適用于輕軌系統的列車位置檢測設備

喻智宏 覃定明 高桂桂

(北京城建設計研究總院有限責任公司 北京 100037)

1 列車位置檢測設備研究背景

輕軌交通作為一種中小運量的城市軌道交通系統，具有綜合造價低、道路適應性強、系統配置靈活、噪聲低、污染小、建設周期短、使用方便等特點，在各種中小運量軌道交通制式中具有廣闊的應用前景。據不完全統計，在目前世界上擁有軌道交通的城市中，只擁有地鐵的占5%，同時擁有地鐵和輕軌的占11%，同時擁有輕軌和有軌電車的占84%，各種不同形式的輕軌系統在世界各國得到廣泛應用。

“七五”期間，我國設立了重點科技攻關項目“城市輕軌交通系統成套技術”。1995年，選擇鞍山市作為試點工程地區開展輕軌系統的研究，后由于種種原因沒有實現，真正實施的是在長春市。長春輕軌車輛的輕量化水平有很大提高，但在列車位置檢測設備、地面牽引供電系統、綠色環保型軌道及路基結構、道岔結構等方面，與國外的輕軌交通系統還存在較大差距。

因此，迫切需要確定并完善一種輕軌交通系統，制定一套輕軌系統技術規范，提出輕軌關鍵技術研究方案及國產化方案，為我國特大城市主城區的輔助線路、衛星城(或新城)內部軌道交通線路、中小城市的軌道交通線路、旅游觀光區內的軌道交通線路，提供一種中小運量的軌道交通制式。列車位置檢測設備是實現運營控制或調度管理的首要條件，是輕軌系統重點需要解決的關鍵技術，下面探討一種適用于輕軌系統的列車位置檢測設備。

2 列車位置檢測設備適用性分析

2.1 技術要求

在軌道交通運輸中，列車位置檢測設備是信號系統構成的關鍵設備，它為整個信號系統運行提供基礎條件。相比傳統的軌道交通系統，輕軌系統對于列車位置檢測設備提出了新的技術指標和要求。

1)適用于43、50、60 kg/m等規格鋼軌，不受軌枕和列車類型的限制。

2)當電纜阻值不大于7 Ω/km時，檢測設備傳感器輸出信號的最長傳輸距離為7 km。

3)在輕軌列車、汽車、行人混行的路段，能準確分辨檢測輕軌列車，準確率為100%。

2.2 計軸設備

計軸設備由于可以克服軌道電路分路不良、道床電阻低、漏泄大、閃紅光帶等問題，目前已經成為信號系統常用的軌道區段占用/空閑檢測設備。按設備原理的不同，又可分為調相式軌道計軸器、調幅式軌道計軸器、振蕩器式軌道計軸器。各類計軸設備應用于不同鋼軌和道床條件的適用性情況如表1所示。

表1 計軸應用于不同鋼軌和道床條件的適用性

2.2.1 調相/調幅式計軸器

調相式軌道計軸器和調幅式軌道計軸器(見圖1)可用于普通鋼軌，但如果應用于開放或半封閉線路的輕軌工程中，則會在安裝、運用、維護、防盜、景觀等方面存在諸多問題。

圖1 計軸設備安裝

1)設備高出軌面，極易受到公共車輛、行人的碾壓，造成設備損壞。

2)設備暴露在開放的環境中，易被盜。

3)設備占用軌旁空間較大，且不易遮蔽，會出現軌道及軌旁路面整體平整而設備安裝處低洼的情況。易積水，需對軌旁排水設備提出較高的排水要求，工程不易實施;易積雜物，影響設備性能，增加了運營維護工作量。

4)計軸傳感器及軌旁電子連接盒的存在與平整的軌面和路面不協調，影響線路景觀。

5)維修保養工作量大。

輕軌線路在特殊路段，需滿足列車、汽車、行人混行的需要，一般都要求輕軌軌面與路面平齊。為保證列車輪緣的空間，軌頂面需與軌旁路面保持一定的空隙，而U型鋼軌滿足了這項需求，因此在眾多軌面與軌旁路面齊平的工程中得以應用。調相式軌道計軸器和調幅式軌道計軸器不適用于U型鋼軌，使其在輕軌系統中的應用受到限制。

2.2.2 振蕩器式計軸器

振蕩器式軌道計軸器適用于普通鋼軌和U型鋼軌，但其軌旁電子連接盒的存在與平整的軌面和路面不協調(見圖2)。這不僅影響了線路景觀，也影響了汽車、行人的無障礙通行，使其在硬化路面的工程應用上存在較大的局限性。

圖2 軌旁電子連接盒

因此，需要尋找一種檢測設備，能適用于不同的鋼軌和道床條件，并能準確地從輕軌列車、汽車、行人混行路段中分辨檢測輕軌列車的位置。

3 ARTJZ-2型計軸系統

3.1 系統構成

3.1.1 室外設備

室外設備由安裝在普通鋼軌內側/U型鋼軌外側的計軸傳感器構成，其作用是檢測鋼軌上走行的列車輪對和輪對的行駛方向。它采用一體化的全密封結構，具有特別強的抗機械應變能力和適應惡劣工作環境的能力，在潮濕氣候、雨、雪和結冰時都能正常工作。

