賀俊喜

摘 要：磁浮交通道岔常采用整梁移動(dòng)方式改變軌道方向，檢測其位置信號(hào)的傳感器一般使用雙行程開關(guān)，這些行程開關(guān)接點(diǎn)的串并聯(lián)方式對道岔系統(tǒng)的可靠性有較大影響。文章對 5 種磁浮交通道岔位置檢測信號(hào)行程開關(guān)連接方案進(jìn)行分析，探討不同方案的可靠性和安全性并分析各方案的優(yōu)缺點(diǎn)，為同類道岔位置檢測信號(hào)冗余設(shè)計(jì)提供參考和借鑒。

關(guān)鍵詞：磁浮交通;道岔;檢測信號(hào);冗余設(shè)計(jì)

中圖分類號(hào)：U237

磁浮交通是一種新型軌道交通方式，道岔是磁浮交通線路的重要組成部分，磁浮交通道岔的位置檢測信號(hào)對于列車的安全運(yùn)行具有重要作用。道岔用2個(gè)鎖閉裝置的4個(gè)行程開關(guān)常開接點(diǎn)串聯(lián)起來作為位置檢測信號(hào)，這樣設(shè)計(jì)安全性較高但可靠性較低，本文就行程開關(guān)常開點(diǎn)和常閉接點(diǎn)的串并聯(lián)問題，對系統(tǒng)的可靠性和安全性作詳細(xì)分析，為同類電路設(shè)計(jì)提供參考。

1 信號(hào)設(shè)備的可靠性和安全性要求

軌道交通信號(hào)設(shè)備的功能是保證列車運(yùn)行安全和提高運(yùn)輸效率，要求信號(hào)設(shè)備具有極高的可靠性和安全性。

可靠性是系統(tǒng)在規(guī)定的時(shí)間和條件下，完成規(guī)定功能的能力。可靠性高則系統(tǒng)不容易出故障，對軌道交通運(yùn)輸效率影響小。安全性是在規(guī)定的時(shí)間和條件下，系統(tǒng)不產(chǎn)生危險(xiǎn)的概率，主要考慮的是保證行車安全，要求避免人員傷亡和財(cái)產(chǎn)損失。安全性還要求故障發(fā)生后導(dǎo)向安全，即滿足TB/T2615-2018 《鐵路信號(hào)故障-安全原則》的要求。

軌道交通信號(hào)設(shè)備的輸出可以分為正常、安全側(cè)故障、危險(xiǎn)側(cè)故障3種。在信號(hào)設(shè)備發(fā)生故障時(shí)，按“故障-安全”原則，只允許有安全側(cè)信號(hào)輸出。實(shí)現(xiàn)軌道交通信號(hào)“故障-安全”原則的具體措施有很多，冗余技術(shù)就是其中一種，常見的應(yīng)用就是在同一裝置上使用多重設(shè)備，提高設(shè)備的安全性。道岔位置檢測信號(hào)采用冗余技術(shù)，保證在個(gè)別部件出現(xiàn)故障的情況下，道岔系統(tǒng)還能正常運(yùn)行。同時(shí)對設(shè)備進(jìn)行定期檢查，及時(shí)修復(fù)故障部位，使設(shè)備處于正常工作狀態(tài)。

2 道岔位置檢測信號(hào)冗余設(shè)計(jì)方案

冗余設(shè)計(jì)是在可靠性較低的部件兩端，增加一個(gè)或幾個(gè)相同部件，保證產(chǎn)品能正常工作，當(dāng)附加部件全部失效后，產(chǎn)品才出現(xiàn)故障。冗余技術(shù)有硬件冗余、時(shí)間冗余、信息冗余。硬件冗余是增加相同設(shè)備來獲得高可靠性。磁浮交通道岔位置檢測信號(hào)一般采用硬件冗余設(shè)計(jì)。

磁浮交通道岔是整梁移動(dòng)式道岔，驅(qū)動(dòng)設(shè)備有轉(zhuǎn)轍裝置和鎖閉裝置，轉(zhuǎn)轍裝置的主要作用是電機(jī)驅(qū)動(dòng)梁的橫移，鎖閉裝置的主要作用是鎖閉電機(jī)驅(qū)動(dòng)電動(dòng)推桿插入地面固定朵樁孔內(nèi)，使主梁在相應(yīng)位置上穩(wěn)定不動(dòng)，保證車輛通行的穩(wěn)定性。

