高速鐵路道岔融雪系統智能化方案

蘇 蕊，李忠明

（北京全路通信信號研究設計院集團有限公司，北京 100070）

1 高速鐵路道岔融雪系統現狀

隨著國內高速鐵路技術的迅猛發展，列車運行速度越來越快，行車密度不斷提高，道岔作為鐵路重要的信號設備，能否正常轉換直接影響著鐵路列車運行。冬季大雪降溫天氣易使鐵路道岔積雪，甚至結冰，尤其是國內北方高寒地區，存在嚴重的冬季積雪化冰，導致道岔運轉失靈、尖軌尖端和基本軌無法密貼合等故障。客運專線運營要求“有人不行車、行車不上人”，目前國內高速鐵路道岔融雪系統基本都是采用電加熱方式，操作員人工啟動系統后，系統可自動或人工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并達到融雪除冰目的，保證道岔正常轉換。

1.1 系統設備構成

電加熱道岔融雪系統（RD1型）由遠程控制中心工作站（簡稱工作站）、車站控制終端（簡稱控制終端）、道岔融雪控制柜（簡稱控制柜）、鋼軌溫度傳感器（軌溫傳感器）、電加熱元件、道岔融雪隔離變壓器（簡稱隔離變壓器）、電加熱元件安裝卡具配套裝置、連接線纜和信息通道等組成，如圖1所示。其主要說明如下。

1）工作站

工作站主要由工控機、顯示器、網絡交換機等設備組成，主要對所管轄的各車站融雪設備進行遠程操控和信息查詢；一般設置在調度中心或其他指定位置，通過不低于2 M信息通道與各控制終端進行連接，采用TCP/IP方式進行通信。

2）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、應急控制盤等設備組成，設置于車站行車室，供車站值班員操作，實現本站電加熱道岔融雪系統設備的集中控制，在控制終端上設有應急加熱操作按鈕，當控制柜供電電源正常，而控制終端與現場控制柜間的通訊網絡故障、計算機、控制模塊、通信模塊等設備故障，且控制終端不能通過系統軟件控制加熱電路的啟動和停止時，可使用應急加熱操作按扭進行應急加熱。

3）控制柜

控制柜采用智能模塊化結構設計，各模塊具備獨自數據處理能力，通過遠程RS-232、CAN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，供電電源單元、防雷單元和通訊單元等。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、漏電保護等功能。

控制柜用于控制現場道岔加熱系統的啟停、信息采集及運行狀態監測和參數設置，實現對加熱電路的啟動和停止操作，并將采集的各種信息發送至控制終端，也可以接受并執行來自控制終端和工作站的各種指令。

4）鋼軌溫度傳感器

每臺控制柜配置1套軌溫傳感器，其安裝于裝有電加熱元件的基本軌軌底，用于實時采集鋼軌溫度信息。

5）隔離變壓器

為保證軌道電路正常工作和人身安全，系統在控制柜與電加熱元件間設有隔離變壓器，變壓器內設有斷路器、鐵芯、接線端子等元器件，主要為電加熱元件提供工作電源，同時具備電氣隔離作用。

6）電加熱元件

電加熱元件主要安裝在道岔活動尖軌或心軌，用于對鋼軌進行加熱，其外層導熱材料為鎳鉻合金鋼或不銹鋼，電加熱元件中心電熱材料為鎳鉻合金或銅鎳合金，電熱材料和外層導熱材料間為高壓氧化鎂絕緣層。

1.2 系統操作模式

系統操作分為工作站、控制終端、控制柜三級操作模式，可方便用戶在多種情況下對其進行操作。工作站主要由調度員進行操作，可對該工作站所管轄的各車站道岔融雪設備進行遠程操控和信息查詢；控制終端主要由車站值班員進行操作，可對本站所有道岔融雪設備進行操控和信息查詢；控制柜操作則主要限于設備維修人員進行操作或室內道岔融雪設備無法控制室外現場設備時，現場人工操作控制柜進行啟停加熱電路。

1.3 系統功能

系統采用模塊化設計，可根據用戶需要靈活設計融雪方式，便于操作和維修，并具有完善的自檢、診斷、檢測、報警、遠程監控和管理等功能。

1）系統參數配置功能，設置用戶操作權限，配置系統控制柜數量、加熱回路、溫度參數、加熱功率以及與外部通信接口參數等。

2）具有遠程監控、車站監控、控制柜操縱功能和手動、自動工作模式，且手動工作優先，處于手動工作模式時，自動工作模式無效。

3）通過采集鋼軌溫度進行邏輯判定，可通過自動或手動工作模式來啟動/停止現場融雪控制柜的加熱電路，通過安裝在道岔活動部位上的電加熱元件，進行間隙性循環加熱，以熱輻射和熱傳導的方式使道岔活動部位上積雪蒸發，達到融雪除冰的目的，保證道岔在雨雪天氣下能夠正常轉換，進而確保行車安全與運行效率。

