基于计轴系统的城轨交通信号系统道岔区段占用检查安全性分析研究

傅明华

（上海城建市政工程（集团）有限公司，上海 200032）

1 引言

列车占用检测设备是城市轨道交通信号系统的重要构成部分之一。在运营过程中，道岔轨道区段的安全是信号系统的关键问题。信号系统通过占用检测设备判断列车的物理位置，为其操纵转辙机、开放信号提供基础依据。

现有列车占用检测设备主要有轨道电路和计轴设备2类，基于城市轨道交通复杂的运行环境（地面、地下、高架）限制，多采用环境适应性较强的计轴设备作为信号系统的占用检测手段。经过对国内多种制式城市轨道交通所应用的计轴设备分析，发现计轴系统普遍存在可用性较低的问题，特别是在有轨电车项目、交流牵引制式项目中尤其突出。但是通过对比发现，不同架构的计轴系统之间，在可用性、安全性方面有较大差异。

本文对比不同占用检测设备的原理与架构，并对其安全性以及可用性进行详细分析。

2 计轴系统要求

针对计轴系统的特性，对计轴系统的要求有以下几点：需要保证岔区计轴系统的可靠计数，以确保岔区行车安全；需要保证在强电磁干扰等工况环境下计轴系统的稳定性；需要消除有轨电车磁轨制动器对计轴系统的影响；需要满足槽型轨传感器安装条件。

2.1 轮辐式计轴传感器原理及适应性

2.1.1 轮辐式计轴传感器原理

轮辐式计轴传感器的发送线圈以及接收线圈分别安装在同一根钢轨的内侧以及外侧，接收线圈通过判断其所接收到的发送线圈的信号来判断传感器所在位置的轮轴运动方向以及数量，从而对轨道区段的占用/出清状态进行运算。原理如图1所示。

2.1.2 传感器温度漂移

轮辐式计轴传感器每个计轴点要安装2对接收和发射线圈（如图1所描述，发射线圈1以及接收线圈1为1 对），每个发射线圈发射1个特定的频率，由于考虑接收和发射线圈的通用性，所以2个频率比较接近，需要通过窄带滤波方式选出其对应的频率。发射频率或接收窄带滤波器的温度漂移，都会造成计轴传感器的不稳定。

图1 轮辐式计轴传感器原理图

城市轨道交通的应用环境昼夜温差较大、四季温度变化明显，传感器所受的温度影响更大，不利于传感器稳定工作。广州地铁就曾因为轮辐式传感器偏移特性，每年需要进行2次以上传感器参数维护/调整。

2.1.3 磁场对传感器的影响

当列车采用磁轨制动器时，磁制动会影响绕过钢轨的磁场，该磁场会导致轮辐传感器无法进行车轮的正确计数，严重的影响传感器的工作稳定性。目前磁轨制动器在城市轨道交通列车中多有应用。

当城市轨道交通采用交流牵引制式时，左右钢轨均为回流轨。钢轨中的强回流所产生的磁场方向与传感器探测信号的方向完全重合，从而更容易发生传感器受扰。

2.1.4 槽型轨对传感器的影响

由于轮辐式传感器需要安装在同一根钢轨的内侧以及外侧，槽型轨的内侧顶部为护轮槽，对传感器探测磁场产生屏蔽，因此，轮辐式传感器不适合在槽型轨环境下应用。

综上分析，轮辐式传感器无法妥善的适应目前城市轨道交通的应用环境。大连有轨电车既有线改造项目曾对轮辐式计轴传感器进行试装，由于无法正确的对带有磁制动器的车辆进行车轮-制动器区分，而出现区段无法正常工作的情况。北京地铁所应用的轮辐式计轴系统，在维护手册中明确规定禁止车辆停在传感器上方时进行列车启动。

2.2 轮缘式计轴传感器

轮缘式计轴传感器原理是探测金属表面反射的涡流磁场，它由1个发射线圈和2个接收线圈组成，如图2所示，发射频率只有1个，所以不需要窄带滤波，从而温度漂移对轮缘式计轴传感器没有影响。同时，其发射磁场和接收磁场不跨越钢轨，所以磁制动对其影响很小。由于探测磁场位于钢轨的一侧，可通过安装位置的调整来避免槽型轨护轮槽对传感器探测的影响。因此，在当代城市轨道交通的应用环境下，轮缘式传感器的适应范围更广。

图2 轮缘式计轴传感器原理图

3 岔区应用的风险分析

由于城市轨道交通信号控制系统中，存在无联锁关系、道岔轨道区段不连续的情况，因此无法通过三点检查进行安全防护。本节通过建立岔区模型，对不同占用检测设备进行分析与对比。

