梅 滿，田文禮，田堂俊

對于早期開通的地鐵線路，道岔轉換設備較多采用以聯鎖驅動和采集繼電器為執(zhí)行機構的設計模式。由于繼電器部件眾多，任何一處發(fā)生故障都將影響設備的正常運行，導致故障處理非常困難。反觀其他系統(tǒng)，為提高可用性，在設計方面都會考慮不同方式的冗余。為此，本文特別針對道岔控制繼電電路設計了冗余方案，可在道岔故障發(fā)生時手動切換至備用道岔控制組合，實現故障部件整體隔離，維持道岔正常功能，直至運營結束后再開展修復處理［1］。

1 設計方案及原理

冗余方案整體結構及原理見圖1。在有岔站信號設備室內組合柜中，額外配置1 套與原道岔控制組合相同的備用道岔控制組合，并在每組原道岔控制組合與室外轉轍機之間串入AX 安全型繼電器，通過切換控制裝置，將DC 24 V電源引入切換繼電器。切換控制裝置通過串口協議與工控機進行通信，并利用切換繼電器前后接點實現原道岔控制組合與備用道岔控制組合之間切換。

圖1 冗余方案整體結構及原理

1）切換控制裝置中采用帶有強制導向作用的歐姆龍G2R-1 型繼電器（簡稱“歐姆龍繼電器”），每個歐姆龍繼電器由單DC 24 V 線圈和單10 A觸點組成，用來控制1臺切換繼電器。因體積較小，可按道岔動作、控制、表示電路中切換點數的不同，自由拓展和靈活配置，并可將多個歐姆龍繼電器集成為繼電器模組，通過RS-485 串口通信協議接收來自工控機的驅動命令。

2）備用道岔控制組合采用與原道岔控制組合完全相同的道岔定型組合。

3）各種切換繼電器均采用AX 型無極加強信號插入式繼電器（JWJXC-480），在線圈失磁或故障時，可依靠內部的配重塊使繼電器落下，符合“故障導向安全”原則。JWJXC-480型繼電器共有4 組接點，其中2 組加強型接點用于切換轉轍機動作電路內的大電流，另2 組普通接點用于切換轉轍機控制電路內小電流，且前接點連接備用道岔控制電路，后接點連接原道岔控制電路。當任意某組道岔發(fā)生故障時，先由人工操作系統(tǒng)控制終端遠程發(fā)送切換命令，再由切換控制裝置驅動切換繼電器吸起，實現原道岔與備用道岔控制組合之間切換，使備用道岔控制組合執(zhí)行相應的道岔轉換。

下面以地鐵最常用的三相交流五線制雙機牽引道岔控制電路為例，主要考慮道岔轉換過程中控制電路、動作電路、聯鎖表示采集電路的切換技術，實現冗余切換控制功能［2-3］。

2 切換電路設計

為同時對控制電路、動作電路和聯鎖表示采集電路進行切換，設計了控制切換繼電器KZQHJ、動作切換繼電器DZQHJ和表示切換繼電器BSQHJ電路，并在備用道岔動作電路中，配置換相繼電器HXJ、換相保證繼電器HXBZJ，以及表示電源接通繼電器BSDYJ 等，在切換控制裝置中通過一定動作邏輯，實現電路間無擾、安全地相互切換。

2.1 道岔控制電路切換設計

道岔控制電路中的定操繼電器DCJ、反操繼電器FCJ 和鎖閉繼電器SJ 由計算機聯鎖系統(tǒng)輸出命令進行控制，基于安全性要求，在設計切換時以“不改變道岔控制命令原始邏輯，仍使用原道岔控制組合中的DCJ、FCJ 和SJ 作為道岔控制命令”為原則，保證備用道岔控制組合同樣可執(zhí)行來自聯鎖系統(tǒng)的安全命令。

道岔控制電路切換設計見圖2，在每組道岔的DCJ、FCJ、SJ 前接點后部各串聯1 組KZQHJ 接點，用于主備用道岔控制電路間切換。所有KZQHJ的前接點并聯后，接通備用道岔控制電路。

圖2 道岔控制電路切換設計

2.2 道岔動作電路切換設計

在主用轉轍機動作電路的分線柜X1—X5 中，各串聯一個DZQHJ 加強接點，用作主備用道岔動作電路間切換。以道岔第1 牽引點動作電路為例，見圖3，DZQHJ 中接點接信號設備室分線柜，后接點接主用道岔動作電路，前接點全部并聯后，接通備用道岔動作電路。第2 牽引點動作電路切換設計與之類似。

