張?zhí)?劉喻聲 陳昕

摘要 道岔控制系統(tǒng)是高速磁浮運(yùn)行控制系統(tǒng)的重要組成部分，針對(duì)鋼梁彈性彎曲道岔，通過(guò)道岔轉(zhuǎn)轍過(guò)程中牽引供電狀態(tài)監(jiān)視、多電機(jī)協(xié)同運(yùn)行、道岔位置采集，使高速磁浮道岔轉(zhuǎn)轍過(guò)程遵循故障-安全原則，保障道岔轉(zhuǎn)轍過(guò)程安全可靠。另外，高速磁浮道岔控制模式有一般模式、本地模式、隔離模式和省電模式，提高了高速磁浮道岔控制系統(tǒng)的可用性和安全性，滿足道岔在正常運(yùn)營(yíng)和檢修等不同使用條件下的控制和安全防護(hù)要求。

關(guān)鍵詞 高速磁浮;道岔;轉(zhuǎn)轍;控制模式

中圖分類號(hào) U284.5 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A 文章編號(hào) 2096-8949（2022）03-0016-03

0 引言

高速磁浮以其速度和安全優(yōu)勢(shì)，成為下一代高速軌道交通的重點(diǎn)發(fā)展方向，得到了眾多軌道交通強(qiáng)國(guó)的重視，中國(guó)和德國(guó)合作在我國(guó)上海建成了運(yùn)營(yíng)速度430 km/h的國(guó)際首條商業(yè)運(yùn)營(yíng)高速磁浮線，其最高試驗(yàn)速度達(dá)到505 km/h[1]。日本山梨磁懸浮試驗(yàn)線“L0系”列車實(shí)現(xiàn)了603 km/h的最高試驗(yàn)運(yùn)行速度。2020年5月，時(shí)速600 km/h高速磁浮試驗(yàn)樣車在青島下線，標(biāo)志著我國(guó)在高速磁浮技術(shù)領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)重大突破。2021年1月，我國(guó)首臺(tái)高溫超導(dǎo)高速磁浮工程化樣車及試驗(yàn)線在西南交通大學(xué)正式啟用，設(shè)計(jì)速度為620 km/h。

目前磁浮道岔類型主要有鋼梁彈性彎曲道岔、側(cè)壁升降道岔和多關(guān)節(jié)導(dǎo)軌橫移道岔[2]，高速磁浮多采用鋼梁彈性彎曲道岔，其由軌道、道岔墩柱、移動(dòng)轉(zhuǎn)轍裝置及其上面的圓柱鎖銷和階梯鎖銷構(gòu)成，高速磁浮道岔示意圖如圖1所示。不同于傳統(tǒng)輪式軌道交通的道岔，通過(guò)轉(zhuǎn)轍機(jī)搬動(dòng)岔芯實(shí)現(xiàn)軌道變換，高速磁浮道岔系統(tǒng)通過(guò)轉(zhuǎn)轍系統(tǒng)帶動(dòng)鋼梁彈性形變將整個(gè)軌道移動(dòng)至目標(biāo)位置，從而實(shí)現(xiàn)軌道的變換[3-4]。

1 高速磁浮道岔控制系統(tǒng)

高速磁浮道岔作為磁浮線路的換線設(shè)備，其安全性和協(xié)同性至關(guān)重要，道岔控制系統(tǒng)是高速磁浮運(yùn)控信號(hào)系統(tǒng)的重要組成部分。一般情況下，道岔控制命令由中央控制系統(tǒng)發(fā)出，分區(qū)道岔控制計(jì)算機(jī)接收分區(qū)安全計(jì)算機(jī)的道岔控制命令，執(zhí)行相應(yīng)的操作。高速磁浮道岔控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。

