城市軌道交通控制系統(tǒng)LED信號燈電路應(yīng)用分析

胡鳳鈺

（陜西城際鐵路有限公司，陜西 西安710000）

0 引言

眾所周知，信號機(jī)既是保證城市軌道交通車輛安全穩(wěn)定運(yùn)行的關(guān)鍵性設(shè)備，也是保證城市軌道列車能夠有序錯(cuò)峰運(yùn)營的基礎(chǔ)，更是表達(dá)固定信號的一種顯示設(shè)備。以前，我國的軌道列車一直以白熾燈泡作為光源的燈信號機(jī)進(jìn)行軌道交通的安全信號指揮，這樣的信號機(jī)具有價(jià)格低廉、故障維修簡單的優(yōu)點(diǎn)。但是，白熾燈泡信號機(jī)的缺點(diǎn)也十分明顯，其主要缺點(diǎn)包括穩(wěn)定性差、使用壽命短、燈絲易斷裂、使用功效低等。為了有效提高信號機(jī)交通信號顯示的安全性和穩(wěn)定性以及延長信號機(jī)發(fā)光燈源的使用壽命，LED 燈逐漸取代白熾燈泡，出現(xiàn)了LED 軌道列車信號機(jī)。目前LED 燈源信號機(jī)除了出現(xiàn)在城市軌道交通中以外，也在鐵路列車中廣泛應(yīng)用，并且使用效果相較白熾燈泡燈源信號機(jī)有了明顯提升。除此之外，LED 有色燈源信號機(jī)還具有節(jié)能、透視性好、壽命長、防塵、防水等特點(diǎn)。伴隨著我國科學(xué)技術(shù)的不斷突破創(chuàng)新，LED燈源信號機(jī)正在朝著全電子信號控制的方向發(fā)展，這不僅可以進(jìn)一步提高LED 信號燈的安全穩(wěn)定性，同時(shí)也大大降低了LED 信號燈系統(tǒng)的造價(jià)成本。

1 傳統(tǒng)信號機(jī)電路與LED 信號機(jī)電路的區(qū)別

1.1 傳統(tǒng)信號機(jī)點(diǎn)燈電路

傳統(tǒng)的信號機(jī)點(diǎn)燈電路是一種判斷信號燈故障與安全的電路，其對整個(gè)信號燈系統(tǒng)正常運(yùn)行起著非常重要的作用。因此，對信號機(jī)點(diǎn)燈電路有極高的工作要求。在為傳統(tǒng)信號機(jī)點(diǎn)燈電路進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，不僅要考慮信號燈自身電路正常工作所需要滿足的不同工作需求，還需要考慮具體的應(yīng)用環(huán)境，這樣才能真正發(fā)揮出點(diǎn)燈電路的工作優(yōu)勢。除此之外，理論上來說，當(dāng)信號機(jī)點(diǎn)燈電路出現(xiàn)斷線時(shí)，信號機(jī)系統(tǒng)就應(yīng)該把信號燈源全部熄滅。但是在實(shí)際使用過程中，當(dāng)點(diǎn)燈電路處于斷線時(shí)，是允許信號燈點(diǎn)亮的，但是要同時(shí)啟用信號顯示降級機(jī)制，同時(shí)要杜絕信號燈燈滅時(shí)信號機(jī)繼續(xù)保持正常工作。通常情況下，在每個(gè)信號燈系統(tǒng)的點(diǎn)燈電路中都會設(shè)計(jì)安裝燈泡繼電器。燈泡繼電器可以在滿足一定電流條件下進(jìn)行正常的吸起并維持。與此同時(shí)，信號機(jī)通過燈泡繼電器檢查監(jiān)測燈泡的實(shí)際使用情況，并準(zhǔn)確判斷信號機(jī)燈泡到底是處在點(diǎn)亮還是熄滅狀態(tài)。傳統(tǒng)信號機(jī)點(diǎn)燈電路圖如圖1 所示。

圖1 傳統(tǒng)信號機(jī)點(diǎn)燈電路圖

1.2 LED 信號機(jī)電路

與傳統(tǒng)的信號機(jī)點(diǎn)燈電路不同，LED 信號機(jī)電路主要通過點(diǎn)燈單元結(jié)構(gòu)和燈源發(fā)光結(jié)構(gòu)組成。其中，點(diǎn)燈單元結(jié)構(gòu)主要完成電源能量的轉(zhuǎn)換、LED 燈系統(tǒng)故障報(bào)警等工作。LED 信號機(jī)采用LED 發(fā)光二極管作為軌道列車信號機(jī)的發(fā)光源，這在根本上解決了燈絲斷裂的問題。從傳統(tǒng)信號機(jī)電路角度分析，LED 信號燈電路以及LED 發(fā)光二極管有七大工作優(yōu)勢。

