张吉怀高铁智能道岔融雪系统方案探讨

余冠华，卫旭初

（中铁第四勘察设计院集团有限公司，武汉 430063）

张吉怀高铁位于湖南省境内，全长约246 km，设计速度350 km/h。北起张家界市，经湘西土家族苗族自治州正线5个车站，芙蓉镇站、古丈西站、吉首东站、凤凰站、麻阳西站，南接怀化市，是一条黄金旅游线，也是一条精准扶贫线。由于张吉怀地处湘西，并穿越雪峰山脉，冬季多雪易造成道岔冻结，影响道岔动作，所以中国铁路总公司发文《关于新建张家界经吉首至怀化铁路初步设计的批复》（铁总鉴函[2017]500号），批复“张家界地区、吉首地区车站动车组进路道岔以及怀化南沪昆场新增道岔设置道岔融雪设备。”本文对传统的道岔融雪系统进行分析，探讨将更优的道岔融雪系统应用于张吉怀高铁工程。

1 传统的RD1型电加热道岔融雪系统

传统的RD1型电加热道岔融雪系统如图1所示，由信息通道、电缆、工作站及控制终端、控制柜、钢轨轨温传感器、隔离变压器、电加热元件以及安装卡具等设备组成。该系统有两种控制方式，手动控制方式是由人工启动系统和融雪控制柜；自动控制方式的原理是轨温传感器感知温度较低时，自动启动控制柜所控制的所有道岔融雪设备。

图1 传统的RD1型电加热道岔融雪系统Fig.1 Traditional RD1 type electric point heating system

该系统存在比较明显的问题是耗电量大。自动控制方式下，一旦遇到降雪天气，全站所有的道岔融雪加热设备同时进行工作，其功率极高，达到了全站所有信号系统（包括联锁系统、列控系统、调度集中控制系统等）功率总和的6倍，电力增容费用较高。

而且本次张吉怀高铁不是所有车站都设置了道岔融雪系统，后续有车站，如凤凰站、麻阳西站需要补充道岔融雪系统的话，外电源扩容将是最重要的制约因素。

2 基于调度的智能道岔融雪传统系统

2.1 基于调度的智能道岔融雪系统结构

针对传统的RD1型电加热道岔融雪系统耗电量大的问题，张吉怀高铁首次采用了基于调度的智能道岔融雪系统。

基于调度的智能道岔融雪系统结构示意如图2所示，灰色部分为本次新增或修改的模块。相比较于传统的RD1型电加热道岔融雪系统，基于调度的智能道岔融雪系统在室内控制终端新增了智能控制模块，实现智能运算和控制；新增接口服务器从行车指挥系统开放的接口服务器获取列车运行计划信息，从防灾系统开放的接口服务器中获得气象信息（包括当前气温、雪的大小等信息）；在室外新增雪深监测模块获取雪的厚度信息。延续传统的室外融雪设备（包括控制柜、钢轨轨温传感器、隔离变压器、电加热元件及其安装卡具）不变， 新增的智能控制模块可以通过轨温传感器获取轨面温度信息。

图2 基于调度的智能道岔融雪系统结构示意Fig.2 Structural diagram of dispatching-based intelligent point heating system

2.2 基于调度的智能控制算法

基于调度的智能控制算法流程如图3所示。智能控制模板通过获取列车开行计划数据得到车站道岔动作开启时序表。特别注意的是，如出现CTC原定进路相关道岔发生异常，须启用进路其他道岔提前融雪，从而修改相应的道岔动作开启时序表。Ti={T1,T2,T3,...}，i表示第i个道岔。

图3 基于调度的智能控制算法流程Fig.3 Flow chart of dispatching-based intelligent control algorithm

对历史数据进行回归分析，找到因变量道岔融雪时长与因变量当前气温、雪的大小、雪的厚度、轨面温度之间的关系，即回归模型。最后根据当前气温、雪的大小、雪的厚度、轨面温度，计算得到当前道岔融雪时长表。Pi={P1,P2,P3,...}。

最后根据Mi+Pi≤Ti，即“道岔开始融雪时间+融雪时长≤道岔动作时间”，得到最优的道岔开始融雪时序表，Mi={M1,M2,M3,...}。

从而保证列车开行至该道岔之前，道岔积雪融化已完毕，同时也不会因为过早开启加热而浪费电能。

2.3 基于调度的智能控制效果

以如图4所示的车站为例，从列车运行计划得知一列车将以图4中绿色的进路，从X口接车至5G后，向SF口发车。在全站道岔都处于定位的情况下，只有9#和10#道岔需从定位转向反位，且9#道岔先转，10#道岔后转，而该站内其他道岔可以不用进行转换。因此当降雪天气时，只需要对9#和10#道岔进行先后加热融雪，而对于其他道岔可以不用开启加热设备。相比于传统道岔融雪开启全站所有道岔加热设备，本次采用的基于调度的控制方式节省了无需动作道岔的能耗，极大地节省了电能。而且对多个进路内共用的道岔，例如下一趟列车依然是以该绿色进路的方式通过该站，那么9#和10#道岔也不用进行转换和加热，由此合理的简化道岔重复融雪的次数。

图4 车站信号平面示例Fig.4 Example of station signals plane

据统计，张吉怀高铁需要上道岔融雪设备的道岔数量为43个，每组道岔功率20 kW。根据2007～2017年国家气象局资料，湖南省湘西地区平均每年气温低于5°C时约为50天，每天启动融雪系统10 h，按道岔融雪系统每年运行500 h（湖南地区气温低于5°C时，启动融雪系统，10 小时/天，每年约需启动50天），则传统模式道岔融雪每年需用电430 000度。采用智能调度融雪预计可节能40%（保守估计），共约节电17.2万度，折合人民币约20万元，其节能减排效果显著。

3 方案总结

张吉怀高铁采用的基于调度的智能道岔融雪系统节能减排效果显著，而且后续车站补充道岔融雪系统的外电扩容难度也大大降低，契合绿色高铁、智能高铁的发展趋势，社会效益显著。基于调度的智能道岔融雪系统在张吉怀高铁工程试点应用成功后，若今后应用在秦岭以北地区的铁路项目中，由于北方天气寒冷，降雪天气更多，其节能幅度将更大。