余冠華，衛(wèi)旭初

（中鐵第四勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，武漢 430063）

張吉懷高鐵位于湖南省境內(nèi)，全長約246 km，設(shè)計(jì)速度350 km/h。北起張家界市，經(jīng)湘西土家族苗族自治州正線5個(gè)車站，芙蓉鎮(zhèn)站、古丈西站、吉首東站、鳳凰站、麻陽西站，南接懷化市，是一條黃金旅游線，也是一條精準(zhǔn)扶貧線。由于張吉懷地處湘西，并穿越雪峰山脈，冬季多雪易造成道岔凍結(jié)，影響道岔動作，所以中國鐵路總公司發(fā)文《關(guān)于新建張家界經(jīng)吉首至懷化鐵路初步設(shè)計(jì)的批復(fù)》（鐵總鑒函[2017]500號），批復(fù)“張家界地區(qū)、吉首地區(qū)車站動車組進(jìn)路道岔以及懷化南滬昆場新增道岔設(shè)置道岔融雪設(shè)備?！北疚膶鹘y(tǒng)的道岔融雪系統(tǒng)進(jìn)行分析，探討將更優(yōu)的道岔融雪系統(tǒng)應(yīng)用于張吉懷高鐵工程。

1 傳統(tǒng)的RD1型電加熱道岔融雪系統(tǒng)

傳統(tǒng)的RD1型電加熱道岔融雪系統(tǒng)如圖1所示，由信息通道、電纜、工作站及控制終端、控制柜、鋼軌軌溫傳感器、隔離變壓器、電加熱元件以及安裝卡具等設(shè)備組成。該系統(tǒng)有兩種控制方式，手動控制方式是由人工啟動系統(tǒng)和融雪控制柜；自動控制方式的原理是軌溫傳感器感知溫度較低時(shí)，自動啟動控制柜所控制的所有道岔融雪設(shè)備。

圖1 傳統(tǒng)的RD1型電加熱道岔融雪系統(tǒng)Fig.1 Traditional RD1 type electric point heating system

該系統(tǒng)存在比較明顯的問題是耗電量大。自動控制方式下，一旦遇到降雪天氣，全站所有的道岔融雪加熱設(shè)備同時(shí)進(jìn)行工作，其功率極高，達(dá)到了全站所有信號系統(tǒng)（包括聯(lián)鎖系統(tǒng)、列控系統(tǒng)、調(diào)度集中控制系統(tǒng)等）功率總和的6倍，電力增容費(fèi)用較高。

而且本次張吉懷高鐵不是所有車站都設(shè)置了道岔融雪系統(tǒng)，后續(xù)有車站，如鳳凰站、麻陽西站需要補(bǔ)充道岔融雪系統(tǒng)的話，外電源擴(kuò)容將是最重要的制約因素。

2 基于調(diào)度的智能道岔融雪傳統(tǒng)系統(tǒng)

2.1 基于調(diào)度的智能道岔融雪系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

針對傳統(tǒng)的RD1型電加熱道岔融雪系統(tǒng)耗電量大的問題，張吉懷高鐵首次采用了基于調(diào)度的智能道岔融雪系統(tǒng)。

基于調(diào)度的智能道岔融雪系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意如圖2所示，灰色部分為本次新增或修改的模塊。相比較于傳統(tǒng)的RD1型電加熱道岔融雪系統(tǒng)，基于調(diào)度的智能道岔融雪系統(tǒng)在室內(nèi)控制終端新增了智能控制模塊，實(shí)現(xiàn)智能運(yùn)算和控制；新增接口服務(wù)器從行車指揮系統(tǒng)開放的接口服務(wù)器獲取列車運(yùn)行計(jì)劃信息，從防災(zāi)系統(tǒng)開放的接口服務(wù)器中獲得氣象信息（包括當(dāng)前氣溫、雪的大小等信息）；在室外新增雪深監(jiān)測模塊獲取雪的厚度信息。延續(xù)傳統(tǒng)的室外融雪設(shè)備（包括控制柜、鋼軌軌溫傳感器、隔離變壓器、電加熱元件及其安裝卡具）不變， 新增的智能控制模塊可以通過軌溫傳感器獲取軌面溫度信息。

圖2 基于調(diào)度的智能道岔融雪系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意Fig.2 Structural diagram of dispatching-based intelligent point heating system

