全自動運行防護區域人員防護開關的電路設計優化

王玉璽

(蘇州市軌道交通集團有限公司，215004，蘇州∥工程師)

在城市軌道交通全自動運行(FAO)系統中，列車自動休眠、喚醒、準備、自檢、自動運行、停車和開關車門。當列車處于全自動駕駛模式下，工作人員進入站臺、區間、停車場和車輛段等軌行區作業時，須對工作人員進行必要的自動安全防護，以免發生人員傷亡以及財產損失。各全自動運行防護區域都設置有人員防護開關(SPKS)。本文通過對比分析不同供應商的SPKS的電路設計方案，提出針對較為冗雜電路的優化方案。

1 SPKS使用場景和功能描述

通常情況下，SPKS有主路和旁路2個主要回路。主路有一個常態吸起的SPKS繼電器，當某防護區域的SPKS被轉到“啟用”位時，該SPKS繼電器因回路失電而落下，聯鎖機采集該SPKS繼電器接點狀態變化，此信息將在聯鎖邏輯中產生1條報警信息，同時告知WCU_ATP(軌旁列車防護子系統)；WCU_ATP根據TDB(軌道數據庫)中的配置，在該防護區域內激活RAUZ(運行授權區域)限制；運行在該防護區域內的CTC(連續式控制)級別列車施加緊急制動；運行在該防護區域外的CTC級別列車將無法進入該區域。當某防護區域SPKS主路回路因故失效時，會激活旁路開關，驅動旁路繼電器吸起，聯鎖機采集該SPKS旁路繼電器接點狀態變化，并告知WCU-ATP；WCU_ATP激活該防護區域內RAUZ；該防護區域內CTC級別列車正常運行，避免因SPKS電路故障降低行車效率，提高信號系統可靠性。

另外，鑒于普速鐵路和高速鐵路在天窗點內作業時，事故發生頻率較高。為避免在天窗內作業時，因各種原因造成列車進入作業區域而造成傷害，亦可采用該防護手段。

2 SPKS電路設計方案

2.1 方案一SPKS電路設計

方案一的設備供應商為卡斯柯公司。在方案一SPKS電路(見圖1)中，1個站點共使用10個繼電器，包括4個方向的SPKS按鈕采集繼電器SPKS-D1 (下行)、SPKS-D2 (下行)、SPKS-U1 (上行)和SPKS-U2 (上行)，1個SPKS旁路按鈕采集繼電器SPKS-siding，另外還有聯鎖機輸出4個SPKS狀態繼電器(SPKS-D1、SPKS-D2、SPKS-U1和SPKS-U2)和1個聯鎖機旁路輸出旁路狀態繼電器SPKS-siding(4個方向共用1個旁路繼電器)。

圖1 方案一SPKS電路圖Fig.1 SPKS circuit diagram of scheme No.1

SPKS常態時，SPKS繼電器(SPKS-D1)吸起，聯鎖A機采集SPKS-D1繼電器的11-12和21-22接點，聯鎖B機采集SPKS-D1繼電器的31-32和41-42接點；當聯鎖采集到SPKS繼電器(SPKS-D1)吸起時，不會驅動SPKS狀態繼電器SPKS-D1-SK，SPKS指示燈滅。SPKS激活時，按鈕(非自復式)被按下，SPKS繼電器(SPKS-D1)驅動回路斷開，繼電器落下，聯鎖采集到SPKS繼電器(SPKS-D1)落下時，驅動SPKS狀態繼電器SPKS-D1-SK，SPKS指示燈亮。旁路與主路的驅動、采集原理一致，但其4個方向共用1個旁路繼電器。

2.2 方案二SPKS電路設計

方案二的設備供應商為通號城市軌道交通技術有限公司。在方案二SPKS電路(見圖2)中，1個站點共使用6個繼電器，包括4個方向的SPKS繼電器和2個旁路繼電器。值得注意的是，方案二使用1個下行旁路繼電器和1個上行旁路繼電器來完成旁路，上行的頭和尾共用1個旁路繼電器SPKSPL1AJ，下行的頭和尾共用1個旁路繼電器SPKSPL2AJ。

