高速磁浮道岔控制系統的設計與研究

張田 劉喻聲 陳昕

摘要 道岔控制系統是高速磁浮運行控制系統的重要組成部分，針對鋼梁彈性彎曲道岔，通過道岔轉轍過程中牽引供電狀態監視、多電機協同運行、道岔位置采集，使高速磁浮道岔轉轍過程遵循故障-安全原則，保障道岔轉轍過程安全可靠。另外，高速磁浮道岔控制模式有一般模式、本地模式、隔離模式和省電模式，提高了高速磁浮道岔控制系統的可用性和安全性，滿足道岔在正常運營和檢修等不同使用條件下的控制和安全防護要求。

關鍵詞 高速磁浮;道岔;轉轍;控制模式

中圖分類號 U284.5 文獻標識碼 A 文章編號 2096-8949（2022）03-0016-03

0 引言

高速磁浮以其速度和安全優勢，成為下一代高速軌道交通的重點發展方向，得到了眾多軌道交通強國的重視，中國和德國合作在我國上海建成了運營速度430 km/h的國際首條商業運營高速磁浮線，其最高試驗速度達到505 km/h[1]。日本山梨磁懸浮試驗線“L0系”列車實現了603 km/h的最高試驗運行速度。2020年5月，時速600 km/h高速磁浮試驗樣車在青島下線，標志著我國在高速磁浮技術領域實現重大突破。2021年1月，我國首臺高溫超導高速磁浮工程化樣車及試驗線在西南交通大學正式啟用，設計速度為620 km/h。

目前磁浮道岔類型主要有鋼梁彈性彎曲道岔、側壁升降道岔和多關節導軌橫移道岔[2]，高速磁浮多采用鋼梁彈性彎曲道岔，其由軌道、道岔墩柱、移動轉轍裝置及其上面的圓柱鎖銷和階梯鎖銷構成，高速磁浮道岔示意圖如圖1所示。不同于傳統輪式軌道交通的道岔，通過轉轍機搬動岔芯實現軌道變換，高速磁浮道岔系統通過轉轍系統帶動鋼梁彈性形變將整個軌道移動至目標位置，從而實現軌道的變換[3-4]。

1 高速磁浮道岔控制系統

高速磁浮道岔作為磁浮線路的換線設備，其安全性和協同性至關重要，道岔控制系統是高速磁浮運控信號系統的重要組成部分。一般情況下，道岔控制命令由中央控制系統發出，分區道岔控制計算機接收分區安全計算機的道岔控制命令，執行相應的操作。高速磁浮道岔控制系統的結構圖如圖2所示。

高速磁浮道岔控制系統主要由四部分構成，分別是分區道岔控制計算機、道岔控制機、道岔供電牽引單元和道岔位置及鎖閉傳感器。其中，分區道岔控制計算機是道岔控制系統的核心部件，負責接收分區安全控制計算機的道岔控制命令，控制道岔供電牽引單元和道岔控制機進行道岔轉動，確認道岔轉轍到位并鎖閉，防止意外激活道岔供電牽引單元和意外道岔移動操作。分區道岔控制計算機包含控制面板，當道岔處于本地模式時，可通過控制面板控制道岔的轉轍、鎖閉和運行模式的轉換，在確保道岔安全性的前提下，提高道岔控制系統的可用性。

高速磁浮道岔梁轉轍動作由多個電動機械驅動點驅動完成，道岔控制機接收分區道岔控制計算機的道岔轉轍命令，控制多個驅動點保持良好位置協同運行，保證轉轍過程中道岔梁體的線形，防止道岔梁局部應力集中，影響道岔壽命及行車安全。當道岔轉動到目標位置并鎖閉后，分區道岔控制計算機控制道岔控制機切斷電源，防止意外道岔移動操作。

分區道岔控制計算機通過對道岔供電牽引單元的供電電源控制來實現對道岔的安全防護，即使用兩套安全的數字輸出信號來分別啟動/關閉道岔供電牽引單元的一級供電和二級供電兩路電源。供電電源啟動后，道岔可以移動，供電電源關閉時，道岔處在安全的狀態，不能移動。

分區道岔控制計算機基于SIL4級別的二乘二取二安全計算機平臺，為了確保數字輸出信號及供電牽引單元執行的正確性，分區道岔控制計算機對應二路數字信號控制輸出分別設有相應的狀態回讀信號，即構成了控制輸出與狀態檢測輸入的閉環安全接口。為了確保道岔狀態的安全性，分區道岔控制計算機分別對道岔轉轍的一、二級電源釋放進行控制，在未得到分區道岔控制計算機授權前道岔不能得電轉轍，并對一、二級電源狀態進行回讀以確認其實際狀態。

道岔位置及鎖閉傳感器將道岔的實際位置及鎖閉狀態傳輸給分區道岔控制計算機，實現道岔系統端點位置的狀態回讀。道岔位置及鎖閉傳感器的信號包括道岔墩柱上的圓柱鎖銷、階梯鎖銷和表面鎖銷的鎖定信號，通過回讀三種鎖定信號，判斷道岔是否在目標位置及其鎖閉狀態，保證道岔位置安全可靠。若回讀信號錯誤，則道岔處于四開，分區道岔控制計算機向分區安全計算機報告錯誤。

