寧波軌道交通4號線計(jì)軸系統(tǒng)抗外界干擾能力提升方法研究

范亞靜 金琦 馬馳 戚恩澤

摘要 計(jì)軸系統(tǒng)作為監(jiān)測軌道區(qū)間空閑和占用狀況的設(shè)備，在行車安全中有著非常重要的作用。寧波軌道交通4號線采用科安達(dá)TAZⅡ/S295+JC型計(jì)軸設(shè)備。開通之初，各類計(jì)軸受擾故障頻發(fā)，給正常的運(yùn)營秩序帶來了一定的潛在風(fēng)險影響。文章從系統(tǒng)內(nèi)部設(shè)備及外部施工環(huán)境（條件）兩個維度研究提升科安達(dá)計(jì)軸系統(tǒng)抗外部條件干擾能力的方法。

關(guān)鍵詞 軌道交通；計(jì)軸；抗干擾

中圖分類號 U231.7文獻(xiàn)標(biāo)識碼 A文章編號 2096-8949（2023）11-0011-03

0 引言

寧波軌道交通4號線計(jì)軸系統(tǒng)采用科安達(dá)TAZⅡ/S295+JC型計(jì)軸設(shè)備。該設(shè)備是深圳科安達(dá)與德國品奇提芬巴赫共同合作引進(jìn)的計(jì)軸系統(tǒng)，計(jì)軸設(shè)備主要包括室內(nèi)和室外兩部分。判斷計(jì)軸監(jiān)測區(qū)段是否占用的主要途徑是通過計(jì)軸點(diǎn)駛?cè)牒婉偝鲚嗇S數(shù)的結(jié)果比較，而不能識別車體部分，所以會存在當(dāng)有非列車車輪駛?cè)雲(yún)^(qū)段被誤認(rèn)為列車占用的情況。

課題研究目的是通過改變外部施工環(huán)境（條件）的方法，間接提升科安達(dá)計(jì)軸系統(tǒng)抗外部條件干擾的能力。主要研究內(nèi)容包括：

（1）接觸網(wǎng)小推車不同尺寸（輪徑）車輪對應(yīng)的計(jì)軸車輪狀態(tài)電壓值，確保將計(jì)軸車輪狀態(tài)電壓值控制在DC9.31 V以下。

（2）不同磁導(dǎo)率金屬材料車輪，在規(guī)定輪徑范圍內(nèi)對計(jì)軸車輪狀態(tài)電壓值的影響。應(yīng)用價值是力圖通過試驗(yàn)數(shù)據(jù)，尋找出較理想的提升科安達(dá)計(jì)軸抗接觸網(wǎng)施工影響的方法，保障正常的運(yùn)營秩序的實(shí)現(xiàn)。

1 設(shè)備原理

寧波軌道交通4號線采用科安達(dá)TAZⅡ/S295+JC型計(jì)軸設(shè)備。計(jì)軸系統(tǒng)通過對比軌道區(qū)段兩端駛?cè)牒婉偝鲇?jì)軸點(diǎn)的列車軸數(shù)來判斷該區(qū)段是否占用，并通過列車駛?cè)?、駛出的車輪輪軸數(shù)的比較，實(shí)現(xiàn)對列車運(yùn)行方向的判別以及軌道區(qū)段空閑及占用狀態(tài)的條件輸出。計(jì)軸設(shè)備主要應(yīng)用于地鐵場段及站內(nèi)，用來實(shí)現(xiàn)軌道區(qū)段空閑與占用狀態(tài)的自動檢查。

1.1 計(jì)軸設(shè)備基本原理

計(jì)軸設(shè)備的基本原理主要基于對所監(jiān)視的軌道區(qū)段兩端計(jì)軸點(diǎn)所駛?cè)牒婉偝龅牧熊囕S數(shù)進(jìn)行比較，用以確定該區(qū)段的占用和空閑狀態(tài)。

具體如圖1所示，列車從計(jì)軸區(qū)段的計(jì)軸點(diǎn)1處端駛?cè)?，?jì)入軸數(shù)為A，列車從該計(jì)軸區(qū)段的計(jì)軸點(diǎn)2處駛出，計(jì)出軸數(shù)為B。當(dāng)B不等于A時，區(qū)段占用；當(dāng)B等于A時，區(qū)段空閑。

軌道占用和空閑狀態(tài)檢查方式可以分解為兩個具體的操作：當(dāng)軌道處于空閑狀態(tài)時，計(jì)入一軸或探測到車輪，軌道區(qū)段轉(zhuǎn)為占用狀態(tài)；當(dāng)軌道處于占用狀態(tài)時，計(jì)出最后一軸，軌道區(qū)段轉(zhuǎn)為空閑狀態(tài)。其中，計(jì)入一軸和計(jì)出最后一軸都由計(jì)軸板作出判斷，給輸出板傳送相應(yīng)的信息。

1.2 計(jì)軸設(shè)備組成架構(gòu)

科安達(dá)TAZⅡ/S295+JC型計(jì)軸設(shè)備由室內(nèi)設(shè)備和室外設(shè)備兩部分組成，具備外接復(fù)零條件以及與聯(lián)鎖和微機(jī)監(jiān)測等設(shè)備的接口。