高速磁浮道岔控制系統(tǒng)主要由四部分構(gòu)成，分別是分區(qū)道岔控制計(jì)算機(jī)、道岔控制機(jī)、道岔供電牽引單元和道岔位置及鎖閉傳感器。其中，分區(qū)道岔控制計(jì)算機(jī)是道岔控制系統(tǒng)的核心部件，負(fù)責(zé)接收分區(qū)安全控制計(jì)算機(jī)的道岔控制命令，控制道岔供電牽引單元和道岔控制機(jī)進(jìn)行道岔轉(zhuǎn)動(dòng)，確認(rèn)道岔轉(zhuǎn)轍到位并鎖閉，防止意外激活道岔供電牽引單元和意外道岔移動(dòng)操作。分區(qū)道岔控制計(jì)算機(jī)包含控制面板，當(dāng)?shù)啦硖幱诒镜啬Ｊ綍r(shí)，可通過(guò)控制面板控制道岔的轉(zhuǎn)轍、鎖閉和運(yùn)行模式的轉(zhuǎn)換，在確保道岔安全性的前提下，提高道岔控制系統(tǒng)的可用性。

高速磁浮道岔梁轉(zhuǎn)轍動(dòng)作由多個(gè)電動(dòng)機(jī)械驅(qū)動(dòng)點(diǎn)驅(qū)動(dòng)完成，道岔控制機(jī)接收分區(qū)道岔控制計(jì)算機(jī)的道岔轉(zhuǎn)轍命令，控制多個(gè)驅(qū)動(dòng)點(diǎn)保持良好位置協(xié)同運(yùn)行，保證轉(zhuǎn)轍過(guò)程中道岔梁體的線形，防止道岔梁局部應(yīng)力集中，影響道岔壽命及行車安全。當(dāng)?shù)啦磙D(zhuǎn)動(dòng)到目標(biāo)位置并鎖閉后，分區(qū)道岔控制計(jì)算機(jī)控制道岔控制機(jī)切斷電源，防止意外道岔移動(dòng)操作。

分區(qū)道岔控制計(jì)算機(jī)通過(guò)對(duì)道岔供電牽引單元的供電電源控制來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)道岔的安全防護(hù)，即使用兩套安全的數(shù)字輸出信號(hào)來(lái)分別啟動(dòng)/關(guān)閉道岔供電牽引單元的一級(jí)供電和二級(jí)供電兩路電源。供電電源啟動(dòng)后，道岔可以移動(dòng)，供電電源關(guān)閉時(shí)，道岔處在安全的狀態(tài)，不能移動(dòng)。

分區(qū)道岔控制計(jì)算機(jī)基于SIL4級(jí)別的二乘二取二安全計(jì)算機(jī)平臺(tái)，為了確保數(shù)字輸出信號(hào)及供電牽引單元執(zhí)行的正確性，分區(qū)道岔控制計(jì)算機(jī)對(duì)應(yīng)二路數(shù)字信號(hào)控制輸出分別設(shè)有相應(yīng)的狀態(tài)回讀信號(hào)，即構(gòu)成了控制輸出與狀態(tài)檢測(cè)輸入的閉環(huán)安全接口。為了確保道岔狀態(tài)的安全性，分區(qū)道岔控制計(jì)算機(jī)分別對(duì)道岔轉(zhuǎn)轍的一、二級(jí)電源釋放進(jìn)行控制，在未得到分區(qū)道岔控制計(jì)算機(jī)授權(quán)前道岔不能得電轉(zhuǎn)轍，并對(duì)一、二級(jí)電源狀態(tài)進(jìn)行回讀以確認(rèn)其實(shí)際狀態(tài)。

道岔位置及鎖閉傳感器將道岔的實(shí)際位置及鎖閉狀態(tài)傳輸給分區(qū)道岔控制計(jì)算機(jī)，實(shí)現(xiàn)道岔系統(tǒng)端點(diǎn)位置的狀態(tài)回讀。道岔位置及鎖閉傳感器的信號(hào)包括道岔墩柱上的圓柱鎖銷、階梯鎖銷和表面鎖銷的鎖定信號(hào)，通過(guò)回讀三種鎖定信號(hào)，判斷道岔是否在目標(biāo)位置及其鎖閉狀態(tài)，保證道岔位置安全可靠。若回讀信號(hào)錯(cuò)誤，則道岔處于四開，分區(qū)道岔控制計(jì)算機(jī)向分區(qū)安全計(jì)算機(jī)報(bào)告錯(cuò)誤。

