适用于轻轨系统的列车位置检测设备

喻智宏 覃定明 高桂桂

(北京城建设计研究总院有限责任公司 北京 100037)

1 列车位置检测设备研究背景

轻轨交通作为一种中小运量的城市轨道交通系统，具有综合造价低、道路适应性强、系统配置灵活、噪声低、污染小、建设周期短、使用方便等特点，在各种中小运量轨道交通制式中具有广阔的应用前景。据不完全统计，在目前世界上拥有轨道交通的城市中，只拥有地铁的占5%，同时拥有地铁和轻轨的占11%，同时拥有轻轨和有轨电车的占84%，各种不同形式的轻轨系统在世界各国得到广泛应用。

“七五”期间，我国设立了重点科技攻关项目“城市轻轨交通系统成套技术”。1995年，选择鞍山市作为试点工程地区开展轻轨系统的研究，后由于种种原因没有实现，真正实施的是在长春市。长春轻轨车辆的轻量化水平有很大提高，但在列车位置检测设备、地面牵引供电系统、绿色环保型轨道及路基结构、道岔结构等方面，与国外的轻轨交通系统还存在较大差距。

因此，迫切需要确定并完善一种轻轨交通系统，制定一套轻轨系统技术规范，提出轻轨关键技术研究方案及国产化方案，为我国特大城市主城区的辅助线路、卫星城(或新城)内部轨道交通线路、中小城市的轨道交通线路、旅游观光区内的轨道交通线路，提供一种中小运量的轨道交通制式。列车位置检测设备是实现运营控制或调度管理的首要条件，是轻轨系统重点需要解决的关键技术，下面探讨一种适用于轻轨系统的列车位置检测设备。

2 列车位置检测设备适用性分析

2.1 技术要求

在轨道交通运输中，列车位置检测设备是信号系统构成的关键设备，它为整个信号系统运行提供基础条件。相比传统的轨道交通系统，轻轨系统对于列车位置检测设备提出了新的技术指标和要求。

1)适用于43、50、60 kg/m等规格钢轨，不受轨枕和列车类型的限制。

2)当电缆阻值不大于7 Ω/km时，检测设备传感器输出信号的最长传输距离为7 km。

3)在轻轨列车、汽车、行人混行的路段，能准确分辨检测轻轨列车，准确率为100%。

2.2 计轴设备

计轴设备由于可以克服轨道电路分路不良、道床电阻低、漏泄大、闪红光带等问题，目前已经成为信号系统常用的轨道区段占用/空闲检测设备。按设备原理的不同，又可分为调相式轨道计轴器、调幅式轨道计轴器、振荡器式轨道计轴器。各类计轴设备应用于不同钢轨和道床条件的适用性情况如表1所示。

表1 计轴应用于不同钢轨和道床条件的适用性

2.2.1 调相/调幅式计轴器

调相式轨道计轴器和调幅式轨道计轴器(见图1)可用于普通钢轨，但如果应用于开放或半封闭线路的轻轨工程中，则会在安装、运用、维护、防盗、景观等方面存在诸多问题。

图1 计轴设备安装

1)设备高出轨面，极易受到公共车辆、行人的碾压，造成设备损坏。

2)设备暴露在开放的环境中，易被盗。

3)设备占用轨旁空间较大，且不易遮蔽，会出现轨道及轨旁路面整体平整而设备安装处低洼的情况。易积水，需对轨旁排水设备提出较高的排水要求，工程不易实施;易积杂物，影响设备性能，增加了运营维护工作量。

4)计轴传感器及轨旁电子连接盒的存在与平整的轨面和路面不协调，影响线路景观。

5)维修保养工作量大。

轻轨线路在特殊路段，需满足列车、汽车、行人混行的需要，一般都要求轻轨轨面与路面平齐。为保证列车轮缘的空间，轨顶面需与轨旁路面保持一定的空隙，而U型钢轨满足了这项需求，因此在众多轨面与轨旁路面齐平的工程中得以应用。调相式轨道计轴器和调幅式轨道计轴器不适用于U型钢轨，使其在轻轨系统中的应用受到限制。

2.2.2 振荡器式计轴器

振荡器式轨道计轴器适用于普通钢轨和U型钢轨，但其轨旁电子连接盒的存在与平整的轨面和路面不协调(见图2)。这不仅影响了线路景观，也影响了汽车、行人的无障碍通行，使其在硬化路面的工程应用上存在较大的局限性。

图2 轨旁电子连接盒

因此，需要寻找一种检测设备，能适用于不同的钢轨和道床条件，并能准确地从轻轨列车、汽车、行人混行路段中分辨检测轻轨列车的位置。

3 ARTJZ-2型计轴系统

3.1 系统构成

3.1.1 室外设备

室外设备由安装在普通钢轨内侧/U型钢轨外侧的计轴传感器构成，其作用是检测钢轨上走行的列车轮对和轮对的行驶方向。它采用一体化的全密封结构，具有特别强的抗机械应变能力和适应恶劣工作环境的能力，在潮湿气候、雨、雪和结冰时都能正常工作。

