喻智宏 覃定明 高桂桂

(北京城建設(shè)計(jì)研究總院有限責(zé)任公司 北京 100037)

1 列車位置檢測(cè)設(shè)備研究背景

輕軌交通作為一種中小運(yùn)量的城市軌道交通系統(tǒng)，具有綜合造價(jià)低、道路適應(yīng)性強(qiáng)、系統(tǒng)配置靈活、噪聲低、污染小、建設(shè)周期短、使用方便等特點(diǎn)，在各種中小運(yùn)量軌道交通制式中具有廣闊的應(yīng)用前景。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，在目前世界上擁有軌道交通的城市中，只擁有地鐵的占5%，同時(shí)擁有地鐵和輕軌的占11%，同時(shí)擁有輕軌和有軌電車的占84%，各種不同形式的輕軌系統(tǒng)在世界各國(guó)得到廣泛應(yīng)用。

“七五”期間，我國(guó)設(shè)立了重點(diǎn)科技攻關(guān)項(xiàng)目“城市輕軌交通系統(tǒng)成套技術(shù)”。1995年，選擇鞍山市作為試點(diǎn)工程地區(qū)開(kāi)展輕軌系統(tǒng)的研究，后由于種種原因沒(méi)有實(shí)現(xiàn)，真正實(shí)施的是在長(zhǎng)春市。長(zhǎng)春輕軌車輛的輕量化水平有很大提高，但在列車位置檢測(cè)設(shè)備、地面牽引供電系統(tǒng)、綠色環(huán)保型軌道及路基結(jié)構(gòu)、道岔結(jié)構(gòu)等方面，與國(guó)外的輕軌交通系統(tǒng)還存在較大差距。

因此，迫切需要確定并完善一種輕軌交通系統(tǒng)，制定一套輕軌系統(tǒng)技術(shù)規(guī)范，提出輕軌關(guān)鍵技術(shù)研究方案及國(guó)產(chǎn)化方案，為我國(guó)特大城市主城區(qū)的輔助線路、衛(wèi)星城(或新城)內(nèi)部軌道交通線路、中小城市的軌道交通線路、旅游觀光區(qū)內(nèi)的軌道交通線路，提供一種中小運(yùn)量的軌道交通制式。列車位置檢測(cè)設(shè)備是實(shí)現(xiàn)運(yùn)營(yíng)控制或調(diào)度管理的首要條件，是輕軌系統(tǒng)重點(diǎn)需要解決的關(guān)鍵技術(shù)，下面探討一種適用于輕軌系統(tǒng)的列車位置檢測(cè)設(shè)備。

2 列車位置檢測(cè)設(shè)備適用性分析

2.1 技術(shù)要求

在軌道交通運(yùn)輸中，列車位置檢測(cè)設(shè)備是信號(hào)系統(tǒng)構(gòu)成的關(guān)鍵設(shè)備，它為整個(gè)信號(hào)系統(tǒng)運(yùn)行提供基礎(chǔ)條件。相比傳統(tǒng)的軌道交通系統(tǒng)，輕軌系統(tǒng)對(duì)于列車位置檢測(cè)設(shè)備提出了新的技術(shù)指標(biāo)和要求。

1)適用于43、50、60 kg/m等規(guī)格鋼軌，不受軌枕和列車類型的限制。

2)當(dāng)電纜阻值不大于7 Ω/km時(shí)，檢測(cè)設(shè)備傳感器輸出信號(hào)的最長(zhǎng)傳輸距離為7 km。

3)在輕軌列車、汽車、行人混行的路段，能準(zhǔn)確分辨檢測(cè)輕軌列車，準(zhǔn)確率為100%。

2.2 計(jì)軸設(shè)備

計(jì)軸設(shè)備由于可以克服軌道電路分路不良、道床電阻低、漏泄大、閃紅光帶等問(wèn)題，目前已經(jīng)成為信號(hào)系統(tǒng)常用的軌道區(qū)段占用/空閑檢測(cè)設(shè)備。按設(shè)備原理的不同，又可分為調(diào)相式軌道計(jì)軸器、調(diào)幅式軌道計(jì)軸器、振蕩器式軌道計(jì)軸器。各類計(jì)軸設(shè)備應(yīng)用于不同鋼軌和道床條件的適用性情況如表1所示。

