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      基于計(jì)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

      2022-11-21 04:21:20傅明華
      現(xiàn)代城市軌道交通 2022年11期
      關(guān)鍵詞:計(jì)軸輪輻可用性

      傅明華

      (上海城建市政工程(集團(tuán))有限公司,上海 200032)

      1 引言

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

      現(xiàn)有列車占用檢測設(shè)備主要有軌道電路和計(jì)軸設(shè)備2類,基于城市軌道交通復(fù)雜的運(yùn)行環(huán)境(地面、地下、高架)限制,多采用環(huán)境適應(yīng)性較強(qiáng)的計(jì)軸設(shè)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(yīng)用的計(jì)軸設(shè)備分析,發(fā)現(xiàn)計(jì)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(xiàng)目、交流牽引制式項(xiàng)目中尤其突出。但是通過對比發(fā)現(xiàn),不同架構(gòu)的計(jì)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(shè)備的原理與架構(gòu),并對其安全性以及可用性進(jìn)行詳細(xì)分析。

      2 計(jì)軸系統(tǒng)要求

      針對計(jì)軸系統(tǒng)的特性,對計(jì)軸系統(tǒng)的要求有以下幾點(diǎn):需要保證岔區(qū)計(jì)軸系統(tǒng)的可靠計(jì)數(shù),以確保岔區(qū)行車安全;需要保證在強(qiáng)電磁干擾等工況環(huán)境下計(jì)軸系統(tǒng)的穩(wěn)定性;需要消除有軌電車磁軌制動器對計(jì)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(jì)軸傳感器原理及適應(yīng)性

      2.1.1 輪輻式計(jì)軸傳感器原理

      輪輻式計(jì)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(yùn)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(jìn)行運(yùn)算。原理如圖1所示。

      2.1.2 傳感器溫度漂移

      輪輻式計(jì)軸傳感器每個計(jì)軸點(diǎn)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(yīng)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(jì)軸傳感器的不穩(wěn)定。

      圖1 輪輻式計(jì)軸傳感器原理圖

      城市軌道交通的應(yīng)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?yàn)檩嗇検絺鞲衅髌铺匦?,每年需要進(jìn)行2次以上傳感器參數(shù)維護(hù)/調(diào)整。

      2.1.3 磁場對傳感器的影響

      當(dāng)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(dǎo)致輪輻傳感器無法進(jìn)行車輪的正確計(jì)數(shù),嚴(yán)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(yīng)用。

      當(dāng)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(qiáng)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(hù)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(yīng)用。

      綜上分析,輪輻式傳感器無法妥善的適應(yīng)目前城市軌道交通的應(yīng)用環(huán)境。大連有軌電車既有線改造項(xiàng)目曾對輪輻式計(jì)軸傳感器進(jìn)行試裝,由于無法正確的對帶有磁制動器的車輛進(jìn)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(yīng)用的輪輻式計(jì)軸系統(tǒng),在維護(hù)手冊中明確規(guī)定禁止車輛停在傳感器上方時進(jìn)行列車啟動。

      2.2 輪緣式計(jì)軸傳感器

      輪緣式計(jì)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(jì)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(hù)輪槽對傳感器探測的影響。因此,在當(dāng)代城市軌道交通的應(yīng)用環(huán)境下,輪緣式傳感器的適應(yīng)范圍更廣。

      圖2 輪緣式計(jì)軸傳感器原理圖

      3 岔區(qū)應(yīng)用的風(fēng)險(xiǎn)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(guān)系、道岔軌道區(qū)段不連續(xù)的情況,因此無法通過三點(diǎn)檢查進(jìn)行安全防護(hù)。本節(jié)通過建立岔區(qū)模型,對不同占用檢測設(shè)備進(jìn)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(dāng)岔區(qū)無車時,發(fā)送端信號通過鋼軌傳導(dǎo)至接收端,對軌道繼電器進(jìn)行驅(qū)動。當(dāng)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(fēng)險(xiǎn)分析一般從2種狀態(tài)下進(jìn)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(dǎo)致無車時軌道區(qū)段顯示為占用,此時嚴(yán)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(jìn)入岔區(qū)后無法短路2根鋼軌,導(dǎo)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(jì)軸系統(tǒng)