高速磁浮道岔在轉(zhuǎn)轍過(guò)程中，道岔控制系統(tǒng)通過(guò)道岔供電狀態(tài)監(jiān)視、多電機(jī)協(xié)同運(yùn)行和道岔位置采集，確保道岔安全、可靠地轉(zhuǎn)轍。道岔轉(zhuǎn)轍到位后，通過(guò)鎖閉道岔和切斷供電牽引單元防止意外移動(dòng)道岔。

2 高速磁浮道岔轉(zhuǎn)轍控制

控制道岔轉(zhuǎn)轍是高速磁浮道岔控制系統(tǒng)主要任務(wù)，相比傳統(tǒng)輪式軌道交通道岔的轉(zhuǎn)轍，鋼梁彈性彎曲道岔的轉(zhuǎn)轍過(guò)程步驟更多，系統(tǒng)更復(fù)雜，因此對(duì)道岔控制系統(tǒng)的要求更高。

當(dāng)分區(qū)道岔控制計(jì)算機(jī)收到道岔轉(zhuǎn)動(dòng)命令且轉(zhuǎn)轍條件允許時(shí)，首先分區(qū)道岔控制計(jì)算機(jī)依次釋放道岔供電牽引單元二級(jí)供電和一級(jí)供電，待道岔供電牽引單元正常上電后，分區(qū)道岔控制計(jì)算機(jī)向道岔控制機(jī)發(fā)送目標(biāo)位置命令，以觸發(fā)道岔轉(zhuǎn)轍。道岔控制機(jī)控制多個(gè)驅(qū)動(dòng)點(diǎn)保持良好位置協(xié)同運(yùn)行，保證轉(zhuǎn)轍過(guò)程中道岔梁體的線形。道岔正常的轉(zhuǎn)轍時(shí)間為30 s，分區(qū)道岔控制計(jì)算機(jī)允許在此基礎(chǔ)上延長(zhǎng)一次1～255 s。轉(zhuǎn)轍到位后命令道岔控制機(jī)切斷電源，并控制供電牽引單元切除電源供應(yīng)。分區(qū)道岔控制計(jì)算機(jī)發(fā)出切斷道岔供電牽引單元一級(jí)供電命令后，如未收到正確的一級(jí)供電切斷反饋信號(hào)，則將關(guān)斷道岔供電牽引單元二級(jí)供電，若收到一級(jí)供電切斷反饋信號(hào)，則道岔轉(zhuǎn)轍完成。道岔轉(zhuǎn)動(dòng)控制過(guò)程如圖3所示。

高速磁浮道岔轉(zhuǎn)轍過(guò)程遵循故障-安全原則，若道岔牽引供電單元一級(jí)供電釋放失敗或與道岔控制機(jī)通信斷開，則立即關(guān)斷牽引供電單元的一級(jí)供電。

3 高速磁浮道岔控制系統(tǒng)的模式設(shè)計(jì)

高速磁浮道岔控制系統(tǒng)作為運(yùn)控系統(tǒng)的重要組成部分，需滿足不同應(yīng)用場(chǎng)景下道岔轉(zhuǎn)轍和防護(hù)的安全性和可靠性，高速磁浮道岔控制系統(tǒng)有一般模式、本地模式、隔離模式和省電模式四種運(yùn)行模式，當(dāng)?shù)啦砜刂葡到y(tǒng)上電啟動(dòng)后，道岔運(yùn)行模式初始化為一般模式。

在一般模式下道岔由中央運(yùn)控系統(tǒng)根據(jù)進(jìn)路要求進(jìn)行集中控制，分區(qū)道岔控制計(jì)算機(jī)只接收分區(qū)安全計(jì)算機(jī)的命令，并執(zhí)行相應(yīng)的道岔轉(zhuǎn)轍動(dòng)作。高速磁浮道岔控制模式之間的相互轉(zhuǎn)換及轉(zhuǎn)換條件如圖4所示。