表1 計(jì)軸應(yīng)用于不同鋼軌和道床條件的適用性

2.2.1 調(diào)相/調(diào)幅式計(jì)軸器

調(diào)相式軌道計(jì)軸器和調(diào)幅式軌道計(jì)軸器(見(jiàn)圖1)可用于普通鋼軌，但如果應(yīng)用于開(kāi)放或半封閉線路的輕軌工程中，則會(huì)在安裝、運(yùn)用、維護(hù)、防盜、景觀等方面存在諸多問(wèn)題。

圖1 計(jì)軸設(shè)備安裝

1)設(shè)備高出軌面，極易受到公共車輛、行人的碾壓，造成設(shè)備損壞。

2)設(shè)備暴露在開(kāi)放的環(huán)境中，易被盜。

3)設(shè)備占用軌旁空間較大，且不易遮蔽，會(huì)出現(xiàn)軌道及軌旁路面整體平整而設(shè)備安裝處低洼的情況。易積水，需對(duì)軌旁排水設(shè)備提出較高的排水要求，工程不易實(shí)施;易積雜物，影響設(shè)備性能，增加了運(yùn)營(yíng)維護(hù)工作量。

4)計(jì)軸傳感器及軌旁電子連接盒的存在與平整的軌面和路面不協(xié)調(diào)，影響線路景觀。

5)維修保養(yǎng)工作量大。

輕軌線路在特殊路段，需滿足列車、汽車、行人混行的需要，一般都要求輕軌軌面與路面平齊。為保證列車輪緣的空間，軌頂面需與軌旁路面保持一定的空隙，而U型鋼軌滿足了這項(xiàng)需求，因此在眾多軌面與軌旁路面齊平的工程中得以應(yīng)用。調(diào)相式軌道計(jì)軸器和調(diào)幅式軌道計(jì)軸器不適用于U型鋼軌，使其在輕軌系統(tǒng)中的應(yīng)用受到限制。

2.2.2 振蕩器式計(jì)軸器

振蕩器式軌道計(jì)軸器適用于普通鋼軌和U型鋼軌，但其軌旁電子連接盒的存在與平整的軌面和路面不協(xié)調(diào)(見(jiàn)圖2)。這不僅影響了線路景觀，也影響了汽車、行人的無(wú)障礙通行，使其在硬化路面的工程應(yīng)用上存在較大的局限性。

圖2 軌旁電子連接盒

因此，需要尋找一種檢測(cè)設(shè)備，能適用于不同的鋼軌和道床條件，并能準(zhǔn)確地從輕軌列車、汽車、行人混行路段中分辨檢測(cè)輕軌列車的位置。

3 ARTJZ-2型計(jì)軸系統(tǒng)

3.1 系統(tǒng)構(gòu)成

3.1.1 室外設(shè)備

室外設(shè)備由安裝在普通鋼軌內(nèi)側(cè)/U型鋼軌外側(cè)的計(jì)軸傳感器構(gòu)成，其作用是檢測(cè)鋼軌上走行的列車輪對(duì)和輪對(duì)的行駛方向。它采用一體化的全密封結(jié)構(gòu)，具有特別強(qiáng)的抗機(jī)械應(yīng)變能力和適應(yīng)惡劣工作環(huán)境的能力，在潮濕氣候、雨、雪和結(jié)冰時(shí)都能正常工作。

