计轴在城市轨道交通信号系统中的应用研究

2016-08-16张平

大科技 2016年17期

关键词：磁头计轴信号系统

张平

（成都地铁运营有限公司四川成都 610000）

计轴在城市轨道交通信号系统中的应用研究

张平

（成都地铁运营有限公司四川成都 610000）

随城市轨道交通行业迅速发展，人们日常出行对其依赖日益突出，对轨道交通信号系统的可靠度提出了更高的期望和要求。计轴技术为信号系统检测列车位置常用解决方案，在城市轨道交通CBTC信号系统中应用广泛，作为CBTC系统后备模式下的列车位置检测设备，其在保障信号系统整体可靠、稳定运行方面起到了至关重要的作用，本文主要从计轴设备概述、组成、原理及设计、应用、维保等方面进行分析。

计轴；CBTC；原理；后备模式；应用

目前国内外新建轨道交通（包括地铁、轻轨等）项目绝大多数采用了基于无线通信的列车自动控制系统，即CBTC；为满足非装备列车的运行需求及CBTC系统故障情况下的城轨运营，各大系统均引入降级后备模式方案，在后备模式下利用计轴实现列车位置检测、定位。

1 计轴概述

在19世纪初，欧洲的德国、瑞士等大量敷设钢枕，因无法采用常规的轨道电路来检测列车位置信息，为此，研制出各种形式的计轴设备。与工业发展的过程一样，计轴设备的发展也经历了机械式、光电式、永磁式、电子式和微电子式的更新换代，但基本工作原理是相同的。①采集车轮信息；②对车轮信息进行处理和运算；③根据运算结果给出区段的空闲/占用信息；各种计轴设备的主要差异在于采集车轮信息的方式不同。

2 计轴构成

计轴设备其构成主要包括室内计轴主机、状态输出单元、室外轮轴检测器（磁头）；计轴主机接收处理车轮信息，计算区段占用/空闲信息，状态输出单元将主机计算结果（多数采用驱动继电器方式）送至联锁设备，轮轴检测器用来检测车轮轮轴信息，包括通过方向、通过轮轴数量。

3 工作原理

3.1 计轴主机

计轴主机通过获取各区段室外轮轴检测器（磁头）数据信息，即进入（+1）/出清（-1）区段轴数，当计入（进入）数等于计出（出清）数时，区段显示空闲，反之为占用。

说明：

（1）计轴主机检测磁头、电缆线路等异常时则给出故障告警，并给出占用信息；

（2）当计轴主机检测相应区段为负轴，此时若有对应数量轮对进入该区段，系统不会计算该区段为“出清”状态，且会诊断为故障。

3.2 输出状态单元

计轴与联锁大多采用继电电路接口，计轴输出状态单元根据计轴主机对各区段的计算结果，输出高/低电平，驱动对应区段轨道继电器，联锁采集轨道继电器状态，从而获得各区段的占用/空闲状态。

3.3 室外轮轴检测器（磁头）

典型的计轴磁头每套包括两个发送磁头和两个接收磁头，发送磁头安装在轨道外侧，接收磁头安装在轨道内侧，并与相应的发送磁头一一对应，内接收磁头部为绕制在铁芯上的线圈，两组发送线圈中，因电流的频率各不相同，他们产生的交变磁场使接收线圈产生感应电压。当有车轮轮缘压在钢轨上时，接收线圈产生的感应电压的相位反转180度，系统可根据其相应变化检测到一个轴。

没有车轮时，车轮距离磁头中心超过200mm，发送线圈产生的交变磁场穿过接收线圈，其磁力线与接收线圈的垂直线成一个角度A，导致接收线圈中产生与发送线圈的电压相位相同的感应交流电压。

车轮距磁头中心线约200mm的位置时，发送线圈产生的磁力线垂直穿过接收线圈，这样，接收线圈的感应电压变为零。车轮到达磁头上方，发送线圈产生的磁力线穿过接收线圈，但磁力线与接收线圈的垂直线的角度变为-A，那么从接收线圈中产生的感应交流电压较发送线圈的电压相位发转了180度。车轮经过计轴时磁感应线变化情况如图1所示。

图1

4 计轴复位

4.1 计轴复位类型

根据各计轴厂家所提供技术条件，将计轴复位方式归纳为以下四种方式：

4.1.1 无条件复零

一旦接收到复零命令，计轴检查设备自身无禁止复零的技术条件，例如持续故障等，区段直接复零，立即给出区段空闲指示。

4.1.2 有条件复零

一旦接收到复零命令，计轴检查设备自身无禁止复零的技术条件，例如持续故障等，当区间处于正确占用状态时，计轴设备收到复零命令后会检查区段最后的进出轴状态（如果区段最后一轴是进轴，那么系统不允许复位；如果区段最后一轴是出轴，那么系统允许复位）。只有条件满足计轴设备才能给出区段空闲指示；当区间受干扰时，将不考虑最后一次计数，直接执行复位。

