中低速磁浮信号与道岔接口方案对比分析

张宝华

(中铁磁浮交通投资建设有限公司 湖北武汉 430060)

1 引言

随着轨道交通形式和市场需求的多样化，中低速磁浮交通在国内得到越来越多的应用，国内已开通运营的项目包括北京磁浮S1线和长沙磁浮快线[1]，正在建设的项目包括清远磁浮旅游专线和凤凰磁浮文化旅游线。

中低速磁浮道岔为整体轨道梁移动方式，由垛梁、关节轨道梁、驱动装置和锁定装置、控制系统等构成[2－3](见图1)，与轮轨交通的道岔区别较大。道岔可通过自身的控制系统现地人工操作，也可通过与信号联锁系统接口，实现远程集中控制。

图1 中低速磁浮关节型轨道梁道岔

基于中低速磁浮道岔的特点，中低速磁浮信号联锁系统对磁浮道岔控制方式与轮轨道岔有着较大区别[4]。正常情况下，信号联锁系统通过接口下达道岔动作命令、接收道岔表示信息等[5]；道岔系统负责接收信号动作指令，控制道岔的转辙、反馈道岔位置信息等。在运营维护或者故障情况下，道岔可转为现地人工控制，双方通过接口电路实现请权、授权、安全监督等过程。部分项目会将道岔运行状态监测信息通过通信接口纳入信号集中监测系统集中管理[6]。

本文以国内已实施中低速磁浮项目为案例，分析案例中接口设计方案的特点和差异，取长补短，为其他同类项目的设计方案优化奠定基础。

2 案例A道岔接口方案分析

2.1 接口概述

案例A信号系统与道岔系统的接口电路采用典型继电器硬线接口方式，双方接口信息相对较少，具体接口信息见图2。道岔控制柜端接口电路和控制电路均采用铁路信号安全型继电器。

图2 案例A－信号与道岔接口信息示意

案例A道岔控制模式主要包括集中控制模式、现地控制模式[7]和维修模式。接口电路主要包括道岔动作接口部分、表示接口部分和控制模式转换接口部分。

2.2 动作和表示接口

案例A道岔动作接口方案原理见图3所示。

图3 案例A－道岔动作接口示意

案例A道岔动作和表示接口方案主要设计特点如下:

(1)道岔定位操作(DCJ)、反位操作(FCJ)指令在检查联锁允许操作(YCJ)、道岔区段空闲(GJ)条件后，通过接口电路传递至道岔控制柜端，直接启动道岔转换。

(2)通过现地道岔位置检测行程开关接点构成现地道岔表示继电器回路，再由现地道岔表示继电器接点将道岔表示信息传递给信号联锁系统。

2.3 控制模式转换接口

案例A道岔控制模式转换接口方案原理见图4。

图4 案例A－道岔模式接口示意

案例A模式转换接口方案主要设计特点如下:

(1)电路仅完成集中控制模式和现地控制模式之间转换和状态表示，道岔“维修模式”与联锁系统没有接口，相关安全由人工保证。

道岔转换为“现地控制模式”时电路执行过程:现场转换开关闭合→现地请求继电器QQJ↓→室内请求继电器QQJ↓→联锁采集请求信息→控制台人工确认→联锁驱动室内同意继电器TYJ↑→现地同意继电器JTYJ↑→现地模式状态继电器JTYJa↑并自保→室内JTYJa↑→联锁采集JTYJa信息→室内TYJ↓→现地JTYJ↓→系统进入现地模式。

道岔恢复“集中控制模式”时电路执行过程:现场转换开关断开→现地JTYJa↓/现地QQJ↑→室内JTYJa↓/室内QQJ↑→系统恢复集中控制模式。

(2)现地模式状态继电器(JTYa)设置在道岔控制柜端，集中模式下为落下状态，现地模式时吸起。JTYa吸起后，由现地JTYa接点切断道岔动作指令接口电路。现地JTYa信息通过接口复示至信号联锁系统。

3 案例B道岔接口方案分析

3.1 接口概述

案例B信号系统与道岔系统的接口电路同样采用典型继电器硬线接口方式，但双方交换的接口信息相对较多，具体接口信息见图5所示。道岔控制柜端内接口电路采用铁路信号安全型继电器，其他控制电路采用欧姆龙小型安全继电器。

图5 案例B－道岔接口信息示意

案例B道岔控制模式除通常的集中控制模式和现地控制模式外，还包括现地强控模式和IBP应急控制模式。接口电路主要包括道岔启动控制接口部分、表示接口部分、控制模式转换接口部分、IBP盘应急控制接口部分。

3.2 启动控制接口

案例B道岔启动控制接口方案原理见图6。

图6 案例B－道岔启动控制接口示意

案例B道岔启动控制接口方案主要设计特点如下:

(1)道岔启动控制接口参考轮轨道岔接口电路和技术原则，道岔动作指令经过多级启动电路传递至道岔控制柜端，实现多项道岔控制技术条件的检查。

道岔启动电路执行过程:联锁系统驱动定操继电器DCJ/反操继电器FCJ↑→检查道岔区段空闲GJ↑/道岔未锁闭SFJ↑→1道岔启动继电器1DQJ↑并自保→2道岔启动继电器2DQJ转极→动作指令传递给道岔端中位操作继电器NCJ/右位操作继电器RCJ↑→道岔开始转辙。