3.1.2 室內(nèi)設(shè)備

室內(nèi)設(shè)備主要由計(jì)數(shù)板(計(jì)數(shù)單元)和軌道板(運(yùn)算單元)構(gòu)成，均采用雙CPU設(shè)計(jì)，以保證系統(tǒng)運(yùn)行的安全可靠性。計(jì)數(shù)板對(duì)來(lái)自計(jì)軸傳感器的計(jì)數(shù)信號(hào)進(jìn)行處理，記錄通過(guò)計(jì)軸傳感器的軸數(shù)和行駛方向;軌道板接收計(jì)數(shù)板發(fā)送的計(jì)數(shù)信息，采集相鄰區(qū)段的軌道占用信息，綜合判定被測(cè)區(qū)段的占用/空閑情況，并通過(guò)安全繼電器和CAN總線輸出。

3.1.3 傳輸通道

傳輸通道是連接室內(nèi)外設(shè)備和兩相鄰區(qū)段設(shè)備構(gòu)成系統(tǒng)的重要組成部分，采用普通信號(hào)電纜，1個(gè)室外傳感器需要2芯電源線、3芯信息線。

3.2 系統(tǒng)原理

ARTJZ-2型計(jì)軸系統(tǒng)的工作原理如圖3所示。根據(jù)列車(車輛)駛?cè)牒婉偝鲇?jì)軸點(diǎn)所監(jiān)視區(qū)段的記錄軸數(shù)的比較結(jié)果，確定該區(qū)段的占用或空閑狀態(tài)。當(dāng)列車從所檢查區(qū)段的A端進(jìn)入、車輪駛?cè)胗?jì)軸傳感器A的作用區(qū)域時(shí)，向計(jì)數(shù)單元傳送軸脈沖，計(jì)數(shù)單元開(kāi)始計(jì)數(shù)，并判別運(yùn)行方向，確定對(duì)軸數(shù)是累加計(jì)數(shù)還是遞減計(jì)數(shù)。這時(shí)，B計(jì)數(shù)結(jié)果為零，軌道板根據(jù)軸數(shù)信息，經(jīng)比較不一致后，發(fā)出區(qū)段占用信息，控制該區(qū)段的軌道繼電器落下。軌道板通過(guò)CAN總線，使顯示單元顯示區(qū)段軸數(shù)。當(dāng)列車通過(guò)B端時(shí)，計(jì)軸傳感器B開(kāi)始計(jì)數(shù)，經(jīng)軌道板比較，使顯示單元顯示區(qū)段軸數(shù)減少，如果A、B軸數(shù)一致，軌道板輸出區(qū)段空閑信息，控制該區(qū)段的軌道繼電器吸起，顯示單元的顯示為零。為提高設(shè)備的可用性，在每個(gè)計(jì)軸點(diǎn)安裝兩個(gè)計(jì)軸傳感器(即采用雙套冗余配置)，信號(hào)經(jīng)過(guò)電子連接盒處理后，通過(guò)一對(duì)信號(hào)電纜傳到室內(nèi)，傳輸距離可達(dá)10 km。

圖3 計(jì)軸設(shè)備軌道區(qū)段布置

4 工程實(shí)施方案研究

4.1 傳感器安裝于普通鋼軌

計(jì)軸傳感器安裝于普通鋼軌的內(nèi)側(cè)，同一計(jì)軸點(diǎn)的兩個(gè)傳感器相距一個(gè)軌枕，用鋼軌打孔專用工具在指定位置上打φ14的孔，再用鋼刷將鋼軌上的鐵銹及其他雜物清理干凈。

將計(jì)軸傳感器電纜從鋼軌一側(cè)傳到對(duì)應(yīng)的接線盒中，確定無(wú)誤后做好標(biāo)記，預(yù)留適宜長(zhǎng)度將計(jì)軸傳感器電纜截?cái)?。直接將?jì)軸傳感器安裝在鋼軌上(見(jiàn)圖4)，法蘭螺母的扭力矩為45 N·m。

圖4 計(jì)軸傳感器安裝

4.2 傳感器安裝于U型鋼軌

計(jì)軸傳感器安裝于U型鋼軌外側(cè)，安裝位置如圖5所示，安裝方法與普通鋼軌相同。

圖5 計(jì)軸傳感器的安裝位置

4.3 軌旁采用硬化或綠化的實(shí)施方案

在軌旁采用硬化路面或在綠化的工程中安裝，需在鋼軌兩側(cè)預(yù)留安裝、維修空間。該空間沿鋼軌長(zhǎng)600 mm，距鋼軌外側(cè)邊緣寬170 mm，距軌面深度175 mm，并在槽內(nèi)預(yù)埋電源接線及信號(hào)線的走線管。

