智能道岔融雪系统研究

李 伟，赵丹旭

（北京全路通信信号研究设计院集团有限公司，北京 100070）

目前国内道岔融雪系统基本都是采用电加热方式，当发生降雪、冻雨或温度变化时，操作员人工启动系统后，系统可启动电加热融雪电路，并通过安装在道岔活动部位的电加热元件以热辐射和热传导的方式使道岔活动部位上的积雪蒸发以达到除雪目的，保证道岔在雨雪天气下能够正常转换。

虽然现有融雪系统可通过实时采集钢轨温度与系统设定的启停温度进行逻辑判定，实现对道岔进行间歇性加热，使道岔钢轨温度保持在融雪除冰所需的温度，从而使道岔不受降雪影响能够正常转换。但由于系统采用的是粗放型的控制方式，暂未做到按需精准加热道岔，导致了大量电能的消耗。

1 系统简介

智能融雪系统根据气象站反馈的气象信息自动启停，并结合列车进路道岔使用情况自动加热道岔，实现对进路上的道岔进行融雪除冰，保障所用道岔正常转换。同时，保留既有融雪系统传统控制方式，当智能控制方式因设备故障或其他因素未能对道岔进行加热，达不到融雪除冰效果时，系统能够及时切换至传统控制方式，以满足现场对融雪系统的需求。

2 研究目的

研究一种基于气象信息与行车调度计划相结合的智能道岔融雪系统，实现系统的自动启停和精准化控制，达到融雪除冰目的的同时满足节能降耗的要求。

3 传统RD1 道岔融雪系统

3.1 系统结构

融雪设备由道岔融雪远程控制中心工作站（以下简称“工作站”）、道岔融雪车站控制终端（以下简称“控制终端”）、道岔融雪控制柜（以下简称“控制柜”）、钢轨温度传感器、电加热元件和道岔融雪隔离变压器（以下简称“隔离变压器”）等组成[1]。

融雪系统分为3 层：综合管理层、上层控制层和下层控制层，其系统结构如图1 所示。

图1 RD1 道岔融雪系统结构图

3.2 控制方式

该系统具有自动、手动和应急3 种控制模式。

3.3 存在问题

现有控制方式虽然满足了融雪设备的基本控制要求，但其粗放型控制方式使得设备耗电量大、能耗高，操作对象为控制柜的所有加热电路，或者所有控制柜的所有加热电路，实现方式为控制柜的所有加热电路全部接通或全部断开[2]，造成电能的浪费。

4 智能融雪系统

智能融雪系统在传统RD1 融雪系统的基础上增加了智能传输终端和气象站。系统分为3 层：综合管理层、上层控制层和下层控制层，其系统结构如图2 所示。

图2 智能融雪系统结构图

4.1 综合管理层

综合管理层为工作站，主要由工控机、显示器和网络交换机等设备组成，主要用于监控某线路所有车站或无人值守线路所的融雪设备，一般设置在局调或其他指定地点，通过不低于2 M 信息通道与其他车站或线路所控制终端进行连接，采用TCP/IP 方式进行通信，实现对某线路所有车站或无人值守线路所的融雪设备进行远程操控。

4.1.1 操控权限

为保障现场作业安全，必须明确工作站及控制终端的操控权限。工作站操控权限弱于下辖各控制终端。工作站远程操控下辖各车站融雪设备，需得到控制终端授权处理，否则无法进行远程操控加热，仅支持融雪设备状态显示及远程数据查询、参数设置等功能。

4.1.2 操控状态

只有当控制终端处于远程控制方式时，工作站才可远程操控该站融雪设备，否则无法对该站进行远程操控。因此，为方便用户及时了解系统目前所处状态，工作站应能正确实时显示当前的控制方式。

4.2 上层控制层

上层控制层主要包含控制终端、智能传输终端。

4.2.1 控制终端

控制终端主要由工控机、显示器、网络交换机（需要组网时）、通信模块和应急加热控制盘等设备组成，实现本站道岔融雪设备的集中控制。通过网络实现与综合管理层的通信，串口RS232 实现与下层控制层的通信。本次智能融雪系统的研究，需对控制终端软件进行适配性开发，涉及与气象站接口、智能传输终端接口、通信监测报警和接口信息管理等内容。