      傳統(tǒng)計(jì)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(jì)軸布局圖

      對傳統(tǒng)計(jì)軸系統(tǒng)的風(fēng)險(xiǎn)分析,分別從2種狀態(tài)下進(jìn)行。

      3.2.1 入口丟軸的風(fēng)險(xiǎn)分析

      假設(shè)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(jìn)路方向經(jīng)過計(jì)軸點(diǎn)1-計(jì)軸點(diǎn)2,第二列列車進(jìn)路方向經(jīng)過計(jì)軸點(diǎn)1-計(jì)軸點(diǎn)3,第一列列車通過計(jì)軸點(diǎn)1丟失4軸,在計(jì)軸點(diǎn)2通過2軸后,道岔軌道區(qū)段 1(DG1)出清 ,實(shí)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(jìn)路道岔轉(zhuǎn)岔,造成列車出軌。北京首都機(jī)場快軌采用的計(jì)軸系統(tǒng)曾發(fā)生入口計(jì)軸點(diǎn)將一整列車輪全部漏記的情況,可見在計(jì)軸點(diǎn)單傳感器架構(gòu)的條件下,有發(fā)生漏記的現(xiàn)實(shí)可能性。

      3.2.2 出口多記的風(fēng)險(xiǎn)分析

      假設(shè)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(jìn)路方向經(jīng)過計(jì)軸點(diǎn)1-計(jì)軸點(diǎn)2,第二列列車進(jìn)路方向經(jīng)過計(jì)軸點(diǎn)1-計(jì)軸點(diǎn)3,第一列列車從計(jì)軸點(diǎn)1通過6軸,此時DG1記錄有6軸車,當(dāng)車經(jīng)過計(jì)軸點(diǎn)2時提前擾出2軸,計(jì)軸點(diǎn)2在出4軸時,DG1變成出清,此時ATS會自動觸發(fā)進(jìn)路(此時DG1實(shí)際留有2軸車)道岔會轉(zhuǎn)岔,造成列車出軌。

      3.3 冗余計(jì)軸系統(tǒng)

      冗余計(jì)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(jìn)行檢測。其目的在于應(yīng)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(jì)軸點(diǎn)1-計(jì)軸點(diǎn)2-計(jì)軸點(diǎn)3的1號傳感器為一組(組成DG1-A區(qū)段),進(jìn)行獨(dú)立運(yùn)算。計(jì)軸點(diǎn)1-計(jì)軸點(diǎn)2-計(jì)軸點(diǎn)3的2號傳感器為一組(組成DG1-B區(qū)段),進(jìn)行獨(dú)立運(yùn)算。當(dāng)DG1-A與DG1-B均占用時,DG1的狀態(tài)為占用;當(dāng)DG1-A與DG1-B有任一運(yùn)算結(jié)果為出清時,DG1的狀態(tài)為出清。

      圖5 冗余計(jì)軸布局圖

      冗余計(jì)軸系統(tǒng)的風(fēng)險(xiǎn)分析主要從2種情況下進(jìn)行。第一種情況是當(dāng)岔區(qū)入口發(fā)生丟軸時。假設(shè)當(dāng)列車由計(jì)軸點(diǎn)1進(jìn)入岔區(qū),此時計(jì)軸點(diǎn)1的1號傳感器進(jìn)行計(jì)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(jìn)入岔區(qū),設(shè)備故障后應(yīng)為區(qū)段占用狀態(tài),而此時顯示未占用,冗余計(jì)軸系統(tǒng)沒有做到故障導(dǎo)向安全。第二種情況是當(dāng)岔區(qū)出口發(fā)生多記時。假設(shè)列車車輪總共有6軸,進(jìn)入岔區(qū)時計(jì)軸點(diǎn)1的1號以及2號傳感器均記6軸,當(dāng)列車由計(jì)軸點(diǎn)2駛出時,計(jì)軸點(diǎn)2的1號傳感器發(fā)生多記,當(dāng)1號傳感器軸數(shù)為6時(此時列車實(shí)際通過軸數(shù)不足6軸),DG1-A區(qū)段出清,繼而導(dǎo)致DG1區(qū)段提前出清,設(shè)備故障后應(yīng)為區(qū)段占用狀態(tài),而此時未顯示占用,冗余計(jì)軸系統(tǒng)沒有做到故障導(dǎo)向安全。

      3.4 四取三計(jì)軸系統(tǒng)

      四取三計(jì)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(jìn)行探測,DG1的占用/出清基于計(jì)軸點(diǎn)1-計(jì)軸點(diǎn)2-計(jì)軸點(diǎn)3的6只傳感器探測數(shù)據(jù)進(jìn)行邏輯判斷,如圖6所示。