第一，LED 信號燈電路可靠性更高。LED 信號燈電路設(shè)計(jì)中的發(fā)光盤結(jié)構(gòu)一般有幾十個(gè)甚至更多的發(fā)光二極管，在實(shí)際使用過程中，即使是有個(gè)別發(fā)光二極管出現(xiàn)故障導(dǎo)致熄滅，也不會影響信號燈的正常點(diǎn)亮。

第二，LED 發(fā)光二極管使用壽命長。LED 發(fā)光二極管的使用壽命在150000h 以上。

第三，LED 發(fā)光二極管更加環(huán)保節(jié)能。LED 發(fā)光二極管發(fā)光屬于不發(fā)熱光源，并且其中不含汞、鉛、鎢等金屬元素，使用更加安全。除此之外，LED 發(fā)光二極管的總耗電量僅僅是白熾燈泡的一半。

第四，LED 發(fā)光二極管更加小巧輕便。LED 發(fā)光二極管使用的是半導(dǎo)體材料，體積小、重量輕、使用靈活，并且可以根據(jù)不同的需要制作成不同的規(guī)制和不同的形狀。

第五，LED 信號燈電路響應(yīng)速度更快。LED 燈源發(fā)光二極管受到電流響應(yīng)速度是納秒級別，在接通電源之后，LED 發(fā)光二極管的亮燈時(shí)間僅僅是50 納秒。

第六，LED 信號燈電路聚焦穩(wěn)定。LED 信號燈系統(tǒng)的發(fā)光盤一旦調(diào)整好聚焦?fàn)顟B(tài)后，在實(shí)際安裝使用中不用根據(jù)現(xiàn)場情況進(jìn)行二次聚焦調(diào)整，并且LED 發(fā)光二極管不會出現(xiàn)光源閃爍的情況，這大大提升了信號燈可視性。

第七，LED 信號燈電路無沖擊電流。在信號燈系統(tǒng)燈源點(diǎn)亮?xí)r，LED 發(fā)光二極管受到電流的沖擊非常小，幾乎可以忽略不計(jì)，所以使用過程中更加安全。

因此，由LED 發(fā)光二極管組成的發(fā)光盤信號機(jī)與傳統(tǒng)的以白熾燈泡為光源的信號機(jī)相比較，其不僅有可靠性高、使用壽命長、節(jié)能環(huán)保、響應(yīng)速度快等優(yōu)勢，在整體設(shè)計(jì)上也比傳統(tǒng)的信號機(jī)適用范圍更加廣泛。

2 我國LED 信號機(jī)發(fā)展現(xiàn)狀

現(xiàn)階段，我國軌道交通中大約擁有30 多萬臺各種色燈信號機(jī)，這些信號機(jī)大部分還是以白熾燈作為信號燈光源。鑒于LED 突出的優(yōu)點(diǎn)，很多企業(yè)單位從20世紀(jì)90 年代就開始進(jìn)行LED 新型光源在軌道交通信號領(lǐng)域的實(shí)驗(yàn)和研制，并取得令世人矚目的成就，目前從各種指標(biāo)來看，已經(jīng)達(dá)到國外主流廠家的先進(jìn)水平。但由于各種原因沒有在城市軌道交通中得到大量應(yīng)用，反而在鐵路火車等交通領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。目前遼寧沈陽、山東青島、浙江杭州、廣東深圳等城市的軌道交通信號系統(tǒng)使用的都是LED 信號機(jī)。由于城市軌道交通有很多站點(diǎn)設(shè)置在地下，光線暗，對于地下交通站點(diǎn)來說，LED 信號機(jī)的優(yōu)勢更為突出，其在城市軌道交通領(lǐng)域的使用情況良好。

3 LED 信號燈電路的應(yīng)用分析

盡管LED 光源信號燈與傳統(tǒng)的以白熾燈泡為光源的信號機(jī)相比具有諸多優(yōu)勢，但是LED 光源信號燈在實(shí)際使用過程中依然存在很多問題，以下幾個(gè)方面的問題要尤為注意。

3.1 與傳統(tǒng)信號燈系統(tǒng)點(diǎn)燈電路存在兼容問題

在傳統(tǒng)信號燈點(diǎn)燈電路中，有色白熾燈泡的故障形式比較簡單，其故障問題絕大多數(shù)是燈絲斷裂。當(dāng)白熾燈泡的燈絲斷裂之后，整體信號燈的電路遭到破壞，不能形成電流回路，缺少了點(diǎn)燈電流的輸送，使得白熾燈泡繼電器無法正常維持吸起的狀態(tài)，然后就可以順利地轉(zhuǎn)換到信號燈降級顯示。而LED 燈源信號燈，其點(diǎn)亮燈源時(shí)所需要的電流遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于白熾燈泡所需要的電流，在正常的220 伏電壓供電下LED 燈源所需電流只有幾十毫安，不能保持燈泡繼電器順利吸起并保持。

