长沙磁浮快线信号系统工程的应用与分析

1 项目概况

长沙磁浮快线位于湖南省长沙市,是长沙火车南站与黄花国际机场之间的轨道交通连接线^[1],全长18.55 km,工程前期共设置地面车站3座、综合车辆段1处。项目于2014年5月16日开工建设,2015年12月26日启动试运行,2016年5月6日正式试运营^[1]。

长沙磁浮快线按双线建设组织行车,是一条东西方向的线路;右线为上行线,由长沙火车南站开往黄花国际机场站;左线为下行线,由黄花国际机场开往火车南站; 目前运营3站2区间。

2 长沙磁浮快线信号系统组成

与城市轨道交通相同,长沙磁浮快线信号系统主要分为正线信号系统和车辆段信号系统。车辆段信号系统设置铁路制式版计算机联锁系统单独控制,沿用铁路左行制,信号机设置于线路左侧;控制中心通过ATS系统对综合车辆段运行情况进行监视,不能控制。正线信号系统设置城市轨道交通制式版计算机联锁控制,采用城市轨道交通右行制,与城市轨道交通线路信号机右侧设置不同,长沙磁浮正线因线路右侧无结构基础信号机改设左侧。

长沙磁浮快线信号系统构成如图1所示,它是由 ATS列车自动监控子系统、联锁子系统、ATP列车自动防护子系统、ATO列车自动驾驶子系统、电源子系统、集中监测子系统、磁浮道岔以及计轴轨道电路,通过DCS数据通信系统的通信网络所构成的一个完整的信号系统。

上述子系统和设备根据其位置、功能管理、控制范围被分到以下五个层级中,分级实现列车自动控制与维护管理功能。

2.1中央控制级

磁浮运营控制中心,在该处安装了ATS数据库服务器、ATS应用服务器、ATS通信服务器、ATS调度员工作站、在线/离线运行图编辑工作站等,可实现全线列车的集中调度、监控和管理,是信号系统最高决策层。

2.2 车站及轨旁控制级

主要设备有联锁子系统、信号机、计轴轨道电路、应答器、LEU轨旁电子单元、ATS设备、轨旁感应环线、紧急停车按钮、PSD控制电路、磁浮道岔等,具体执行中央控制级的指令,管理车站及轨旁设备。在中央信号设备故障情况下,负责车站范围内的列车控制与监控。

2.3通信及电源保障级

主要设备包含光纤、网线、AC控制器、无线接入点AP、电缆、交换机、不间断电源与蓄电池等,保障信号系统各层级间的通信稳定与电力供应。

2.4 车载控制级

安装在列车上的主要有VOBC车载控制器、通信天线、BTM天线、车载感应环线、涡流传感器、加速度计和多普勒雷达、计轴感应板等,负责列车的自动控制和保护。

2.5 监测诊断级

主要设备包含集中监测服务器及工作站、无线管理工作站、DCS网管工作站等。控制中心及车站可监测全线信号联锁、DCS通信、无线通信、ATS、计轴、道岔、信号机、电源、熔丝、信号机灯泡灯丝等设备,提供监测系统数据分析,实现故障预警与故障诊断功能。

3 长沙磁浮信号系统的技术特点

3.1检测列车位置的技术——磁浮计轴轨道电路

长沙磁浮快线信号系统工程选用了北京安润通ARTJZ—2型计轴轨道电路,通过计轴轨道电路,将全线包括车辆段的线路划分为若干个物理区段。磁浮计轴工作原理与轮轨计轴一样,基于列车驶入和驶出计轴点所监视的区段所记录轴数的比较结果,确定区段的占用或空闲状态,实现列车位置的检测。但磁浮列车是悬浮于F轨面8~10 mm间隙运行,没有可切割磁力线的钢轮,因此长沙磁浮在每节列车中心线底部的位置均安装了一块计轴感应板,全车总共安装3块计轴感应板用于切割磁力线,磁浮计轴的外形、安装方式与轮轨计轴均不相同。长沙磁浮计轴室外设备的安装方式如图2所示。