（1）气象站接口。通过串口RS485 实现与室外气象站设备的通信，实时接收、解析气象信息，是实现智能融雪系统的基础。

（2）智能传输终端接口。通过串口RS232 实现与智能传输终端设备的通信，实时接收、解析融雪指令，是实现智能融雪系统按需精准加热道岔的基础。

（3）通信监测报警。当气象站、智能传输终端通信断开时，与其他报警信息类似，信息显示在报警信息窗，并伴随语音作为提示报警，车站维修人员可及时进行排查处理，保证融雪设备的正常使用。

（4）接口信息管理。保存外部接口输入的气象信息及智能传输终端生成的融雪指令信息记录，同时可供以后查询、维护和统计使用。

（5）控制方式。控制方式分为远程控、站控，其中，站控又分为智能控、传统控2 种方式。①智能控。结合气象信息和融雪指令，按需精准加热道岔。智能控方式下须考虑气象站与智能传输终端通信是否全部正常，发生故障时能够切换到其他控制方式；记录每组道岔的加热情况及积雪厚度；记录降雪数据及当前降雪情况；无行车计划但发生降雪时，为保障行车安全降雪厚度达到融雪能力上限时应及时加热；收到行车计划，根据积雪厚度及列车进站时间，则应提前对该道岔进行维护加热或预加热；关联道岔与控制柜回路，每组道岔可对应不同回路，但2 组道岔不可共用回路。②传统控。结合气象信息、启停温度自动启停加热电路。传统控方式下须考虑气象站通信是否正常，发生故障时能够人工操控；雪停后，应延时加热一段时间。③远程控。授权给工作站远程人工操控。远程控方式下须考虑控制终端可切换为站控方式进行收权，此时工作站无法远程操控。

（6）操控条件及权限。①气象站、智能传输终端通信正常，远程控、站控（智能控、传统控）方式可用。控制终端处于站控时，此时控制终端与工作站不可人工操控；处于远程控时，则只能通过工作站远程操控，控制终端不可人工操控。②当气象站通信正常但智能传输终端发生通信故障时，智能控不可用，可切换控制方式为传统控或远程控；处于传统控时，若气象站处于开启状态，此时控制终端与工作站不可人工操控；处于远程控时，则只能通过工作站远程操控，控制终端不可人工操控。③当气象站发生通信故障但智能传输终端通信正常或2 者同时发生通信故障时，智能控不可用，可切换控制方式为传统控或远程控；处于传统控时，只能通过控制终端人工操控，工作站不可远程操控；处于远程控时，则只能通过工作站远程操控，控制终端不可人工操控。

（7）操控状态。不同控制方式下控制终端操控权限受到限制。因此，为方便操控，控制终端应能正确实时显示当前的控制方式。当气象站设备、智能传输终端因设备故障或其他因素造成通信故障时，可切换当前控制方式，保证融雪系统持续正常运行。

4.2.2 智能传输终端

智能传输终端主要由工控机、显示器等设备组成，作为外部行车计划与控制终端之间的桥梁，实现信息的解析与共享。本次智能融雪系统研究中，智能传输终端软件涉及与提供行车计划的系统接口、控制终端接口、计划输入、计划信息管理、通信状态监测报警和计划显示等内容。

（1）与提供行车计划的系统接口。通过串口RS232/RS485 实现与提供行车计划的系统通信，接收行车计划信息，将其计划解析并生成相应的融雪指令。

（2）与控制终端接口。通过串口RS232 实现与控制终端设备的通信，发送融雪指令到控制终端，是实现智能融雪系统按需精准加热道岔的基础。

（3）计划输入。当因某些不可控因素导致提供行车计划的系统无法正常传输数据时，可提前录入日班计划，解析生成融雪指令发送到控制终端，保证智能控制方式正常可用；当行车计划发生临时变更时，可人工进行修改，及时解析生成融雪指令发送到控制终端，保障道岔正常转换。

