智能道岔融雪系統研究

李 偉，趙丹旭

（北京全路通信信號研究設計院集團有限公司，北京 100070）

目前國內道岔融雪系統基本都是采用電加熱方式，當發生降雪、凍雨或溫度變化時，操作員人工啟動系統后，系統可啟動電加熱融雪電路，并通過安裝在道岔活動部位的電加熱元件以熱輻射和熱傳導的方式使道岔活動部位上的積雪蒸發以達到除雪目的，保證道岔在雨雪天氣下能夠正常轉換。

雖然現有融雪系統可通過實時采集鋼軌溫度與系統設定的啟停溫度進行邏輯判定，實現對道岔進行間歇性加熱，使道岔鋼軌溫度保持在融雪除冰所需的溫度，從而使道岔不受降雪影響能夠正常轉換。但由于系統采用的是粗放型的控制方式，暫未做到按需精準加熱道岔，導致了大量電能的消耗。

1 系統簡介

智能融雪系統根據氣象站反饋的氣象信息自動啟停，并結合列車進路道岔使用情況自動加熱道岔，實現對進路上的道岔進行融雪除冰，保障所用道岔正常轉換。同時，保留既有融雪系統傳統控制方式，當智能控制方式因設備故障或其他因素未能對道岔進行加熱，達不到融雪除冰效果時，系統能夠及時切換至傳統控制方式，以滿足現場對融雪系統的需求。

2 研究目的

研究一種基于氣象信息與行車調度計劃相結合的智能道岔融雪系統，實現系統的自動啟停和精準化控制，達到融雪除冰目的的同時滿足節能降耗的要求。

3 傳統RD1 道岔融雪系統

3.1 系統結構

融雪設備由道岔融雪遠程控制中心工作站（以下簡稱“工作站”）、道岔融雪車站控制終端（以下簡稱“控制終端”）、道岔融雪控制柜（以下簡稱“控制柜”）、鋼軌溫度傳感器、電加熱元件和道岔融雪隔離變壓器（以下簡稱“隔離變壓器”）等組成[1]。

融雪系統分為3 層：綜合管理層、上層控制層和下層控制層，其系統結構如圖1 所示。

圖1 RD1 道岔融雪系統結構圖

3.2 控制方式

該系統具有自動、手動和應急3 種控制模式。

3.3 存在問題

現有控制方式雖然滿足了融雪設備的基本控制要求，但其粗放型控制方式使得設備耗電量大、能耗高，操作對象為控制柜的所有加熱電路，或者所有控制柜的所有加熱電路，實現方式為控制柜的所有加熱電路全部接通或全部斷開[2]，造成電能的浪費。

4 智能融雪系統

智能融雪系統在傳統RD1 融雪系統的基礎上增加了智能傳輸終端和氣象站。系統分為3 層：綜合管理層、上層控制層和下層控制層，其系統結構如圖2 所示。

圖2 智能融雪系統結構圖

4.1 綜合管理層

綜合管理層為工作站，主要由工控機、顯示器和網絡交換機等設備組成，主要用于監控某線路所有車站或無人值守線路所的融雪設備，一般設置在局調或其他指定地點，通過不低于2 M 信息通道與其他車站或線路所控制終端進行連接，采用TCP/IP 方式進行通信，實現對某線路所有車站或無人值守線路所的融雪設備進行遠程操控。

4.1.1 操控權限

為保障現場作業安全，必須明確工作站及控制終端的操控權限。工作站操控權限弱于下轄各控制終端。工作站遠程操控下轄各車站融雪設備，需得到控制終端授權處理，否則無法進行遠程操控加熱，僅支持融雪設備狀態顯示及遠程數據查詢、參數設置等功能。

4.1.2 操控狀態

只有當控制終端處于遠程控制方式時，工作站才可遠程操控該站融雪設備，否則無法對該站進行遠程操控。因此，為方便用戶及時了解系統目前所處狀態，工作站應能正確實時顯示當前的控制方式。

4.2 上層控制層

上層控制層主要包含控制終端、智能傳輸終端。

4.2.1 控制終端

控制終端主要由工控機、顯示器、網絡交換機（需要組網時）、通信模塊和應急加熱控制盤等設備組成，實現本站道岔融雪設備的集中控制。通過網絡實現與綜合管理層的通信，串口RS232 實現與下層控制層的通信。本次智能融雪系統的研究，需對控制終端軟件進行適配性開發，涉及與氣象站接口、智能傳輸終端接口、通信監測報警和接口信息管理等內容。