道岔的位置表示信號(hào)由鎖閉裝置固定在地面朵樁上的行程開關(guān)接點(diǎn)給出，一般1個(gè)道岔梁上有2個(gè)鎖閉裝置，朵樁上的行程開關(guān)是成對安裝的，也就是4個(gè)行程開關(guān)一起動(dòng)作表示一個(gè)位置信號(hào)，這個(gè)位置信號(hào)會(huì)直接傳輸?shù)缴衔粰C(jī)信號(hào)系統(tǒng)，作為判斷道岔位置的關(guān)鍵信號(hào)，如果這個(gè)信號(hào)出現(xiàn)錯(cuò)誤將會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重后果。這些行程開關(guān)的接點(diǎn)如何串接在一起，提高這個(gè)信號(hào)的可靠性和安全性是本文討論的重點(diǎn)。圖1為單個(gè)鎖閉裝置結(jié)構(gòu)圖，圖2為2個(gè)道岔鎖閉裝置結(jié)構(gòu)圖。

磁浮道岔有鎖閉裝置1、鎖閉裝置2，鎖閉裝置1安裝在主動(dòng)梁轉(zhuǎn)轍裝置附近，鎖閉裝置2安裝在從動(dòng)梁附近。

2個(gè)行程開關(guān)的連接方法包括安全接法和冗余接法。安全接法是2個(gè)常開接點(diǎn)串接后作為輸入信號(hào)。邏輯關(guān)系是“與”，當(dāng)其中一個(gè)通道信號(hào)為0時(shí)，輸出信號(hào)就是0，只有所有通道信號(hào)都為1時(shí)，輸出信號(hào)才為1。如果其中一個(gè)接點(diǎn)出現(xiàn)開路故障，就不能輸出正確的結(jié)果，提高了系統(tǒng)工作的安全性。冗余接法是2個(gè)常開接點(diǎn)并接后作為輸入信號(hào)。邏輯關(guān)系是“或”，只要其中一個(gè)通道信號(hào)為1，信號(hào)輸出就是1，系統(tǒng)的容錯(cuò)能力提高了。

安全接法主要應(yīng)用在安全系統(tǒng)中，冗余接法主要應(yīng)用在高可用性系統(tǒng)中。軌道交通要求信號(hào)設(shè)備同時(shí)具有高安全性和高可用性，也就是高運(yùn)輸效率。

磁浮交通道岔位置檢測行程開關(guān)連接方案有多種，本文選最常用的5種方案來分析：①2個(gè)常開接點(diǎn)串聯(lián)方案;②2個(gè)常開接點(diǎn)并聯(lián)方案;③4個(gè)常開接點(diǎn)串并聯(lián)方案;④4個(gè)常開接點(diǎn)并串聯(lián)方案;⑤4個(gè)常開接點(diǎn)串聯(lián)方案。

常閉接點(diǎn)串并聯(lián)電路的可靠性分析可參考常開接點(diǎn)串并聯(lián)電路，但結(jié)果相反。

3 道岔位置檢測信號(hào)冗余方案分析

3.1 可靠性分析

由多個(gè)單元共同完成某一功能的整體稱為系統(tǒng)，系統(tǒng)可靠性和單元可靠性之間的關(guān)系有可靠性模型和定量計(jì)算可靠性的函數(shù)。圖3為串聯(lián)系統(tǒng)的可靠性框圖。

假設(shè)各個(gè)單元都是獨(dú)立統(tǒng)計(jì)的，串聯(lián)系統(tǒng)可靠性數(shù)學(xué)模型為：

（1）

式（1）中， Ra為系統(tǒng)可靠度，Ri為第i個(gè)單元可靠度。

圖4為并聯(lián)系統(tǒng)的可靠性框圖。

假設(shè)各單元是獨(dú)立統(tǒng)計(jì)的，并聯(lián)系統(tǒng)可靠性數(shù)學(xué)模型為：

（2）

式（2）中， Ra為系統(tǒng)可靠度， Fi為第i個(gè)單元不可靠度， Ri為第i個(gè)單元可靠度。

下面通過計(jì)算分析各種串并聯(lián)方案的可靠性。用K表示可靠性，用G表示故障率，根據(jù)可靠性理論，K + G = 1。

3.1.1 方案1：2個(gè)常開接點(diǎn)串聯(lián)