      圖6 4取3計(jì)軸系統(tǒng)傳感器布局

      3.4.1 工作原理

      四取三計(jì)軸系統(tǒng)通過區(qū)段入口以及出口的傳感器計(jì)數(shù)差異,判斷區(qū)段的占用出清狀態(tài)。其基本含義為:當(dāng)區(qū)段由出清轉(zhuǎn)為占用時,以計(jì)數(shù)大的傳感器計(jì)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(dāng)區(qū)段由占用轉(zhuǎn)為出清時,以計(jì)數(shù)小的傳感器計(jì)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(jìn)軸數(shù),個;S1.2為2 號傳感器進(jìn)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(jìn)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(jì)軸點(diǎn)總點(diǎn)數(shù),個;i為計(jì)軸點(diǎn)編號;E為計(jì)軸點(diǎn)傳感器1、2進(jìn)出軸數(shù)不等標(biāo)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(jì)軸風(fēng)險(xiǎn)分析

      當(dāng)岔區(qū)入口發(fā)生丟軸時的安全分析。假設(shè)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(jìn)路方向經(jīng)過計(jì)軸點(diǎn)1-計(jì)軸點(diǎn)2,第二列列車進(jìn)路方向經(jīng)過計(jì)軸點(diǎn)1-計(jì)軸點(diǎn)3。由于每個計(jì)軸點(diǎn)設(shè)置2個獨(dú)立的計(jì)軸傳感器,不考慮2個獨(dú)立的計(jì)軸傳感器同時發(fā)生丟軸故障,第一列列車從計(jì)軸點(diǎn)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(jì)軸點(diǎn)2經(jīng)過時1號、2號傳感器記至2軸車輪時,四取三計(jì)軸系的出清原則為多進(jìn)原則,此時DG1的進(jìn)軸為6軸出軸為2 軸,DG1保持占用。當(dāng)計(jì)軸點(diǎn)2的1、2號傳感器經(jīng)過 6 軸車輪時,DG1的進(jìn)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(dāng)岔區(qū)出口發(fā)生多記時的安全分析。假設(shè)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(jìn)路方向經(jīng)過計(jì)軸點(diǎn)1-計(jì)軸點(diǎn)2,第二列列車進(jìn)路方向經(jīng)過計(jì)軸點(diǎn)1-計(jì)軸點(diǎn)3。第一列列車從計(jì)軸點(diǎn)1駛?cè)霑r,1號、2號傳感器記6軸車輪,從計(jì)軸點(diǎn)2經(jīng)過時1 號計(jì)軸傳感器提前擾出2軸車輪,當(dāng)計(jì)軸點(diǎn)2駛過4軸后,這時計(jì)軸點(diǎn)2的1號傳感器計(jì)數(shù)為6軸,計(jì)軸點(diǎn)2的2號傳感器計(jì)數(shù)為4軸,四取三計(jì)軸系統(tǒng)的出清原則為少出原則,此時DG1的進(jìn)軸為6軸出軸為4軸,DG1保持占用。當(dāng)計(jì)軸點(diǎn)2經(jīng)過1號計(jì)軸傳感器8軸、經(jīng)過2號計(jì)軸傳感器6軸車輪時,DG1的進(jìn)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(jì)軸系統(tǒng)的架構(gòu)和算法描述可得到如下結(jié)論。

      (1)利用雙傳感器冗余布局可提高系統(tǒng)的安全性,即當(dāng)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(jìn)行比較處理可對干擾信號進(jìn)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(yùn)營,提高系統(tǒng)的可用性。

      (3)結(jié)合廣州地鐵18號線與22號線2條線路的應(yīng)用,進(jìn)一步驗(yàn)證四取三系統(tǒng)架構(gòu)可以在交流牽引制式的城市軌道交通項(xiàng)目中,顯著提高計(jì)軸系統(tǒng)的安全性和可用性,可解決早期項(xiàng)目(北京地鐵新機(jī)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(fēng)險(xiǎn)。

      3.5 小結(jié)

      經(jīng)分析對比各類配置,可得出以下結(jié)論:

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

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

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

      (4)當(dāng)?shù)啦韰^(qū)段采用四取三計(jì)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(fēng)險(xiǎn),同時系統(tǒng)的可用性也得到提高。

      4 結(jié)語

      四取三計(jì)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(fēng)險(xiǎn)。同時利用四取三計(jì)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(shè)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(xiàng)目、交流牽引制式項(xiàng)目等)存在的安全問題。在城市軌道交通應(yīng)用環(huán)境中,四取三計(jì)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(yùn)營環(huán)境要求。

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