高速铁路道岔融雪系统智能化方案

苏 蕊，李忠明

（北京全路通信信号研究设计院集团有限公司，北京 100070）

1 高速铁路道岔融雪系统现状

随着国内高速铁路技术的迅猛发展，列车运行速度越来越快，行车密度不断提高，道岔作为铁路重要的信号设备，能否正常转换直接影响着铁路列车运行。冬季大雪降温天气易使铁路道岔积雪，甚至结冰，尤其是国内北方高寒地区，存在严重的冬季积雪化冰，导致道岔运转失灵、尖轨尖端和基本轨无法密贴合等故障。客运专线运营要求“有人不行车、行车不上人”，目前国内高速铁路道岔融雪系统基本都是采用电加热方式，操作员人工启动系统后，系统可自动或人工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并达到融雪除冰目的，保证道岔正常转换。

1.1 系统设备构成

电加热道岔融雪系统（RD1型）由远程控制中心工作站（简称工作站）、车站控制终端（简称控制终端）、道岔融雪控制柜（简称控制柜）、钢轨温度传感器（轨温传感器）、电加热元件、道岔融雪隔离变压器（简称隔离变压器）、电加热元件安装卡具配套装置、连接线缆和信息通道等组成，如图1所示。其主要说明如下。

1）工作站

工作站主要由工控机、显示器、网络交换机等设备组成，主要对所管辖的各车站融雪设备进行远程操控和信息查询；一般设置在调度中心或其他指定位置，通过不低于2 M信息通道与各控制终端进行连接，采用TCP/IP方式进行通信。

2）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、应急控制盘等设备组成，设置于车站行车室，供车站值班员操作，实现本站电加热道岔融雪系统设备的集中控制，在控制终端上设有应急加热操作按钮，当控制柜供电电源正常，而控制终端与现场控制柜间的通讯网络故障、计算机、控制模块、通信模块等设备故障，且控制终端不能通过系统软件控制加热电路的启动和停止时，可使用应急加热操作按扭进行应急加热。

3）控制柜

控制柜采用智能模块化结构设计，各模块具备独自数据处理能力，通过远程RS-232、CAN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，供电电源单元、防雷单元和通讯单元等。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、漏电保护等功能。

控制柜用于控制现场道岔加热系统的启停、信息采集及运行状态监测和参数设置，实现对加热电路的启动和停止操作，并将采集的各种信息发送至控制终端，也可以接受并执行来自控制终端和工作站的各种指令。

4）钢轨温度传感器

每台控制柜配置1套轨温传感器，其安装于装有电加热元件的基本轨轨底，用于实时采集钢轨温度信息。

5）隔离变压器

为保证轨道电路正常工作和人身安全，系统在控制柜与电加热元件间设有隔离变压器，变压器内设有断路器、铁芯、接线端子等元器件，主要为电加热元件提供工作电源，同时具备电气隔离作用。

6）电加热元件

电加热元件主要安装在道岔活动尖轨或心轨，用于对钢轨进行加热，其外层导热材料为镍铬合金钢或不锈钢，电加热元件中心电热材料为镍铬合金或铜镍合金，电热材料和外层导热材料间为高压氧化镁绝缘层。

1.2 系统操作模式

系统操作分为工作站、控制终端、控制柜三级操作模式，可方便用户在多种情况下对其进行操作。工作站主要由调度员进行操作，可对该工作站所管辖的各车站道岔融雪设备进行远程操控和信息查询；控制终端主要由车站值班员进行操作，可对本站所有道岔融雪设备进行操控和信息查询；控制柜操作则主要限于设备维修人员进行操作或室内道岔融雪设备无法控制室外现场设备时，现场人工操作控制柜进行启停加热电路。

1.3 系统功能

系统采用模块化设计，可根据用户需要灵活设计融雪方式，便于操作和维修，并具有完善的自检、诊断、检测、报警、远程监控和管理等功能。

1）系统参数配置功能，设置用户操作权限，配置系统控制柜数量、加热回路、温度参数、加热功率以及与外部通信接口参数等。

2）具有远程监控、车站监控、控制柜操纵功能和手动、自动工作模式，且手动工作优先，处于手动工作模式时，自动工作模式无效。

3）通过采集钢轨温度进行逻辑判定，可通过自动或手动工作模式来启动/停止现场融雪控制柜的加热电路，通过安装在道岔活动部位上的电加热元件，进行间隙性循环加热，以热辐射和热传导的方式使道岔活动部位上积雪蒸发，达到融雪除冰的目的，保证道岔在雨雪天气下能够正常转换，进而确保行车安全与运行效率。

