宁波轨道交通4号线计轴系统抗外界干扰能力提升方法研究

2023-06-30范亚静金琦马驰戚恩泽

交通科技与管理 2023年11期

范亚静金琦马驰戚恩泽

摘要計轴系统作为监测轨道区间空闲和占用状况的设备，在行车安全中有着非常重要的作用。宁波轨道交通4号线采用科安达TAZⅡ/S295+JC型计轴设备。开通之初，各类计轴受扰故障频发，给正常的运营秩序带来了一定的潜在风险影响。文章从系统内部设备及外部施工环境（条件）两个维度研究提升科安达计轴系统抗外部条件干扰能力的方法。

关键词轨道交通；计轴；抗干扰

中图分类号 U231.7文献标识码 A文章编号 2096-8949（2023）11-0011-03

0 引言

宁波轨道交通4号线计轴系统采用科安达TAZⅡ/S295+JC型计轴设备。该设备是深圳科安达与德国品奇提芬巴赫共同合作引进的计轴系统，计轴设备主要包括室内和室外两部分。判断计轴监测区段是否占用的主要途径是通过计轴点驶入和驶出轮轴数的结果比较，而不能识别车体部分，所以会存在当有非列车车轮驶入区段被误认为列车占用的情况。

课题研究目的是通过改变外部施工环境（条件）的方法，间接提升科安达计轴系统抗外部条件干扰的能力。主要研究内容包括：

（1）接触网小推车不同尺寸（轮径）车轮对应的计轴车轮状态电压值，确保将计轴车轮状态电压值控制在DC9.31 V以下。

（2）不同磁导率金属材料车轮，在规定轮径范围内对计轴车轮状态电压值的影响。应用价值是力图通过试验数据，寻找出较理想的提升科安达计轴抗接触网施工影响的方法，保障正常的运营秩序的实现。

1 设备原理

宁波轨道交通4号线采用科安达TAZⅡ/S295+JC型计轴设备。计轴系统通过对比轨道区段两端驶入和驶出计轴点的列车轴数来判断该区段是否占用，并通过列车驶入、驶出的车轮轮轴数的比较，实现对列车运行方向的判别以及轨道区段空闲及占用状态的条件输出。计轴设备主要应用于地铁场段及站内，用来实现轨道区段空闲与占用状态的自动检查。

1.1 计轴设备基本原理

计轴设备的基本原理主要基于对所监视的轨道区段两端计轴点所驶入和驶出的列车轴数进行比较，用以确定该区段的占用和空闲状态。

具体如图1所示，列车从计轴区段的计轴点1处端驶入，计入轴数为A，列车从该计轴区段的计轴点2处驶出，计出轴数为B。当B不等于A时，区段占用；当B等于A时，区段空闲。

轨道占用和空闲状态检查方式可以分解为两个具体的操作：当轨道处于空闲状态时，计入一轴或探测到车轮，轨道区段转为占用状态；当轨道处于占用状态时，计出最后一轴，轨道区段转为空闲状态。其中，计入一轴和计出最后一轴都由计轴板作出判断，给输出板传送相应的信息。

1.2 计轴设备组成架构

科安达TAZⅡ/S295+JC型计轴设备由室内设备和室外设备两部分组成，具备外接复零条件以及与联锁和微机监测等设备的接口。

1.2.1 室内设备

TAZⅡ/S295 计轴系统室内设备主要包括：放大板、计轴板、输出板、复零板和电源板等单元，其中放大板与室外的车轮传感器组成车轴检测单元，计轴板与输出板等组成计轴运算单元。

计轴机柜内的电源板可输入50 Hz交流220 V电源，输出直流12 V和24 V电源，为其他板件提供工作电源，且电源板采用“1+1”冗余配置，每台机柜提供两路220 V交流供电，电源机箱1与电源机箱2中的电源板互为冗余，其中任一电源板故障，不会影响计轴设备正常供电。

放大板工作机制主要为当车轮驶过传感器作用区域时，车轮传感器产生轮轴信号，并将该信号输出至放大板，放大板接收到车轴传感器的轮轴信号后进行放大和整形，形成轮轴脉冲，为计轴板和输出板提供工作条件。

计轴系统运算机制：计轴板有2套独立的计轴运算单元，分别根据放大板传送的车轮传感器信息，判断列车行进方向，并完成区段内所经过的列车轴数计入和计出统计。当两套计轴运算单元计算结果完全相同时，才会输出空闲信息给输出板。其最大可以同时接入和处理6个车轮传感器信号。

