基于全電子聯(lián)鎖的信號系統(tǒng)與跨座式單軌道岔系統(tǒng)的接口設(shè)計

蔡哲揚

跨座式單軌交通為列車跨坐在預(yù)應(yīng)力梁上運行的交通方式。傳統(tǒng)的基于鋼輪鋼軌的軌道交通線路，信號系統(tǒng)通過控制轉(zhuǎn)轍機轉(zhuǎn)換道岔位置，改變線路開通方向，并且利用轉(zhuǎn)轍機反映道岔開通的定、反位。而跨座式單軌交通，道岔系統(tǒng)是通過直、曲梁的替換改變直、側(cè)向軌道連接，實現(xiàn)單開及渡線功能（換梁式道岔）；或是通過單根直線梁偏轉(zhuǎn)，以折線方式實現(xiàn)軌道梁的不同開向（樞軸式道岔）［1］。跨座式單軌道岔轉(zhuǎn)換見圖1。

圖1 跨座式單軌道岔轉(zhuǎn)換

下面以蕪湖軌道交通1、2 號線跨座式單軌項目為例，介紹跨座式單軌交通的信號系統(tǒng)與道岔系統(tǒng)間特殊的接口設(shè)計，以實現(xiàn)信號系統(tǒng)對單軌道岔梁的轉(zhuǎn)換控制及信息采集。

1 跨座式單軌道岔系統(tǒng)

蕪湖軌道交通跨座式單軌1、2 號線于2016 年底開工建設(shè)，線路全長46.8 km，采用Innovia Monorail 300 型單軌列車和CITYFLO 650 全自動運行信號系統(tǒng)［2］。道岔采用了換梁式和樞軸式2種單軌道岔，每個道岔由1 臺道岔控制柜控制。控制方式分為遠程和本地2 種模式，其中在遠程控制模式下，由信號系統(tǒng)實現(xiàn)道岔開通方向的轉(zhuǎn)換控制。

2 基于全電子的信號聯(lián)鎖系統(tǒng)

全電子信號聯(lián)鎖系統(tǒng)采用模塊化結(jié)構(gòu)設(shè)計，替換了傳統(tǒng)的室內(nèi)繼電組合電路，通過目標(biāo)控制器（OCS）實現(xiàn)對軌旁設(shè)備狀態(tài)的直接采集和控制。OCS 與聯(lián)鎖主機通信，接收聯(lián)鎖主機的控制命令，通過全電子執(zhí)行電路，動作軌旁設(shè)備（如信號機、道岔、站臺門等），同時監(jiān)測軌旁設(shè)備狀態(tài)，實時發(fā)送給聯(lián)鎖主機。

蕪湖跨座式單軌項目采用EBI Lock 950 型基于全電子的計算機聯(lián)鎖系統(tǒng)，該系統(tǒng)采用二乘二取二的安全冗余結(jié)構(gòu)，安全完整性等級為SIL4 級。相比傳統(tǒng)的繼電聯(lián)鎖，具有高可靠性、高可用性、快速響應(yīng)的特點，同時其緊湊的物理空間、模塊化設(shè)計理念，帶來更容易安裝和維護的優(yōu)點。

3 信號聯(lián)鎖與單軌道岔的接口設(shè)計

3.1 設(shè)計原則

1）接口電路的功能設(shè)計符合故障-安全原則。

2）道岔系統(tǒng)應(yīng)保證提供給信號系統(tǒng)的輸入狀態(tài)準(zhǔn)確無誤，且始終與現(xiàn)場實際情況一致。

3）信號系統(tǒng)和道岔接口界面在道岔控制柜控制端子排外側(cè)，接口線纜由信號系統(tǒng)負責(zé)實施。

3.2 接口原理

信號ATS系統(tǒng)發(fā)送進路命令或道岔轉(zhuǎn)動命令給聯(lián)鎖，由聯(lián)鎖通過目標(biāo)控制器，利用電纜與道岔控制柜接口控制道岔動作，并通過道岔控制柜采集道岔位置、轉(zhuǎn)換開關(guān)狀態(tài)以及驅(qū)動使能狀態(tài)，實現(xiàn)對道岔的控制和信息采集。信號系統(tǒng)與道岔系統(tǒng)接口原理見圖2。

圖2 信號系統(tǒng)與道岔系統(tǒng)接口原理

信號系統(tǒng)控制道岔梁的移動并持續(xù)監(jiān)控其狀態(tài)。信號系統(tǒng)只有在采集到道岔鎖閉在正確位置時，方能開通經(jīng)過該道岔的進路，以確保行車安全。

3.3 接口信息

1）道岔控制命令（信號→道岔）。在ATS 辦理進路或?qū)Φ啦韱为毑倏貢r，聯(lián)鎖系統(tǒng)將道岔轉(zhuǎn)換命令發(fā)送至目標(biāo)OCS，OCS 通過驅(qū)動板，將轉(zhuǎn)換命令發(fā)送至道岔控制柜，驅(qū)動電機將道岔轉(zhuǎn)動至相應(yīng)位置。