4）系统能实时监视并存储控制柜模拟量、开关量等信息，当控制信息与执行结果不一致时发出报警。

5）系统具有接口功能，并预留与集中监测接口功能。

6）具备应急加热功能，控制终端设有应急控制盘，在控制终端电源、计算机设备发生故障时，能通过操作应急加热按钮启动加热电路，保障融雪系统加热。

2 智能化需求

以新能源、新材料、新设备为代表的新技术不断推动高速铁路取得突破性进展，道岔融雪系统设备作为铁路基础设备，迫切需要研究一种自动高效、节能环保，人机界面开放友好的智能型电加热道岔融雪系统，更好地应对国内外市场发展机遇与挑战。

1）自动高效

按照国内铁路道岔特点，道岔融雪技术从人工上道除雪的低效不安全模式逐步发展到目前的电加热道岔融雪模式，能够根据客户需求灵活组成远程控制、车站控制、控制柜现场控制等不同的控制方式。但随着用户需求逐步提高，智能化和精细化控制功能欠缺，目前国内电加热道岔融雪系统现有的雨雪检测装置，只能给出雨雪有无的信息，大多是通过操作人员根据天气状况开启系统，不够自动高效。

2）节能环保

目前电加热道岔融雪系统通过对实时采集的钢轨温度与系统设定的启停温度进行逻辑判定，来实现对道岔进行间隙性循环加热，使道岔钢轨保持在融雪除冰所需的温度，正常转换不受降雪影响。但采用的是粗放式的控制方式，操作启动加热是对全线各站所有道岔加热，未做到按需精准加热道岔。电加热元件作为电加热道岔融雪系统的关键零部件，额定工作电压：AC 220 V；额定功率偏差：-10%～+5% 。粗放式的控制方式所需电功耗较大，存在能源浪费，且难免会降低加热元件的使用寿命，从而影响融雪效果。

3）人机界面开放友好

电加热道岔融雪系统是按照国内铁路道岔特点，适用于高速铁路、普速及重载线路和城际轨道不同类型道岔需求的专用道岔融雪系统设备。目前远程控制中心工作站与车站控制终端上位机软件界面显示直观，各功能模块划分较为清晰，能直观的体现现场设备状态情况，方便现场人员使用。随着国家“一带一路”倡议的提出，面对中国高铁“走出去”形势下的新需求，面向海外市场，高速铁路道岔融雪系统人机界面主要欠缺语言切换功能。

3 智能化方案设计

道岔融雪系统设备作为不可缺少的铁路基础设备，迫切需要研究出一种可根据气象信息进行自动启停，同时接口相关系统实时获取列车进路信息，根据道岔使用情况进行加热，自动高效、节能降耗，人机界面开放友好的智能型电加热道岔融雪系统。

3.1 智能型系统介绍

在现有电加热道岔融雪系统（RD1型）基础上，新增气象站、智能管理终端，如图2所示。

本次智能化方案探讨，需要对系统程序进行适配性开发，涉及通讯接口等内容。

3.1.1 内部接口

1）控制终端与工作站的接口

控制终端与工作站间通过不低于2 M信息通道进行连接，采用TCP/IP方式进行通信。控制终端发送本站控制柜以及其他信息至工作站，工作站发送控制指令至控制终端。

2）控制终端与控制柜的接口

控制终端与控制柜间通过RS-232实现串口通信。控制终端发送加热指令至下层控制柜，下层控制柜发送状态信息至控制终端。

3）控制终端与气象站的接口

控制终端与气象站间通过RS-485实现串口通信，控制终端实时接收、解析气象信息。

4）控制终端与智能管理终端的接口

控制终端与智能终端间通过RS-232串口实现通信，控制终端接收智能管理终端发送的融雪指令。

3.1.2 外部接口

1）信号集中监测系统接口

信号集中监测系统通过RS-232串口接收控制终端发送的控制柜信息。

2）提供行车计划的系统接口

提供行车计划的系统通过RS-232串口发送行车计划信息至智能管理终端。

3.2 智能化方案优势

与现有的电加热道岔融雪系统（RD1型）相比，智能化方案新增气象站、智能管理终端，是一种可根据气象站反馈的气象信息以及列车进路道岔使用情况进行自动启停、精准加热的智能型电加热道岔融雪系统。通信方式和工作模式维持RD1型系统不变，新增设备故障或因为其他因素未能对道岔进行及时加热，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，以满足现场对融雪的要求。

