基于車車通信的道岔邏輯控制電路的應用研究

王維奇

(中鐵第一勘察設計院集團有限公司，710043，西安∥正高級工程師)

目前，CBTC(基于通信的列車控制)信號系統雖在節約成本、減少維修量、提高運行效率及節能等方面已趨于完善，但其效率和故障率卻仍無法滿足現代城市軌道交通的需求。卡斯柯信號有限公司自主研發的基于車車通信的列車控制系統采用自動化的控制方式，具有更高的效率和更低的故障率。其已于2020年6月28日在上海軌道交通3、4號線上進行無人駕駛測試驗證，并通過專家評審，得到了專家評委們的一致高度評價。

在基于車車通信的列車控制系統中，道岔邏輯控制電路能高效精確地控制道岔操作[1]，可取代傳統的繼電器控制道岔電路。其優點為：①道岔邏輯控制電路成本低。②道岔邏輯控制電路故障率低，不會因機械故障而影響設備正常工作。③道岔邏輯控制電路生產方便，工作穩定，受外界影響小。④道岔邏輯控制電路能實現轉轍機電路故障定位。

1 道岔邏輯控制電路的工作原理

1.1 列車控制道岔原理

道岔邏輯控制電路主要通過邏輯運算單元和功率放大器來完成道岔控制。列車把控制編碼命令發送給控制器，再由控制器將五線制的電壓狀態通過邏輯運算單元發送給列車。

列車控制道岔技術是將對軌旁道岔的控制由傳統電路的聯鎖驅動及采集移植到車載控制子系統中。車載控制子系統通過網絡方式向軌旁控制器發送道岔的控制命令碼；軌旁控制器通過獲取列車的控制信息來控制道岔動作。列車控制道岔的數據流見圖1。

圖1 列車控制道岔數據流

1.2 功率放大器工作原理及計算

如圖2所示：2組電源正極電壓VCC和負極電壓VEE相等，電容C1和C2分別為輸入耦合電容和輸出耦合電容。電阻R1使運算放大器(以下簡稱“運放”)同相輸入端形成直流通路，內部的差分管得到必要的輸入偏置電流。電阻RF引入直流和交流負反饋。由于電容C把直流電隔斷，故使直流形成全反饋；而交流電通過電阻R和電容C分流，形成交流部分反饋，為電壓串聯負反饋。引入直流全反饋和交流部分負反饋后，可在交流電壓增益較大時，仍能使直流電壓增益很小，從而避免輸入失調電流造成運放的飽和[2]。

圖2 功率放大器原理

當輸入信號為0時，運放輸出端V0≈0，交流放大電路的輸出電壓U0=0。當輸入信號為1時，輸入交流信號，電壓V0在VEE～VCC之間變化，通過C2輸出放大的交流信號，輸出端電壓U0的幅值近似為電壓值VCC(VCC=VEE)。引入深度電壓串聯負反饋后，放大電路的電壓增益AU=U0/Ui≈1+RF/R；放大電路輸入電阻Ri=R1/Rif。其中，Rif是運放引入串聯負反饋后的閉環輸入電阻。Rif很大，所以Ri=R1/Rif；放大電路的輸出電阻R0=Rof≈0，其中Rof是運放引入電壓負反饋后的閉環輸出電阻，Rof很小[4]。