3.2道岔技术的创新

如图3所示,长沙磁浮快线正线目前设磁浮高铁站、磁浮榔梨站、磁浮机场站共三站,其中磁浮高铁站和磁浮机场站是线路两端终点站,折返转线使用频繁。每个站设两组单开道岔,共6组单开道岔,单开道岔只有一个分岔方向,它的主线是直线,侧线布置于主线的左侧或右侧。长沙磁浮一组道岔标准长度为32.646 m,列车通过道岔侧线限速25 km/h。

磁浮道岔的机械构成非常庞大,由若干复杂的机械设备组合而成,安装、调试复杂,每一组道岔含道岔梁都需要量身定做,限界定位精度和扳动对接精度须保证达到毫米级的安装精度,因而造价昂贵。长沙磁浮快线单个磁浮道岔需要500万元^[2]。

磁浮道岔是中低速磁浮交通线路的关键转线设备^[3],因与轮轨交通构造不同,磁浮道岔采用箱形钢梁结构,通过复杂的电气系统控制电机推动钢梁移动,实现了高效、精准的转辙动作。与轮轨交通道岔控制器不同,长沙磁浮道岔运作控制包含3台电机:2台锁销电机负责道岔解锁和锁闭,锁销电机选型西门子三相异步制动电动机,功率2.2 kw,额定电流4.4 A,工作电压AC380 V,采用Y型接法;1台转辙电机负责道岔的转换摆动,转辙电机选型SEw—电机(苏州)三相异步制动电动机,功率11 kw,额定电流23 A,工作电压AC380 V,采用D型接法。

3.3 非接触式测速与定位技术

针对磁浮列车非接触式运行特性,对其采用测速涡流传感器、加速度计和多普勒雷达的混合多传感器冗余测速定位方案^[1]。测速涡流传感器利用感应式传感器接近金属目标物产生变化的感应涡电流的原理,长沙磁浮快线在列车上安装4组(每组4个感应头)感应头经过定距离布置的测速传感器,磁浮列车通过轨道间隔布置的金属钢枕时,根据形成涡流变化的频率与速度的对应关系来测定列车速度。测出的速度信息提供给信号车载设备,信号车载设备计算出列车走行距离和位置。在涡流测速传感器失效或测速误差增大的情况下,采用测速雷达与加速度计作为补充,以确保系统最佳的测速精度和车辆的运行安全。列车定位是指列车在路网中的地理位置。列车确定自身在路网的位置,一是靠车载设备探测到线路中的应答器。列车的轨道数据库电子地图已存储记录了相关应答器位置,只要列车一接收到应答器发出的报文,即可确定自身在路网中的绝对位置;二是列车利用自身测速装置,根据单位时间计算列车位移确定自身在路网中的位置。由于在站台停车位置精度要求高,在工程调试阶段,特增设车载感应环线与站台感应环线,主要用于站台列车精确定位,给出列车停准信号,解决了工程调试期间站台列车已停准对标但ATP无门使能信号故障。

3.4 列车控制通信方案特点

虽然在系统结构上存在一些差异,但列车控制通信方案与普通轮轨交通信号系统并无明显的不同,长沙磁浮快线信号系统工程采用点连式通信控制列车方式。设计时综合考虑线路定位、车站数量、客流预计、行车间隔等因素,磁浮高铁站至磁浮榔梨站存在5.48 km的区间,磁浮榔梨站至磁浮机场站存在9.1 km的区间,信号系统未设车地无线通信设施,区间仅通过应答器建立地—车单向通信实现点式控制列车。站台和道岔区域在点式通信控制方式的基础上增加配置有无线覆盖,从而实现道岔防护、站台门防护、站台门车门联动功能,可以较好地弥补点式控制方式在安全防护和自动驾驶功能方面的不足。目前这种方式因其较好的性能、适中的成本,已在温州S1线和长沙磁浮快线得到应用^[4]。