高速磁浮道岔在轉轍過程中，道岔控制系統通過道岔供電狀態監視、多電機協同運行和道岔位置采集，確保道岔安全、可靠地轉轍。道岔轉轍到位后，通過鎖閉道岔和切斷供電牽引單元防止意外移動道岔。

2 高速磁浮道岔轉轍控制

控制道岔轉轍是高速磁浮道岔控制系統主要任務，相比傳統輪式軌道交通道岔的轉轍，鋼梁彈性彎曲道岔的轉轍過程步驟更多，系統更復雜，因此對道岔控制系統的要求更高。

當分區道岔控制計算機收到道岔轉動命令且轉轍條件允許時，首先分區道岔控制計算機依次釋放道岔供電牽引單元二級供電和一級供電，待道岔供電牽引單元正常上電后，分區道岔控制計算機向道岔控制機發送目標位置命令，以觸發道岔轉轍。道岔控制機控制多個驅動點保持良好位置協同運行，保證轉轍過程中道岔梁體的線形。道岔正常的轉轍時間為30 s，分區道岔控制計算機允許在此基礎上延長一次1～255 s。轉轍到位后命令道岔控制機切斷電源，并控制供電牽引單元切除電源供應。分區道岔控制計算機發出切斷道岔供電牽引單元一級供電命令后，如未收到正確的一級供電切斷反饋信號，則將關斷道岔供電牽引單元二級供電，若收到一級供電切斷反饋信號，則道岔轉轍完成。道岔轉動控制過程如圖3所示。

高速磁浮道岔轉轍過程遵循故障-安全原則，若道岔牽引供電單元一級供電釋放失敗或與道岔控制機通信斷開，則立即關斷牽引供電單元的一級供電。

3 高速磁浮道岔控制系統的模式設計

高速磁浮道岔控制系統作為運控系統的重要組成部分，需滿足不同應用場景下道岔轉轍和防護的安全性和可靠性，高速磁浮道岔控制系統有一般模式、本地模式、隔離模式和省電模式四種運行模式，當道岔控制系統上電啟動后，道岔運行模式初始化為一般模式。

在一般模式下道岔由中央運控系統根據進路要求進行集中控制，分區道岔控制計算機只接收分區安全計算機的命令，并執行相應的道岔轉轍動作。高速磁浮道岔控制模式之間的相互轉換及轉換條件如圖4所示。

本地模式即通過分區道岔控制計算機上的控制面板控制道岔進行轉轍、鎖閉/解鎖和模式轉換，道岔不受中央運控系統的控制，本地模式適用于道岔的故障檢測和維護。一般模式下控制面板沒有操作權限，分區道岔控制計算機轉換至本地模式運行需要中央運行控制系統開啟本地模式功能，同時分區安全計算機授權允許。在該模式下，道岔轉轍僅能通過控制面板進行操作，并將道岔狀態等信息回傳給分區安全計算機。為保證道岔轉轍過程安全，在一般模式轉至本地模式時，分區道岔控制計算機在收到“請求本地授權”后，會采集控制面板上“道岔鎖閉/解鎖”和“道岔位置”旋鈕的當前位置，并與道岔當前位置和鎖閉狀態進行對比，防止轉換至本地模式后道岔立即轉動。若位置指示和鎖閉指示不一致，則不會將該次授權請求發送至分區安全計算機。

隔離模式由控制面板直接轉換進入，在該模式下分區道岔控制計算機不輸出任何動作命令，僅能通過道岔控制機面板或者控制器手動控制道岔，分區道岔控制計算機給分區安全計算機回送隔離狀態。隔離模式適用于不需要道岔控制系統控制的場景，如道岔的檢修和維護，提高道岔維護效率。

在省電模式下，分區安全計算機發送道岔移動命令。在該模式下，道岔驅動的變頻器與電源斷開。如果接到道岔轉動命令，則迅速激活切斷電源的零部件，道岔由省電模式轉換至一般模式，執行道岔轉動命令，此模式適合道岔不經常啟動的情況，可有效節省電能。

高速磁浮道岔控制系統的模式設計綜合考慮了不同應用場景下的道岔控制模式，提高了高速磁浮道岔系統的可用性、安全性和可靠性。

4 總結

道岔控制系統是高速磁浮運控系統的重要組成部分，對高速磁浮安全高效運行具有重要意義，目前，高速磁浮道岔控制系統已應用于青島高速磁浮試驗線，試驗線采用鋼梁彈性彎曲道岔，通過道岔牽引供電狀態監視、多電機協同運行、道岔位置采集等措施保障道岔轉轍安全可靠，正常情況下，道岔30 s內可完成轉轍動作。高速磁浮道岔控制系統在本地模式和隔離模式下，可完成道岔基本功能的測試，提高了現場調試效率，后期可滿足道岔在正常運營和檢修等不同使用條件下的控制和安全防護要求。

參考文獻

[1]吳衛平，胡劍，高原.高速磁浮運行控制系統與城軌信號系統CBTC的對比分析[J].控制與信息技術，2018（3）：56-59+64.

[2]Park D Y，Shin B C，Han H.Korea's Urban Maglev Program[J].Proceedings of the IEEE，2009（11）：1886-1891.

[3]李興浩.高速磁浮道岔多電機協同安全控制系統設計[D].北京：北京交通大學，2019.

[4]曾國鋒，袁亦竑，吉文，等.長沙中低速磁浮工程的道岔設計與調試[J].城市軌道交通研究，2016（5）：44-48.