中低速磁浮信號與道岔接口方案對比分析

張寶華

(中鐵磁浮交通投資建設有限公司 湖北武漢 430060)

1 引言

隨著軌道交通形式和市場需求的多樣化，中低速磁浮交通在國內得到越來越多的應用，國內已開通運營的項目包括北京磁浮S1線和長沙磁浮快線[1]，正在建設的項目包括清遠磁浮旅游專線和鳳凰磁浮文化旅游線。

中低速磁浮道岔為整體軌道梁移動方式，由垛梁、關節軌道梁、驅動裝置和鎖定裝置、控制系統等構成[2－3](見圖1)，與輪軌交通的道岔區別較大。道岔可通過自身的控制系統現地人工操作，也可通過與信號聯鎖系統接口，實現遠程集中控制。

圖1 中低速磁浮關節型軌道梁道岔

基于中低速磁浮道岔的特點，中低速磁浮信號聯鎖系統對磁浮道岔控制方式與輪軌道岔有著較大區別[4]。正常情況下，信號聯鎖系統通過接口下達道岔動作命令、接收道岔表示信息等[5]；道岔系統負責接收信號動作指令，控制道岔的轉轍、反饋道岔位置信息等。在運營維護或者故障情況下，道岔可轉為現地人工控制，雙方通過接口電路實現請權、授權、安全監督等過程。部分項目會將道岔運行狀態監測信息通過通信接口納入信號集中監測系統集中管理[6]。

本文以國內已實施中低速磁浮項目為案例，分析案例中接口設計方案的特點和差異，取長補短，為其他同類項目的設計方案優化奠定基礎。

2 案例A道岔接口方案分析

2.1 接口概述

案例A信號系統與道岔系統的接口電路采用典型繼電器硬線接口方式，雙方接口信息相對較少，具體接口信息見圖2。道岔控制柜端接口電路和控制電路均采用鐵路信號安全型繼電器。

圖2 案例A－信號與道岔接口信息示意

案例A道岔控制模式主要包括集中控制模式、現地控制模式[7]和維修模式。接口電路主要包括道岔動作接口部分、表示接口部分和控制模式轉換接口部分。

2.2 動作和表示接口

案例A道岔動作接口方案原理見圖3所示。

圖3 案例A－道岔動作接口示意

案例A道岔動作和表示接口方案主要設計特點如下:

(1)道岔定位操作(DCJ)、反位操作(FCJ)指令在檢查聯鎖允許操作(YCJ)、道岔區段空閑(GJ)條件后，通過接口電路傳遞至道岔控制柜端，直接啟動道岔轉換。

(2)通過現地道岔位置檢測行程開關接點構成現地道岔表示繼電器回路，再由現地道岔表示繼電器接點將道岔表示信息傳遞給信號聯鎖系統。

2.3 控制模式轉換接口

案例A道岔控制模式轉換接口方案原理見圖4。

圖4 案例A－道岔模式接口示意

案例A模式轉換接口方案主要設計特點如下:

(1)電路僅完成集中控制模式和現地控制模式之間轉換和狀態表示，道岔“維修模式”與聯鎖系統沒有接口，相關安全由人工保證。

道岔轉換為“現地控制模式”時電路執行過程:現場轉換開關閉合→現地請求繼電器QQJ↓→室內請求繼電器QQJ↓→聯鎖采集請求信息→控制臺人工確認→聯鎖驅動室內同意繼電器TYJ↑→現地同意繼電器JTYJ↑→現地模式狀態繼電器JTYJa↑并自?！覂菾TYJa↑→聯鎖采集JTYJa信息→室內TYJ↓→現地JTYJ↓→系統進入現地模式。

道岔恢復“集中控制模式”時電路執行過程:現場轉換開關斷開→現地JTYJa↓/現地QQJ↑→室內JTYJa↓/室內QQJ↑→系統恢復集中控制模式。

(2)現地模式狀態繼電器(JTYa)設置在道岔控制柜端，集中模式下為落下狀態，現地模式時吸起。JTYa吸起后，由現地JTYa接點切斷道岔動作指令接口電路?，F地JTYa信息通過接口復示至信號聯鎖系統。

