跨座式單軌系統的道岔輔助防護系統研究

寧遞杰

(廣西柳州市軌道交通投資發展集團有限公司，廣西柳州 545000)

1 概述

隨著城市化進程的高速發展，人們對城市軌道交通運營安全提出了更高要求。尤其在信號系統失效時，如何保證列車和乘客的安全顯得尤為重要，跨座式單軌交通系統區別于傳統鋼輪鋼軌雙軌交通系統，它采用混凝土PC 梁或鋼梁作為軌道梁，代替了傳統鋼軌支撐列車運行，列車車輪采用橡膠輪胎跨騎在軌道梁上。跨座式單軌交通系統道岔結構形式也發生了變化，單軌的道岔作為一個獨立系統，是單軌三大核心技術之一，與鋼輪鋼軌使用的道岔完全不同，傳統鋼輪鋼軌采用的轉轍機帶動道岔尖軌，通過對輪沿的作用力而改變運行線路，而跨座式單軌采用的是軌道梁整體移動方式改變列車運行的線路。

在軌道交通系統中，當列車信號系統發生故障后，司機切除列車自動監控系統（ATC）采用非限制人工駕駛模式（EUM）行車，此模式下列車的監控和運行由司機負責操作。此時司機一方面需與行車調度保持緊密聯系，一方面需采用加強瞭望、人工準備進路等“人防”手段來保障列車運營安全。運營單位需要制定嚴格的規章制度規范此情況下各個環節的處理保障運營安全，但實際運營中，人員的技能水平、應變能力、精神狀態各有不同，任何一個環節出現失誤都有可能造成事故。特別是跨座式單軌，道岔處于非接通位置時（四開）存在懸空斷梁的特殊性，如果瞭望不足、道岔未鎖閉或者未按照規定人工準備進路，列車會存在掉下軌道梁、側面沖突等風險。

因此，通過研究跨座式單軌的特點，設計一套道岔輔助防護系統，通過技術防護方式保證道岔處于非接通位置（四開）時非限制人工駕駛（EUM）列車施加緊急制動，從而提升跨座式單軌的安全性和可靠性。

2 功能定位

當信號系統發生故障或失效時，單軌車輛轉為EUM 模式運行，道岔輔助防護系統應該具備以下功能。

1）當道岔狀態正常時，系統能夠根據實際運行情況和EUM 的限速設置給出限速提醒和超速防護。

2）當道岔失去表示時，系統能夠使單軌列車施加緊急制動并在安全區域停車。

3）能夠滿足單軌列車雙向運行。

4）在信號系統功能正常情況下，該系統的故障不影響信號系統的列車控制功能并確保列車正常運行。

3 設計方案

3.1 系統組成

道岔輔助防護系統主要由軌旁設備和車載設備兩部分組成，軌旁設備主要由RFID 標簽、標簽控制盒、道岔狀態分析設備組成，車載設備主要由標簽天線、解析單元組成，輔助系統與道岔系統中的道岔控制柜通過硬線接口，同時車載設備的解析單元與車輛設備的列車緊急制動單元有接口，從而發送列車緊急制動命令。道岔輔助防護系統原理如圖1 所示。

圖1 道岔輔助防護系統網絡拓撲圖Fig.1 Network topology of turnout auxiliary protection system

3.2 系統平面設置

以一組單動道岔為例，根據實際需要劃分為非控制區、緩沖區、道岔區3 個虛擬區域。如圖2 所示，每一組道岔設置一個道岔狀態分析柜、一個標簽控制盒以及3 組RFID 標簽（A、B）。道岔分析柜實時采集道岔控制柜（SCP）狀態送至標簽控制盒，控制盒將道岔狀態信息通過線纜，分別連接到3 個RFID 標簽組。由于列車從接收到道岔狀態信息到停車，需要一定的走行距離方可完全停穩，RFID 標簽組必須與道岔之間根據停車所需的安全距離設置緩沖區。

圖2 道岔輔助防護系統設備配置圖Fig.2 Equipment configuration of turnout auxiliary protection system

3.3 系統控制邏輯

本系統只在信號系統故障且列車采用EUM 駕駛模式時啟用，系統啟用后的控制邏輯如圖3 所示。

圖3 道岔輔助防護系統邏輯圖Fig.3 Logic diagram of turnout auxiliary protection system

當道岔狀態分析柜采集到道岔控制柜（SCP）的位置處于錯誤或者非接通位置（四開）時，道岔狀態分析柜輸出低電平（0 VDC）至RFID 標簽控制盒，RFID 標簽A/B 激活。當列車駛過，列車標簽天線采集到RFID 標簽激活狀態，列車解析單元進行解析，觸發列車緊急制動命令，列車停車。

當道岔狀態分析柜采集到道岔控制柜（SCP）的位置正確且鎖定時，道岔狀態分析柜輸出高電平（+24 VDC）至RFID 標簽控制盒，RFID 標簽A-B 不被激活。當列車駛過，列車標簽天線采集到RFID 標簽未激活狀態，列車不觸發緊急制動，列車可正常通過。

列車駛入道岔區時，列車讀取RFID 標簽順序為A1-B1 系統進行識別輸出；當列車按照規定速度駛離限速區后，車載設備讀取標簽順序為B3-A3，系統則無緊急制動輸出，列車可正常駕駛。

系統的車載解析設備通過接口獲取車輛傳輸的列車實時運行速度，并與EUM 限速進行對比，當實際速度高于EUM 限速時，解析單元向車輛系統輸出緊急制動命令。

當本系統設備斷電或發生故障時，標簽控制盒接收到低電平，列車施加緊急制動。

3.4 系統安全分析

本系統符合故障-安全原則，符合軌道交通可靠性、可用性、可維修性和安全性規范及示例中規定的要求，系統安全完整性均達到SIL4 的要求。

系統數據傳輸方式分為有線傳輸和無線傳輸兩部分，除了地面RFID 標簽與列車標簽天線之間采用射頻無線傳輸以外，其他系統模塊之間均采用有線傳輸方式。

系統軌旁設備與列車上解析單元至緊急制動單元之間采用有線傳輸模式，當其中某一模塊或者線路發生故障時，下一級電路或模塊均處于無數據傳輸狀態，系統在設計時默認為無數據傳輸狀態即為限制狀態，此時列車接近也無法正常通過，不會導致危險狀況出現。

地面RFID 標簽與列車標簽天線之間采用無線傳輸，該傳輸方式參照軌道交通應答器傳輸系統技術條件的相關要求進行設計，當列車標簽天線無法激活地面RFID 標簽等原因無法接收到報文時，列車解析單元按照信息丟失處理，當列車解析單元丟失滿足故障導向安全原則。

4 結束語

隨著城市軌道交通的安全要求不斷提高，軌道交通設備不僅必須滿足日常運營功能需求，還必須保證當信號設備故障發生后，保障列車、司機、乘客能獲得更安全、更可靠的輔助防護。因此，設計了一種道岔輔助防護系統方案，該方案可以滿足當信號系統發生故障或者失效，列車采用EUM 模式駕駛通過道岔區域時，在道岔未能正常鎖定或道岔處于非接通位置（四開）的情況下，列車自動觸發緊急制動并在安全區域停車。此方案能夠有效避免單軌列車掉下軌道梁、側面沖突等安全事故的發生。此方案對常規的軌道交通線路也有一定啟發性作用，可為下一步工程設計和應用提供參考，但因系統涉及運營安全，與信號系統和車輛設備有接口，因此必須反復進行實際試驗，并通過第三方的安全認證方后可在實際運營中實施應用。