圖5是2個(gè)常開接點(diǎn)串聯(lián)電路圖，假設(shè)2個(gè)接點(diǎn)的可靠性分別為K1 = K2 = 99%，則故障率為G1 = 1-K1 =1%、

G2 = 1-K2 = 1%，且相互獨(dú)立。串聯(lián)后的可靠性為K = K1 ×

K2 =99% × 99% = 98%，故障率為G= 1-K1 × K2 =1-98% =

2%，串聯(lián)后可靠性比K1、K2降低了，故障率比G1、G2增高了。

常開點(diǎn)串聯(lián)，只有2個(gè)常開點(diǎn)都閉合，電路才通。適用于安全性高，可靠性要求低的設(shè)備，不屬于冗余設(shè)計(jì)。

3.1.2 方案2：2個(gè)常開接點(diǎn)并聯(lián)

圖6為2個(gè)常開接點(diǎn)并聯(lián)電路圖，假設(shè)2個(gè)接點(diǎn)的可靠性為K1 = K2 = 99%，則故障率分別為G1 = 1-K1 = 1%、

G2 = 1-K2 = 1%，且相互獨(dú)立。并聯(lián)后的可靠性為K = 1-G1 × G2 =1-1% ×1% = 99.99%，并聯(lián)后可靠性比K1、K2增高了。

常開接點(diǎn)并聯(lián)，只要有1個(gè)常開接點(diǎn)閉合，電路就通。適用于可靠性要求高的設(shè)備，屬于冗余設(shè)計(jì)。

3.1.3 方案3：4 個(gè)常開接點(diǎn)串并聯(lián)

圖7為4個(gè)常開接點(diǎn)串并聯(lián)電路圖，假設(shè)K1 = K2 =

K3 = K4 = 99%，則該電路的可靠性為K = 1-（1-K1 × K2 ）×（1-K3 × K4 ）= 1-（1- 99% × 99% ）×（1- 99% ×

99% ）= 99.96%。

2個(gè)常開接點(diǎn)串聯(lián)后再并聯(lián)，2組常開接點(diǎn)只要有1組通了，電路就通。串聯(lián)接點(diǎn)的并聯(lián)可以防止由于單個(gè)接點(diǎn)短路而導(dǎo)致整個(gè)電路短路。當(dāng)行程開關(guān)故障模式為短路時(shí)，串并聯(lián)電路由于2個(gè)回路都是串聯(lián)，因此不會(huì)輸出故障信號(hào)。

3.1.4 方案4：4 個(gè)常開接點(diǎn)并串聯(lián)

圖8為4個(gè)常開接點(diǎn)并串聯(lián)電路圖，假設(shè)K1 = K2 =

K3 = K4 = 99%，則該電路的可靠性為K = [1-（1-K1）×（1-K3）]×[1-（1-K2）×（1-K4）] = 99.98% > 99.96%。

可見，并串聯(lián)電路比串并聯(lián)電路可靠性高。

當(dāng)行程開關(guān)故障模式為開路時(shí)，并串聯(lián)電路由于有2個(gè)并聯(lián)回路，只要2組接點(diǎn)中都有1個(gè)接點(diǎn)接通就能輸出正確的信號(hào)。該電路設(shè)計(jì)屬于冗余設(shè)計(jì)。

3.1.5 方案5：4個(gè)常開接點(diǎn)串聯(lián)

圖9為4個(gè)常開接點(diǎn)串聯(lián)電路圖，假設(shè)K1 = K2 = K3 =

K4 = 99%，串聯(lián)后的可靠性為K =K1 × K2 × K3 × K4 =

99%×99%×99%×99%= 96%。故障率為G =1-K1 × K2 ×

K3 × K4 = 4%?？梢?個(gè)常開點(diǎn)串聯(lián)時(shí)，只有4個(gè)常開點(diǎn)都通的時(shí)候，電路才通，可靠性比2個(gè)常開接點(diǎn)串聯(lián)98%的可靠性降低了。