3 案例B道岔接口方案分析

3.1 接口概述

案例B信號系統與道岔系統的接口電路同樣采用典型繼電器硬線接口方式，但雙方交換的接口信息相對較多，具體接口信息見圖5所示。道岔控制柜端內接口電路采用鐵路信號安全型繼電器，其他控制電路采用歐姆龍小型安全繼電器。

圖5 案例B－道岔接口信息示意

案例B道岔控制模式除通常的集中控制模式和現地控制模式外，還包括現地強控模式和IBP應急控制模式。接口電路主要包括道岔啟動控制接口部分、表示接口部分、控制模式轉換接口部分、IBP盤應急控制接口部分。

3.2 啟動控制接口

案例B道岔啟動控制接口方案原理見圖6。

圖6 案例B－道岔啟動控制接口示意

案例B道岔啟動控制接口方案主要設計特點如下:

(1)道岔啟動控制接口參考輪軌道岔接口電路和技術原則，道岔動作指令經過多級啟動電路傳遞至道岔控制柜端，實現多項道岔控制技術條件的檢查。

道岔啟動電路執行過程:聯鎖系統驅動定操繼電器DCJ/反操繼電器FCJ↑→檢查道岔區段空閑GJ↑/道岔未鎖閉SFJ↑→1道岔啟動繼電器1DQJ↑并自保→2道岔啟動繼電器2DQJ轉極→動作指令傳遞給道岔端中位操作繼電器NCJ/右位操作繼電器RCJ↑→道岔開始轉轍。

1DQJ 3-4線圈，負責接收聯鎖“定操”、“反操”指令，檢查道岔區未鎖閉聯鎖條件，實現“道岔處于鎖閉狀態時道岔不能轉換”的道岔控制技術原則[8]。1DQJ 1-2線圈負責自保和啟動電路切斷。

道岔啟動電路中2DQJ，利用其極性保持特性將道岔動作指令不間斷傳遞給道岔端，而非由DCJ/FCJ直接傳遞給道岔端，實現“道岔一經啟動即使有車進入也繼續轉換到底”、“道岔在所需的位置時道岔操作指令不會傳給道岔控制系統”的技術原則。

(2)聯鎖系統的鎖閉防護繼電器(SFJ)，除用于常規的安全檢查外，還通過接口電路遠程控制道岔控制柜端道岔動作電源的接通和斷開，實現“道岔轉轍完成后切斷道岔控制柜動作電源”的技術原則。

(3)設置啟動切斷繼電器(QDJ)，負責實現“道岔啟動電路動作后因故無法轉換時，應切斷啟動電路”的技術原則。

在1DQJ吸起后，接通包括阻容RC和QDJ線圈的回路，通過電容C和電阻R規格選擇，控制回路放電時間，從而控制QDJ吸起時間約6.5 s，與道岔解鎖時間4.5～5 s相匹配。電路中的監督繼電器(JDJ)在道岔梁開始移動時吸起，道岔梁移動到位后落下。在道岔解鎖時間內，道岔失去表示，JDJ落下，QDJ自保電路不會構成，由電容C放電保持QDJ吸起，道岔解鎖完成、道岔梁開始移動后，JDJ吸起，QDJ自保回路構成，直至道岔梁移動到位、JDJ落下。如在6.5 s時間內，JDJ未能吸起，則判斷道岔未能按指令動作，QDJ落下，切斷1QDJ自保電路，從而切斷動作指令傳遞到道岔端。

3.3 表示接口

案例B道岔表示接口方案主要設計特點如下:

(1)信號聯鎖端道岔位置表示繼電器直接通過檢測道岔位置的冗余行程開關接點構成接口回路[9]，減少了現地設置表示中繼電器的環節。

(2)設置監督繼電器(JDJ)，通過轉轍電機搖臂基座上的行程開關檢測道岔梁的啟動和到位，用于判斷道岔在動作指令發出后是否因故未啟動，并在道岔故障時通過相關電路中止道岔啟動電路。

