基于計軸系統(tǒng)的城軌交通信號系統(tǒng)道岔區(qū)段占用檢查安全性分析研究

傅明華

（上海城建市政工程（集團）有限公司，上海 200032）

1 引言

列車占用檢測設備是城市軌道交通信號系統(tǒng)的重要構成部分之一。在運營過程中，道岔軌道區(qū)段的安全是信號系統(tǒng)的關鍵問題。信號系統(tǒng)通過占用檢測設備判斷列車的物理位置，為其操縱轉(zhuǎn)轍機、開放信號提供基礎依據(jù)。

現(xiàn)有列車占用檢測設備主要有軌道電路和計軸設備2類，基于城市軌道交通復雜的運行環(huán)境（地面、地下、高架）限制，多采用環(huán)境適應性較強的計軸設備作為信號系統(tǒng)的占用檢測手段。經(jīng)過對國內(nèi)多種制式城市軌道交通所應用的計軸設備分析，發(fā)現(xiàn)計軸系統(tǒng)普遍存在可用性較低的問題，特別是在有軌電車項目、交流牽引制式項目中尤其突出。但是通過對比發(fā)現(xiàn)，不同架構的計軸系統(tǒng)之間，在可用性、安全性方面有較大差異。

本文對比不同占用檢測設備的原理與架構，并對其安全性以及可用性進行詳細分析。

2 計軸系統(tǒng)要求

針對計軸系統(tǒng)的特性，對計軸系統(tǒng)的要求有以下幾點：需要保證岔區(qū)計軸系統(tǒng)的可靠計數(shù)，以確保岔區(qū)行車安全；需要保證在強電磁干擾等工況環(huán)境下計軸系統(tǒng)的穩(wěn)定性；需要消除有軌電車磁軌制動器對計軸系統(tǒng)的影響；需要滿足槽型軌傳感器安裝條件。

2.1 輪輻式計軸傳感器原理及適應性

2.1.1 輪輻式計軸傳感器原理

輪輻式計軸傳感器的發(fā)送線圈以及接收線圈分別安裝在同一根鋼軌的內(nèi)側(cè)以及外側(cè)，接收線圈通過判斷其所接收到的發(fā)送線圈的信號來判斷傳感器所在位置的輪軸運動方向以及數(shù)量，從而對軌道區(qū)段的占用/出清狀態(tài)進行運算。原理如圖1所示。

2.1.2 傳感器溫度漂移

輪輻式計軸傳感器每個計軸點要安裝2對接收和發(fā)射線圈（如圖1所描述，發(fā)射線圈1以及接收線圈1為1 對），每個發(fā)射線圈發(fā)射1個特定的頻率，由于考慮接收和發(fā)射線圈的通用性，所以2個頻率比較接近，需要通過窄帶濾波方式選出其對應的頻率。發(fā)射頻率或接收窄帶濾波器的溫度漂移，都會造成計軸傳感器的不穩(wěn)定。

圖1 輪輻式計軸傳感器原理圖

城市軌道交通的應用環(huán)境晝夜溫差較大、四季溫度變化明顯，傳感器所受的溫度影響更大，不利于傳感器穩(wěn)定工作。廣州地鐵就曾因為輪輻式傳感器偏移特性，每年需要進行2次以上傳感器參數(shù)維護/調(diào)整。

2.1.3 磁場對傳感器的影響

當列車采用磁軌制動器時，磁制動會影響繞過鋼軌的磁場，該磁場會導致輪輻傳感器無法進行車輪的正確計數(shù)，嚴重的影響傳感器的工作穩(wěn)定性。目前磁軌制動器在城市軌道交通列車中多有應用。

當城市軌道交通采用交流牽引制式時，左右鋼軌均為回流軌。鋼軌中的強回流所產(chǎn)生的磁場方向與傳感器探測信號的方向完全重合，從而更容易發(fā)生傳感器受擾。

2.1.4 槽型軌對傳感器的影響

由于輪輻式傳感器需要安裝在同一根鋼軌的內(nèi)側(cè)以及外側(cè)，槽型軌的內(nèi)側(cè)頂部為護輪槽，對傳感器探測磁場產(chǎn)生屏蔽，因此，輪輻式傳感器不適合在槽型軌環(huán)境下應用。