2.2 基于調(diào)度的智能控制算法

基于調(diào)度的智能控制算法流程如圖3所示。智能控制模板通過獲取列車開行計(jì)劃數(shù)據(jù)得到車站道岔動作開啟時(shí)序表。特別注意的是，如出現(xiàn)CTC原定進(jìn)路相關(guān)道岔發(fā)生異常，須啟用進(jìn)路其他道岔提前融雪，從而修改相應(yīng)的道岔動作開啟時(shí)序表。Ti={T1,T2,T3,...}，i表示第i個(gè)道岔。

圖3 基于調(diào)度的智能控制算法流程Fig.3 Flow chart of dispatching-based intelligent control algorithm

對歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸分析，找到因變量道岔融雪時(shí)長與因變量當(dāng)前氣溫、雪的大小、雪的厚度、軌面溫度之間的關(guān)系，即回歸模型。最后根據(jù)當(dāng)前氣溫、雪的大小、雪的厚度、軌面溫度，計(jì)算得到當(dāng)前道岔融雪時(shí)長表。Pi={P1,P2,P3,...}。

最后根據(jù)Mi+Pi≤Ti，即“道岔開始融雪時(shí)間+融雪時(shí)長≤道岔動作時(shí)間”，得到最優(yōu)的道岔開始融雪時(shí)序表，Mi={M1,M2,M3,...}。

從而保證列車開行至該道岔之前，道岔積雪融化已完畢，同時(shí)也不會因?yàn)檫^早開啟加熱而浪費(fèi)電能。

2.3 基于調(diào)度的智能控制效果

以如圖4所示的車站為例，從列車運(yùn)行計(jì)劃得知一列車將以圖4中綠色的進(jìn)路，從X口接車至5G后，向SF口發(fā)車。在全站道岔都處于定位的情況下，只有9#和10#道岔需從定位轉(zhuǎn)向反位，且9#道岔先轉(zhuǎn)，10#道岔后轉(zhuǎn)，而該站內(nèi)其他道岔可以不用進(jìn)行轉(zhuǎn)換。因此當(dāng)降雪天氣時(shí)，只需要對9#和10#道岔進(jìn)行先后加熱融雪，而對于其他道岔可以不用開啟加熱設(shè)備。相比于傳統(tǒng)道岔融雪開啟全站所有道岔加熱設(shè)備，本次采用的基于調(diào)度的控制方式節(jié)省了無需動作道岔的能耗，極大地節(jié)省了電能。而且對多個(gè)進(jìn)路內(nèi)共用的道岔，例如下一趟列車依然是以該綠色進(jìn)路的方式通過該站，那么9#和10#道岔也不用進(jìn)行轉(zhuǎn)換和加熱，由此合理的簡化道岔重復(fù)融雪的次數(shù)。

圖4 車站信號平面示例Fig.4 Example of station signals plane

據(jù)統(tǒng)計(jì)，張吉懷高鐵需要上道岔融雪設(shè)備的道岔數(shù)量為43個(gè)，每組道岔功率20 kW。根據(jù)2007～2017年國家氣象局資料，湖南省湘西地區(qū)平均每年氣溫低于5°C時(shí)約為50天，每天啟動融雪系統(tǒng)10 h，按道岔融雪系統(tǒng)每年運(yùn)行500 h（湖南地區(qū)氣溫低于5°C時(shí)，啟動融雪系統(tǒng)，10 小時(shí)/天，每年約需啟動50天），則傳統(tǒng)模式道岔融雪每年需用電430 000度。采用智能調(diào)度融雪預(yù)計(jì)可節(jié)能40%（保守估計(jì)），共約節(jié)電17.2萬度，折合人民幣約20萬元，其節(jié)能減排效果顯著。

3 方案總結(jié)

張吉懷高鐵采用的基于調(diào)度的智能道岔融雪系統(tǒng)節(jié)能減排效果顯著，而且后續(xù)車站補(bǔ)充道岔融雪系統(tǒng)的外電擴(kuò)容難度也大大降低，契合綠色高鐵、智能高鐵的發(fā)展趨勢，社會效益顯著?；谡{(diào)度的智能道岔融雪系統(tǒng)在張吉懷高鐵工程試點(diǎn)應(yīng)用成功后，若今后應(yīng)用在秦嶺以北地區(qū)的鐵路項(xiàng)目中，由于北方天氣寒冷，降雪天氣更多，其節(jié)能幅度將更大。