（4）计划信息管理。保存外部系统输入的行车计划信息、人工修改的信息记录，供以后查询、维护和统计使用。

（5）通信状态监测报警。显示与提供行车计划的系统接口、控制终端的通信状态。当与提供行车计划的系统接口、控制终端通信断开时，信息显示在报警信息窗，并伴随语音作为提示报警，车站维修人员可及时进行排查处理，保证智能融雪系统正常使用。

（6）计划显示。为方便操作人员了解计划的时间顺序，将接收的行车计划、输入的计划按照时间排序显示在界面上。

4.3 下层控制层

下层控制层主要为控制柜和气象站。

4.3.1 控制柜

控制柜采用模块化结构设计，各模块具备独自数据处理能力，通过远程232、CAN（控制器域网）总线等通信方式进行数据交互，主要设备单元包括控制单元、电压/电流检测单元、手动/自动转换单元、温度检测单元及供电电源单元、防雷单元和通信单元等。同时包括由断路器、漏电开关及交流接触器组成的加热回路，其加热回路具备短路、过载和漏电保护等功能。

控制柜用于控制现场加热回路的启停、信息采集及运行状态监测，实现对道岔加热的启动或关闭操作，并实时反馈状态信息给控制终端。

4.3.2 气象站

气象站主要由降雪传感器、温湿度传感器、电气配电柜和立杆等部分组成。根据检测采集的局部区域环境实时信息，通过通信网络将信息传输至控制终端，控制系统的自动启停[3]。

4.4 智能型与RD1 型融雪系统比较

4.4.1 相同点

①二者系统构架保持一致；②智能融雪系统具备RD1 融雪系统的控制方式及功能。

4.4.2 不同点

①智能融雪系统在硬件方面增加气象站和智能传输终端及相关软件的适配性开发；②智能型比RD1 型融雪系统更加智能化，实现了利用气象站控制系统的自动启停；③智能融雪系统基于行车调度计划实现按需精准加热道岔，节能效果更加理想。

5 系统功能

智能融雪系统基于RD1 电加热道岔融雪系统进行研究，既有功能保持不变，新增计划管理及气象信息管理、控制方式和接口通信管理。

5.1 计划管理

系统能自动接收并存储由其他信号系统发来的行车计划信息并自动解析，生成相应的融雪指令。当行车计划信息临时变更时，系统允许通过人工输入修改，及时生成最新的融雪指令。系统能按照时间顺序记录、显示接收或输入的行车计划信息，且具备历史查询功能。

5.2 气象信息管理

系统能自动接收和存储由气象站设备发送的气象信息，实现自动开启或关闭系统，并具备历史查询和根据气象信息生成积雪厚度的功能。

5.3 控制方式

系统控制方式分为远程控、站控（智能控、传统控）。初始状态下系统默认处于智能控制方式，自动依据气象信息与融雪指令，按需精准加热道岔。当系统处于传统控制方式且气象站开启时，系统可根据气象信息与启停温度自动开启或关闭加热电路。气象站关闭时，可人工启动，系统可根据启停温度自动循环加热。若系统处于远程控制方式，工作站可人工启动，系统可根据启停温度自动循环加热。

5.4 接口通信管理

系统可监测与外部系统接口、气象站接口的通信状态，若出现通信故障时可立即记录并提示报警信息。

6 系统接口

智能融雪系统主要与外部的信号集中监测系统和提供行车计划的系统进行接口。

6.1 与信号集中监测系统接口

信号集中监测系统通过RS232 串口接收控制终端发送的融雪控制柜信息。

6.2 与提供行车计划的系统接口

提供行车计划的系统通过RS232/RS485 串口传输行车计划信息至融雪系统智能传输终端，且接口侧必须有防雷或光电隔离装置。

7 结束语

本文在传统RD1 电加热道岔融雪系统的基础上，考虑现有融雪系统存在的问题，研究了一套符合实际需求的智能道岔融雪系统。该系统以国家铁路局TB/T 3539—2018《电加热道岔融雪系统设备》提出的各项要求为设计基础，通过结合气象信息与行车调度计划达到了系统自动启停、按需精准加热道岔和节能降耗的目的，在一定程度上实现了系统的智能化、节能化[4]，契合绿色高铁、智能高铁的发展趋势[5]。