綜上分析，輪輻式傳感器無法妥善的適應目前城市軌道交通的應用環(huán)境。大連有軌電車既有線改造項目曾對輪輻式計軸傳感器進行試裝，由于無法正確的對帶有磁制動器的車輛進行車輪-制動器區(qū)分，而出現(xiàn)區(qū)段無法正常工作的情況。北京地鐵所應用的輪輻式計軸系統(tǒng)，在維護手冊中明確規(guī)定禁止車輛停在傳感器上方時進行列車啟動。

2.2 輪緣式計軸傳感器

輪緣式計軸傳感器原理是探測金屬表面反射的渦流磁場，它由1個發(fā)射線圈和2個接收線圈組成，如圖2所示，發(fā)射頻率只有1個，所以不需要窄帶濾波，從而溫度漂移對輪緣式計軸傳感器沒有影響。同時，其發(fā)射磁場和接收磁場不跨越鋼軌，所以磁制動對其影響很小。由于探測磁場位于鋼軌的一側(cè)，可通過安裝位置的調(diào)整來避免槽型軌護輪槽對傳感器探測的影響。因此，在當代城市軌道交通的應用環(huán)境下，輪緣式傳感器的適應范圍更廣。

圖2 輪緣式計軸傳感器原理圖

3 岔區(qū)應用的風險分析

由于城市軌道交通信號控制系統(tǒng)中，存在無聯(lián)鎖關系、道岔軌道區(qū)段不連續(xù)的情況，因此無法通過三點檢查進行安全防護。本節(jié)通過建立岔區(qū)模型，對不同占用檢測設備進行分析與對比。

3.1 軌道電路

軌道電路采用鋼軌間短路的原理，通過軌道繼電器的勵磁以及落下表示軌道區(qū)段的占用/出清狀態(tài)，電路原理如圖3所示。當岔區(qū)無車時，發(fā)送端信號通過鋼軌傳導至接收端，對軌道繼電器進行驅(qū)動。當岔區(qū)有車時，鋼軌間短路，接收端無法收到發(fā)送信號，軌道繼電器落下。

圖3 道岔區(qū)段軌道電路原理圖

軌道電路風險分析一般從2種狀態(tài)下進行。第一種情況為道床電阻過低時，該狀態(tài)下會引起鋼軌間電阻過低，導致無車時軌道區(qū)段顯示為占用，此時嚴重影響信號系統(tǒng)可用性。第二種情況為分路不良時，該情況下列車進入岔區(qū)后無法短路2根鋼軌，導致有車時軌道區(qū)段無法顯示為占用，此時影響安全性。

3.2 傳統(tǒng)計軸系統(tǒng)

傳統(tǒng)計軸系統(tǒng)在道岔軌道區(qū)段的入口以及出口位置布置單傳感器，即只在檢測位置的1根鋼軌上安裝傳感器，如圖4所示。

圖4 傳統(tǒng)計軸布局圖

對傳統(tǒng)計軸系統(tǒng)的風險分析，分別從2種狀態(tài)下進行。

3.2.1 入口丟軸的風險分析

假設列車有6軸，有2列列車需要依次通過該岔區(qū)，第一列列車進路方向經(jīng)過計軸點1-計軸點2，第二列列車進路方向經(jīng)過計軸點1-計軸點3，第一列列車通過計軸點1丟失4軸，在計軸點2通過2軸后，道岔軌道區(qū)段 1（DG1）出清 ，實際DG1內(nèi)留有4軸車，此時列車自動監(jiān)控系統(tǒng)（ATS） 會自動觸發(fā)后續(xù)進路道岔轉(zhuǎn)岔，造成列車出軌。北京首都機場快軌采用的計軸系統(tǒng)曾發(fā)生入口計軸點將一整列車輪全部漏記的情況，可見在計軸點單傳感器架構的條件下，有發(fā)生漏記的現(xiàn)實可能性。

3.2.2 出口多記的風險分析

假設列車有6軸，有2列列車需要依次通過該岔區(qū)，第一列列車進路方向經(jīng)過計軸點1-計軸點2，第二列列車進路方向經(jīng)過計軸點1-計軸點3，第一列列車從計軸點1通過6軸，此時DG1記錄有6軸車，當車經(jīng)過計軸點2時提前擾出2軸，計軸點2在出4軸時，DG1變成出清，此時ATS會自動觸發(fā)進路（此時DG1實際留有2軸車）道岔會轉(zhuǎn)岔，造成列車出軌。