為了與原電路保持兼容，很多LED 信號機(jī)在設(shè)計(jì)生產(chǎn)時(shí)會增加一些耗電設(shè)備，以達(dá)到燈絲繼電器的電流工作要求。這樣一來，就使得LED 信號燈缺少了節(jié)能省電的優(yōu)勢。

3.2 LED 燈源信號燈電流監(jiān)督問題

盡管LED 發(fā)光二極管具有使用壽命長、體積小、可塑性強(qiáng)、電流響應(yīng)速度快等優(yōu)勢，但是由于LED 燈源電路中電子元器件的結(jié)構(gòu)特性，無形中增加了故障發(fā)生的概率，所以，LED 燈源信號機(jī)與傳統(tǒng)信號機(jī)一樣也需要配備電流監(jiān)測設(shè)備，以保證信號機(jī)系統(tǒng)能夠準(zhǔn)確、安全地指揮軌道交通車輛的安全行駛，這在一定程度上增加了LED 信號燈的經(jīng)濟(jì)成本投入。LED燈源信號機(jī)一般都配備燈絲監(jiān)測報(bào)警裝置。由于LED 信號機(jī)采用的是發(fā)光二極管組成的發(fā)光盤，在感應(yīng)電流時(shí)，當(dāng)某一個(gè)位置的發(fā)光二極管破損到一定數(shù)量時(shí)，該點(diǎn)燈回路中感應(yīng)電流發(fā)生嚴(yán)重變化，才會通過系統(tǒng)發(fā)出警報(bào)，這在一定程度上提高了LED 信號燈系統(tǒng)的使用風(fēng)險(xiǎn)。

根據(jù)LED 發(fā)光二極管組成的發(fā)光燈盤的工作特性，當(dāng)有超過35%的發(fā)光二極管出現(xiàn)故障時(shí)，報(bào)警機(jī)制則會啟動并發(fā)出報(bào)警信號。當(dāng)發(fā)光二極管的破損數(shù)量超過50%時(shí)，燈泡繼電器由于電流發(fā)生嚴(yán)重變化開始工作，這樣一來盡管可以保證信號機(jī)能夠正常使用，但是實(shí)際使用效果已經(jīng)不能滿足交通指示工作的需要。當(dāng)發(fā)光二極管破損數(shù)量超過65%時(shí)，LED 燈源信號機(jī)電流監(jiān)督監(jiān)測裝置則會斷定信號燈系統(tǒng)的燈泡已經(jīng)全部受損無法正常工作，這嚴(yán)重影響了軌道交通車輛的正常行駛[1-2]。

3.3 直流電LED 信號燈電路需要增設(shè)防雷設(shè)施

在很多LED 燈源信號燈的設(shè)計(jì)生產(chǎn)中，所采用的并不是交流電壓供電而是直流電壓供電，這樣一來，可以有效減少室內(nèi)外隔離變壓器的使用數(shù)量，降低了信號燈系統(tǒng)設(shè)備的經(jīng)濟(jì)成本投入，既節(jié)約了資源，還減少了后期的工作量。這種信號燈系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案在沒有地面電纜支持的軌道交通中應(yīng)用極為廣泛。但是在擁有地面電纜支持的環(huán)境中，由于沒有了室外隔離降壓變壓器，在實(shí)際工作中則需要考慮對線路進(jìn)行科學(xué)保護(hù)以及加設(shè)防雷設(shè)施進(jìn)行安全防護(hù)。但我國大部分軌道交通都擁有地面電纜支持，因此，對線路加設(shè)防雷設(shè)施，在一定程度上增加了建設(shè)的成本。

3.4 LED 信號燈存在信號升級的安全隱患

對于LED 燈源信號機(jī)來說，在電流正常通過時(shí)，并不能完全斷定LED 發(fā)光二極管組成的燈盤是否處于正常點(diǎn)亮狀態(tài)。這會直接導(dǎo)致這樣一個(gè)問題：當(dāng)電路在進(jìn)行雙信號點(diǎn)亮顯示時(shí)，有可能出現(xiàn)一個(gè)LED 信號燈監(jiān)測到正常電流，但是其實(shí)信號燈并沒有被點(diǎn)亮或者即使點(diǎn)亮了信號燈但是其亮度顯示極低，使得信號燈系統(tǒng)不能正常發(fā)揮其作用。因此，LED 信號燈與傳統(tǒng)的信號燈點(diǎn)亮電路并不完全匹配。

