全自动运行防护区域人员防护开关的电路设计优化

王玉玺

(苏州市轨道交通集团有限公司，215004，苏州∥工程师)

在城市轨道交通全自动运行(FAO)系统中，列车自动休眠、唤醒、准备、自检、自动运行、停车和开关车门。当列车处于全自动驾驶模式下，工作人员进入站台、区间、停车场和车辆段等轨行区作业时，须对工作人员进行必要的自动安全防护，以免发生人员伤亡以及财产损失。各全自动运行防护区域都设置有人员防护开关(SPKS)。本文通过对比分析不同供应商的SPKS的电路设计方案，提出针对较为冗杂电路的优化方案。

1 SPKS使用场景和功能描述

通常情况下，SPKS有主路和旁路2个主要回路。主路有一个常态吸起的SPKS继电器，当某防护区域的SPKS被转到“启用”位时，该SPKS继电器因回路失电而落下，联锁机采集该SPKS继电器接点状态变化，此信息将在联锁逻辑中产生1条报警信息，同时告知WCU_ATP(轨旁列车防护子系统)；WCU_ATP根据TDB(轨道数据库)中的配置，在该防护区域内激活RAUZ(运行授权区域)限制；运行在该防护区域内的CTC(连续式控制)级别列车施加紧急制动；运行在该防护区域外的CTC级别列车将无法进入该区域。当某防护区域SPKS主路回路因故失效时，会激活旁路开关，驱动旁路继电器吸起，联锁机采集该SPKS旁路继电器接点状态变化，并告知WCU-ATP；WCU_ATP激活该防护区域内RAUZ；该防护区域内CTC级别列车正常运行，避免因SPKS电路故障降低行车效率，提高信号系统可靠性。

另外，鉴于普速铁路和高速铁路在天窗点内作业时，事故发生频率较高。为避免在天窗内作业时，因各种原因造成列车进入作业区域而造成伤害，亦可采用该防护手段。

2 SPKS电路设计方案

2.1 方案一SPKS电路设计

方案一的设备供应商为卡斯柯公司。在方案一SPKS电路(见图1)中，1个站点共使用10个继电器，包括4个方向的SPKS按钮采集继电器SPKS-D1 (下行)、SPKS-D2 (下行)、SPKS-U1 (上行)和SPKS-U2 (上行)，1个SPKS旁路按钮采集继电器SPKS-siding，另外还有联锁机输出4个SPKS状态继电器(SPKS-D1、SPKS-D2、SPKS-U1和SPKS-U2)和1个联锁机旁路输出旁路状态继电器SPKS-siding(4个方向共用1个旁路继电器)。

图1 方案一SPKS电路图Fig.1 SPKS circuit diagram of scheme No.1

SPKS常态时，SPKS继电器(SPKS-D1)吸起，联锁A机采集SPKS-D1继电器的11-12和21-22接点，联锁B机采集SPKS-D1继电器的31-32和41-42接点；当联锁采集到SPKS继电器(SPKS-D1)吸起时，不会驱动SPKS状态继电器SPKS-D1-SK，SPKS指示灯灭。SPKS激活时，按钮(非自复式)被按下，SPKS继电器(SPKS-D1)驱动回路断开，继电器落下，联锁采集到SPKS继电器(SPKS-D1)落下时，驱动SPKS状态继电器SPKS-D1-SK，SPKS指示灯亮。旁路与主路的驱动、采集原理一致，但其4个方向共用1个旁路继电器。

2.2 方案二SPKS电路设计

方案二的设备供应商为通号城市轨道交通技术有限公司。在方案二SPKS电路(见图2)中，1个站点共使用6个继电器，包括4个方向的SPKS继电器和2个旁路继电器。值得注意的是，方案二使用1个下行旁路继电器和1个上行旁路继电器来完成旁路，上行的头和尾共用1个旁路继电器SPKSPL1AJ，下行的头和尾共用1个旁路继电器SPKSPL2AJ。

图2 方案二SPKS电路图Fig.2 SPKS circuit diagram of scheme No.2

SPKS常态时，SPKS1J吸起(1-2线圈得电)，SPKS灯回路断开，灯熄灭；同时，联锁A机采集SPKS1J的前接点81-82，联锁B机采集SPKS1J的后接点81-83，形成对SPKS1J的异步采集。

SPKS激活时，SPKS1J的1-2线圈断开失电，SPKS灯回路闭合，灯点亮。旁路激活时，SPKSPL1AJ继电器吸起，旁路继电器的11-12和21-22两组接点使SPKS1J励磁，使SPKS1J继电器吸起(3-4线圈得电)。

2.3 方案三SPKS电路设计

方案三的设备供应商为交控科技股份有限公司。在方案三的电路中，1个站点共使用8个继电器，包括4个方向的SPKS继电器(SPKS1J、SPKS2J、SPKS3J、SPKS4J)和4个方向的旁路继电器(SPKSPL1AJ、SPKSPL2AJ、SPKSPL3AJ、SPKSPL4AJ)。其激活和旁路原理与方案二一致，因此不再赘述。