3.3 冗余計軸系統(tǒng)

冗余計軸系統(tǒng)在道岔軌道區(qū)段的入口以及出口處的2根鋼軌上均安裝傳感器，對同一輪對上的車輪均進行檢測。其目的在于應用“或”出清邏輯，提高系統(tǒng)在擾軸情況下的可用性。如圖5所示，計軸點1-計軸點2-計軸點3的1號傳感器為一組（組成DG1-A區(qū)段），進行獨立運算。計軸點1-計軸點2-計軸點3的2號傳感器為一組（組成DG1-B區(qū)段），進行獨立運算。當DG1-A與DG1-B均占用時，DG1的狀態(tài)為占用；當DG1-A與DG1-B有任一運算結果為出清時，DG1的狀態(tài)為出清。

圖5 冗余計軸布局圖

冗余計軸系統(tǒng)的風險分析主要從2種情況下進行。第一種情況是當岔區(qū)入口發(fā)生丟軸時。假設當列車由計軸點1進入岔區(qū)，此時計軸點1的1號傳感器進行計數(shù)，DG1-A占用，2號傳感器漏記，DG1-B未占用；此時DG1仍為出清狀態(tài)，而列車已進入岔區(qū)，設備故障后應為區(qū)段占用狀態(tài)，而此時顯示未占用，冗余計軸系統(tǒng)沒有做到故障導向安全。第二種情況是當岔區(qū)出口發(fā)生多記時。假設列車車輪總共有6軸，進入岔區(qū)時計軸點1的1號以及2號傳感器均記6軸，當列車由計軸點2駛出時，計軸點2的1號傳感器發(fā)生多記，當1號傳感器軸數(shù)為6時（此時列車實際通過軸數(shù)不足6軸），DG1-A區(qū)段出清，繼而導致DG1區(qū)段提前出清，設備故障后應為區(qū)段占用狀態(tài)，而此時未顯示占用，冗余計軸系統(tǒng)沒有做到故障導向安全。

3.4 四取三計軸系統(tǒng)

四取三計軸系統(tǒng)在道岔軌道區(qū)段的入口以及出口的2根鋼軌上均安裝傳感器，對同一輪軸上的2個車輪進行探測，DG1的占用/出清基于計軸點1-計軸點2-計軸點3的6只傳感器探測數(shù)據(jù)進行邏輯判斷，如圖6所示。

圖6 4取3計軸系統(tǒng)傳感器布局

3.4.1 工作原理

四取三計軸系統(tǒng)通過區(qū)段入口以及出口的傳感器計數(shù)差異，判斷區(qū)段的占用出清狀態(tài)。其基本含義為：當區(qū)段由出清轉(zhuǎn)為占用時，以計數(shù)大的傳感器計數(shù)值為區(qū)段駛?cè)胼S數(shù)，此為安全側(cè)，可有效防止漏記；當區(qū)段由占用轉(zhuǎn)為出清時，以計數(shù)小的傳感器計數(shù)值為區(qū)段駛出軸數(shù)，此為安全側(cè)，可有效防止區(qū)段留軸。

具體判斷如下：

若S1.1-S1.2 ≥ 0，則J=S1.1；若S1.1-S1.2＜0，則J=S1.2；若S1.1≠S1.2，則E= 1；若F1.1-F1.2≥0則C=F1.2；若F1.1-F1.2＜0，則C=F1.1；若F1.1≠F1.2則E= 1。

其中，S1.1為1號傳感器進軸數(shù)，個；S1.2為2 號傳感器進軸數(shù)，個；F1.1為1號傳感器出軸數(shù)，個；F1.2為2號傳感器出軸數(shù)，個；J為傳感器S1.1、S1.2進軸數(shù)比較后取值，個；C為傳感器F1.1、F1.2出軸數(shù)比較后取值，個；n為區(qū)段所涉及計軸點總點數(shù)，個；i為計軸點編號；E為計軸點傳感器1、2進出軸數(shù)不等標志。