圖2 方案二SPKS電路圖Fig.2 SPKS circuit diagram of scheme No.2

SPKS常態時，SPKS1J吸起(1-2線圈得電)，SPKS燈回路斷開，燈熄滅；同時，聯鎖A機采集SPKS1J的前接點81-82，聯鎖B機采集SPKS1J的后接點81-83，形成對SPKS1J的異步采集。

SPKS激活時，SPKS1J的1-2線圈斷開失電，SPKS燈回路閉合，燈點亮。旁路激活時，SPKSPL1AJ繼電器吸起，旁路繼電器的11-12和21-22兩組接點使SPKS1J勵磁，使SPKS1J繼電器吸起(3-4線圈得電)。

2.3 方案三SPKS電路設計

方案三的設備供應商為交控科技股份有限公司。在方案三的電路中，1個站點共使用8個繼電器，包括4個方向的SPKS繼電器(SPKS1J、SPKS2J、SPKS3J、SPKS4J)和4個方向的旁路繼電器(SPKSPL1AJ、SPKSPL2AJ、SPKSPL3AJ、SPKSPL4AJ)。其激活和旁路原理與方案二一致，因此不再贅述。

2.4 方案四SPKS電路設計

方案四的設備供應商為南京恩瑞特實業有限公司。在方案四(見圖3)電路中，1個站點共使用32個(集中站)或40個(非集中站)繼電器。繼電器較多的原因是繼電器型號不同，1個小繼電器共有2組接點，導致使用繼電器較多，但主要原因還是電路設計不合理，電路冗雜、繁多。

圖3 方案四SPKS電路圖Fig.3 SPKS circuit diagram of scheme No.4

方案四SPKS的主路電路簡單，驅動電路采集電路清晰明了，符合SPKS人員防護設計初衷；其旁路的設計初衷是在主路故障后，操作旁路開關即可忽略主路故障，以此來保證信號系統的高可靠性。然而，實際上SPKS的旁路電路冗雜，繼電器驅動采集冗雜繁多，驅動采集電路中接點多，涉及機柜、端子多，導致設備失效率增高，可靠性降低，一旦線路出現故障，嚴重拉長排查故障時間。

3 SPKS電路設計方案對比分析

3.1 防護區域劃分方式

常見的SPKS防護區域可根據影響范圍劃分，可分為一站一區間和一站兩區間2種劃分方式。圖4為一站一區間的SPKS防護區域劃分方式。將一個站點分為下行頭部、下行尾部、上行頭部和上行尾部4個防護區域。SPKS激活后，對提前定義好的一站一區間軌行區進行防護。此方式中，SPKS防護區域劃分精細，軌行區施工作業管理靈活方便。當SPKS發生故障時，對正線運營行車組織的影響范圍僅為一站一區間，影響范圍小，線路行車組織調整時間充足。

圖4 一站一區間SPKS防護區域劃分Fig.4 Protection area division of one-station-one-interval

圖5為一站兩區間的SPKS防護區域劃分方式。以車站為中心，外加該站點兩端的區間，將一個站點劃分為上行和下行2個SPKS防護區域。SPKS激活后，對提前定義好的一站兩區間相關區域進行防護。此方式的SPKS防護區域較大，當SPKS發生故障時，對正線運營行車組織的影響范圍為一站兩區間，影響范圍大，線路行車組織調整時間不足。因此，一站一區間的SPKS防護區域劃分方式比一站兩區間的更具有可行性。