3.4 控制模式轉換接口

案例B道岔模式轉換接口方案原理見圖7。

圖7 案例B－道岔模式轉換接口示意

案例B道岔模式轉換接口方案主要設計特點如下:

(1)道岔由集中控制模式轉換至現地控制模式，除常規的請求和授權過程外，要求聯鎖先對道岔進行“封閉”操作后，才能使“同意授權”按鈕。

(2)具備“強控模式”接口。道岔強控模式為無需聯鎖系統授權，道岔即可實現現地控制功能的模式。

強控模式轉換過程:道岔控制柜端轉動“強控開關”，通過接口電路，室內強控繼電器(QKJ)吸起，控制臺“強控燈”亮起，切斷集中狀態繼電器(JZZJ)電路，控制臺“集中燈”滅，道岔即進入強控模式。

(3)JZZJ設置在聯鎖端，常態為吸起狀態，表示系統處于集中控制模式。系統進入現地控制模式、強控模式、IBP盤應急控制模式時，都將切斷JZZJ回路。JZZJ落下后，一是由室內JZZJ負責切斷聯鎖道岔動作指令接口回路；二是由其后接點接通道岔控制柜端鎖閉防護復示繼電器(SFJF)，從而在非集中控制模式下接通道岔控制柜內的動作電源。室內JZZJ信息通過接口電路復示至道岔控制端。

3.5 IBP盤應急控制電路

案例B道岔IBP盤應急控制接口方案原理見圖8。

圖8 案例B－道岔IBP盤應急控制接口示意

IBP盤應急控制模式相當于計算機聯鎖應用初期的“道岔應急盤”功能。在發生特殊故障而無法通過聯鎖進路或控制臺操作道岔時，通過操作IBP盤上的相關按鈕，越過聯鎖啟動控制接口電路而直接遠程控制道岔轉換。IBP盤應急控制電路疊加在既有道岔動作接口之上，無需額外接口線纜。

IBP盤應急控制過程:IBP盤上設置道岔應急操作允許按鈕、道岔定位操作按鈕和道岔反位操作按鈕。當需要應急操作時，同時按下“應急＋定操”或“應急＋反操”按鈕，并保持按下狀態，道岔開始轉換，道岔轉換到位、控制臺表示信息返回后可松開應急操作按鈕。

4 方案優缺點分析和比較

4.1 方案比較

經前文的論述和分析，案例A和案例B兩個方案的主要特性比較見表1。

表1 中低速磁浮信號與道岔接口方案比較

4.2 案例A道岔接口優缺點分析

案例A的現地道岔控制系統相對獨立，承擔較多安全防護責任。接口方案簡潔直觀，便于調試和運營維護，滿足中低速磁浮交通對道岔的控制需求。但對特殊條件下道岔控制安全防護未作更多考慮，主要包括:

(1)道岔動作指令經接口電路傳遞至道岔柜端后，如果道岔因故未能啟動或者轉轍至中途故障，方案無切斷道岔動作指令功能。由于磁浮道岔采用大量機械行程開關、繼電器進行控制，如果道岔轉轍因故中斷，存在由于震動等原因造成故障消失而再次轉轍的可能，可能危及行車或軌旁運維人員安全。

(2)現地通過鑰匙開關強行進入不經授權的“維修模式”時，由于無相關接口，聯鎖不能顯示當前道岔控制狀態及控制道岔動作指令的輸出，相關安全完全由人工保證。

(3)現地模式狀態繼電器(JTYa)在正常模式下為落下狀態，如在現地控制模式下因故引起JTYa落下，會接通道岔動作接口回路，聯鎖端也會失去現地控制模式表示，存在信號聯鎖端意外操作道岔的風險。