2.4 方案四SPKS电路设计

方案四的设备供应商为南京恩瑞特实业有限公司。在方案四(见图3)电路中，1个站点共使用32个(集中站)或40个(非集中站)继电器。继电器较多的原因是继电器型号不同，1个小继电器共有2组接点，导致使用继电器较多，但主要原因还是电路设计不合理，电路冗杂、繁多。

图3 方案四SPKS电路图Fig.3 SPKS circuit diagram of scheme No.4

方案四SPKS的主路电路简单，驱动电路采集电路清晰明了，符合SPKS人员防护设计初衷；其旁路的设计初衷是在主路故障后，操作旁路开关即可忽略主路故障，以此来保证信号系统的高可靠性。然而，实际上SPKS的旁路电路冗杂，继电器驱动采集冗杂繁多，驱动采集电路中接点多，涉及机柜、端子多，导致设备失效率增高，可靠性降低，一旦线路出现故障，严重拉长排查故障时间。

3 SPKS电路设计方案对比分析

3.1 防护区域划分方式

常见的SPKS防护区域可根据影响范围划分，可分为一站一区间和一站两区间2种划分方式。图4为一站一区间的SPKS防护区域划分方式。将一个站点分为下行头部、下行尾部、上行头部和上行尾部4个防护区域。SPKS激活后，对提前定义好的一站一区间轨行区进行防护。此方式中，SPKS防护区域划分精细，轨行区施工作业管理灵活方便。当SPKS发生故障时，对正线运营行车组织的影响范围仅为一站一区间，影响范围小，线路行车组织调整时间充足。

图4 一站一区间SPKS防护区域划分Fig.4 Protection area division of one-station-one-interval

图5为一站两区间的SPKS防护区域划分方式。以车站为中心，外加该站点两端的区间，将一个站点划分为上行和下行2个SPKS防护区域。SPKS激活后，对提前定义好的一站两区间相关区域进行防护。此方式的SPKS防护区域较大，当SPKS发生故障时，对正线运营行车组织的影响范围为一站两区间，影响范围大，线路行车组织调整时间不足。因此，一站一区间的SPKS防护区域划分方式比一站两区间的更具有可行性。

图5 防护区域设计Fig.5 Protection area design

3.2 旁路防护区域划分方式

旁路旨在避免因SPKS而影响行车组织和行车效率。当发生SPKS非人为激活故障时，由车控室操作旁路按钮，使SPKS故障无效。

方案一和方案二在一个站点设置2个SPKS继电器，对应2个防护区域，虽然可以一定程度上减少成本，但旁路下行头SPKS时，可能会旁路实际有人作业的下行尾防区，对下行尾作业人员产生生命威胁，不符合“故障导向安全”原则；方案三和方案四在1个站点设置4个SPKS旁路继电器，对应4个防护区域，不存在上述情况，符合“故障导向全”原则，故设置4个旁路防护区域方式更优。

3.3 按钮和箱盒对比

各方案SPKS按钮和指示灯数量，及与门禁联动关系如表1所示。方案一4个方向SPKS旁路共用同一回路和继电器，所以较方案二少1个按钮和指示灯，且只在车控室IBP(综合后备盘)处设置相应按钮和指示灯，在落轨梯处未进行防护；方案四在IBP盘(激活按钮4个和旁路4个)、落轨梯处(激活4个)设置按钮和指示灯各12个，因在落轨梯处安装激活开关，且4个方向单独设置旁路回路，提供IBP和落轨梯双重防护，在提高安全度和可靠性的同时，也提高了成本。

表1 各方案SPKS按钮和指示灯数量及与门禁联动关系

另外，方案四与门禁进行联动，当激活SPKS时，对应的门禁才可以被打开。考虑到防护区域内列车紧急制动所需时间及相关信息传输时间，为最大限度地确保人员安全，联锁系统在SPKS激活开关被打到“启用”位时仍无法确保防护区域内所有列车均已停车，因此延时 15 s将SPKS 防护激活指示灯点亮。SPKS防护激活指示灯点亮前，对应的门禁无法被打开。

3.4 继电器对比

各方案SPKS电路中继电器使用情况如表2所示。如方案中联锁同时采集继电器同一组接点的前后接点信息，统计时则将继电器前后接点算2个节点数量。

表2 各方案SPKS电路中继电器使用情况Tab.2 Relay usage condition of SPKS circuit in each scheme

方案三采集1组继电器接点的前后接点，所以其接点利用率最高。方案四使用继电器数量最多，达36个，是因为继电器型号不同所致。1个DOLD型继电器共有4组接点可以使用，而1个JWXC1700型继电器有16组接点可以使用，后者接点组数是前者的4倍，且单个JWXC1700继电器的可靠性高于多个DOLD继电器的可靠性，所以建议使用JWXC1700继电器，以提高整体可靠性。