圖5 防護區域設計Fig.5 Protection area design

3.2 旁路防護區域劃分方式

旁路旨在避免因SPKS而影響行車組織和行車效率。當發生SPKS非人為激活故障時，由車控室操作旁路按鈕，使SPKS故障無效。

方案一和方案二在一個站點設置2個SPKS繼電器，對應2個防護區域，雖然可以一定程度上減少成本，但旁路下行頭SPKS時，可能會旁路實際有人作業的下行尾防區，對下行尾作業人員產生生命威脅，不符合“故障導向安全”原則；方案三和方案四在1個站點設置4個SPKS旁路繼電器，對應4個防護區域，不存在上述情況，符合“故障導向全”原則，故設置4個旁路防護區域方式更優。

3.3 按鈕和箱盒對比

各方案SPKS按鈕和指示燈數量，及與門禁聯動關系如表1所示。方案一4個方向SPKS旁路共用同一回路和繼電器，所以較方案二少1個按鈕和指示燈，且只在車控室IBP(綜合后備盤)處設置相應按鈕和指示燈，在落軌梯處未進行防護；方案四在IBP盤(激活按鈕4個和旁路4個)、落軌梯處(激活4個)設置按鈕和指示燈各12個，因在落軌梯處安裝激活開關，且4個方向單獨設置旁路回路，提供IBP和落軌梯雙重防護，在提高安全度和可靠性的同時，也提高了成本。

表1 各方案SPKS按鈕和指示燈數量及與門禁聯動關系

另外，方案四與門禁進行聯動，當激活SPKS時，對應的門禁才可以被打開。考慮到防護區域內列車緊急制動所需時間及相關信息傳輸時間，為最大限度地確保人員安全，聯鎖系統在SPKS激活開關被打到“啟用”位時仍無法確保防護區域內所有列車均已停車，因此延時 15 s將SPKS 防護激活指示燈點亮。SPKS防護激活指示燈點亮前，對應的門禁無法被打開。

3.4 繼電器對比

各方案SPKS電路中繼電器使用情況如表2所示。如方案中聯鎖同時采集繼電器同一組接點的前后接點信息，統計時則將繼電器前后接點算2個節點數量。

表2 各方案SPKS電路中繼電器使用情況Tab.2 Relay usage condition of SPKS circuit in each scheme

方案三采集1組繼電器接點的前后接點，所以其接點利用率最高。方案四使用繼電器數量最多，達36個，是因為繼電器型號不同所致。1個DOLD型繼電器共有4組接點可以使用，而1個JWXC1700型繼電器有16組接點可以使用，后者接點組數是前者的4倍，且單個JWXC1700繼電器的可靠性高于多個DOLD繼電器的可靠性，所以建議使用JWXC1700繼電器，以提高整體可靠性。

4 方案四SPKS電路優化設計

對方案四電路進行簡化 ，去掉R3、R4、R7和R8繼電器，減少繼電器的驅動、采集環節，減少線纜接點數量，以此來降低線路失效率，提高SPKS的可靠性，降低整個系統冗雜程度。

4.1 去掉R3和R4繼電器的思考

4.1.1 R3和R4繼電器在方案四中的作用

R3、R4、R7和R8繼電器驅動電路如圖6所示。首先分析R3和R4繼電器在整個SPKS電路中的作用。R3和R4繼電器的驅動，分別由R1和R2繼電器(R1的21-24接點和R2的21-24接點)來驅動，其是R1和R2繼電器的復示繼電器。R3和R4繼電器的接點使用(采集)分2種情況：一是在集中站使用兩組接點(R3的11-14接點和R4的11-14接點)來構成激活指示燈的回路，另外兩組組接點(R3的21-24接點和R4的21-24接點)構成與門禁的接口回路；二是在非集中站先用R3和R4繼電器的21-24分別驅動R9和R10繼電器，再用R9和R10繼電器的21-24這2組接點構成與門禁的接口回路。

