全自動運行防護(hù)區(qū)域人員防護(hù)開關(guān)的電路設(shè)計優(yōu)化

王玉璽

(蘇州市軌道交通集團(tuán)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(tǒng)中，列車自動休眠、喚醒、準(zhǔn)備、自檢、自動運行、停車和開關(guān)車門。當(dāng)列車處于全自動駕駛模式下，工作人員進(jìn)入站臺、區(qū)間、停車場和車輛段等軌行區(qū)作業(yè)時，須對工作人員進(jìn)行必要的自動安全防護(hù)，以免發(fā)生人員傷亡以及財產(chǎn)損失。各全自動運行防護(hù)區(qū)域都設(shè)置有人員防護(hù)開關(guān)(SPKS)。本文通過對比分析不同供應(yīng)商的SPKS的電路設(shè)計方案，提出針對較為冗雜電路的優(yōu)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(tài)吸起的SPKS繼電器，當(dāng)某防護(hù)區(qū)域的SPKS被轉(zhuǎn)到“啟用”位時，該SPKS繼電器因回路失電而落下，聯(lián)鎖機(jī)采集該SPKS繼電器接點狀態(tài)變化，此信息將在聯(lián)鎖邏輯中產(chǎn)生1條報警信息，同時告知WCU_ATP(軌旁列車防護(hù)子系統(tǒng))；WCU_ATP根據(jù)TDB(軌道數(shù)據(jù)庫)中的配置，在該防護(hù)區(qū)域內(nèi)激活RAUZ(運行授權(quán)區(qū)域)限制；運行在該防護(hù)區(qū)域內(nèi)的CTC(連續(xù)式控制)級別列車施加緊急制動；運行在該防護(hù)區(qū)域外的CTC級別列車將無法進(jìn)入該區(qū)域。當(dāng)某防護(hù)區(qū)域SPKS主路回路因故失效時，會激活旁路開關(guān)，驅(qū)動旁路繼電器吸起，聯(lián)鎖機(jī)采集該SPKS旁路繼電器接點狀態(tài)變化，并告知WCU-ATP；WCU_ATP激活該防護(hù)區(qū)域內(nèi)RAUZ；該防護(hù)區(qū)域內(nèi)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(tǒng)可靠性。

另外，鑒于普速鐵路和高速鐵路在天窗點內(nèi)作業(yè)時，事故發(fā)生頻率較高。為避免在天窗內(nèi)作業(yè)時，因各種原因造成列車進(jìn)入作業(yè)區(qū)域而造成傷害，亦可采用該防護(hù)手段。

2 SPKS電路設(shè)計方案

2.1 方案一SPKS電路設(shè)計

方案一的設(shè)備供應(yīng)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(lián)鎖機(jī)輸出4個SPKS狀態(tài)繼電器(SPKS-D1、SPKS-D2、SPKS-U1和SPKS-U2)和1個聯(lián)鎖機(jī)旁路輸出旁路狀態(tài)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(tài)時，SPKS繼電器(SPKS-D1)吸起，聯(lián)鎖A機(jī)采集SPKS-D1繼電器的11-12和21-22接點，聯(lián)鎖B機(jī)采集SPKS-D1繼電器的31-32和41-42接點；當(dāng)聯(lián)鎖采集到SPKS繼電器(SPKS-D1)吸起時，不會驅(qū)動SPKS狀態(tài)繼電器SPKS-D1-SK，SPKS指示燈滅。SPKS激活時，按鈕(非自復(fù)式)被按下，SPKS繼電器(SPKS-D1)驅(qū)動回路斷開，繼電器落下，聯(lián)鎖采集到SPKS繼電器(SPKS-D1)落下時，驅(qū)動SPKS狀態(tài)繼電器SPKS-D1-SK，SPKS指示燈亮。旁路與主路的驅(qū)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(shè)計

方案二的設(shè)備供應(yīng)商為通號城市軌道交通技術(shù)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(tài)時，SPKS1J吸起(1-2線圈得電)，SPKS燈回路斷開，燈熄滅；同時，聯(lián)鎖A機(jī)采集SPKS1J的前接點81-82，聯(lián)鎖B機(jī)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(shè)計

方案三的設(shè)備供應(yīng)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(shè)計

方案四的設(shè)備供應(yīng)商為南京恩瑞特實業(yè)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(dǎo)致使用繼電器較多，但主要原因還是電路設(shè)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(qū)動電路采集電路清晰明了，符合SPKS人員防護(hù)設(shè)計初衷；其旁路的設(shè)計初衷是在主路故障后，操作旁路開關(guān)即可忽略主路故障，以此來保證信號系統(tǒng)的高可靠性。然而，實際上SPKS的旁路電路冗雜，繼電器驅(qū)動采集冗雜繁多，驅(qū)動采集電路中接點多，涉及機(jī)柜、端子多，導(dǎo)致設(shè)備失效率增高，可靠性降低，一旦線路出現(xiàn)故障，嚴(yán)重拉長排查故障時間。

3 SPKS電路設(shè)計方案對比分析

3.1 防護(hù)區(qū)域劃分方式

常見的SPKS防護(hù)區(qū)域可根據(jù)影響范圍劃分，可分為一站一區(qū)間和一站兩區(qū)間2種劃分方式。圖4為一站一區(qū)間的SPKS防護(hù)區(qū)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(hù)區(qū)域。SPKS激活后，對提前定義好的一站一區(qū)間軌行區(qū)進(jìn)行防護(hù)。此方式中，SPKS防護(hù)區(qū)域劃分精細(xì)，軌行區(qū)施工作業(yè)管理靈活方便。當(dāng)SPKS發(fā)生故障時，對正線運營行車組織的影響范圍僅為一站一區(qū)間，影響范圍小，線路行車組織調(diào)整時間充足。

