跨座式单轨系统的道岔辅助防护系统研究

宁递杰

(广西柳州市轨道交通投资发展集团有限公司，广西柳州 545000)

1 概述

随着城市化进程的高速发展，人们对城市轨道交通运营安全提出了更高要求。尤其在信号系统失效时，如何保证列车和乘客的安全显得尤为重要，跨座式单轨交通系统区别于传统钢轮钢轨双轨交通系统，它采用混凝土PC 梁或钢梁作为轨道梁，代替了传统钢轨支撑列车运行，列车车轮采用橡胶轮胎跨骑在轨道梁上。跨座式单轨交通系统道岔结构形式也发生了变化，单轨的道岔作为一个独立系统，是单轨三大核心技术之一，与钢轮钢轨使用的道岔完全不同，传统钢轮钢轨采用的转辙机带动道岔尖轨，通过对轮沿的作用力而改变运行线路，而跨座式单轨采用的是轨道梁整体移动方式改变列车运行的线路。

在轨道交通系统中，当列车信号系统发生故障后，司机切除列车自动监控系统（ATC）采用非限制人工驾驶模式（EUM）行车，此模式下列车的监控和运行由司机负责操作。此时司机一方面需与行车调度保持紧密联系，一方面需采用加强瞭望、人工准备进路等“人防”手段来保障列车运营安全。运营单位需要制定严格的规章制度规范此情况下各个环节的处理保障运营安全，但实际运营中，人员的技能水平、应变能力、精神状态各有不同，任何一个环节出现失误都有可能造成事故。特别是跨座式单轨，道岔处于非接通位置时（四开）存在悬空断梁的特殊性，如果瞭望不足、道岔未锁闭或者未按照规定人工准备进路，列车会存在掉下轨道梁、侧面冲突等风险。

因此，通过研究跨座式单轨的特点，设计一套道岔辅助防护系统，通过技术防护方式保证道岔处于非接通位置（四开）时非限制人工驾驶（EUM）列车施加紧急制动，从而提升跨座式单轨的安全性和可靠性。

2 功能定位

当信号系统发生故障或失效时，单轨车辆转为EUM 模式运行，道岔辅助防护系统应该具备以下功能。

1）当道岔状态正常时，系统能够根据实际运行情况和EUM 的限速设置给出限速提醒和超速防护。

2）当道岔失去表示时，系统能够使单轨列车施加紧急制动并在安全区域停车。

3）能够满足单轨列车双向运行。

4）在信号系统功能正常情况下，该系统的故障不影响信号系统的列车控制功能并确保列车正常运行。

3 设计方案

3.1 系统组成

道岔辅助防护系统主要由轨旁设备和车载设备两部分组成，轨旁设备主要由RFID 标签、标签控制盒、道岔状态分析设备组成，车载设备主要由标签天线、解析单元组成，辅助系统与道岔系统中的道岔控制柜通过硬线接口，同时车载设备的解析单元与车辆设备的列车紧急制动单元有接口，从而发送列车紧急制动命令。道岔辅助防护系统原理如图1 所示。

图1 道岔辅助防护系统网络拓扑图Fig.1 Network topology of turnout auxiliary protection system

3.2 系统平面设置

以一组单动道岔为例，根据实际需要划分为非控制区、缓冲区、道岔区3 个虚拟区域。如图2 所示，每一组道岔设置一个道岔状态分析柜、一个标签控制盒以及3 组RFID 标签（A、B）。道岔分析柜实时采集道岔控制柜（SCP）状态送至标签控制盒，控制盒将道岔状态信息通过线缆，分别连接到3 个RFID 标签组。由于列车从接收到道岔状态信息到停车，需要一定的走行距离方可完全停稳，RFID 标签组必须与道岔之间根据停车所需的安全距离设置缓冲区。

图2 道岔辅助防护系统设备配置图Fig.2 Equipment configuration of turnout auxiliary protection system

3.3 系统控制逻辑

本系统只在信号系统故障且列车采用EUM 驾驶模式时启用，系统启用后的控制逻辑如图3 所示。

图3 道岔辅助防护系统逻辑图Fig.3 Logic diagram of turnout auxiliary protection system

当道岔状态分析柜采集到道岔控制柜（SCP）的位置处于错误或者非接通位置（四开）时，道岔状态分析柜输出低电平（0 VDC）至RFID 标签控制盒，RFID 标签A/B 激活。当列车驶过，列车标签天线采集到RFID 标签激活状态，列车解析单元进行解析，触发列车紧急制动命令，列车停车。

当道岔状态分析柜采集到道岔控制柜（SCP）的位置正确且锁定时，道岔状态分析柜输出高电平（+24 VDC）至RFID 标签控制盒，RFID 标签A-B 不被激活。当列车驶过，列车标签天线采集到RFID 标签未激活状态，列车不触发紧急制动，列车可正常通过。

列车驶入道岔区时，列车读取RFID 标签顺序为A1-B1 系统进行识别输出；当列车按照规定速度驶离限速区后，车载设备读取标签顺序为B3-A3，系统则无紧急制动输出，列车可正常驾驶。

系统的车载解析设备通过接口获取车辆传输的列车实时运行速度，并与EUM 限速进行对比，当实际速度高于EUM 限速时，解析单元向车辆系统输出紧急制动命令。

当本系统设备断电或发生故障时，标签控制盒接收到低电平，列车施加紧急制动。

3.4 系统安全分析

本系统符合故障-安全原则，符合轨道交通可靠性、可用性、可维修性和安全性规范及示例中规定的要求，系统安全完整性均达到SIL4 的要求。

系统数据传输方式分为有线传输和无线传输两部分，除了地面RFID 标签与列车标签天线之间采用射频无线传输以外，其他系统模块之间均采用有线传输方式。

系统轨旁设备与列车上解析单元至紧急制动单元之间采用有线传输模式，当其中某一模块或者线路发生故障时，下一级电路或模块均处于无数据传输状态，系统在设计时默认为无数据传输状态即为限制状态，此时列车接近也无法正常通过，不会导致危险状况出现。

地面RFID 标签与列车标签天线之间采用无线传输，该传输方式参照轨道交通应答器传输系统技术条件的相关要求进行设计，当列车标签天线无法激活地面RFID 标签等原因无法接收到报文时，列车解析单元按照信息丢失处理，当列车解析单元丢失满足故障导向安全原则。

4 结束语

随着城市轨道交通的安全要求不断提高，轨道交通设备不仅必须满足日常运营功能需求，还必须保证当信号设备故障发生后，保障列车、司机、乘客能获得更安全、更可靠的辅助防护。因此，设计了一种道岔辅助防护系统方案，该方案可以满足当信号系统发生故障或者失效，列车采用EUM 模式驾驶通过道岔区域时，在道岔未能正常锁定或道岔处于非接通位置（四开）的情况下，列车自动触发紧急制动并在安全区域停车。此方案能够有效避免单轨列车掉下轨道梁、侧面冲突等安全事故的发生。此方案对常规的轨道交通线路也有一定启发性作用，可为下一步工程设计和应用提供参考，但因系统涉及运营安全，与信号系统和车辆设备有接口，因此必须反复进行实际试验，并通过第三方的安全认证方后可在实际运营中实施应用。