1DQJ 3-4线圈，负责接收联锁“定操”、“反操”指令，检查道岔区未锁闭联锁条件，实现“道岔处于锁闭状态时道岔不能转换”的道岔控制技术原则[8]。1DQJ 1-2线圈负责自保和启动电路切断。

道岔启动电路中2DQJ，利用其极性保持特性将道岔动作指令不间断传递给道岔端，而非由DCJ/FCJ直接传递给道岔端，实现“道岔一经启动即使有车进入也继续转换到底”、“道岔在所需的位置时道岔操作指令不会传给道岔控制系统”的技术原则。

(2)联锁系统的锁闭防护继电器(SFJ)，除用于常规的安全检查外，还通过接口电路远程控制道岔控制柜端道岔动作电源的接通和断开，实现“道岔转辙完成后切断道岔控制柜动作电源”的技术原则。

(3)设置启动切断继电器(QDJ)，负责实现“道岔启动电路动作后因故无法转换时，应切断启动电路”的技术原则。

在1DQJ吸起后，接通包括阻容RC和QDJ线圈的回路，通过电容C和电阻R规格选择，控制回路放电时间，从而控制QDJ吸起时间约6.5 s，与道岔解锁时间4.5～5 s相匹配。电路中的监督继电器(JDJ)在道岔梁开始移动时吸起，道岔梁移动到位后落下。在道岔解锁时间内，道岔失去表示，JDJ落下，QDJ自保电路不会构成，由电容C放电保持QDJ吸起，道岔解锁完成、道岔梁开始移动后，JDJ吸起，QDJ自保回路构成，直至道岔梁移动到位、JDJ落下。如在6.5 s时间内，JDJ未能吸起，则判断道岔未能按指令动作，QDJ落下，切断1QDJ自保电路，从而切断动作指令传递到道岔端。

3.3 表示接口

案例B道岔表示接口方案主要设计特点如下:

(1)信号联锁端道岔位置表示继电器直接通过检测道岔位置的冗余行程开关接点构成接口回路[9]，减少了现地设置表示中继电器的环节。

(2)设置监督继电器(JDJ)，通过转辙电机摇臂基座上的行程开关检测道岔梁的启动和到位，用于判断道岔在动作指令发出后是否因故未启动，并在道岔故障时通过相关电路中止道岔启动电路。

3.4 控制模式转换接口

案例B道岔模式转换接口方案原理见图7。

图7 案例B－道岔模式转换接口示意

案例B道岔模式转换接口方案主要设计特点如下:

(1)道岔由集中控制模式转换至现地控制模式，除常规的请求和授权过程外，要求联锁先对道岔进行“封闭”操作后，才能使“同意授权”按钮。

(2)具备“强控模式”接口。道岔强控模式为无需联锁系统授权，道岔即可实现现地控制功能的模式。

强控模式转换过程:道岔控制柜端转动“强控开关”，通过接口电路，室内强控继电器(QKJ)吸起，控制台“强控灯”亮起，切断集中状态继电器(JZZJ)电路，控制台“集中灯”灭，道岔即进入强控模式。

(3)JZZJ设置在联锁端，常态为吸起状态，表示系统处于集中控制模式。系统进入现地控制模式、强控模式、IBP盘应急控制模式时，都将切断JZZJ回路。JZZJ落下后，一是由室内JZZJ负责切断联锁道岔动作指令接口回路；二是由其后接点接通道岔控制柜端锁闭防护复示继电器(SFJF)，从而在非集中控制模式下接通道岔控制柜内的动作电源。室内JZZJ信息通过接口电路复示至道岔控制端。

3.5 IBP盘应急控制电路

案例B道岔IBP盘应急控制接口方案原理见图8。

图8 案例B－道岔IBP盘应急控制接口示意

IBP盘应急控制模式相当于计算机联锁应用初期的“道岔应急盘”功能。在发生特殊故障而无法通过联锁进路或控制台操作道岔时，通过操作IBP盘上的相关按钮，越过联锁启动控制接口电路而直接远程控制道岔转换。IBP盘应急控制电路叠加在既有道岔动作接口之上，无需额外接口线缆。

IBP盘应急控制过程:IBP盘上设置道岔应急操作允许按钮、道岔定位操作按钮和道岔反位操作按钮。当需要应急操作时，同时按下“应急＋定操”或“应急＋反操”按钮，并保持按下状态，道岔开始转换，道岔转换到位、控制台表示信息返回后可松开应急操作按钮。

4 方案优缺点分析和比较

4.1 方案比较

经前文的论述和分析，案例A和案例B两个方案的主要特性比较见表1。

表1 中低速磁浮信号与道岔接口方案比较

4.2 案例A道岔接口优缺点分析

案例A的现地道岔控制系统相对独立，承担较多安全防护责任。接口方案简洁直观，便于调试和运营维护，满足中低速磁浮交通对道岔的控制需求。但对特殊条件下道岔控制安全防护未作更多考虑，主要包括:

(1)道岔动作指令经接口电路传递至道岔柜端后，如果道岔因故未能启动或者转辙至中途故障，方案无切断道岔动作指令功能。由于磁浮道岔采用大量机械行程开关、继电器进行控制，如果道岔转辙因故中断，存在由于震动等原因造成故障消失而再次转辙的可能，可能危及行车或轨旁运维人员安全。

(2)现地通过钥匙开关强行进入不经授权的“维修模式”时，由于无相关接口，联锁不能显示当前道岔控制状态及控制道岔动作指令的输出，相关安全完全由人工保证。

(3)现地模式状态继电器(JTYa)在正常模式下为落下状态，如在现地控制模式下因故引起JTYa落下，会接通道岔动作接口回路，联锁端也会失去现地控制模式表示，存在信号联锁端意外操作道岔的风险。

4.3 案例B道岔接口优缺点分析

案例B更多地将信号联锁系统和道岔控制系统作为整体考虑接口安全原则，接口电路参考传统轮轨道岔接口控制理念和电路设计，在满足中低速磁浮对道岔控制需求的前提下，对特殊情况下的安全防护考虑较多。联锁系统防护道岔动作电源的通断功能、道岔启动后发生故障时切断启动控制接口电路功能、道岔强控模式接口功能等都进一步保证了道岔控制的安全性，IBP应急控制功能为紧急情况下的运营故障处理多提供了一种手段。但该方案经工程验证也存在一些不足，主要包括:

(1)道岔多级启动电路较为复杂，对系统调试和运营维护较为不利。例如多级启动电路的2DQJ采用有极继电器，继电器两个极性分别对应道岔的定、反位，实际使用中，如道岔转辙中途因故中断，在故障排除后，存在2DQJ极性错误、需要人工恢复的问题。

(2)通过检测道岔梁的移动位置来判断道岔动作指令发出后是否因故未转换，从而切断道岔启动电路的方式无法同时适用于单开道岔和三开道岔。

(3)方案中用锁闭防护继电器(SFJ)防护道岔控制柜端的道岔动作电源，道岔转换过程中如果有列车驶入，会使SFJ落下，从而切断道岔控制柜端动作电源，道岔无法继续转换，这使得“道岔一经启动即使有车进入也继续转换到底”的原技术原则无法实现，也让多级启动电路的设计失去了意义。在轮轨交通中，“道岔一经启动即使有车进入也继续转换到底”的原则是为了防护在道岔转辙过程中发生列车冒进道岔区而脱轨的情形[10]。磁浮道岔为关节式轨道梁道岔，道岔非开向侧为断轨形式，如列车冒进道岔区段，危险程度取决列车位置、速度等，道岔继续转换不会更有利于行车安全，此情形更应由列车自动防护系统来保证行车安全。

(4)道岔启动切断继电器(QDJ)励磁回路采用电容充放电方式，一是长期使用存在电容容量变化、放电时间不满足设计要求的可能；二是QDJ的缓放特性对道岔启动电路的时序造成影响，特殊情况下会造成道岔转辙故障[11]。在QDJ自保回路切断后，QDJ因线圈中串接电容，需经6.5 s缓放后方能落下，然后1DQJ落下，道岔启动电路方能复原。实际使用中，如果道岔在较短间隔内进行连续操作，由于前一次操作的道岔启动电路尚未复原，会发生道岔转换中途被切断故障。

5 结论和建议

中低速磁浮道岔是关系行车安全的重要设备，信号系统与道岔系统的接口国内尚无统一的标准，已实施项目的信号系统与道岔系统接口方案总体上满足对磁浮道岔控制和基本安全防护需求，但在技术原则和实现方法上存在较大差异，在安全防护原则、接口电路设计等方面存在优化的余地。

结合各方案的优势和不足，本文提出下列接口方案优化原则性建议，供其他同类工程借鉴，以促进中低速磁浮交通相关技术标准的完善。

(1)建议进一步优化信号与道岔接口电路，提高可靠性，减少故障点，便于运营维护。采用多级启动电路的必要性不足。

(2)建议接口电路考虑在道岔动作指令发出后因故无法转换、或者在规定时间内未能转换到位时，切断动作接口电路，避免道岔意外二次启动，危及行车或轨旁运维人员安全。

(3)建议接口电路中包含“强控模式”或者“维修模式”相关接口，系统进入上述模式时，联锁系统应能给出模式状态指示，并关闭相关进路信号，禁止输出道岔动作指令。

(4)建议监督道岔控制模式状态的继电器按常态吸起设计，会更加符合故障－安全原则[12]。

(5)建议道岔控制系统的道岔运行状态监测信息应统一纳入信号集中监测系统管理，便于运营维护和故障处理。

(6)建议将IBP盘应急控制道岔功能作为可选功能，根据接口电路的成熟度、运营需求选择配置。

(7)建议磁浮道岔接口电路中不必完全遵循轮轨道岔控制技术条件，应根据磁浮道岔的特点确定适用的接口控制技术原则。