圖4 一站一區(qū)間SPKS防護(hù)區(qū)域劃分Fig.4 Protection area division of one-station-one-interval

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

圖5 防護(hù)區(qū)域設(shè)計Fig.5 Protection area design

3.2 旁路防護(hù)區(qū)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(dāng)發(fā)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(shè)置2個SPKS繼電器，對應(yīng)2個防護(hù)區(qū)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(yè)的下行尾防區(qū)，對下行尾作業(yè)人員產(chǎn)生生命威脅，不符合“故障導(dǎo)向安全”原則；方案三和方案四在1個站點設(shè)置4個SPKS旁路繼電器，對應(yīng)4個防護(hù)區(qū)域，不存在上述情況，符合“故障導(dǎo)向全”原則，故設(shè)置4個旁路防護(hù)區(qū)域方式更優(yōu)。

3.3 按鈕和箱盒對比

各方案SPKS按鈕和指示燈數(shù)量，及與門禁聯(lián)動關(guān)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(shè)置相應(yīng)按鈕和指示燈，在落軌梯處未進(jìn)行防護(hù)；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(shè)置按鈕和指示燈各12個，因在落軌梯處安裝激活開關(guān)，且4個方向單獨設(shè)置旁路回路，提供IBP和落軌梯雙重防護(hù)，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(shù)量及與門禁聯(lián)動關(guān)系

另外，方案四與門禁進(jìn)行聯(lián)動，當(dāng)激活SPKS時，對應(yīng)的門禁才可以被打開?？紤]到防護(hù)區(qū)域內(nèi)列車緊急制動所需時間及相關(guān)信息傳輸時間，為最大限度地確保人員安全，聯(lián)鎖系統(tǒng)在SPKS激活開關(guān)被打到“啟用”位時仍無法確保防護(hù)區(qū)域內(nèi)所有列車均已停車，因此延時 15 s將SPKS 防護(hù)激活指示燈點亮。SPKS防護(hù)激活指示燈點亮前，對應(yīng)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(lián)鎖同時采集繼電器同一組接點的前后接點信息，統(tǒng)計時則將繼電器前后接點算2個節(jié)點數(shù)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(shù)量最多，達(dá)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(shù)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(yōu)化設(shè)計

對方案四電路進(jìn)行簡化 ，去掉R3、R4、R7和R8繼電器，減少繼電器的驅(qū)動、采集環(huán)節(jié)，減少線纜接點數(shù)量，以此來降低線路失效率，提高SPKS的可靠性，降低整個系統(tǒng)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(qū)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(qū)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(qū)動，其是R1和R2繼電器的復(fù)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(gòu)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(gòu)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(qū)動R9和R10繼電器，再用R9和R10繼電器的21-24這2組接點構(gòu)成與門禁的接口回路。

圖6 R3、R4、R7和R8繼電器驅(qū)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(yōu)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(cè)(燈亮或者燈滅不直接影響列車正常運行和危機(jī)行車安全，僅對車控室或作業(yè)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(gòu)成燈回路是完全沒必要的；且指示燈理論上應(yīng)直接反應(yīng)D1繼電器(JWXC1700型繼電器)的吸起或落下狀態(tài)，也無需外加R3和R4繼電器復(fù)示，再給出相應(yīng)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(xiàn)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(gòu)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(gòu)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(qū)動R9和R10繼電器，再用R9和R10繼電器的接點構(gòu)成與門禁的接口。如圖7所示。

圖7 信號系統(tǒng)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(qū)動，是R5和R6繼電器的復(fù)示繼電器；R7和R8繼電器接點使用情況：11-14接點驅(qū)動旁路指示燈回路，21-24向聯(lián)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(qū)動D1(JWXC1700型繼電器) ，21-24接點用來驅(qū)動R7和R8繼電器。

4.2.2 去掉R7和R8繼電器的優(yōu)點

當(dāng)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(cè)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(jié)約繼電器數(shù)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(xiàn)有繼電器的空閑接點：2組前接點來驅(qū)動D1，即R5繼電器的11-14和R6繼電器的11-14；2組聯(lián)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(gòu)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(shù)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(chǔ)上，實現(xiàn)SPKS功能，一定程度上簡化了繼電器的驅(qū)動和采集，簡化了故障處理步驟，降低了維護(hù)人員工作量。

5 結(jié)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(xù)式控制級別)時，是否設(shè)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(dá)80 km/h，一旦出現(xiàn)人員或異物侵入線路，在緊急情況下，司機(jī)不能及時讓列車停穩(wěn)，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(hù)場段內(nèi)作業(yè)人員人身安全起到積極作用。不僅在城市軌道交通領(lǐng)域，甚至在普速鐵路和高速鐵路相應(yīng)場景中亦可考慮其應(yīng)用的可行性。

SPKS既可用來在FAO系統(tǒng)中保護(hù)人身和財產(chǎn)安全，又可實現(xiàn)信號系統(tǒng)高可靠性的和安全性，因此SPKS在FAO系統(tǒng)中不可或缺。而如何在確保SPKS電路安全可靠的前提下，節(jié)約建設(shè)成本、節(jié)約改造和維護(hù)成本、提高維護(hù)效率、降低系統(tǒng)冗雜性至關(guān)重要。