1）气象站（新增）

气象站由降雪传感器、温湿度传感器、电气配电柜和立杆等部分组成，如图3所示。主要用于监测气象信息，可对大气温度、相对湿度、降水天气现象等气象要素进行全天候现场监测，并把采集信息发送至车站控制终端，融雪系统根据气象信息进行自动启动和停止，更加自动高效。

气象站显示及测量范围如下。

天气：显示当前气象信息：雨、雪等天气；湿度：显示当前的环境湿度，测量范围：（0～100）%RH；

温度：显示当前的环境温度，测量范围：（-40～80）℃；

气象站开启时，此时系统可根据气象信息与系统设定的启停温度、积雪厚度进行逻辑判定，自动开启或关闭加热电路。气象站关闭或故障时，可人工启停加热。

2）智能管理终端（新增）

智能管理终端作为与车站控制终端通信的桥梁，通过串口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发送到车站控制终端；当列车行车计划发生调整时，也可通过人工修改生成融雪指令发送至车站控制终端，车站控制终端接收到融雪指令时，自动启停融雪加热电路，对列车进路所经道岔实现精准融雪除冰，即“所行皆所融”降低能耗。

如图4、5所示，“接收到列车行车计划一列车从XF口接车至9G后，向S口发车。在全站道岔都处于定位的情况下，9#、19#、35#、37#、24#道岔需从定位转向反位，而该站内其他道岔可以不用进行转换。因此当雨雪天气时，只需要对9#、19#、35#、37#、24#道岔进行先后加热融雪，对于进路不涉及的道岔可以不用开启加热。

该高铁站道岔数量约78个，假设需安装电加热元件道岔数量约50个，相比于传统电加热道岔融雪系统（RD1）采用粗放式全线各站所有道岔均加热的控制方式，如每组道岔功率20 kW左右，总功率1 000 kW左右，雨雪天持续10小时/天，系统提前开启加热1 h（估计），雨雪10 h后防止雪化冰，系统仍需持续加热1 h，一次耗电量约12 000度电，智能化方案节省了无需动作道岔的能耗，一次耗电量约1 200度电，节约1.08万度电，折合人民币约1.08万元。假设该地区平均每年气温低于10°C时约为30天，共约节电32.4万度，折合人民币约32.4万元，且对多个进路内共用的道岔，例如下一趟列车依然是以如图4、5所示的锁闭进路的方式通过该站，那么9#、19#、35#、37#、24#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，延长电加热元件使用寿命，经济效益显著。

3）多国语言切换

多国语言切换功能，通过工作站、控制终端控显程序新增“语言切换”功能模块，工作站调度员、控制终端车站值班员通过单击智能型电加热道岔融雪系统主界面目录树中“语言切换”功能模块，找到需要切换的语言类型，单击应用实现语言切换显示。

4）控制模式可切换

高速铁路电加热道岔融雪系统智能化方案，除包含上述智能融雪控制功能外，需保留既有融雪传统控制方式，当智能控制方式因新增设备故障或其他因素未能对道岔进行及时加热，达不到融雪除冰功能时，系统能够及时切换至传统控制模式，所有控制柜会根据系统设定的启停温度与各自轨温传感器采集的钢轨温度进行逻辑判定，当钢轨温度低于启动温度时，系统会自动给控制柜发送加热命令，开启柜内加热电路，实现对道岔进行加热功能；当钢轨温度上升至系统设定的停止温度时，系统会自动发送停止加热命令，停止柜内加热电路，实现对道岔进行关闭加热功能，以满足现场对融雪的需求。

4 总结与展望

随着高速铁路技术发展，安全可靠、绿色低碳的评价标准要求道岔融雪系统朝向智能化方向发展。本方案在现有电加热道岔融雪系统基础上，通过接口气象站进行自动启停、根据实际列车进路道岔使用情况进行精准加热，实现自动高效、节能降耗。人机界面新增多国语言切换功能，契合国家“一带一路”倡议和中国高铁“走出去”形势下的新需求。当智能型方案因设备故障或其他因素未能对道岔进行及时加热，达不到融雪除冰功能时，系统可切换传统控制模式，以满足现场对融雪的要求，符合现阶段产品稳中求进的发展理念，经济效益和社会效益显著。