出清條件滿足公式（1）時軌道區(qū)段出清，反之為占用。

3.4.2 四取三計軸風險分析

當岔區(qū)入口發(fā)生丟軸時的安全分析。假設列車有6軸，有2列列車需要依次通過該岔區(qū)。第一列列車進路方向經(jīng)過計軸點1-計軸點2，第二列列車進路方向經(jīng)過計軸點1-計軸點3。由于每個計軸點設置2個獨立的計軸傳感器，不考慮2個獨立的計軸傳感器同時發(fā)生丟軸故障，第一列列車從計軸點1駛?cè)霑r，1號傳感器記6 軸車輪，2號傳感器記2軸車輪。從計軸點2經(jīng)過時1號、2號傳感器記至2軸車輪時，四取三計軸系的出清原則為多進原則，此時DG1的進軸為6軸出軸為2 軸，DG1保持占用。當計軸點2的1、2號傳感器經(jīng)過 6 軸車輪時，DG1的進軸為6軸出軸為6 軸，區(qū)DG1出清，此時系統(tǒng)在保持安全側(cè)的同時維持了可用性。

當岔區(qū)出口發(fā)生多記時的安全分析。假設列車車輪總共有6軸，有2列列車需要依次通過該岔區(qū)。第一列列車進路方向經(jīng)過計軸點1-計軸點2，第二列列車進路方向經(jīng)過計軸點1-計軸點3。第一列列車從計軸點1駛?cè)霑r，1號、2號傳感器記6軸車輪，從計軸點2經(jīng)過時1 號計軸傳感器提前擾出2軸車輪，當計軸點2駛過4軸后，這時計軸點2的1號傳感器計數(shù)為6軸，計軸點2的2號傳感器計數(shù)為4軸，四取三計軸系統(tǒng)的出清原則為少出原則，此時DG1的進軸為6軸出軸為4軸，DG1保持占用。當計軸點2經(jīng)過1號計軸傳感器8軸、經(jīng)過2號計軸傳感器6軸車輪時，DG1的進軸為6軸出軸為6軸，DG1出清，此時系統(tǒng)在保持安全側(cè)的同時維持了可用性。

根據(jù)四取三計軸系統(tǒng)的架構和算法描述可得到如下結論。

（1）利用雙傳感器冗余布局可提高系統(tǒng)的安全性，即當一個傳感器產(chǎn)生丟軸時，另一個傳感器會保證區(qū)段的占用；利用雙傳感器輸出信號進行比較處理可對干擾信號進行容錯處理，從而提高抗干擾能力，提高系統(tǒng)的可用性。

（2）采用四取三容錯算法可保證單個傳感器故障情況下系統(tǒng)不間斷運營，提高系統(tǒng)的可用性。

（3）結合廣州地鐵18號線與22號線2條線路的應用，進一步驗證四取三系統(tǒng)架構可以在交流牽引制式的城市軌道交通項目中，顯著提高計軸系統(tǒng)的安全性和可用性，可解決早期項目（北京地鐵新機場線，成都地鐵18號線以及溫州地鐵S1線）中暴露出的可用性問題以及聯(lián)鎖控區(qū)交界處丟軸所帶來的安全風險。

3.5 小結

經(jīng)分析對比各類配置，可得出以下結論：

（1）當?shù)啦韰^(qū)段采用軌道電路時，道床電阻過低會影響設備的可用性，分路不良會給系統(tǒng)帶來安全風險；

（2）當?shù)啦韰^(qū)段采用傳統(tǒng)計軸系統(tǒng)時，入口丟軸以及出口多記會產(chǎn)生安全風險；

（3）當?shù)啦韰^(qū)段采用冗余計軸系統(tǒng)時，入口丟軸以及出口多記會產(chǎn)生安全風險；

（4）當?shù)啦韰^(qū)段采用四取三計軸系統(tǒng)時，入口丟軸以及出口多記均不會對系統(tǒng)產(chǎn)生安全風險，同時系統(tǒng)的可用性也得到提高。

4 結語

四取三計軸系統(tǒng)可以有效的解決道岔區(qū)段入口丟軸和出口擾軸帶來的風險。同時利用四取三計軸系統(tǒng)的容錯算法可有效屏蔽掉高壓牽引帶來的電磁脈沖干擾，提高設備的可用性以及安全性，有效緩解現(xiàn)有城市軌道交通（包含有軌電車項目、交流牽引制式項目等）存在的安全問題。在城市軌道交通應用環(huán)境中，四取三計軸系統(tǒng)相比較其他占用檢測系統(tǒng)，更符合國內(nèi)的工程、運營環(huán)境要求。