圖3 道岔動作電路切換設計

文獻［2］描述過相同的五線制動作電路切換設計，使用一套備用道岔控制組合作為全站所有道岔控制組合的冗余，但只介紹了道岔電氣控制部分N+1 的冗余結構。由于根據線路工況以及道岔側向開通方向的不同，現場通常將轉轍機分為“正裝”和“反裝”2 種，即正裝轉轍機在定位時，自動開閉器1/3 排接點閉合，反裝轉轍機在定位時，則是自動開閉器2/4 排接點閉合。因此2 種安裝方式的五線制動作電路是不同的［4］。

通常在道岔動作電路圖中只呈現轉轍機定位1/3 排接點閉合的圖紙，而在圖紙下方則會備注定位2/4排接點閉合的改線方式，即需完成以下內容：① X2與X3交叉，X4與X5交叉（行業(yè)通用做法是在轉轍機室外電纜盒軟線側完成交叉）；② 現場二極管顛倒極性；③ DBQ的41、61端子互換，實現B/C相序顛倒，改變轉轍機內的三相電相序。

所以，若要將一套備用道岔控制組合用作全站所有道岔控制組合的N+1 冗余，就要對任意一組道岔切換至備用道岔控制組合時，使備用道岔控制組合內的電源相序與受控轉轍機所需要的相序相同。見圖4。

圖4 備用道岔動作電路設計

在備用道岔動作電路中，斷相保護器DBQ41與第1 啟動復示繼電器1DQJF11 之間，以及DBQ61 與1DQJF21 之間串聯相應數量的換相繼電器HXJ（只反裝轉轍機配置HXJ，正裝轉轍機不用）。其中，在B 相中串聯的稱為B_HXJ，C 相中串聯的稱為C_HXJ。B_HXJ 的前接點與C_HXJ 的后接點連接，后接點與C_HXJ的前接點連接。

按照上述設計，在備用道岔動作電路控制正裝轉轍機時（不需換相），B/C 相電源通過HXJ 后接點接通轉轍機動作電路，電源端相序為A-B-C；若備用道岔動作電路需要控制反裝轉轍機，則需三相電源B、C 相互換，從而實現動作電路電源端相序變?yōu)锳-C-B。

由于DBQ41 和DBQ61 帶有380 V 電壓，帶電轉換相序時，高壓會對接點產生灼傷，若B 相和C相的HXJ 動作同步性一旦產生輕微誤差，就會造成短路。為此，需在備用道岔動作電路中的B、C相電源端設置換相保證繼電器HXBZJ，通過HXBZJ的前接點斷開，可使備用道岔動作電路長期處在無電狀態(tài)。

另外，在驅動HXBZJ 時，應設置繼電器線圈延時動作（延時2 000 ms驅動），使HXBZJ在切換命令下達過程中，滯后于其他功能屬性的切換繼電器，即可實現轉轍機動作電路“先換相，再供電”，B、C 相在無電狀態(tài)下換相，從而保證切換電路可靠［5］。

2.3 表示電源接通保護設計

在備用道岔控制組合的表示變壓器電源端，設置若干表示電源接通繼電器BSDYJ，數量與所在車站轉轍機數量相同，連接方式見圖5。

圖5 表示電源接通繼電器保護設計

在備用道岔控制組合未被切換且處于空閑時，BSDYJ 斷開，表示變壓器輸入側無電源，可提高備用道岔控制組合長期處于開路狀態(tài)時的表示變壓器、電阻等器件的使用壽命，而整個電路處于無電狀態(tài)，還可提升電路的安全性［6］。

2.4 道岔表示采集電路切換設計

使用AX 安全型繼電器普通接點，在原道岔表示繼電器的中接點與聯鎖接口柜之間串聯若干表示切換繼電器BSQHJ，見圖6。在任意道岔進行切換時，相應的BSQHJ 動作，切斷原表示采集電路，接通備用道岔控制組合中的表示采集電路（圖6 中藍線），聯鎖直接采集備用道岔控制組合中DBJ 和FBJ的狀態(tài)。

圖6 道岔表示采集電路切換設計

在使用主用道岔控制組合時，通過BSQHJ的后接點采集主用道岔控制組合中DBJ、FBJ 的狀態(tài)（圖6中黑線），后接點靠自身重力落下，使BSQHJ中接點與后接點保持接通。而備用道岔控制組合接通BSQHJ 前接點，除非人為驅動BSQHJ，否則將永遠處在落下狀態(tài)，保持原道岔表示聯鎖采集電路的安全性。同時根據《鐵路信號AX 系列繼電器》（GBT 7417—2010）中的標準，JWJXC-480繼電器在中接點落下時，中接點與前接點會保持3 mm 間隙，而備用道岔控制組合中此處電壓僅為12 V，因此可有效阻隔來自備用道岔控制組合對原道岔表示信息聯鎖采集電路的影響［7］。