3.1.2 室內設備

室內設備主要由計數板(計數單元)和軌道板(運算單元)構成，均采用雙CPU設計，以保證系統運行的安全可靠性。計數板對來自計軸傳感器的計數信號進行處理，記錄通過計軸傳感器的軸數和行駛方向;軌道板接收計數板發送的計數信息，采集相鄰區段的軌道占用信息，綜合判定被測區段的占用/空閑情況，并通過安全繼電器和CAN總線輸出。

3.1.3 傳輸通道

傳輸通道是連接室內外設備和兩相鄰區段設備構成系統的重要組成部分，采用普通信號電纜，1個室外傳感器需要2芯電源線、3芯信息線。

3.2 系統原理

ARTJZ-2型計軸系統的工作原理如圖3所示。根據列車(車輛)駛入和駛出計軸點所監視區段的記錄軸數的比較結果，確定該區段的占用或空閑狀態。當列車從所檢查區段的A端進入、車輪駛入計軸傳感器A的作用區域時，向計數單元傳送軸脈沖，計數單元開始計數，并判別運行方向，確定對軸數是累加計數還是遞減計數。這時，B計數結果為零，軌道板根據軸數信息，經比較不一致后，發出區段占用信息，控制該區段的軌道繼電器落下。軌道板通過CAN總線，使顯示單元顯示區段軸數。當列車通過B端時，計軸傳感器B開始計數，經軌道板比較，使顯示單元顯示區段軸數減少，如果A、B軸數一致，軌道板輸出區段空閑信息，控制該區段的軌道繼電器吸起，顯示單元的顯示為零。為提高設備的可用性，在每個計軸點安裝兩個計軸傳感器(即采用雙套冗余配置)，信號經過電子連接盒處理后，通過一對信號電纜傳到室內，傳輸距離可達10 km。

圖3 計軸設備軌道區段布置

4 工程實施方案研究

4.1 傳感器安裝于普通鋼軌

計軸傳感器安裝于普通鋼軌的內側，同一計軸點的兩個傳感器相距一個軌枕，用鋼軌打孔專用工具在指定位置上打φ14的孔，再用鋼刷將鋼軌上的鐵銹及其他雜物清理干凈。

將計軸傳感器電纜從鋼軌一側傳到對應的接線盒中，確定無誤后做好標記，預留適宜長度將計軸傳感器電纜截斷。直接將計軸傳感器安裝在鋼軌上(見圖4)，法蘭螺母的扭力矩為45 N·m。

圖4 計軸傳感器安裝

4.2 傳感器安裝于U型鋼軌

計軸傳感器安裝于U型鋼軌外側，安裝位置如圖5所示，安裝方法與普通鋼軌相同。

圖5 計軸傳感器的安裝位置

4.3 軌旁采用硬化或綠化的實施方案

在軌旁采用硬化路面或在綠化的工程中安裝，需在鋼軌兩側預留安裝、維修空間。該空間沿鋼軌長600 mm，距鋼軌外側邊緣寬170 mm，距軌面深度175 mm，并在槽內預埋電源接線及信號線的走線管。

施工時要先在傳感器安裝位置的鋼軌上打兩個孔(φ14，間距260 mm)，然后安裝計軸傳感器、接線、調試，安裝調試后用高強度復合材料蓋板封蓋(如圖6所示，黃色蓋板為500 mm×100 mm×20 mm)。檢修時打開蓋板，檢修完畢重新將蓋板封蓋。

圖6 計軸傳感器的安裝

4.4 U型軌安裝計軸傳感器的檢測效果

U型鋼軌安裝計軸傳感器后，檢測的是車輪的踏面。由于車輪輪緣在U型槽中行駛，使得傳感器具有面積大且更穩定的檢測面，傳感器的輸出信號比裝在普通軌檢測輪緣時的信號更強。

測試數據如圖7所示，空閑時左、右磁頭檢測到的信號分別為24和－24 mA，占用時左、右磁頭檢測到的信號分別為－37和38 mA，比安裝在普通軌上測量輪緣的信號(空閑15、－15 mA左右，占用時－25、25 mA左右)要強，信號傳輸得更遠，計數單元的計數更穩定。

5 樣機測試

根據ARTJZ-2型計軸系統技術方案，按照EN50126、EN50128、EN50129要求的SIL4安全等級，進行軟、硬件開發及系統集成。在計軸樣機完成后，進行了功能、性能及安全測試，其中功能和性能測試采用黑箱測試方法，安全測試采用植錯法和猜錯法。結果表明，所有測試全部通過，并成功獲得國際SIL4安全等級證書。

圖7 測試數據

為了驗證ARTJZ-2型計軸系統能夠適應輕軌列車、汽車、行人混行的路段，對汽車和自行車進行碾壓試驗，如圖8所示。實驗證明，ARTJZ-2型計軸傳感器能夠承受汽車和自行車的碾壓。當汽車、自行車分別碾壓過傳感器裝置時，系統計數不受干擾。

6 結論

ARTJZ-2型計軸系統技術先進，通過了國際SIL4級安全認證，具備了進入軌道交通領域的能力，產品完全由國內廠家自主研發，具有自主知識產權，在成本上有極大的優勢，可為建設方節約大量投資。此外，ARTJZ-2型計軸系統不受鋼軌和道床條件的限制，具有較強的適用性，在景觀、安裝方面有著獨特的優勢，是輕軌系統列車位置檢測設備的較好選擇。

圖8 碾壓實驗

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