3.1 轨道电路

轨道电路采用钢轨间短路的原理，通过轨道继电器的励磁以及落下表示轨道区段的占用/出清状态，电路原理如图3所示。当岔区无车时，发送端信号通过钢轨传导至接收端，对轨道继电器进行驱动。当岔区有车时，钢轨间短路，接收端无法收到发送信号，轨道继电器落下。

图3 道岔区段轨道电路原理图

轨道电路风险分析一般从2种状态下进行。第一种情况为道床电阻过低时，该状态下会引起钢轨间电阻过低，导致无车时轨道区段显示为占用，此时严重影响信号系统可用性。第二种情况为分路不良时，该情况下列车进入岔区后无法短路2根钢轨，导致有车时轨道区段无法显示为占用，此时影响安全性。

3.2 传统计轴系统

传统计轴系统在道岔轨道区段的入口以及出口位置布置单传感器，即只在检测位置的1根钢轨上安装传感器，如图4所示。

图4 传统计轴布局图

对传统计轴系统的风险分析，分别从2种状态下进行。

3.2.1 入口丢轴的风险分析

假设列车有6轴，有2列列车需要依次通过该岔区，第一列列车进路方向经过计轴点1-计轴点2，第二列列车进路方向经过计轴点1-计轴点3，第一列列车通过计轴点1丢失4轴，在计轴点2通过2轴后，道岔轨道区段 1（DG1）出清 ，实际DG1内留有4轴车，此时列车自动监控系统（ATS） 会自动触发后续进路道岔转岔，造成列车出轨。北京首都机场快轨采用的计轴系统曾发生入口计轴点将一整列车轮全部漏记的情况，可见在计轴点单传感器架构的条件下，有发生漏记的现实可能性。

3.2.2 出口多记的风险分析

假设列车有6轴，有2列列车需要依次通过该岔区，第一列列车进路方向经过计轴点1-计轴点2，第二列列车进路方向经过计轴点1-计轴点3，第一列列车从计轴点1通过6轴，此时DG1记录有6轴车，当车经过计轴点2时提前扰出2轴，计轴点2在出4轴时，DG1变成出清，此时ATS会自动触发进路（此时DG1实际留有2轴车）道岔会转岔，造成列车出轨。

3.3 冗余计轴系统

冗余计轴系统在道岔轨道区段的入口以及出口处的2根钢轨上均安装传感器，对同一轮对上的车轮均进行检测。其目的在于应用“或”出清逻辑，提高系统在扰轴情况下的可用性。如图5所示，计轴点1-计轴点2-计轴点3的1号传感器为一组（组成DG1-A区段），进行独立运算。计轴点1-计轴点2-计轴点3的2号传感器为一组（组成DG1-B区段），进行独立运算。当DG1-A与DG1-B均占用时，DG1的状态为占用；当DG1-A与DG1-B有任一运算结果为出清时，DG1的状态为出清。

图5 冗余计轴布局图

冗余计轴系统的风险分析主要从2种情况下进行。第一种情况是当岔区入口发生丢轴时。假设当列车由计轴点1进入岔区，此时计轴点1的1号传感器进行计数，DG1-A占用，2号传感器漏记，DG1-B未占用；此时DG1仍为出清状态，而列车已进入岔区，设备故障后应为区段占用状态，而此时显示未占用，冗余计轴系统没有做到故障导向安全。第二种情况是当岔区出口发生多记时。假设列车车轮总共有6轴，进入岔区时计轴点1的1号以及2号传感器均记6轴，当列车由计轴点2驶出时，计轴点2的1号传感器发生多记，当1号传感器轴数为6时（此时列车实际通过轴数不足6轴），DG1-A区段出清，继而导致DG1区段提前出清，设备故障后应为区段占用状态，而此时未显示占用，冗余计轴系统没有做到故障导向安全。

3.4 四取三计轴系统

四取三计轴系统在道岔轨道区段的入口以及出口的2根钢轨上均安装传感器，对同一轮轴上的2个车轮进行探测，DG1的占用/出清基于计轴点1-计轴点2-计轴点3的6只传感器探测数据进行逻辑判断，如图6所示。

图6 4取3计轴系统传感器布局

3.4.1 工作原理

四取三计轴系统通过区段入口以及出口的传感器计数差异，判断区段的占用出清状态。其基本含义为：当区段由出清转为占用时，以计数大的传感器计数值为区段驶入轴数，此为安全侧，可有效防止漏记；当区段由占用转为出清时，以计数小的传感器计数值为区段驶出轴数，此为安全侧，可有效防止区段留轴。