1.2.1 室內(nèi)設(shè)備

TAZⅡ/S295 計(jì)軸系統(tǒng)室內(nèi)設(shè)備主要包括：放大板、計(jì)軸板、輸出板、復(fù)零板和電源板等單元，其中放大板與室外的車輪傳感器組成車軸檢測單元，計(jì)軸板與輸出板等組成計(jì)軸運(yùn)算單元。

計(jì)軸機(jī)柜內(nèi)的電源板可輸入50 Hz交流220 V電源，輸出直流12 V和24 V電源，為其他板件提供工作電源，且電源板采用“1+1”冗余配置，每臺機(jī)柜提供兩路220 V交流供電，電源機(jī)箱1與電源機(jī)箱2中的電源板互為冗余，其中任一電源板故障，不會影響計(jì)軸設(shè)備正常供電。

放大板工作機(jī)制主要為當(dāng)車輪駛過傳感器作用區(qū)域時，車輪傳感器產(chǎn)生輪軸信號，并將該信號輸出至放大板，放大板接收到車軸傳感器的輪軸信號后進(jìn)行放大和整形，形成輪軸脈沖，為計(jì)軸板和輸出板提供工作條件。

計(jì)軸系統(tǒng)運(yùn)算機(jī)制：計(jì)軸板有2套獨(dú)立的計(jì)軸運(yùn)算單元，分別根據(jù)放大板傳送的車輪傳感器信息，判斷列車行進(jìn)方向，并完成區(qū)段內(nèi)所經(jīng)過的列車軸數(shù)計(jì)入和計(jì)出統(tǒng)計(jì)。當(dāng)兩套計(jì)軸運(yùn)算單元計(jì)算結(jié)果完全相同時，才會輸出空閑信息給輸出板。其最大可以同時接入和處理6個車輪傳感器信號。

其他板卡：計(jì)軸輸出板由12個繼電器組成，完成計(jì)軸區(qū)段空閑或占用的條件輸出，繼電器接點(diǎn)最大允許通過電流為2 A。復(fù)零板用于執(zhí)行所屬區(qū)段計(jì)軸電路的復(fù)零。

1.2.2 室外設(shè)備

TAZⅡ/S295計(jì)軸系統(tǒng)室外電子設(shè)備為車輪傳感器（型號2N59-1R-400RE-40），車輪傳感器主要用于檢測列車車輪輪緣。車輪傳感器內(nèi)的兩個傳感系統(tǒng)阻尼隨著車輪輪緣的作用而變化。傳感系統(tǒng)阻尼的變化將會傳輸?shù)绞覂?nèi)放大板模塊（ABG）。兩個傳感系統(tǒng)產(chǎn)生的阻尼軸脈沖只有疊加在一起，才認(rèn)為是有效的計(jì)軸脈沖，否則將會認(rèn)為是干擾信號。根據(jù)兩個傳感阻尼所傳遞的車輪輪緣變化來實(shí)現(xiàn)軸數(shù)統(tǒng)計(jì)和方向判別（如圖2所示）。

車輪傳感器兩個系統(tǒng)長期與鋼軌軌腰固定連接，當(dāng)傳感器與軌腰衰減板連接空隙距離大于1～2 mm時，放大板檢測到傳感器阻尼狀態(tài)變化引起的故障（松動），在故障沒有消除前系統(tǒng)一直輸出占用狀態(tài)。

1.3 計(jì)軸設(shè)備功能

TAZ II/S295計(jì)軸系統(tǒng)主要具備以下功能：一是為聯(lián)鎖、列控、閉塞和其他信號系統(tǒng)提供軌道區(qū)段占用或空閑的安全開關(guān)量輸出接口；二是通過計(jì)軸設(shè)備來鑒別正線列車的運(yùn)行方向；三是提供計(jì)軸直接復(fù)位功能，并通過預(yù)復(fù)位反饋狀態(tài)接口（非安全相關(guān)光耦接口）實(shí)現(xiàn)計(jì)軸區(qū)段的預(yù)復(fù)位功能；四是系統(tǒng)設(shè)備內(nèi)部診斷及故障檢測功能，同時具備與信號微機(jī)監(jiān)測系統(tǒng)、維護(hù)支持子系統(tǒng)等用于監(jiān)測和管理系統(tǒng)的接口。

2 現(xiàn)狀分析

寧波4號線信號系統(tǒng)試運(yùn)行期間發(fā)現(xiàn)計(jì)軸設(shè)備存在易受干擾問題，其中主要原因?yàn)橥鈱I(yè)現(xiàn)場施工作業(yè)引發(fā)的計(jì)軸受擾，按照干擾源可分為外部接地不良引發(fā)的干擾、電纜環(huán)阻不穩(wěn)定引起的干擾、電磁干擾以及金屬干擾4種類型。針對存在問題研究制定了以下整改措施。

