張吉懷高鐵智能道岔融雪系統方案探討

余冠華，衛旭初

（中鐵第四勘察設計院集團有限公司，武漢 430063）

張吉懷高鐵位于湖南省境內，全長約246 km，設計速度350 km/h。北起張家界市，經湘西土家族苗族自治州正線5個車站，芙蓉鎮站、古丈西站、吉首東站、鳳凰站、麻陽西站，南接懷化市，是一條黃金旅游線，也是一條精準扶貧線。由于張吉懷地處湘西，并穿越雪峰山脈，冬季多雪易造成道岔凍結，影響道岔動作，所以中國鐵路總公司發文《關于新建張家界經吉首至懷化鐵路初步設計的批復》（鐵總鑒函[2017]500號），批復“張家界地區、吉首地區車站動車組進路道岔以及懷化南滬昆場新增道岔設置道岔融雪設備。”本文對傳統的道岔融雪系統進行分析，探討將更優的道岔融雪系統應用于張吉懷高鐵工程。

1 傳統的RD1型電加熱道岔融雪系統

傳統的RD1型電加熱道岔融雪系統如圖1所示，由信息通道、電纜、工作站及控制終端、控制柜、鋼軌軌溫傳感器、隔離變壓器、電加熱元件以及安裝卡具等設備組成。該系統有兩種控制方式，手動控制方式是由人工啟動系統和融雪控制柜；自動控制方式的原理是軌溫傳感器感知溫度較低時，自動啟動控制柜所控制的所有道岔融雪設備。

圖1 傳統的RD1型電加熱道岔融雪系統Fig.1 Traditional RD1 type electric point heating system

該系統存在比較明顯的問題是耗電量大。自動控制方式下，一旦遇到降雪天氣，全站所有的道岔融雪加熱設備同時進行工作，其功率極高，達到了全站所有信號系統（包括聯鎖系統、列控系統、調度集中控制系統等）功率總和的6倍，電力增容費用較高。

而且本次張吉懷高鐵不是所有車站都設置了道岔融雪系統，后續有車站，如鳳凰站、麻陽西站需要補充道岔融雪系統的話，外電源擴容將是最重要的制約因素。

2 基于調度的智能道岔融雪傳統系統

2.1 基于調度的智能道岔融雪系統結構

針對傳統的RD1型電加熱道岔融雪系統耗電量大的問題，張吉懷高鐵首次采用了基于調度的智能道岔融雪系統。

基于調度的智能道岔融雪系統結構示意如圖2所示，灰色部分為本次新增或修改的模塊。相比較于傳統的RD1型電加熱道岔融雪系統，基于調度的智能道岔融雪系統在室內控制終端新增了智能控制模塊，實現智能運算和控制；新增接口服務器從行車指揮系統開放的接口服務器獲取列車運行計劃信息，從防災系統開放的接口服務器中獲得氣象信息（包括當前氣溫、雪的大小等信息）；在室外新增雪深監測模塊獲取雪的厚度信息。延續傳統的室外融雪設備（包括控制柜、鋼軌軌溫傳感器、隔離變壓器、電加熱元件及其安裝卡具）不變， 新增的智能控制模塊可以通過軌溫傳感器獲取軌面溫度信息。

圖2 基于調度的智能道岔融雪系統結構示意Fig.2 Structural diagram of dispatching-based intelligent point heating system

2.2 基于調度的智能控制算法

基于調度的智能控制算法流程如圖3所示。智能控制模板通過獲取列車開行計劃數據得到車站道岔動作開啟時序表。特別注意的是，如出現CTC原定進路相關道岔發生異常，須啟用進路其他道岔提前融雪，從而修改相應的道岔動作開啟時序表。Ti={T1,T2,T3,...}，i表示第i個道岔。

圖3 基于調度的智能控制算法流程Fig.3 Flow chart of dispatching-based intelligent control algorithm

對歷史數據進行回歸分析，找到因變量道岔融雪時長與因變量當前氣溫、雪的大小、雪的厚度、軌面溫度之間的關系，即回歸模型。最后根據當前氣溫、雪的大小、雪的厚度、軌面溫度，計算得到當前道岔融雪時長表。Pi={P1,P2,P3,...}。

最后根據Mi+Pi≤Ti，即“道岔開始融雪時間+融雪時長≤道岔動作時間”，得到最優的道岔開始融雪時序表，Mi={M1,M2,M3,...}。

從而保證列車開行至該道岔之前，道岔積雪融化已完畢，同時也不會因為過早開啟加熱而浪費電能。

2.3 基于調度的智能控制效果

以如圖4所示的車站為例，從列車運行計劃得知一列車將以圖4中綠色的進路，從X口接車至5G后，向SF口發車。在全站道岔都處于定位的情況下，只有9#和10#道岔需從定位轉向反位，且9#道岔先轉，10#道岔后轉，而該站內其他道岔可以不用進行轉換。因此當降雪天氣時，只需要對9#和10#道岔進行先后加熱融雪，而對于其他道岔可以不用開啟加熱設備。相比于傳統道岔融雪開啟全站所有道岔加熱設備，本次采用的基于調度的控制方式節省了無需動作道岔的能耗，極大地節省了電能。而且對多個進路內共用的道岔，例如下一趟列車依然是以該綠色進路的方式通過該站，那么9#和10#道岔也不用進行轉換和加熱，由此合理的簡化道岔重復融雪的次數。

圖4 車站信號平面示例Fig.4 Example of station signals plane

據統計，張吉懷高鐵需要上道岔融雪設備的道岔數量為43個，每組道岔功率20 kW。根據2007～2017年國家氣象局資料，湖南省湘西地區平均每年氣溫低于5°C時約為50天，每天啟動融雪系統10 h，按道岔融雪系統每年運行500 h（湖南地區氣溫低于5°C時，啟動融雪系統，10 小時/天，每年約需啟動50天），則傳統模式道岔融雪每年需用電430 000度。采用智能調度融雪預計可節能40%（保守估計），共約節電17.2萬度，折合人民幣約20萬元，其節能減排效果顯著。

3 方案總結

張吉懷高鐵采用的基于調度的智能道岔融雪系統節能減排效果顯著，而且后續車站補充道岔融雪系統的外電擴容難度也大大降低，契合綠色高鐵、智能高鐵的發展趨勢，社會效益顯著。基于調度的智能道岔融雪系統在張吉懷高鐵工程試點應用成功后，若今后應用在秦嶺以北地區的鐵路項目中，由于北方天氣寒冷，降雪天氣更多，其節能幅度將更大。