2）使能狀態(tài)的驅(qū)動及回采（信號←→道岔）。聯(lián)鎖系統(tǒng)在發(fā)送道岔控制命令的同時，給出道岔使能命令，道岔系統(tǒng)利用該命令控制道岔轉(zhuǎn)動的動力輸出。OCS 通過采集板回采道岔控制柜的電機使能狀態(tài)，并上傳到聯(lián)鎖，由聯(lián)鎖判斷道岔控制柜是否接收到正確的道岔驅(qū)動使能命令。

3）道岔位置表示（信號←道岔）。聯(lián)鎖系統(tǒng)通過OCS 采集板獲取道岔位置表示信息，監(jiān)視道岔實際位置及轉(zhuǎn)換結(jié)果。

4）轉(zhuǎn)換開關(guān)狀態(tài)采集（信號←道岔）。道岔控制柜通過OCS 采集板，向聯(lián)鎖提供轉(zhuǎn)換開關(guān)狀態(tài)（遠程/本地），由聯(lián)鎖以此判斷道岔是處于遠程還是本地控制模式。

OCS 通過上述采集自道岔的信息，能夠檢測道岔設(shè)備接口故障，主要有：①聯(lián)鎖未發(fā)送控制命令時，OCS 采集到道岔使能信息；②聯(lián)鎖發(fā)送控制命令時，OCS 未采集到道岔使能信息；③道岔位置表示故障，道岔失表、互斥位置狀態(tài)被同時激活、轉(zhuǎn)動后道岔實際位置與控制命令不符等；④轉(zhuǎn)換開關(guān)狀態(tài)故障，無狀態(tài)采集、互斥狀態(tài)被同時激活；⑤在未發(fā)出控制命令時，監(jiān)測到道岔位置改變。

3.4 換梁式道岔控制和狀態(tài)采集

換梁式道岔由“直梁＋曲梁或曲梁＋曲梁”組成，通過直梁與曲梁的替換，分別連接直向和側(cè)向軌道，實現(xiàn)單開及渡線功能；通過曲梁與曲梁的替換，連接2 個側(cè)向軌道實現(xiàn)對開功能。相比于樞軸式道岔，換梁式道岔允許通過速度較高，常被用于正線及場段部分區(qū)域，可開通定、反位2 個方向。換梁式單軌道岔位置定義見圖3。

如圖3（a）所示為單開或渡線道岔，定義直股為定位，彎股為反位；如圖3（b）所示為對開道岔，定義直股沿線路分歧點，順時針經(jīng)過的第一方向為定位，其余是反位。

圖3 換梁式單軌道岔位置定義

3.4.1 道岔控制命令

對于換梁式道岔，信號系統(tǒng)向道岔系統(tǒng)的輸出命令有定操、反操和使能驅(qū)動3 種。道岔梁定位和反位指令是關(guān)鍵的互斥指令，只有當(dāng)滿足以下條件時，道岔梁向定位位置移動：①信號系統(tǒng)采集道岔位置鎖閉在定位；②信號系統(tǒng)驅(qū)動使能狀態(tài)；③信號系統(tǒng)發(fā)送定位操作命令。

3.4.2 道岔狀態(tài)采集

對于換梁式道岔，信號系統(tǒng)從道岔采集涉及道岔模式（遠程/本地狀態(tài)）、道岔表示（定位/反位）及使能反饋5 種信息。道岔遠程/本地模式狀態(tài)、道岔定位/反位表示狀態(tài)為2 對互斥命令，即當(dāng)且僅當(dāng)二者高低電平不一致時，信號系統(tǒng)才采納其為正確的狀態(tài)輸入。

3.5 樞軸式道岔控制和狀態(tài)采集

樞軸式道岔由單根直線梁構(gòu)成，通過單根直線梁偏轉(zhuǎn)，以折線方式實現(xiàn)軌道梁的不同開向。該類道岔一般常用于場段，類型有單開、對開、三開、四開及渡線，其位置定義見圖4。

圖4 樞軸式單軌道岔位置定義

樞軸式道岔定義直股沿線分歧點，順時針經(jīng)過的第1 方向為位置1，第2 個通過方向為位置2，依此類推，定義各道岔位置。

對于樞軸式道岔，由于其開通方向較多，信號系統(tǒng)與道岔系統(tǒng)需要交換道岔各開通位置的驅(qū)動命令及相對應(yīng)的位置表示信息。與換梁式道岔類似，樞軸式道岔遠程/本地模式狀態(tài)、道岔位置表示狀態(tài)為互斥命令。道岔各位置表示狀態(tài)僅允許其中一個為高電平，其余為低電平，否則均視為無效輸入，判斷為道岔失表。

4 道岔控制模式切換處理

跨座式單軌各類型道岔的控制柜均具有遠程和本地2 種工作模式。當(dāng)?shù)啦硖幱谶h程模式時，能夠?qū)崿F(xiàn)信號系統(tǒng)向道岔系統(tǒng)的信息傳遞；當(dāng)?shù)啦硖幱诒镜啬Ｊ綍r，信號系統(tǒng)需要通過道岔控制柜的現(xiàn)地控制開關(guān)轉(zhuǎn)動道岔。下面重點分析道岔由遠程模式轉(zhuǎn)換至本地模式的運營操作流程，及模式轉(zhuǎn)換后的信號設(shè)備處理流程。