具体判断如下：

若S1.1-S1.2 ≥ 0，则J=S1.1；若S1.1-S1.2＜0，则J=S1.2；若S1.1≠S1.2，则E= 1；若F1.1-F1.2≥0则C=F1.2；若F1.1-F1.2＜0，则C=F1.1；若F1.1≠F1.2则E= 1。

其中，S1.1为1号传感器进轴数，个；S1.2为2 号传感器进轴数，个；F1.1为1号传感器出轴数，个；F1.2为2号传感器出轴数，个；J为传感器S1.1、S1.2进轴数比较后取值，个；C为传感器F1.1、F1.2出轴数比较后取值，个；n为区段所涉及计轴点总点数，个；i为计轴点编号；E为计轴点传感器1、2进出轴数不等标志。

出清条件满足公式（1）时轨道区段出清，反之为占用。

3.4.2 四取三计轴风险分析

当岔区入口发生丢轴时的安全分析。假设列车有6轴，有2列列车需要依次通过该岔区。第一列列车进路方向经过计轴点1-计轴点2，第二列列车进路方向经过计轴点1-计轴点3。由于每个计轴点设置2个独立的计轴传感器，不考虑2个独立的计轴传感器同时发生丢轴故障，第一列列车从计轴点1驶入时，1号传感器记6 轴车轮，2号传感器记2轴车轮。从计轴点2经过时1号、2号传感器记至2轴车轮时，四取三计轴系的出清原则为多进原则，此时DG1的进轴为6轴出轴为2 轴，DG1保持占用。当计轴点2的1、2号传感器经过 6 轴车轮时，DG1的进轴为6轴出轴为6 轴，区DG1出清，此时系统在保持安全侧的同时维持了可用性。

当岔区出口发生多记时的安全分析。假设列车车轮总共有6轴，有2列列车需要依次通过该岔区。第一列列车进路方向经过计轴点1-计轴点2，第二列列车进路方向经过计轴点1-计轴点3。第一列列车从计轴点1驶入时，1号、2号传感器记6轴车轮，从计轴点2经过时1 号计轴传感器提前扰出2轴车轮，当计轴点2驶过4轴后，这时计轴点2的1号传感器计数为6轴，计轴点2的2号传感器计数为4轴，四取三计轴系统的出清原则为少出原则，此时DG1的进轴为6轴出轴为4轴，DG1保持占用。当计轴点2经过1号计轴传感器8轴、经过2号计轴传感器6轴车轮时，DG1的进轴为6轴出轴为6轴，DG1出清，此时系统在保持安全侧的同时维持了可用性。

根据四取三计轴系统的架构和算法描述可得到如下结论。

（1）利用双传感器冗余布局可提高系统的安全性，即当一个传感器产生丢轴时，另一个传感器会保证区段的占用；利用双传感器输出信号进行比较处理可对干扰信号进行容错处理，从而提高抗干扰能力，提高系统的可用性。

（2）采用四取三容错算法可保证单个传感器故障情况下系统不间断运营，提高系统的可用性。

（3）结合广州地铁18号线与22号线2条线路的应用，进一步验证四取三系统架构可以在交流牵引制式的城市轨道交通项目中，显著提高计轴系统的安全性和可用性，可解决早期项目（北京地铁新机场线，成都地铁18号线以及温州地铁S1线）中暴露出的可用性问题以及联锁控区交界处丢轴所带来的安全风险。

3.5 小结

经分析对比各类配置，可得出以下结论：

（1）当道岔区段采用轨道电路时，道床电阻过低会影响设备的可用性，分路不良会给系统带来安全风险；

（2）当道岔区段采用传统计轴系统时，入口丢轴以及出口多记会产生安全风险；

（3）当道岔区段采用冗余计轴系统时，入口丢轴以及出口多记会产生安全风险；

（4）当道岔区段采用四取三计轴系统时，入口丢轴以及出口多记均不会对系统产生安全风险，同时系统的可用性也得到提高。

4 结语

四取三计轴系统可以有效的解决道岔区段入口丢轴和出口扰轴带来的风险。同时利用四取三计轴系统的容错算法可有效屏蔽掉高压牵引带来的电磁脉冲干扰，提高设备的可用性以及安全性，有效缓解现有城市轨道交通（包含有轨电车项目、交流牵引制式项目等）存在的安全问题。在城市轨道交通应用环境中，四取三计轴系统相比较其他占用检测系统，更符合国内的工程、运营环境要求。