4 全電子信號控制是未來信號控制系統(tǒng)的發(fā)展趨勢

為了有效解決LED 信號燈電路在應(yīng)用時(shí)出現(xiàn)的問題，把現(xiàn)有的LED 電路繼電器控制模式創(chuàng)新升級到全電子信號控制模式是最有效的方法。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)以及電子科學(xué)技術(shù)的迅猛發(fā)展，出現(xiàn)了全電子信號控制的安全性電流繼電器，由信號燈控制的系統(tǒng)可以被相關(guān)的電子元件所取代。

4.1 全電子信號控制系統(tǒng)的優(yōu)勢

全電子控制系統(tǒng)具有集成度高、占地面積小、設(shè)計(jì)安裝效率高、設(shè)備維護(hù)數(shù)量少等優(yōu)勢；全電子信號控制系統(tǒng)擁有諸多先進(jìn)的科學(xué)技術(shù)手段，如系統(tǒng)自我診斷與自我修復(fù)、運(yùn)算結(jié)果快速順暢、邏輯判斷準(zhǔn)確率高、控制輸出統(tǒng)一便捷等，并且從控制系統(tǒng)的各個(gè)工作環(huán)節(jié)都減少人為工作的介入，大大降低了人為操作的失誤率，有效提升了信號控制系統(tǒng)的安全性和穩(wěn)定性；除此之外，全電子信號控制系統(tǒng)在很大程度上有效解決了傳統(tǒng)信號控制系統(tǒng)造價(jià)高昂、占用資源多的弊端，并且全電子信號控制系統(tǒng)的科學(xué)應(yīng)用為軌道交通企業(yè)節(jié)省了大量的資金、人力的投入，有效提高了軌道交通企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益。因此，全電子信號控制系統(tǒng)將會是未來信號燈控制系統(tǒng)發(fā)展的必然趨勢。但是，在全電子化的信號控制系統(tǒng)實(shí)際設(shè)計(jì)與使用的過程中，工作人員要科學(xué)認(rèn)真地研究新型產(chǎn)品的特點(diǎn)，對不同的新產(chǎn)品所應(yīng)用的具體環(huán)境也要進(jìn)行科學(xué)分析，最大化地發(fā)揮全電子信號控制的優(yōu)勢[3-4]。

4.2 全電子信號驅(qū)動模塊的研究方向

全電子信號控制系統(tǒng)驅(qū)動模塊的研發(fā)，不僅要滿足LED 新型設(shè)備點(diǎn)燈電路的正常工作要求，還要保證其在不同工作環(huán)境中也能夠穩(wěn)定工作。根據(jù)LED 燈源信號燈點(diǎn)燈電路的特點(diǎn)和優(yōu)勢，應(yīng)針對不同類型的設(shè)備以及電子元件進(jìn)行科學(xué)的分析與研究，以減少或者避免因電子元器件性能與點(diǎn)燈電路模式不兼容而導(dǎo)致的信號燈系統(tǒng)故障問題。與此同時(shí)，利用新電子控制模式有效解決現(xiàn)有的點(diǎn)燈電路中的問題也是全電子信號驅(qū)動模塊的研究方向之一，對于目前信號點(diǎn)燈系統(tǒng)電路存在的問題，應(yīng)從基礎(chǔ)設(shè)備入手進(jìn)一步研究其工作故障產(chǎn)生的原因，利用全電子信號精準(zhǔn)控制的優(yōu)勢，進(jìn)一步提升信號燈系統(tǒng)的安全性和穩(wěn)定性。全電子信號控制方式不僅能滿足且超出現(xiàn)有的控制模式功能需求，無論是在鐵路還是在城市軌道交通的發(fā)展中必然成為主流，具有巨大的市場潛力，同時(shí)將推動軌道交通的科技進(jìn)步，使信號技術(shù)革新?lián)Q代。

5 結(jié)語

相較于傳統(tǒng)的以白熾燈泡為光源的信號燈系統(tǒng)，LED 光源信號燈無論是從點(diǎn)燈電路方面還是具體應(yīng)用方面都具有極大的優(yōu)勢。因此，大力發(fā)展LED 光源信號燈控制系統(tǒng)對于城市軌道交通事業(yè)的發(fā)展有著極為重要的現(xiàn)實(shí)意義。與此同時(shí)，不斷突破創(chuàng)新引入全電子信號控制驅(qū)動模塊，可以在很大程度上提高LED 燈源信號燈系統(tǒng)工作的安全性和穩(wěn)定性，這不僅是未來信號燈控制系統(tǒng)的主流發(fā)展方向，同時(shí)也是有效促進(jìn)城市軌道交通事業(yè)健康穩(wěn)定發(fā)展的有力方式之一。