其他板卡：计轴输出板由12个继电器组成，完成计轴区段空闲或占用的条件输出，继电器接点最大允许通过电流为2 A。复零板用于执行所属区段计轴电路的复零。

1.2.2 室外设备

TAZⅡ/S295计轴系统室外电子设备为车轮传感器（型号2N59-1R-400RE-40），车轮传感器主要用于检测列车车轮轮缘。车轮传感器内的两个传感系统阻尼随着车轮轮缘的作用而变化。传感系统阻尼的变化将会传输到室内放大板模块（ABG）。两个传感系统产生的阻尼轴脉冲只有叠加在一起，才认为是有效的计轴脉冲，否则将会认为是干扰信号。根据两个传感阻尼所传递的车轮轮缘变化来实现轴数统计和方向判别（如图2所示）。

车轮传感器两个系统长期与钢轨轨腰固定连接，当传感器与轨腰衰减板连接空隙距离大于1～2 mm时，放大板检测到传感器阻尼状态变化引起的故障（松动），在故障没有消除前系统一直输出占用状态。

1.3 计轴设备功能

TAZ II/S295计轴系统主要具备以下功能：一是为联锁、列控、闭塞和其他信号系统提供轨道区段占用或空闲的安全开关量输出接口；二是通过计轴设备来鉴别正线列车的运行方向；三是提供计轴直接复位功能，并通过预复位反馈状态接口（非安全相关光耦接口）实现计轴区段的预复位功能；四是系统设备内部诊断及故障检测功能，同时具备与信号微机监测系统、维护支持子系统等用于监测和管理系统的接口。

2 现状分析

宁波4号线信号系统试运行期间发现计轴设备存在易受干扰问题，其中主要原因为外专业现场施工作业引发的计轴受扰，按照干扰源可分为外部接地不良引发的干扰、电缆环阻不稳定引起的干扰、电磁干扰以及金属干扰4种类型。针对存在问题研究制定了以下整改措施。

2.1 硬件升级优化

为降低计轴因施工造成的受扰，以及为了更好地解决及适应项目后续其他的一些干扰问题，可使用升级放大板和输出板硬件解决，提高设备自身抗干扰能力，相应增加屏蔽过滤机制，可以大大减少因外部干扰因素带来的计轴受扰问题，硬件升级版本见表2。

旧版本输出板内部完全由安全继电器电路构成，而新型输出板采用软件完成逻辑运算，然后驱动安全继电器输出，不需再经过继电器进行逻辑处理，升级输出板和原输出板的区别为信号处理逻辑不变，但是执行信号处理的单元由继电器改为软件继电器之间相互制约的逻辑控制关系均由软件实现[1]。

两种输出板逻辑差异对比原理图描述如图3所示。

宁波4号线计轴设备已完成正线慈城站（放大板5块、输出板8块）、官山河站（放大板18块、输出板29块）、奥体中心站（放大板17块、输出板27块）、丽江路站、柳西站（放大板15块、输出板26块）、白鹤站（放大板19块、输出板32块）、南高教园区站（放大板21块、输出板34块）、小洋江站（放大板15块、输出板23块）、东钱湖站（放大板7块、输出板11块）的放大板、输出板硬件升级更换工作，总计更换放大板117块、输出板190块。

2.2 硬件升级优化后情况

自完成计軸设备硬件升级，结合比对4号线5月份和6月份计轴设备故障数据，发现区段受扰类故障已经由3月份和4月份的10起，下降至4起。

（1）已解决问题：外部接地不良引起的干扰问题、电缆环阻不稳定引起的干扰问题和电磁干扰问题。

（2）未能有效解决问题：接触网专业梯车作业时，受梯车车轮影响的金属干扰问题。

2.3 梯车轮选型

为彻底解决受接触网梯车作业时对计轴设备的影响，接触网专业根据信号专业建议开始将接触网梯车车轮，由全金属材质更换为高强度树脂材质，确保从源头上解决问题。自接触网梯车采用树脂材质车轮后，发生因接触网梯车施工作业引起的计轴故障已控制在1件及以下。

梯车采用树脂材质车轮存在弊端，需另外设置接触网梯车接地装置。

2.4 车轮传感器参数设置

车轮传感器参数指标，空闲4.79≤V≤8.31；占用8.39≤V≤9.96。空闲参数设置范围较广有3.52 V的调整量，不同的取值是否会改善金属干扰的性能，目前现场调整只确认在质保期内即可，未给出一个最优的取值点。

3 现场研究

3.1 接触网梯车车轮选型

选型考虑因素有材质强度、表面金属能够实现梯车可靠接地。通过金属轮缘轮比选，最终选取6 cm尺寸金属轮缘轮，详见图4，在4号线培训中心车轮传感器上测试滑动100次未出现区段受扰。