（1）氣象站接口。通過串口RS485 實現與室外氣象站設備的通信，實時接收、解析氣象信息，是實現智能融雪系統的基礎。

（2）智能傳輸終端接口。通過串口RS232 實現與智能傳輸終端設備的通信，實時接收、解析融雪指令，是實現智能融雪系統按需精準加熱道岔的基礎。

（3）通信監測報警。當氣象站、智能傳輸終端通信斷開時，與其他報警信息類似，信息顯示在報警信息窗，并伴隨語音作為提示報警，車站維修人員可及時進行排查處理，保證融雪設備的正常使用。

（4）接口信息管理。保存外部接口輸入的氣象信息及智能傳輸終端生成的融雪指令信息記錄，同時可供以后查詢、維護和統計使用。

（5）控制方式。控制方式分為遠程控、站控，其中，站控又分為智能控、傳統控2 種方式。①智能控。結合氣象信息和融雪指令，按需精準加熱道岔。智能控方式下須考慮氣象站與智能傳輸終端通信是否全部正常，發生故障時能夠切換到其他控制方式；記錄每組道岔的加熱情況及積雪厚度；記錄降雪數據及當前降雪情況；無行車計劃但發生降雪時，為保障行車安全降雪厚度達到融雪能力上限時應及時加熱；收到行車計劃，根據積雪厚度及列車進站時間，則應提前對該道岔進行維護加熱或預加熱；關聯道岔與控制柜回路，每組道岔可對應不同回路，但2 組道岔不可共用回路。②傳統控。結合氣象信息、啟停溫度自動啟停加熱電路。傳統控方式下須考慮氣象站通信是否正常，發生故障時能夠人工操控；雪停后，應延時加熱一段時間。③遠程控。授權給工作站遠程人工操控。遠程控方式下須考慮控制終端可切換為站控方式進行收權，此時工作站無法遠程操控。

（6）操控條件及權限。①氣象站、智能傳輸終端通信正常，遠程控、站控（智能控、傳統控）方式可用。控制終端處于站控時，此時控制終端與工作站不可人工操控；處于遠程控時，則只能通過工作站遠程操控，控制終端不可人工操控。②當氣象站通信正常但智能傳輸終端發生通信故障時，智能控不可用，可切換控制方式為傳統控或遠程控；處于傳統控時，若氣象站處于開啟狀態，此時控制終端與工作站不可人工操控；處于遠程控時，則只能通過工作站遠程操控，控制終端不可人工操控。③當氣象站發生通信故障但智能傳輸終端通信正常或2 者同時發生通信故障時，智能控不可用，可切換控制方式為傳統控或遠程控；處于傳統控時，只能通過控制終端人工操控，工作站不可遠程操控；處于遠程控時，則只能通過工作站遠程操控，控制終端不可人工操控。

（7）操控狀態。不同控制方式下控制終端操控權限受到限制。因此，為方便操控，控制終端應能正確實時顯示當前的控制方式。當氣象站設備、智能傳輸終端因設備故障或其他因素造成通信故障時，可切換當前控制方式，保證融雪系統持續正常運行。

4.2.2 智能傳輸終端

智能傳輸終端主要由工控機、顯示器等設備組成，作為外部行車計劃與控制終端之間的橋梁，實現信息的解析與共享。本次智能融雪系統研究中，智能傳輸終端軟件涉及與提供行車計劃的系統接口、控制終端接口、計劃輸入、計劃信息管理、通信狀態監測報警和計劃顯示等內容。

（1）與提供行車計劃的系統接口。通過串口RS232/RS485 實現與提供行車計劃的系統通信，接收行車計劃信息，將其計劃解析并生成相應的融雪指令。

（2）與控制終端接口。通過串口RS232 實現與控制終端設備的通信，發送融雪指令到控制終端，是實現智能融雪系統按需精準加熱道岔的基礎。

（3）計劃輸入。當因某些不可控因素導致提供行車計劃的系統無法正常傳輸數據時，可提前錄入日班計劃，解析生成融雪指令發送到控制終端，保證智能控制方式正常可用；當行車計劃發生臨時變更時，可人工進行修改，及時解析生成融雪指令發送到控制終端，保障道岔正常轉換。

