基于车车通信的道岔逻辑控制电路的应用研究

王维奇

(中铁第一勘察设计院集团有限公司，710043，西安∥正高级工程师)

目前，CBTC(基于通信的列车控制)信号系统虽在节约成本、减少维修量、提高运行效率及节能等方面已趋于完善，但其效率和故障率却仍无法满足现代城市轨道交通的需求。卡斯柯信号有限公司自主研发的基于车车通信的列车控制系统采用自动化的控制方式，具有更高的效率和更低的故障率。其已于2020年6月28日在上海轨道交通3、4号线上进行无人驾驶测试验证，并通过专家评审，得到了专家评委们的一致高度评价。

在基于车车通信的列车控制系统中，道岔逻辑控制电路能高效精确地控制道岔操作[1]，可取代传统的继电器控制道岔电路。其优点为：①道岔逻辑控制电路成本低。②道岔逻辑控制电路故障率低，不会因机械故障而影响设备正常工作。③道岔逻辑控制电路生产方便，工作稳定，受外界影响小。④道岔逻辑控制电路能实现转辙机电路故障定位。

1 道岔逻辑控制电路的工作原理

1.1 列车控制道岔原理

道岔逻辑控制电路主要通过逻辑运算单元和功率放大器来完成道岔控制。列车把控制编码命令发送给控制器，再由控制器将五线制的电压状态通过逻辑运算单元发送给列车。

列车控制道岔技术是将对轨旁道岔的控制由传统电路的联锁驱动及采集移植到车载控制子系统中。车载控制子系统通过网络方式向轨旁控制器发送道岔的控制命令码；轨旁控制器通过获取列车的控制信息来控制道岔动作。列车控制道岔的数据流见图1。

图1 列车控制道岔数据流

1.2 功率放大器工作原理及计算

如图2所示：2组电源正极电压VCC和负极电压VEE相等，电容C1和C2分别为输入耦合电容和输出耦合电容。电阻R1使运算放大器(以下简称“运放”)同相输入端形成直流通路，内部的差分管得到必要的输入偏置电流。电阻RF引入直流和交流负反馈。由于电容C把直流电隔断，故使直流形成全反馈；而交流电通过电阻R和电容C分流，形成交流部分反馈，为电压串联负反馈。引入直流全反馈和交流部分负反馈后，可在交流电压增益较大时，仍能使直流电压增益很小，从而避免输入失调电流造成运放的饱和[2]。

图2 功率放大器原理

当输入信号为0时，运放输出端V0≈0，交流放大电路的输出电压U0=0。当输入信号为1时，输入交流信号，电压V0在VEE～VCC之间变化，通过C2输出放大的交流信号，输出端电压U0的幅值近似为电压值VCC(VCC=VEE)。引入深度电压串联负反馈后，放大电路的电压增益AU=U0/Ui≈1+RF/R；放大电路输入电阻Ri=R1/Rif。其中，Rif是运放引入串联负反馈后的闭环输入电阻。Rif很大，所以Ri=R1/Rif；放大电路的输出电阻R0=Rof≈0，其中Rof是运放引入电压负反馈后的闭环输出电阻，Rof很小[4]。