4）系統能實時監視并存儲控制柜模擬量、開關量等信息，當控制信息與執行結果不一致時發出報警。

5）系統具有接口功能，并預留與集中監測接口功能。

6）具備應急加熱功能，控制終端設有應急控制盤，在控制終端電源、計算機設備發生故障時，能通過操作應急加熱按鈕啟動加熱電路，保障融雪系統加熱。

2 智能化需求

以新能源、新材料、新設備為代表的新技術不斷推動高速鐵路取得突破性進展，道岔融雪系統設備作為鐵路基礎設備，迫切需要研究一種自動高效、節能環保，人機界面開放友好的智能型電加熱道岔融雪系統，更好地應對國內外市場發展機遇與挑戰。

1）自動高效

按照國內鐵路道岔特點，道岔融雪技術從人工上道除雪的低效不安全模式逐步發展到目前的電加熱道岔融雪模式，能夠根據客戶需求靈活組成遠程控制、車站控制、控制柜現場控制等不同的控制方式。但隨著用戶需求逐步提高，智能化和精細化控制功能欠缺，目前國內電加熱道岔融雪系統現有的雨雪檢測裝置，只能給出雨雪有無的信息，大多是通過操作人員根據天氣狀況開啟系統，不夠自動高效。

2）節能環保

目前電加熱道岔融雪系統通過對實時采集的鋼軌溫度與系統設定的啟停溫度進行邏輯判定，來實現對道岔進行間隙性循環加熱，使道岔鋼軌保持在融雪除冰所需的溫度，正常轉換不受降雪影響。但采用的是粗放式的控制方式，操作啟動加熱是對全線各站所有道岔加熱，未做到按需精準加熱道岔。電加熱元件作為電加熱道岔融雪系統的關鍵零部件，額定工作電壓：AC 220 V；額定功率偏差：-10%～+5% 。粗放式的控制方式所需電功耗較大，存在能源浪費，且難免會降低加熱元件的使用壽命，從而影響融雪效果。

3）人機界面開放友好

電加熱道岔融雪系統是按照國內鐵路道岔特點，適用于高速鐵路、普速及重載線路和城際軌道不同類型道岔需求的專用道岔融雪系統設備。目前遠程控制中心工作站與車站控制終端上位機軟件界面顯示直觀，各功能模塊劃分較為清晰，能直觀的體現現場設備狀態情況，方便現場人員使用。隨著國家“一帶一路”倡議的提出，面對中國高鐵“走出去”形勢下的新需求，面向海外市場，高速鐵路道岔融雪系統人機界面主要欠缺語言切換功能。

3 智能化方案設計

道岔融雪系統設備作為不可缺少的鐵路基礎設備，迫切需要研究出一種可根據氣象信息進行自動啟停，同時接口相關系統實時獲取列車進路信息，根據道岔使用情況進行加熱，自動高效、節能降耗，人機界面開放友好的智能型電加熱道岔融雪系統。

3.1 智能型系統介紹

在現有電加熱道岔融雪系統（RD1型）基礎上，新增氣象站、智能管理終端，如圖2所示。

本次智能化方案探討，需要對系統程序進行適配性開發，涉及通訊接口等內容。

3.1.1 內部接口

1）控制終端與工作站的接口

控制終端與工作站間通過不低于2 M信息通道進行連接，采用TCP/IP方式進行通信?？刂平K端發送本站控制柜以及其他信息至工作站，工作站發送控制指令至控制終端。

2）控制終端與控制柜的接口

控制終端與控制柜間通過RS-232實現串口通信?？刂平K端發送加熱指令至下層控制柜，下層控制柜發送狀態信息至控制終端。

3）控制終端與氣象站的接口

控制終端與氣象站間通過RS-485實現串口通信，控制終端實時接收、解析氣象信息。

4）控制終端與智能管理終端的接口

控制終端與智能終端間通過RS-232串口實現通信，控制終端接收智能管理終端發送的融雪指令。

3.1.2 外部接口

1）信號集中監測系統接口

信號集中監測系統通過RS-232串口接收控制終端發送的控制柜信息。

2）提供行車計劃的系統接口

提供行車計劃的系統通過RS-232串口發送行車計劃信息至智能管理終端。

3.2 智能化方案優勢

與現有的電加熱道岔融雪系統（RD1型）相比，智能化方案新增氣象站、智能管理終端，是一種可根據氣象站反饋的氣象信息以及列車進路道岔使用情況進行自動啟停、精準加熱的智能型電加熱道岔融雪系統。通信方式和工作模式維持RD1型系統不變，新增設備故障或因為其他因素未能對道岔進行及時加熱，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，以滿足現場對融雪的要求。