圖6 R3、R4、R7和R8繼電器驅動電路Fig.6 R3、R4、R7、R8 relay drive circuit

4.1.2 去掉R3和R4繼電器的優點

在激活指示燈回路中使用2組繼電器接點(R3的11-14接點和R4的11-14接點)，此回路為安全側(燈亮或者燈滅不直接影響列車正常運行和危機行車安全，僅對車控室或作業人員有提示作用)，所以用2個繼電器共2組接點(R3的11-14接點和R4的11-14接點)來構成燈回路是完全沒必要的；且指示燈理論上應直接反應D1繼電器(JWXC1700型繼電器)的吸起或落下狀態，也無需外加R3和R4繼電器復示，再給出相應指示。

綜上，若要去掉R3和R4繼電器，且不影響SPKS正常功能，可使用現有繼電器的空閑接點。SKPS激活燈指示燈直接采用D1繼電器(JWXC1700型繼電器)的接點，利用大繼電器第三和第四組接點構成激活指示燈回路；集中站與門禁的接口用R1和R2繼電器的21-24接點構成與門禁的接口；非集中站與門禁的接口用R1和R2繼電器的21-24接點驅動R9和R10繼電器，再用R9和R10繼電器的接點構成與門禁的接口。如圖7所示。

圖7 信號系統與門禁的接口Fig.7 Interface of signaling system and access control

4.2 去掉R7和R8繼電器的思考

4.2.1 R7和R8繼電器在方案四中的作用

R7和R8繼電器分別由R5和R6繼電器的21-24接點驅動，是R5和R6繼電器的復示繼電器；R7和R8繼電器接點使用情況：11-14接點驅動旁路指示燈回路，21-24向聯鎖板卡反饋信息。R5和R6繼電器共有2組接點，其中11-14接點用來驅動D1(JWXC1700型繼電器) ，21-24接點用來驅動R7和R8繼電器。

4.2.2 去掉R7和R8繼電器的優點

當旁路激活時，指示燈無論亮燈或滅燈，均不會為列車提供危險側信號。值得注意的是，板卡采集R7和R8繼電器的信息是異步采集，即采集R7繼電器的后接點21-22和R8繼電器的前接點21-24。此時R7繼電器的后接點和R8繼電器的前接點空閑，可以利用這個特點來節約繼電器數量。

綜上，若要去掉R7和R8繼電器，且不影響旁路功能，可使用現有繼電器的空閑接點：2組前接點來驅動D1，即R5繼電器的11-14和R6繼電器的11-14；2組聯鎖板卡異步采集接點，即R5繼電器的21-22和R6繼電器的21-24接點；R5繼電器的21-24接點構成旁路指示燈回路。

此方案可將一個站點的繼電器減少16個，繼電器總數降至20個，繼電器接點使用率由原來的18.75%提高至28.00%，且在不改變電路原理的基礎上，實現SPKS功能，一定程度上簡化了繼電器的驅動和采集，簡化了故障處理步驟，降低了維護人員工作量。

5 結語

在GoA2(半自動化列車運行)級別下，即列車運行模式為AM(自動駕駛模式)，控制級別為CTC(連續式控制級別)時，是否設置SPKS，值得深思。列車按AM-CTC級別運行時，列車最高運行速度可達80 km/h，一旦出現人員或異物侵入線路，在緊急情況下，司機不能及時讓列車停穩，將造成不必要的傷害。所以對既有線改造時，亦可考慮加入SPKS，來提高GoA2級別下安全性能。SPKS還可以提高停車場和車輛段列車出庫能力，可對防護場段內作業人員人身安全起到積極作用。不僅在城市軌道交通領域，甚至在普速鐵路和高速鐵路相應場景中亦可考慮其應用的可行性。

SPKS既可用來在FAO系統中保護人身和財產安全，又可實現信號系統高可靠性的和安全性，因此SPKS在FAO系統中不可或缺。而如何在確保SPKS電路安全可靠的前提下，節約建設成本、節約改造和維護成本、提高維護效率、降低系統冗雜性至關重要。