3.1.2 室内设备

室内设备主要由计数板(计数单元)和轨道板(运算单元)构成，均采用双CPU设计，以保证系统运行的安全可靠性。计数板对来自计轴传感器的计数信号进行处理，记录通过计轴传感器的轴数和行驶方向;轨道板接收计数板发送的计数信息，采集相邻区段的轨道占用信息，综合判定被测区段的占用/空闲情况，并通过安全继电器和CAN总线输出。

3.1.3 传输通道

传输通道是连接室内外设备和两相邻区段设备构成系统的重要组成部分，采用普通信号电缆，1个室外传感器需要2芯电源线、3芯信息线。

3.2 系统原理

ARTJZ-2型计轴系统的工作原理如图3所示。根据列车(车辆)驶入和驶出计轴点所监视区段的记录轴数的比较结果，确定该区段的占用或空闲状态。当列车从所检查区段的A端进入、车轮驶入计轴传感器A的作用区域时，向计数单元传送轴脉冲，计数单元开始计数，并判别运行方向，确定对轴数是累加计数还是递减计数。这时，B计数结果为零，轨道板根据轴数信息，经比较不一致后，发出区段占用信息，控制该区段的轨道继电器落下。轨道板通过CAN总线，使显示单元显示区段轴数。当列车通过B端时，计轴传感器B开始计数，经轨道板比较，使显示单元显示区段轴数减少，如果A、B轴数一致，轨道板输出区段空闲信息，控制该区段的轨道继电器吸起，显示单元的显示为零。为提高设备的可用性，在每个计轴点安装两个计轴传感器(即采用双套冗余配置)，信号经过电子连接盒处理后，通过一对信号电缆传到室内，传输距离可达10 km。

图3 计轴设备轨道区段布置

4 工程实施方案研究

4.1 传感器安装于普通钢轨

计轴传感器安装于普通钢轨的内侧，同一计轴点的两个传感器相距一个轨枕，用钢轨打孔专用工具在指定位置上打φ14的孔，再用钢刷将钢轨上的铁锈及其他杂物清理干净。

将计轴传感器电缆从钢轨一侧传到对应的接线盒中，确定无误后做好标记，预留适宜长度将计轴传感器电缆截断。直接将计轴传感器安装在钢轨上(见图4)，法兰螺母的扭力矩为45 N·m。

图4 计轴传感器安装

4.2 传感器安装于U型钢轨

计轴传感器安装于U型钢轨外侧，安装位置如图5所示，安装方法与普通钢轨相同。

图5 计轴传感器的安装位置

4.3 轨旁采用硬化或绿化的实施方案

在轨旁采用硬化路面或在绿化的工程中安装，需在钢轨两侧预留安装、维修空间。该空间沿钢轨长600 mm，距钢轨外侧边缘宽170 mm，距轨面深度175 mm，并在槽内预埋电源接线及信号线的走线管。

施工时要先在传感器安装位置的钢轨上打两个孔(φ14，间距260 mm)，然后安装计轴传感器、接线、调试，安装调试后用高强度复合材料盖板封盖(如图6所示，黄色盖板为500 mm×100 mm×20 mm)。检修时打开盖板，检修完毕重新将盖板封盖。

图6 计轴传感器的安装

4.4 U型轨安装计轴传感器的检测效果

U型钢轨安装计轴传感器后，检测的是车轮的踏面。由于车轮轮缘在U型槽中行驶，使得传感器具有面积大且更稳定的检测面，传感器的输出信号比装在普通轨检测轮缘时的信号更强。

测试数据如图7所示，空闲时左、右磁头检测到的信号分别为24和－24 mA，占用时左、右磁头检测到的信号分别为－37和38 mA，比安装在普通轨上测量轮缘的信号(空闲15、－15 mA左右，占用时－25、25 mA左右)要强，信号传输得更远，计数单元的计数更稳定。

5 样机测试

根据ARTJZ-2型计轴系统技术方案，按照EN50126、EN50128、EN50129要求的SIL4安全等级，进行软、硬件开发及系统集成。在计轴样机完成后，进行了功能、性能及安全测试，其中功能和性能测试采用黑箱测试方法，安全测试采用植错法和猜错法。结果表明，所有测试全部通过，并成功获得国际SIL4安全等级证书。

图7 测试数据

为了验证ARTJZ-2型计轴系统能够适应轻轨列车、汽车、行人混行的路段，对汽车和自行车进行碾压试验，如图8所示。实验证明，ARTJZ-2型计轴传感器能够承受汽车和自行车的碾压。当汽车、自行车分别碾压过传感器装置时，系统计数不受干扰。

6 结论

ARTJZ-2型计轴系统技术先进，通过了国际SIL4级安全认证，具备了进入轨道交通领域的能力，产品完全由国内厂家自主研发，具有自主知识产权，在成本上有极大的优势，可为建设方节约大量投资。此外，ARTJZ-2型计轴系统不受钢轨和道床条件的限制，具有较强的适用性，在景观、安装方面有着独特的优势，是轻轨系统列车位置检测设备的较好选择。

图8 碾压实验

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