4.1 運營操作流程

如圖5 所示，當(dāng)?shù)啦硇枰獜倪h程模式轉(zhuǎn)換為本地模式時，現(xiàn)場操作員需要在道岔控制柜處聯(lián)系道岔所在聯(lián)鎖區(qū)車站調(diào)度員，提出道岔模式轉(zhuǎn)換申請；車站調(diào)度員獲悉該模式轉(zhuǎn)換申請后，查看本站ATS 界面，確認在線列車位置，同時向中央調(diào)度員發(fā)出道岔轉(zhuǎn)換申請請求；中央調(diào)度員確認該道岔區(qū)域及附近無列車或列車均已停車后，向車站調(diào)度員反饋確認請求；車站操作員按壓設(shè)置于車控室綜合后備盤的道岔授權(quán)按鈕，向室外發(fā)送轉(zhuǎn)換許可；道岔控制柜收到轉(zhuǎn)換許可后，點亮允許轉(zhuǎn)換指示燈，并啟動50 s 的延時（該延時時間根據(jù)各相關(guān)道岔長度、列車車長、道岔側(cè)向通過速度等，選擇最不利情況計算得出，并留有一定余量）；50 s 的延時后，現(xiàn)場操作員可利用現(xiàn)地控制開關(guān)，將道岔從遠程模式切換為本地模式。道岔控制柜的本地指示器亮，允許現(xiàn)場操作員利用本地模式轉(zhuǎn)動道岔。若現(xiàn)地控制開關(guān)退出本地模式，指示器熄滅。

圖5 道岔切換至本地模式的運營操作流程

4.2 設(shè)備處理流程

道岔切換至本地模式的設(shè)備處理流程見圖6。道岔控制柜通過道岔-信號接口，通知OCS 道岔本地模式激活，同時，道岔控制柜不再接受來自信號系統(tǒng)的控制命令及使能輸出。OCS將道岔本地模式轉(zhuǎn)換信息上報給計算機聯(lián)鎖。即使在道岔本地模式下，OCS 也需持續(xù)接收道岔位置及工作模式狀態(tài)。當(dāng)收到OCS發(fā)來的本地模式后，聯(lián)鎖系統(tǒng)立即判定道岔處于遠程封鎖狀態(tài)，停止向道岔發(fā)送控制命令，關(guān)閉相關(guān)進路的始端信號機，同時分別向ATS 和ZC 上報道岔遠程封鎖命令。ATS 根據(jù)聯(lián)鎖系統(tǒng)的信息，停止辦理經(jīng)過本地模式狀態(tài)道岔的進路，并將列車扣停在道岔所在區(qū)間的上游站臺。ZC收到道岔封鎖命令后，激活道岔沖突點，并將此狀態(tài)同時發(fā)送給ATS進行顯示。通過車地?zé)o線通信，撤回道岔區(qū)域列車的移動授權(quán)，避免列車進入道岔區(qū)域。通信列車接收到來自ZC的移動授權(quán)后，根據(jù)列車與道岔區(qū)域的距離遠近，車載ATP/ATO系統(tǒng)觸發(fā)常用或者緊急制動。而非通信列車以信號機狀態(tài)作為行車憑證。若列車避讓不及，侵入道岔區(qū)域，則可在50 s的延時內(nèi)，經(jīng)人工指揮駛離道岔區(qū)域。

圖6 道岔切換至本地模式的設(shè)備處理流程

同樣，在道岔從本地模式切換為遠程模式后，經(jīng)辦理相關(guān)操作，信號系統(tǒng)再次獲得道岔控制命令及使能輸出，道岔控制柜的現(xiàn)地控制開關(guān)將無法控制道岔轉(zhuǎn)動。特別的，在本地模式下的道岔封鎖狀態(tài)，并不會因為道岔控制模式轉(zhuǎn)換而自動恢復(fù)，需要ATS調(diào)度員解除道岔遠程封鎖狀態(tài)。

5 結(jié)論

對于單軌換梁型、樞軸型道岔所需的單開、對開、多開的多種控制命令及采集信息，該接口設(shè)計能夠做到互斥檢查和使能狀態(tài)反饋檢查，運用全電子聯(lián)鎖帶來的高可靠性、易維護性特點，保證信號系統(tǒng)與道岔系統(tǒng)接口的功能和安全要求。

針對道岔控制模式的轉(zhuǎn)換，本文從運營操作和系統(tǒng)防護2 個方面，分析了道岔現(xiàn)地操作切換流程。道岔控制柜模式切換的延時機制，以及現(xiàn)場操作人員各類操作流程限制，保證了道岔現(xiàn)地操作的安全性。同時信號ATP 系統(tǒng)通過回撤移動授權(quán)、聯(lián)鎖系統(tǒng)通過道岔封鎖的方式，保證列車不侵入道岔區(qū)段，最終確保行車安全。