2.5 切換繼電器配置

以一組地鐵常用的雙機牽引單動道岔切換為例，完成道岔控制電路切換需要3 組普通接點；完成道岔動作電路切換需要10 組加強接點；完成B/C 相序換相需要4 組加強接點；完成換相保證需要4 組加強接點；完成道岔表示采集電路切換需要8 組普通接點。因此，實現一組雙機牽引交流道岔控制電路切換最多需要11 組普通接點，18 組加強接點。而JWJXC-480 安全型繼電器每臺具有2 組加強接點和2 組普通接點，即使用9臺JWJXC-480安全型繼電器就可滿足切換要求。每架標準信號組合柜最多可插130 臺JWJXC-480 安全型繼電器，因此最多可集成14組雙機牽引單動道岔所用的AX型切換繼電器。通常地鐵正線的雙存車線/雙站后折返線車站最多不超過10 組道岔，若再額外多考慮2 組站前折返道岔，1 組聯絡線道岔，即一個標準的信號組合柜完全能夠滿足任何正線車站的道岔切換需求。

3 道岔電氣冗余切換控制操作系統(tǒng)

3.1 設計原則

根據備用道岔控制組合N+1 的設計結構，為確保在同一時間內僅允許有一組道岔與備用道岔控制組合相切換，就需從軟件層面對其切換控制邏輯加以限制，避免出現2 組道岔共用一套備用控制組合的情況發(fā)生。

1）在軟件UI層面，通過菜單按鈕的禁用與激活狀態(tài)，確保任何時候道岔備用組合切換按鈕可用的唯一性。

2）實時掃描切換控制板上歐姆龍繼電器的狀態(tài)，當任意切換控制板上繼電器吸起，即禁止對其他切換控制板再次下發(fā)命令，確保備用道岔控制組合驅動命令下發(fā)執(zhí)行的唯一性。

3）對以上2 種狀態(tài)實時校驗核對，確保驅動指令與UI按鈕可用狀態(tài)的一致性與唯一性。

3.2 主、備切換控制邏輯

道岔冗余切換操作系統(tǒng)界面見圖7。

圖7 道岔冗余切換操作系統(tǒng)界面

1）當操作計算機與串口控制器通信建立時，在軟件界面中相應的道岔編號圖標顯示“綠色”，表示可以進行備用道岔控制組合切換，任意道岔編號下的二級菜單“切換備用組合”選項被允許選擇，見圖7（1），而通信中斷，相應道岔編號圖標顯示灰色。

2）單擊“切換備用組合”，將跳出密碼提示框，見圖7 （2），輸入預先設定的密碼以驗證操作。

3）密碼驗證正確后隨即跳出彈窗提示，若密碼錯誤，則切換命令將被切斷，見圖7（3）。為進一步對切換操作加以安全確認提醒，提示操作人員“在切換過程中禁止轉換道岔、確認區(qū)段無車占用、在切換完成后，需將道岔單操一個往返以恢復表示”。

4）整個切換命令自下發(fā)到執(zhí)行完成的過程需2～3 s，同時提醒在此過程中避免發(fā)生道岔轉換命令。由于主備用道岔控制組合間是通過繼電器接點形成物理隔離的，因此即使切換過程中伴隨道岔轉換，而以繼電器前、后接點的作用，原道岔的轉換命令將被打斷，最終結果仍為“道岔失去表示”，即導向安全側。同時在任何情況下切換完成后，都需將道岔單操一個往返，從而確認道岔的定、反位置表示。因此雖需盡量避免在切換過程中轉換道岔，但考慮到極端巧合情況，切換命令和道岔轉換命令同時下發(fā)，也不會影響安全。

5）在對安全限制事項確認后，鼠標點擊確認提示框，即對串口控制器發(fā)出動作命令，驅動相應切換繼電器動作，道岔圖標變?yōu)椤凹t色”，表示備用道岔控制組合被占用，見圖7（4）。此時受切換的道岔由備用道岔控制組合對其完成轉換、動作、表示和采集。

6）所在車站任意道岔切換命令成功發(fā)送后，將在軟件層面限制其他道岔的切換命令，此時鼠標在界面中點擊其他道岔則無任何反應，只允許將備用道岔控制組合切換至原道岔控制組合的命令，見圖7（5）。