4.1.3 预复零

一旦接收到复零命令，计轴检查设备自身无禁止复零的技术条件，例如持续故障等。随第一列车运行通过该区间。计轴设备将检查检测点的正确运行，当进入和离开该区间的计轴数相同时，计轴设备才会给出区段空闲指示，完成复零。

4.1.4 带确认的预复零

一旦接收到复零命令，计轴检查设备自身无禁止复零的技术条件，例如持续故障等。随后须经一列车通过区间，同时要求人为确认列车正确运行通过出清该区段，随后向计轴发送一个确认命令。计轴设备检查检测点的正确运行，如果能够正确计算进入和离开该区间的轴数，当接收到确认命令时，计轴设备给出区段空闲指示。

4.2 优缺对比

表1

4.3 综合分析建议

从国内城轨运营维保情况来看，各均设有车站值班员，且信号人员并非常驻每个集中/联锁站，考虑故障复零的及时性和安全性，建议：

（1）直接复零和预复零方式各选一种；

（2）同时建议采用无条件复零与预复零方式，分别设置于信号设备室内和车控室IBP盘上。

5 计轴设备特点

（1）计轴设备安装简单，其状态不受钢轨、道床等外部条件影响；

（2）轨道无需绝缘装置，提升城轨的静音性和舒适性；

（3）建设成本相对较高，运营维护工作量较小；

（4）对轨道区段长度没有限制；

（5）容易受干扰，如电磁干扰，外部金属物划过等干扰；

（6）无断轨检测功能。

6 在城市轨道交通中的应用探讨

6.1 超限绝缘

常见的超限绝缘有两种：①当某一道岔区段与相邻轨道区段的绝缘节到该道岔警冲标距离小于3.5m时，此绝缘节为超限绝缘，经过该道岔区段办理进路时必须检查相邻区段的空闲条件；②某一道岔区段与相邻道岔区段的绝缘节到该道岔警冲标距离小于3.5m，当相邻区段的道岔开通本道岔区段或道岔失去表示时，该绝缘节为超限绝缘；当道岔不开通本区段时，该绝缘节就不是超限绝缘，即根据道岔位置条件来决定是否是超限绝缘。典型超限绝缘，如图2所示。

图2

城市轨道交通面临一个特殊的问题，地下空间狭小，计轴点的设置位置考虑诸多因素，造成道岔区段计轴点与警冲标距离难免小于3.5m；关于绝缘节距警冲标3.5m的标准，是根据国铁机车车辆条件制定的，其主要取决于车辆头/尾端与邻近第一轮对轴心距离，由于城轨车辆有别于国铁车辆参数，关于城市轨道交通超限绝缘的标准，建议根据城轨车辆的实际情况出台适应新的标准，以保证整个信号系统的效率最大化。

6.2 模拟占用

从国内CBTC信号系统实际应用情况来看，联锁软件现场测试次数较多，在测试的过程中，对区段模拟占用的需求较大，目前多数通过插拔继电器或连接线的方式来实现区段的模拟占用，这两种方式均不科学、不可靠，存在较大风险。

6.3 计轴设备故障时对CBTC的影响

在CBTC模式下，列车定位完全依靠列车自身定位计算而来，不需依靠计轴来对列车位置进行检测；作为CBTC信号系统后备模式下的列车位置检测设备，在其故障时对CBTC系统的影响，各厂家处置方式各有不同，主要归纳为以下几类：

6.3.1 对CBTC进路的影响

完全不影响。无论是普通区段故障，还是道岔区段故障，还是连续多个区段故障，CBTC系统计算确保计轴故障区段无车占用，将不影响CBTC进路和CBTC列车的运行。此解决方案让计轴设备成为真正意义上的后备模式。

有条件影响。计轴区段在某种特定的情况下故障，如连续几个区段顺序依次故障或道岔位置在反位且该道岔区段故障等情况下，影响CBTC进路及列车通过。代表性厂家：卡斯柯、浙大网新等。

无条件影响。任一区段故障，均影响通过该区段的CBTC进路和列车通过。该方案为非常保守的CBTC系统解决方案，大大降低了整个CBTC信号系统的可用性，故障时对运营行车组织影响较大。

建议：结合国内城市轨道交通现状，客流大、运行密度大、对系统可靠性要求高，在确保系统安全的前提下推荐“完全无影响”解决方案

6.3.2 计轴故障对道岔转换的影响

不影响道岔转换。当道岔区段故障，CBTC系统计算确保该故障区段无车占用时，联锁允许其操动道岔。

影响道岔转换。当道岔区段故障联锁不允许其操动道岔。为尽可能降低折返站的影响方位，此方案可采取一下弥补措施：