2.1 硬件升級優(yōu)化

為降低計(jì)軸因施工造成的受擾，以及為了更好地解決及適應(yīng)項(xiàng)目后續(xù)其他的一些干擾問題，可使用升級放大板和輸出板硬件解決，提高設(shè)備自身抗干擾能力，相應(yīng)增加屏蔽過濾機(jī)制，可以大大減少因外部干擾因素帶來的計(jì)軸受擾問題，硬件升級版本見表2。

舊版本輸出板內(nèi)部完全由安全繼電器電路構(gòu)成，而新型輸出板采用軟件完成邏輯運(yùn)算，然后驅(qū)動安全繼電器輸出，不需再經(jīng)過繼電器進(jìn)行邏輯處理，升級輸出板和原輸出板的區(qū)別為信號處理邏輯不變，但是執(zhí)行信號處理的單元由繼電器改為軟件繼電器之間相互制約的邏輯控制關(guān)系均由軟件實(shí)現(xiàn)[1]。

兩種輸出板邏輯差異對比原理圖描述如圖3所示。

寧波4號線計(jì)軸設(shè)備已完成正線慈城站（放大板5塊、輸出板8塊）、官山河站（放大板18塊、輸出板29塊）、奧體中心站（放大板17塊、輸出板27塊）、麗江路站、柳西站（放大板15塊、輸出板26塊）、白鶴站（放大板19塊、輸出板32塊）、南高教園區(qū)站（放大板21塊、輸出板34塊）、小洋江站（放大板15塊、輸出板23塊）、東錢湖站（放大板7塊、輸出板11塊）的放大板、輸出板硬件升級更換工作，總計(jì)更換放大板117塊、輸出板190塊。

2.2 硬件升級優(yōu)化后情況

自完成計(jì)軸設(shè)備硬件升級，結(jié)合比對4號線5月份和6月份計(jì)軸設(shè)備故障數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)區(qū)段受擾類故障已經(jīng)由3月份和4月份的10起，下降至4起。

（1）已解決問題：外部接地不良引起的干擾問題、電纜環(huán)阻不穩(wěn)定引起的干擾問題和電磁干擾問題。

（2）未能有效解決問題：接觸網(wǎng)專業(yè)梯車作業(yè)時，受梯車車輪影響的金屬干擾問題。

2.3 梯車輪選型

為徹底解決受接觸網(wǎng)梯車作業(yè)時對計(jì)軸設(shè)備的影響，接觸網(wǎng)專業(yè)根據(jù)信號專業(yè)建議開始將接觸網(wǎng)梯車車輪，由全金屬材質(zhì)更換為高強(qiáng)度樹脂材質(zhì)，確保從源頭上解決問題。自接觸網(wǎng)梯車采用樹脂材質(zhì)車輪后，發(fā)生因接觸網(wǎng)梯車施工作業(yè)引起的計(jì)軸故障已控制在1件及以下。

梯車采用樹脂材質(zhì)車輪存在弊端，需另外設(shè)置接觸網(wǎng)梯車接地裝置。

2.4 車輪傳感器參數(shù)設(shè)置

車輪傳感器參數(shù)指標(biāo)，空閑4.79≤V≤8.31；占用8.39≤V≤9.96?？臻e參數(shù)設(shè)置范圍較廣有3.52 V的調(diào)整量，不同的取值是否會改善金屬干擾的性能，目前現(xiàn)場調(diào)整只確認(rèn)在質(zhì)保期內(nèi)即可，未給出一個最優(yōu)的取值點(diǎn)。

3 現(xiàn)場研究

3.1 接觸網(wǎng)梯車車輪選型

選型考慮因素有材質(zhì)強(qiáng)度、表面金屬能夠?qū)崿F(xiàn)梯車可靠接地。通過金屬輪緣輪比選，最終選取6 cm尺寸金屬輪緣輪，詳見圖4，在4號線培訓(xùn)中心車輪傳感器上測試滑動100次未出現(xiàn)區(qū)段受擾。

3.2 車輪傳感器空閑參數(shù)最優(yōu)值

為了全面了解不同車輪傳感器空閑值取值，受金屬干擾影響的程度，結(jié)合廠家建議取值范圍4.79≤V≤8.31，在培訓(xùn)中心分別采取抽樣試驗(yàn)的方法進(jìn)行了測試，測試數(shù)據(jù)詳見表3。經(jīng)過在不同取值點(diǎn)使用模擬輪進(jìn)行空閑、占用滑動測試，發(fā)現(xiàn)空閑值取值在指標(biāo)內(nèi)時，受金屬干擾的影響一樣存在隨機(jī)性的特點(diǎn)。

4 結(jié)語

為提高抗干擾能力，主要從系統(tǒng)內(nèi)部設(shè)備及外部施工環(huán)境（條件）兩個維度研究了提升科安達(dá)計(jì)軸系統(tǒng)抗外部條件干擾能力的方法。結(jié)合目前升級調(diào)整后的故障情況，該做法已經(jīng)有效降低了因外部干擾導(dǎo)致的計(jì)軸區(qū)段占用故障，保障了正常的運(yùn)營秩序。

參考文獻(xiàn)

[1]田文禮， 馬學(xué)霞， 謝志明. 計(jì)軸室外干擾故障的分析與解決方案[J]. 鐵路通信信號工程技術(shù)， 2023（3）： 72-76.