2 道岔邏輯控制電路的設計

本文針對城市軌道交通常用的ZDJ-9型五線制交流轉轍機進行分析。

2.1 道岔控制電路的節點動作

ZDJ-9型轉轍機的道岔控制電路如圖3所示。保持其內部結構不變，按照其接點動作順序進行編碼。

圖3 ZDJ-9型轉轍機道岔控制電路圖

定位-反位：X1、X3和X4電路分別編碼為1，X5和X2分別編碼為0，轉轍機11-12接點和13-14接點閉合；

反位-定位：X1、X2和X5電路分別編碼為1，X4和X3分別編碼為0，轉轍機接點閉合(41-42)、(43-44)。

反位操道岔前，節點狀態為1、3接點閉合，2、4接點斷開；完成操縱道岔后，節點狀態變成1、3接點斷開，2、4接點閉合。

定位操道岔前，節點狀態為1、3接點斷開，2、4接點閉合；完成操縱道岔后，節點狀態變成1、3接點閉合，2、4接點斷開。

2.2 五線制道岔編碼原則

列車通過車載控制器(CC)給道岔控制器發送進路中道岔的信息；道岔控制器將道岔信息解析成二進制編碼，發送給脈沖分配電路；脈沖分配電路將每位編碼分配給X1、X2、X3、X4及X5電路的功率放大電路。因X1為A相線，是共用電路，故其編碼始終為1。B相線和C相線是驅動電路。當反操道岔時，C相線給電機的C相繞組供電，B相線給電機的B相繞組供電；當定操道岔時，要改變相序，C相線給電機B相繞組供電，B相線給電機C相繞組供電。

如表1所示，將X1-X5分別按從低位到高位進行編碼，并用6位二進制數字進行編碼(首位為0)，可得：定位-反位編碼為001101，反位-定位編碼為010011。如果控制器解析出的編碼不是這兩者之一，則可判斷控制器或車載系統發生了故障。

表1 道岔控制表示的編碼原則

2.3 定表和反表的電路分析

給X1電路上接入DJZ 220 V(道岔表示AC 220 V正電源)電壓的次級線圈。在定位時，轉轍機第1、3接點閉合，向X4電路的二極管正電壓端輸出DJZ 220 V的電,二極管導通，送電給邏輯運算單元，另外一端的DJF 220 V(道岔表示AC 220 V負電源)電則直接輸出給邏輯運算單元；而X3電路的DJZ無法送220 V電到二極管，導致二極管截止，運算邏輯單元無法收到X3上送過來的DJZ 所發220 V電。由此可以確定FBJ(反位表示繼電器)碼位為0，邏輯運算單元據此分別計算定表和反表的狀態并發送給列車。同理，當道岔為反位時，轉轍機第2、4接點閉合，給X3的二極管正電壓端輸送DJZ 的220 V電,二極管導通送給邏輯運算單元，另外一端的DJF 220 V電將直接送給邏輯運算單元，X4的DJZ 220 V電無法送到二極管，導致二極管截止，運算邏輯單元無法收到X4電路的送電。由此可以確定，DBJ(定位表示繼電器)碼位為0，邏輯運算單元將相應的定表和反表的狀態發送給列車。

3 列車控制道岔的安全防護

根據聯鎖技術條件限制，當道岔區段上有車時，道岔不能轉換。所以，道岔從開始轉換到轉換完畢且鎖閉給出正確的定反表狀態前，列車均不能進入道岔區段。

按照上述技術條件分析可知[5]：只有列車在一定的安全防護距離之外，才會請求道岔的控制和鎖閉；在安全防護距離之內，列車不再請求道岔的控制。列車與道岔間的安全防護距離應考慮列車的車輛參數性能、坡度及列車當前的速度，經實時計算得出。列車的速度-距離防護曲線如圖4所示。

在列車運行的進路內，考慮最大坡度、最大列車運行速度、車輛的制動特性、鋼軌的黏著系數及車輛的其他特性參數，計算列車的EOA(行車授權終點)。在圖4中，由于在道岔轉換的過程中，直到鎖閉前，列車不能進入道岔內，因此還要考慮道岔轉換時間內列車所運行的最大距離Sz。故列車與道岔間的最小安全防護距離SEOA為:

圖4 列車的速度-距離防護曲線[1]

(1)

其中，

Sz=vmaxtmax。

式中：

Sresp——軌旁控制器將道岔狀態信息反饋給車載子系統所需時間內的列車運行距離；

tmax——最大道岔轉換時間，按ZDJ-9型轉轍機取13 s；

vmax——列車在該進路內的最大限速。

4 結語

本文主要分析了基于車車通信的道岔邏輯電路如何實現高效控制道岔動作，闡述了列車控制道岔的安全防護距離設置原理及計算方法，可保證列車能夠在道岔鎖閉前安全地申請操控道岔。