本地模式即通過(guò)分區(qū)道岔控制計(jì)算機(jī)上的控制面板控制道岔進(jìn)行轉(zhuǎn)轍、鎖閉/解鎖和模式轉(zhuǎn)換，道岔不受中央運(yùn)控系統(tǒng)的控制，本地模式適用于道岔的故障檢測(cè)和維護(hù)。一般模式下控制面板沒有操作權(quán)限，分區(qū)道岔控制計(jì)算機(jī)轉(zhuǎn)換至本地模式運(yùn)行需要中央運(yùn)行控制系統(tǒng)開啟本地模式功能，同時(shí)分區(qū)安全計(jì)算機(jī)授權(quán)允許。在該模式下，道岔轉(zhuǎn)轍僅能通過(guò)控制面板進(jìn)行操作，并將道岔狀態(tài)等信息回傳給分區(qū)安全計(jì)算機(jī)。為保證道岔轉(zhuǎn)轍過(guò)程安全，在一般模式轉(zhuǎn)至本地模式時(shí)，分區(qū)道岔控制計(jì)算機(jī)在收到“請(qǐng)求本地授權(quán)”后，會(huì)采集控制面板上“道岔鎖閉/解鎖”和“道岔位置”旋鈕的當(dāng)前位置，并與道岔當(dāng)前位置和鎖閉狀態(tài)進(jìn)行對(duì)比，防止轉(zhuǎn)換至本地模式后道岔立即轉(zhuǎn)動(dòng)。若位置指示和鎖閉指示不一致，則不會(huì)將該次授權(quán)請(qǐng)求發(fā)送至分區(qū)安全計(jì)算機(jī)。

隔離模式由控制面板直接轉(zhuǎn)換進(jìn)入，在該模式下分區(qū)道岔控制計(jì)算機(jī)不輸出任何動(dòng)作命令，僅能通過(guò)道岔控制機(jī)面板或者控制器手動(dòng)控制道岔，分區(qū)道岔控制計(jì)算機(jī)給分區(qū)安全計(jì)算機(jī)回送隔離狀態(tài)。隔離模式適用于不需要道岔控制系統(tǒng)控制的場(chǎng)景，如道岔的檢修和維護(hù)，提高道岔維護(hù)效率。

在省電模式下，分區(qū)安全計(jì)算機(jī)發(fā)送道岔移動(dòng)命令。在該模式下，道岔驅(qū)動(dòng)的變頻器與電源斷開。如果接到道岔轉(zhuǎn)動(dòng)命令，則迅速激活切斷電源的零部件，道岔由省電模式轉(zhuǎn)換至一般模式，執(zhí)行道岔轉(zhuǎn)動(dòng)命令，此模式適合道岔不經(jīng)常啟動(dòng)的情況，可有效節(jié)省電能。

高速磁浮道岔控制系統(tǒng)的模式設(shè)計(jì)綜合考慮了不同應(yīng)用場(chǎng)景下的道岔控制模式，提高了高速磁浮道岔系統(tǒng)的可用性、安全性和可靠性。

4 總結(jié)

道岔控制系統(tǒng)是高速磁浮運(yùn)控系統(tǒng)的重要組成部分，對(duì)高速磁浮安全高效運(yùn)行具有重要意義，目前，高速磁浮道岔控制系統(tǒng)已應(yīng)用于青島高速磁浮試驗(yàn)線，試驗(yàn)線采用鋼梁彈性彎曲道岔，通過(guò)道岔牽引供電狀態(tài)監(jiān)視、多電機(jī)協(xié)同運(yùn)行、道岔位置采集等措施保障道岔轉(zhuǎn)轍安全可靠，正常情況下，道岔30 s內(nèi)可完成轉(zhuǎn)轍動(dòng)作。高速磁浮道岔控制系統(tǒng)在本地模式和隔離模式下，可完成道岔基本功能的測(cè)試，提高了現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試效率，后期可滿足道岔在正常運(yùn)營(yíng)和檢修等不同使用條件下的控制和安全防護(hù)要求。

參考文獻(xiàn)

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