4 方案四SPKS电路优化设计

对方案四电路进行简化 ，去掉R3、R4、R7和R8继电器，减少继电器的驱动、采集环节，减少线缆接点数量，以此来降低线路失效率，提高SPKS的可靠性，降低整个系统冗杂程度。

4.1 去掉R3和R4继电器的思考

4.1.1 R3和R4继电器在方案四中的作用

R3、R4、R7和R8继电器驱动电路如图6所示。首先分析R3和R4继电器在整个SPKS电路中的作用。R3和R4继电器的驱动，分别由R1和R2继电器(R1的21-24接点和R2的21-24接点)来驱动，其是R1和R2继电器的复示继电器。R3和R4继电器的接点使用(采集)分2种情况：一是在集中站使用两组接点(R3的11-14接点和R4的11-14接点)来构成激活指示灯的回路，另外两组组接点(R3的21-24接点和R4的21-24接点)构成与门禁的接口回路；二是在非集中站先用R3和R4继电器的21-24分别驱动R9和R10继电器，再用R9和R10继电器的21-24这2组接点构成与门禁的接口回路。

图6 R3、R4、R7和R8继电器驱动电路Fig.6 R3、R4、R7、R8 relay drive circuit

4.1.2 去掉R3和R4继电器的优点

在激活指示灯回路中使用2组继电器接点(R3的11-14接点和R4的11-14接点)，此回路为安全侧(灯亮或者灯灭不直接影响列车正常运行和危机行车安全，仅对车控室或作业人员有提示作用)，所以用2个继电器共2组接点(R3的11-14接点和R4的11-14接点)来构成灯回路是完全没必要的；且指示灯理论上应直接反应D1继电器(JWXC1700型继电器)的吸起或落下状态，也无需外加R3和R4继电器复示，再给出相应指示。

综上，若要去掉R3和R4继电器，且不影响SPKS正常功能，可使用现有继电器的空闲接点。SKPS激活灯指示灯直接采用D1继电器(JWXC1700型继电器)的接点，利用大继电器第三和第四组接点构成激活指示灯回路；集中站与门禁的接口用R1和R2继电器的21-24接点构成与门禁的接口；非集中站与门禁的接口用R1和R2继电器的21-24接点驱动R9和R10继电器，再用R9和R10继电器的接点构成与门禁的接口。如图7所示。

图7 信号系统与门禁的接口Fig.7 Interface of signaling system and access control

4.2 去掉R7和R8继电器的思考

4.2.1 R7和R8继电器在方案四中的作用

R7和R8继电器分别由R5和R6继电器的21-24接点驱动，是R5和R6继电器的复示继电器；R7和R8继电器接点使用情况：11-14接点驱动旁路指示灯回路，21-24向联锁板卡反馈信息。R5和R6继电器共有2组接点，其中11-14接点用来驱动D1(JWXC1700型继电器) ，21-24接点用来驱动R7和R8继电器。

4.2.2 去掉R7和R8继电器的优点

当旁路激活时，指示灯无论亮灯或灭灯，均不会为列车提供危险侧信号。值得注意的是，板卡采集R7和R8继电器的信息是异步采集，即采集R7继电器的后接点21-22和R8继电器的前接点21-24。此时R7继电器的后接点和R8继电器的前接点空闲，可以利用这个特点来节约继电器数量。

综上，若要去掉R7和R8继电器，且不影响旁路功能，可使用现有继电器的空闲接点：2组前接点来驱动D1，即R5继电器的11-14和R6继电器的11-14；2组联锁板卡异步采集接点，即R5继电器的21-22和R6继电器的21-24接点；R5继电器的21-24接点构成旁路指示灯回路。

此方案可将一个站点的继电器减少16个，继电器总数降至20个，继电器接点使用率由原来的18.75%提高至28.00%，且在不改变电路原理的基础上，实现SPKS功能，一定程度上简化了继电器的驱动和采集，简化了故障处理步骤，降低了维护人员工作量。

5 结语

在GoA2(半自动化列车运行)级别下，即列车运行模式为AM(自动驾驶模式)，控制级别为CTC(连续式控制级别)时，是否设置SPKS，值得深思。列车按AM-CTC级别运行时，列车最高运行速度可达80 km/h，一旦出现人员或异物侵入线路，在紧急情况下，司机不能及时让列车停稳，将造成不必要的伤害。所以对既有线改造时，亦可考虑加入SPKS，来提高GoA2级别下安全性能。SPKS还可以提高停车场和车辆段列车出库能力，可对防护场段内作业人员人身安全起到积极作用。不仅在城市轨道交通领域，甚至在普速铁路和高速铁路相应场景中亦可考虑其应用的可行性。

SPKS既可用来在FAO系统中保护人身和财产安全，又可实现信号系统高可靠性的和安全性，因此SPKS在FAO系统中不可或缺。而如何在确保SPKS电路安全可靠的前提下，节约建设成本、节约改造和维护成本、提高维护效率、降低系统冗杂性至关重要。