2 道岔逻辑控制电路的设计

本文针对城市轨道交通常用的ZDJ-9型五线制交流转辙机进行分析。

2.1 道岔控制电路的节点动作

ZDJ-9型转辙机的道岔控制电路如图3所示。保持其内部结构不变，按照其接点动作顺序进行编码。

图3 ZDJ-9型转辙机道岔控制电路图

定位-反位：X1、X3和X4电路分别编码为1，X5和X2分别编码为0，转辙机11-12接点和13-14接点闭合；

反位-定位：X1、X2和X5电路分别编码为1，X4和X3分别编码为0，转辙机接点闭合(41-42)、(43-44)。

反位操道岔前，节点状态为1、3接点闭合，2、4接点断开；完成操纵道岔后，节点状态变成1、3接点断开，2、4接点闭合。

定位操道岔前，节点状态为1、3接点断开，2、4接点闭合；完成操纵道岔后，节点状态变成1、3接点闭合，2、4接点断开。

2.2 五线制道岔编码原则

列车通过车载控制器(CC)给道岔控制器发送进路中道岔的信息；道岔控制器将道岔信息解析成二进制编码，发送给脉冲分配电路；脉冲分配电路将每位编码分配给X1、X2、X3、X4及X5电路的功率放大电路。因X1为A相线，是共用电路，故其编码始终为1。B相线和C相线是驱动电路。当反操道岔时，C相线给电机的C相绕组供电，B相线给电机的B相绕组供电；当定操道岔时，要改变相序，C相线给电机B相绕组供电，B相线给电机C相绕组供电。

如表1所示，将X1-X5分别按从低位到高位进行编码，并用6位二进制数字进行编码(首位为0)，可得：定位-反位编码为001101，反位-定位编码为010011。如果控制器解析出的编码不是这两者之一，则可判断控制器或车载系统发生了故障。

表1 道岔控制表示的编码原则

2.3 定表和反表的电路分析

给X1电路上接入DJZ 220 V(道岔表示AC 220 V正电源)电压的次级线圈。在定位时，转辙机第1、3接点闭合，向X4电路的二极管正电压端输出DJZ 220 V的电,二极管导通，送电给逻辑运算单元，另外一端的DJF 220 V(道岔表示AC 220 V负电源)电则直接输出给逻辑运算单元；而X3电路的DJZ无法送220 V电到二极管，导致二极管截止，运算逻辑单元无法收到X3上送过来的DJZ 所发220 V电。由此可以确定FBJ(反位表示继电器)码位为0，逻辑运算单元据此分别计算定表和反表的状态并发送给列车。同理，当道岔为反位时，转辙机第2、4接点闭合，给X3的二极管正电压端输送DJZ 的220 V电,二极管导通送给逻辑运算单元，另外一端的DJF 220 V电将直接送给逻辑运算单元，X4的DJZ 220 V电无法送到二极管，导致二极管截止，运算逻辑单元无法收到X4电路的送电。由此可以确定，DBJ(定位表示继电器)码位为0，逻辑运算单元将相应的定表和反表的状态发送给列车。

3 列车控制道岔的安全防护

根据联锁技术条件限制，当道岔区段上有车时，道岔不能转换。所以，道岔从开始转换到转换完毕且锁闭给出正确的定反表状态前，列车均不能进入道岔区段。

按照上述技术条件分析可知[5]：只有列车在一定的安全防护距离之外，才会请求道岔的控制和锁闭；在安全防护距离之内，列车不再请求道岔的控制。列车与道岔间的安全防护距离应考虑列车的车辆参数性能、坡度及列车当前的速度，经实时计算得出。列车的速度-距离防护曲线如图4所示。

在列车运行的进路内，考虑最大坡度、最大列车运行速度、车辆的制动特性、钢轨的黏着系数及车辆的其他特性参数，计算列车的EOA(行车授权终点)。在图4中，由于在道岔转换的过程中，直到锁闭前，列车不能进入道岔内，因此还要考虑道岔转换时间内列车所运行的最大距离Sz。故列车与道岔间的最小安全防护距离SEOA为:

图4 列车的速度-距离防护曲线[1]

(1)

其中，

Sz=vmaxtmax。

式中：

Sresp——轨旁控制器将道岔状态信息反馈给车载子系统所需时间内的列车运行距离；

tmax——最大道岔转换时间，按ZDJ-9型转辙机取13 s；

vmax——列车在该进路内的最大限速。

4 结语

本文主要分析了基于车车通信的道岔逻辑电路如何实现高效控制道岔动作，阐述了列车控制道岔的安全防护距离设置原理及计算方法，可保证列车能够在道岔锁闭前安全地申请操控道岔。