4长沙磁浮快线信号系统集中控制原理

4.1 车站集中控制原理

长沙磁浮快线信号系统采用中国铁道科学研究院的TYJL—Ⅲ型微型联锁系统,设置于车辆段及每个车站信号设备室内,控制中心无联锁设备。联锁系统与磁浮关节型道岔、信号机、计轴轨道电路、PSD、 ESB等轨旁设备接口,采集轨旁设备状态信息,负责联锁逻辑运算,下达正确安全指令,通过继电器接口柜直接控制分散型现场设备磁浮关节型道岔、信号机、屏蔽门、紧急停车按钮等设备。

车站通过联锁系统实现了站场集中控制功能,但是本站联锁只能控显本站的轨旁设备,不能控显邻站轨旁设备。为实现全线集中控制功能,联锁系统响应来自ATS功能的命令,来实现管理进路、道岔和轨旁信号机的控制功能;同时,联锁系统将系统状态工作状态信息、进路、报警信息、区段计轴预复位状态信息、轨旁设备状态信息等提供给ATS系统。

4.2 全线集中调度控制原理

长沙磁浮快线信号系统选用中车时代电气公司的CSRATS—I型自动监控系统,为了实现全线集中调度控制,在控制中心、沿线车站及车辆段设置各类计算机服务器和工作站,是一个分布式行车指挥自动化控制系统。如图1信号结构框图所示,ATS车站服务器通过RS422串行接口连接联锁系统,收集来自联锁的站场图状态信息、系统状态信息、报警信息,通过DCS网络传送至控制中心ATS应用服务器。ATS调度工作站、各类ATS现地工作站通过DCS网络从ATS应用服务器获得全线站场状态信息并显示。ATS调度工作站和ATS应用服务器管理控制全线ATS车站服务器,联锁系统响应ATS车站服务器发送的各种操作指令,从而实现了ATS调度工作站对全线各站集中控制管理。

5长沙磁浮快线信号系统工程后期运用维护

长沙磁浮快线信号系统故障率年度指标低于国家标准0.8次/万列公里,磁浮列车正点率99.9%,高于国家标准98.5%。在磁浮运用维护管理团队后期维护的9年多时间里,信号系统曾出现一些故障问题,主要如表1所示。

为保障信号系统健康稳定运行,磁浮运用维护团队对信号设备开展了预防性检修与保养、故障修、技术改进等工作,还利用集中监测记录的数据和信息,及时预测和发现信号设备故障隐患信息,提前处理整治。

其中磁浮道岔监测与轮轨道岔监测不同,磁浮道岔监测模拟量如表2所示,含道岔总转辙次数、道岔诊断温度,没有道岔电源电压、道岔转辙电机电流、道岔表示电压等参数记录及曲线, 目前仅依靠人工定期检测,未实现道岔转辙电机运行状态全天24 h监测目标,后期需要改进实现。磁浮道岔监测变化开关量记录如表3所示,人员可看到的时间点是磁浮道岔监测收到磁浮道岔PLC送达数据包时间点,因集中监测与道岔PLC采用RS485串口轮询访问通信方式,设备动作开关量数据未实时传送,导致道岔转辙各个动作的真实时间先后时序不能被准确记录及显示,不利于磁浮道岔转辙超时故障的排查与分析,建议后期改进通信方式。

6应用总结

长沙磁浮快线信号系统工程的成功应用,不仅提升了列车的运行效率和安全性,也为我国磁浮交通技术的发展积累了宝贵经验。

希望本文的总结与分析,能够为相关领域的研究者和工程实践者提供有益的参考,推动磁浮交通信号系统的进一步创新与应用。

[参考文献]

[1]梁潇.中低速磁浮运营线工程示范与创新研究[J].黑龙江大学工程学报,2019,10(3):69—75.

[2]方院江,罗有建,胡华斌.中低速磁浮道岔与轮轨道岔的差异[J].铁道通信信号,2020,56(10):16—19.

[3]刘立军,钟虞全,高尚康.中低速磁浮道岔健康评估管理系统研究[C]//第十一届全国磁悬浮技术与振动控制学术会议论文摘要集,2023:168.

[4]周晓明,宗斌,朱亨国,等.中低速磁浮轨道交通信号系统方案选择刍议[J].铁道运营技术,2019,25(2):4—8.

《机电信息》2025年第13期第7篇