左右的位置增設信標裝置。當信號系統失效，車輛在人工駕駛模式下，若道岔未鎖閉在列車行進方向的規定位置，在電控系統的邏輯判斷下，信標裝置將觸發經過此處的列車緊急制動，避免車輛沖出道岔等意外事故發生。

3.3 模塊化的程序編制

在電控系統的程序編制方面采用了模塊化的編程思路，較線性編程而言更簡潔，邏輯性更強。在編程過程中考慮了不同類型的換梁型道岔及樞軸型道岔在控制邏輯上的共性及差異，研發出了一套綜合程度較高、包容性較強的程序。一套程序即可適用于不同類型的道岔，無需為不同類型道岔上載不同的程序，降低了出錯率、提高了工作效率，使后期的可維護性更便捷。

4 存在問題及改進措施

在整體梁型跨座式單軌道岔電控系統國產化設計研究的初期階段，選用伺服系統作為驅動裝置的控制方式，利用閉環伺服系統具有高精度的特性，通過伺服電機的脈沖來控制電動推桿的動作。但在調試階段發現，這種利用閉環伺服系統的控制方式雖然精準地控制了電動推桿的運動行程，但不能精準地控制道岔梁活動端在每次轉轍后的位置。以至于當道岔轉轍到位后，鎖銷在鎖閉過程中有較為明顯的撞擊聲（鎖銷與鎖銷槽碰撞時發出的聲音）。經過多次的試驗后發現，在不同溫度下，道岔梁活動端在每次轉轍后的位置存在差異。通過研究分析后得出造成此現象的原因如下：

雖然閉環伺服系統有極高的精確度，但是驅動裝置大致位于整個道岔梁的中部，加之制造誤差、安裝誤差以及道岔在轉轍過程中的一些不可控因素（例如：“旁彎”，由于道岔梁整體為箱型鋼結構，且道岔的使用環境在室外，當環境溫度變化時易引起道岔梁的“旁彎”，且形變不可控），即便精準地控制了驅動裝置電動推桿的行程，也不能很好地控制終端處道岔梁活動端的位置。控制點不在終端導致誤差在終端處被放大且不可控。

通過試驗得出的結論，在設計中增設道岔梁在終端處控制點（梁減速傳感器和梁到位傳感器）。即將控制點從驅動裝置改為終端。該方案經過多次試驗后證實更符合整體梁型跨座式單軌道岔的實際工況，較好地解決了閉環伺服方案在試驗中所發現的問題。

5 結論

截止目前，跨座式單軌交通系統已在我國重慶及世界多個國家建成并運營。重慶軌道交通七號線及蕪湖市跨座式單軌一號線一期和二號線正在建設中。而道岔及道岔電控系統對跨座式單軌交通系統的安全、可靠性有著密切的聯系。本文就整體梁型跨座式單軌道岔電控系統的設計研究做了闡述。系統增設的故障在線診斷系統、獨立的發光警示裝置及標簽控制單元大大提升了系統的智能化水平及安全性能。并通過試驗的方式發現問題，得出結論，解決問題。并在實際項目中得到了良好的應用，有一定的推廣價值。

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