施工時(shí)要先在傳感器安裝位置的鋼軌上打兩個(gè)孔(φ14，間距260 mm)，然后安裝計(jì)軸傳感器、接線、調(diào)試，安裝調(diào)試后用高強(qiáng)度復(fù)合材料蓋板封蓋(如圖6所示，黃色蓋板為500 mm×100 mm×20 mm)。檢修時(shí)打開(kāi)蓋板，檢修完畢重新將蓋板封蓋。

圖6 計(jì)軸傳感器的安裝

4.4 U型軌安裝計(jì)軸傳感器的檢測(cè)效果

U型鋼軌安裝計(jì)軸傳感器后，檢測(cè)的是車輪的踏面。由于車輪輪緣在U型槽中行駛，使得傳感器具有面積大且更穩(wěn)定的檢測(cè)面，傳感器的輸出信號(hào)比裝在普通軌檢測(cè)輪緣時(shí)的信號(hào)更強(qiáng)。

測(cè)試數(shù)據(jù)如圖7所示，空閑時(shí)左、右磁頭檢測(cè)到的信號(hào)分別為24和－24 mA，占用時(shí)左、右磁頭檢測(cè)到的信號(hào)分別為－37和38 mA，比安裝在普通軌上測(cè)量輪緣的信號(hào)(空閑15、－15 mA左右，占用時(shí)－25、25 mA左右)要強(qiáng)，信號(hào)傳輸?shù)酶h(yuǎn)，計(jì)數(shù)單元的計(jì)數(shù)更穩(wěn)定。

5 樣機(jī)測(cè)試

根據(jù)ARTJZ-2型計(jì)軸系統(tǒng)技術(shù)方案，按照EN50126、EN50128、EN50129要求的SIL4安全等級(jí)，進(jìn)行軟、硬件開(kāi)發(fā)及系統(tǒng)集成。在計(jì)軸樣機(jī)完成后，進(jìn)行了功能、性能及安全測(cè)試，其中功能和性能測(cè)試采用黑箱測(cè)試方法，安全測(cè)試采用植錯(cuò)法和猜錯(cuò)法。結(jié)果表明，所有測(cè)試全部通過(guò)，并成功獲得國(guó)際SIL4安全等級(jí)證書(shū)。

圖7 測(cè)試數(shù)據(jù)

為了驗(yàn)證ARTJZ-2型計(jì)軸系統(tǒng)能夠適應(yīng)輕軌列車、汽車、行人混行的路段，對(duì)汽車和自行車進(jìn)行碾壓試驗(yàn)，如圖8所示。實(shí)驗(yàn)證明，ARTJZ-2型計(jì)軸傳感器能夠承受汽車和自行車的碾壓。當(dāng)汽車、自行車分別碾壓過(guò)傳感器裝置時(shí)，系統(tǒng)計(jì)數(shù)不受干擾。

6 結(jié)論

ARTJZ-2型計(jì)軸系統(tǒng)技術(shù)先進(jìn)，通過(guò)了國(guó)際SIL4級(jí)安全認(rèn)證，具備了進(jìn)入軌道交通領(lǐng)域的能力，產(chǎn)品完全由國(guó)內(nèi)廠家自主研發(fā)，具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)，在成本上有極大的優(yōu)勢(shì)，可為建設(shè)方節(jié)約大量投資。此外，ARTJZ-2型計(jì)軸系統(tǒng)不受鋼軌和道床條件的限制，具有較強(qiáng)的適用性，在景觀、安裝方面有著獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，是輕軌系統(tǒng)列車位置檢測(cè)設(shè)備的較好選擇。

圖8 碾壓實(shí)驗(yàn)

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