4.3 案例B道岔接口優缺點分析

案例B更多地將信號聯鎖系統和道岔控制系統作為整體考慮接口安全原則，接口電路參考傳統輪軌道岔接口控制理念和電路設計，在滿足中低速磁浮對道岔控制需求的前提下，對特殊情況下的安全防護考慮較多。聯鎖系統防護道岔動作電源的通斷功能、道岔啟動后發生故障時切斷啟動控制接口電路功能、道岔強控模式接口功能等都進一步保證了道岔控制的安全性，IBP應急控制功能為緊急情況下的運營故障處理多提供了一種手段。但該方案經工程驗證也存在一些不足，主要包括:

(1)道岔多級啟動電路較為復雜，對系統調試和運營維護較為不利。例如多級啟動電路的2DQJ采用有極繼電器，繼電器兩個極性分別對應道岔的定、反位，實際使用中，如道岔轉轍中途因故中斷，在故障排除后，存在2DQJ極性錯誤、需要人工恢復的問題。

(2)通過檢測道岔梁的移動位置來判斷道岔動作指令發出后是否因故未轉換，從而切斷道岔啟動電路的方式無法同時適用于單開道岔和三開道岔。

(3)方案中用鎖閉防護繼電器(SFJ)防護道岔控制柜端的道岔動作電源，道岔轉換過程中如果有列車駛入，會使SFJ落下，從而切斷道岔控制柜端動作電源，道岔無法繼續轉換，這使得“道岔一經啟動即使有車進入也繼續轉換到底”的原技術原則無法實現，也讓多級啟動電路的設計失去了意義。在輪軌交通中，“道岔一經啟動即使有車進入也繼續轉換到底”的原則是為了防護在道岔轉轍過程中發生列車冒進道岔區而脫軌的情形[10]。磁浮道岔為關節式軌道梁道岔，道岔非開向側為斷軌形式，如列車冒進道岔區段，危險程度取決列車位置、速度等，道岔繼續轉換不會更有利于行車安全，此情形更應由列車自動防護系統來保證行車安全。

(4)道岔啟動切斷繼電器(QDJ)勵磁回路采用電容充放電方式，一是長期使用存在電容容量變化、放電時間不滿足設計要求的可能；二是QDJ的緩放特性對道岔啟動電路的時序造成影響，特殊情況下會造成道岔轉轍故障[11]。在QDJ自?；芈非袛嗪?，QDJ因線圈中串接電容，需經6.5 s緩放后方能落下，然后1DQJ落下，道岔啟動電路方能復原。實際使用中，如果道岔在較短間隔內進行連續操作，由于前一次操作的道岔啟動電路尚未復原，會發生道岔轉換中途被切斷故障。

5 結論和建議

中低速磁浮道岔是關系行車安全的重要設備，信號系統與道岔系統的接口國內尚無統一的標準，已實施項目的信號系統與道岔系統接口方案總體上滿足對磁浮道岔控制和基本安全防護需求，但在技術原則和實現方法上存在較大差異，在安全防護原則、接口電路設計等方面存在優化的余地。

結合各方案的優勢和不足，本文提出下列接口方案優化原則性建議，供其他同類工程借鑒，以促進中低速磁浮交通相關技術標準的完善。

(1)建議進一步優化信號與道岔接口電路，提高可靠性，減少故障點，便于運營維護。采用多級啟動電路的必要性不足。

(2)建議接口電路考慮在道岔動作指令發出后因故無法轉換、或者在規定時間內未能轉換到位時，切斷動作接口電路，避免道岔意外二次啟動，危及行車或軌旁運維人員安全。

(3)建議接口電路中包含“強控模式”或者“維修模式”相關接口，系統進入上述模式時，聯鎖系統應能給出模式狀態指示，并關閉相關進路信號，禁止輸出道岔動作指令。

(4)建議監督道岔控制模式狀態的繼電器按常態吸起設計，會更加符合故障－安全原則[12]。

(5)建議道岔控制系統的道岔運行狀態監測信息應統一納入信號集中監測系統管理，便于運營維護和故障處理。

(6)建議將IBP盤應急控制道岔功能作為可選功能，根據接口電路的成熟度、運營需求選擇配置。

(7)建議磁浮道岔接口電路中不必完全遵循輪軌道岔控制技術條件，應根據磁浮道岔的特點確定適用的接口控制技術原則。