（4）計劃信息管理。保存外部系統輸入的行車計劃信息、人工修改的信息記錄，供以后查詢、維護和統計使用。

（5）通信狀態監測報警。顯示與提供行車計劃的系統接口、控制終端的通信狀態。當與提供行車計劃的系統接口、控制終端通信斷開時，信息顯示在報警信息窗，并伴隨語音作為提示報警，車站維修人員可及時進行排查處理，保證智能融雪系統正常使用。

（6）計劃顯示。為方便操作人員了解計劃的時間順序，將接收的行車計劃、輸入的計劃按照時間排序顯示在界面上。

4.3 下層控制層

下層控制層主要為控制柜和氣象站。

4.3.1 控制柜

控制柜采用模塊化結構設計，各模塊具備獨自數據處理能力，通過遠程232、CAN（控制器域網）總線等通信方式進行數據交互，主要設備單元包括控制單元、電壓/電流檢測單元、手動/自動轉換單元、溫度檢測單元及供電電源單元、防雷單元和通信單元等。同時包括由斷路器、漏電開關及交流接觸器組成的加熱回路，其加熱回路具備短路、過載和漏電保護等功能。

控制柜用于控制現場加熱回路的啟停、信息采集及運行狀態監測，實現對道岔加熱的啟動或關閉操作，并實時反饋狀態信息給控制終端。

4.3.2 氣象站

氣象站主要由降雪傳感器、溫濕度傳感器、電氣配電柜和立桿等部分組成。根據檢測采集的局部區域環境實時信息，通過通信網絡將信息傳輸至控制終端，控制系統的自動啟停[3]。

4.4 智能型與RD1 型融雪系統比較

4.4.1 相同點

①二者系統構架保持一致；②智能融雪系統具備RD1 融雪系統的控制方式及功能。

4.4.2 不同點

①智能融雪系統在硬件方面增加氣象站和智能傳輸終端及相關軟件的適配性開發；②智能型比RD1 型融雪系統更加智能化，實現了利用氣象站控制系統的自動啟停；③智能融雪系統基于行車調度計劃實現按需精準加熱道岔，節能效果更加理想。

5 系統功能

智能融雪系統基于RD1 電加熱道岔融雪系統進行研究，既有功能保持不變，新增計劃管理及氣象信息管理、控制方式和接口通信管理。

5.1 計劃管理

系統能自動接收并存儲由其他信號系統發來的行車計劃信息并自動解析，生成相應的融雪指令。當行車計劃信息臨時變更時，系統允許通過人工輸入修改，及時生成最新的融雪指令。系統能按照時間順序記錄、顯示接收或輸入的行車計劃信息，且具備歷史查詢功能。

5.2 氣象信息管理

系統能自動接收和存儲由氣象站設備發送的氣象信息，實現自動開啟或關閉系統，并具備歷史查詢和根據氣象信息生成積雪厚度的功能。

5.3 控制方式

系統控制方式分為遠程控、站控（智能控、傳統控）。初始狀態下系統默認處于智能控制方式，自動依據氣象信息與融雪指令，按需精準加熱道岔。當系統處于傳統控制方式且氣象站開啟時，系統可根據氣象信息與啟停溫度自動開啟或關閉加熱電路。氣象站關閉時，可人工啟動，系統可根據啟停溫度自動循環加熱。若系統處于遠程控制方式，工作站可人工啟動，系統可根據啟停溫度自動循環加熱。

5.4 接口通信管理

系統可監測與外部系統接口、氣象站接口的通信狀態，若出現通信故障時可立即記錄并提示報警信息。

6 系統接口

智能融雪系統主要與外部的信號集中監測系統和提供行車計劃的系統進行接口。

6.1 與信號集中監測系統接口

信號集中監測系統通過RS232 串口接收控制終端發送的融雪控制柜信息。

6.2 與提供行車計劃的系統接口

提供行車計劃的系統通過RS232/RS485 串口傳輸行車計劃信息至融雪系統智能傳輸終端，且接口側必須有防雷或光電隔離裝置。

7 結束語

本文在傳統RD1 電加熱道岔融雪系統的基礎上，考慮現有融雪系統存在的問題，研究了一套符合實際需求的智能道岔融雪系統。該系統以國家鐵路局TB/T 3539—2018《電加熱道岔融雪系統設備》提出的各項要求為設計基礎，通過結合氣象信息與行車調度計劃達到了系統自動啟停、按需精準加熱道岔和節能降耗的目的，在一定程度上實現了系統的智能化、節能化[4]，契合綠色高鐵、智能高鐵的發展趨勢[5]。