7）再次右鍵單擊該道岔圖標，選擇“切換主用組合”將備用道岔控制組合切換至原道岔控制組合，重復完成“輸入密碼驗證”“安全限制提示”確認操作，恢復至原道岔控制組合，圖標顏色由“紅色”變?yōu)椤熬G色”，見圖7（6），表示備用道岔控制組合解除占用，恢復空閑狀態(tài)，此時允許其他道岔發(fā)送備用道岔控制組合的切換命令。

3.3 切換動作順序

在向串口控制器發(fā)送切換命令的過程中，對相應的HXBZJ、BSDYJ 的驅動碼位設置延時，其中BSDYJ 設置延時1 000 ms，實現A、B 機動作電路中的表示變壓器電源滯后其他切換繼電器1 s 后再接通，從而實現備用道岔控制組合空閑狀態(tài)表示電源不接入電路；HXBZJ 延時2 000 ms，實現A、B機動作電路中的B/C 相電源滯后其他切換繼電器2 s 后再接通，從而實現備用道岔控制組合先換相再供電的技術要求。整個動作過程為：切換命令發(fā)送→表示電源接通→動作電源接通→其他電路切換→完成切換。

4 道岔電氣冗余的應用

4.1 應用場景

1）由于折返道岔每天動作次數頻繁，故障發(fā)生的概率較大，因此對于折返站配置備用室內控制電路，可有效應對個別線路無備用折返線，或折返線必經道岔故障對列車折返所造成的影響。

2）渡線道岔通常不承擔列車折返，而在運營中，渡線道岔定位出現故障甚至比折返道岔影響更大，因為渡線道岔涉及相鄰線路的進路防護，受此影響上下行途徑列車都需停車再降級通過，造成上下行雙方向的列車堆積。因此正線通過車站配置備用道岔控制組合，也可有效緩解渡線道岔定位故障對運營所造成的影響。

3）對于仍在使用繼電器執(zhí)行機構的地鐵線路，改造全電子聯鎖需要考慮現有聯鎖的生命周期，付出額外的置換成本和改造周期，適時采用該方案可有效提高道岔繼電電路的可用性，應對故障對運營造成的影響［8］。

4.2 備用道岔控制組合的啟用時機

道岔故障在ATS 終端中的顯示僅有“失去表示（或四開報警）”這一種故障現象，而排除故障則需要考慮區(qū)分故障范圍是室外、室內、機械或電路等多種因素，運營人員開展道岔故障排除的首要步驟便是要區(qū)分故障范圍和故障現象［9］。

當道岔故障發(fā)生時，一般首先由控制中心或車站對道岔進行單操，同時聯絡搶修人員趕往現場準備搶修。當道岔單操無效后，可遠程操作切換系統(tǒng)將故障道岔切換至備用道岔控制組合，再次使用ATS 對道岔進行單操；若表示恢復，則證明道岔故障點位于室內控制部分，從而實現故障點的隔離，故障道岔通過備用道岔控制組合維持至運營結束，搶修人員可在信號設備室值守保駕；若遠程切換備用道岔控制組合，道岔故障未排除，則也可幫助搶修人員排除室內故障，立即組織排查室外部分，從而簡化區(qū)分故障范圍的時間。

按照地鐵運營過程中道岔故障發(fā)生的概率和頻次，較難發(fā)生某個站場內有多組道岔同時發(fā)生故障的概率；并且為保證一套備用道岔控制組合在被切換投入使用時是唯一的，同時兼顧改造成本，所以N+1 的冗余設計完全能夠滿足日常的運營場景［10-11］。

5 結束語

該項目已通過杭州市交通運輸局立項，獲得杭科研項目資金支持，目前已在杭州五常車輛段試驗線投入應用，為12 組道岔提供N+1 冗余配置。無論是終點站的折返道岔或是中間站的通過道岔，其部件一旦發(fā)生故障，無一例外地都將造成不同程度的列車延誤，且多數城市地鐵已經成網運行，單條線路的列車擁塞往往需要其他線路共同調整行車組織加以應對，因此在運營延誤指標越來越嚴苛的背景下，信號系統(tǒng)應利用各種手段在保證安全的前提下提高設備可靠性。本設計方案對傳統(tǒng)繼電電路升級冗余功能，對標“先通后復”的運營理念，遵循故障導向安全原則，降低繼電電路發(fā)生故障對運營造成的影響，提高故障處置效率。