1）氣象站（新增）

氣象站由降雪傳感器、溫濕度傳感器、電氣配電柜和立桿等部分組成，如圖3所示。主要用于監測氣象信息，可對大氣溫度、相對濕度、降水天氣現象等氣象要素進行全天候現場監測，并把采集信息發送至車站控制終端，融雪系統根據氣象信息進行自動啟動和停止，更加自動高效。

氣象站顯示及測量范圍如下。

天氣：顯示當前氣象信息：雨、雪等天氣；濕度：顯示當前的環境濕度，測量范圍：（0～100）%RH；

溫度：顯示當前的環境溫度，測量范圍：（-40～80）℃；

氣象站開啟時，此時系統可根據氣象信息與系統設定的啟停溫度、積雪厚度進行邏輯判定，自動開啟或關閉加熱電路。氣象站關閉或故障時，可人工啟停加熱。

2）智能管理終端（新增）

智能管理終端作為與車站控制終端通信的橋梁，通過串口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發送到車站控制終端；當列車行車計劃發生調整時，也可通過人工修改生成融雪指令發送至車站控制終端，車站控制終端接收到融雪指令時，自動啟停融雪加熱電路，對列車進路所經道岔實現精準融雪除冰，即“所行皆所融”降低能耗。

如圖4、5所示，“接收到列車行車計劃一列車從XF口接車至9G后，向S口發車。在全站道岔都處于定位的情況下，9#、19#、35#、37#、24#道岔需從定位轉向反位，而該站內其他道岔可以不用進行轉換。因此當雨雪天氣時，只需要對9#、19#、35#、37#、24#道岔進行先后加熱融雪，對于進路不涉及的道岔可以不用開啟加熱。

該高鐵站道岔數量約78個，假設需安裝電加熱元件道岔數量約50個，相比于傳統電加熱道岔融雪系統（RD1）采用粗放式全線各站所有道岔均加熱的控制方式，如每組道岔功率20 kW左右，總功率1 000 kW左右，雨雪天持續10小時/天，系統提前開啟加熱1 h（估計），雨雪10 h后防止雪化冰，系統仍需持續加熱1 h，一次耗電量約12 000度電，智能化方案節省了無需動作道岔的能耗，一次耗電量約1 200度電，節約1.08萬度電，折合人民幣約1.08萬元。假設該地區平均每年氣溫低于10°C時約為30天，共約節電32.4萬度，折合人民幣約32.4萬元，且對多個進路內共用的道岔，例如下一趟列車依然是以如圖4、5所示的鎖閉進路的方式通過該站，那么9#、19#、35#、37#、24#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，延長電加熱元件使用壽命，經濟效益顯著。

3）多國語言切換

多國語言切換功能，通過工作站、控制終端控顯程序新增“語言切換”功能模塊，工作站調度員、控制終端車站值班員通過單擊智能型電加熱道岔融雪系統主界面目錄樹中“語言切換”功能模塊，找到需要切換的語言類型，單擊應用實現語言切換顯示。

4）控制模式可切換

高速鐵路電加熱道岔融雪系統智能化方案，除包含上述智能融雪控制功能外，需保留既有融雪傳統控制方式，當智能控制方式因新增設備故障或其他因素未能對道岔進行及時加熱，達不到融雪除冰功能時，系統能夠及時切換至傳統控制模式，所有控制柜會根據系統設定的啟停溫度與各自軌溫傳感器采集的鋼軌溫度進行邏輯判定，當鋼軌溫度低于啟動溫度時，系統會自動給控制柜發送加熱命令，開啟柜內加熱電路，實現對道岔進行加熱功能；當鋼軌溫度上升至系統設定的停止溫度時，系統會自動發送停止加熱命令，停止柜內加熱電路，實現對道岔進行關閉加熱功能，以滿足現場對融雪的需求。

4 總結與展望

隨著高速鐵路技術發展，安全可靠、綠色低碳的評價標準要求道岔融雪系統朝向智能化方向發展。本方案在現有電加熱道岔融雪系統基礎上，通過接口氣象站進行自動啟停、根據實際列車進路道岔使用情況進行精準加熱，實現自動高效、節能降耗。人機界面新增多國語言切換功能，契合國家“一帶一路”倡議和中國高鐵“走出去”形勢下的新需求。當智能型方案因設備故障或其他因素未能對道岔進行及時加熱，達不到融雪除冰功能時，系統可切換傳統控制模式，以滿足現場對融雪的要求，符合現階段產品穩中求進的發展理念，經濟效益和社會效益顯著。