3.2 安全性分析

行程開關(guān)是一種機(jī)械結(jié)構(gòu)傳感器，主要有接點(diǎn)短路和開路2種故障。下面分析系統(tǒng)出現(xiàn)一個(gè)故障的情況下，接點(diǎn)冗余方案出現(xiàn)安全側(cè)故障或危險(xiǎn)側(cè)故障的可能性。

3.2.1 方案1：2個(gè)常開接點(diǎn)串聯(lián)

方案1中2個(gè)常開接點(diǎn)串聯(lián)，在接點(diǎn)短路故障模式下，串接后為安全側(cè)故障，因?yàn)橛幸粋€(gè)接點(diǎn)短路的情況下，另一個(gè)接點(diǎn)還能正常工作。在接點(diǎn)開路故障模式下，常開接點(diǎn)以閉合為有效信號(hào)輸出，一個(gè)接點(diǎn)開路后無論另一個(gè)接點(diǎn)開或閉，都無信號(hào)輸出，所以串接后為安全側(cè)故障。方案1在2種故障模式下都輸出安全側(cè)故障，滿足“故障-安全”原則。

3.2.2 方案2：2個(gè)常開接點(diǎn)并聯(lián)

方案2中2個(gè)常開接點(diǎn)并聯(lián)，在接點(diǎn)短路故障模式下，并接后為危險(xiǎn)側(cè)故障，因?yàn)橛幸粋€(gè)接點(diǎn)短路的情況下，無論另一個(gè)接點(diǎn)開或閉都輸出接通信號(hào)。在接點(diǎn)開路故障模式下，并接后為安全側(cè)故障，因?yàn)橐粋€(gè)接點(diǎn)開路的情況下，另一個(gè)接點(diǎn)還能正常工作。方案2在短路故障模式下有危險(xiǎn)側(cè)故障輸出，不滿足“故障-安全”原則。

3.2.3 方案3：4個(gè)常開接點(diǎn)串并聯(lián)

方案3中2個(gè)行程開關(guān)常開點(diǎn)串聯(lián)，再與另外2個(gè)串聯(lián)接點(diǎn)并聯(lián)，對出現(xiàn)一個(gè)開路故障的系統(tǒng)能輸出正確信號(hào)。出現(xiàn)一個(gè)接點(diǎn)短路故障的情況，因?yàn)橛?組接點(diǎn)串聯(lián)不會(huì)造成整個(gè)電路短路，也就是在短路故障模式下依然能輸出正確信號(hào)，屬于安全設(shè)計(jì)。方案3滿足“故障-安全”原則。

3.2.4 方案4：4個(gè)常開接點(diǎn)并串聯(lián)

方案4中2個(gè)行程開關(guān)常開點(diǎn)并聯(lián)，再與另外2個(gè)并聯(lián)接點(diǎn)串聯(lián)，對出現(xiàn)一個(gè)開路故障的系統(tǒng)能輸出正確信號(hào)。出現(xiàn)一個(gè)接點(diǎn)短路故障的情況，因?yàn)橛?組接點(diǎn)串聯(lián)不會(huì)造成整個(gè)電路短路，也就是在短路故障模式下依然能輸出正確信號(hào)，屬于安全設(shè)計(jì)。方案4滿足“故障-安全”原則。

3.2.5 方案5：4個(gè)常開接點(diǎn)串聯(lián)

方案5中4個(gè)常開接點(diǎn)串聯(lián)，在接點(diǎn)短路故障模式下，串接后為安全側(cè)故障，因?yàn)橛?個(gè)接點(diǎn)短路的情況下，另一個(gè)接點(diǎn)還能正常工作。在接點(diǎn)開路故障模式下，常開接點(diǎn)以閉合為有效信號(hào)輸出，一個(gè)接點(diǎn)開路后無論另外3個(gè)接點(diǎn)開或閉，都無信號(hào)輸出，所以串接后為安全側(cè)故障。方案5在2種故障模式下都輸出安全側(cè)故障，滿足“故障-安全”原則。

3.3 小結(jié)

磁浮道岔的常規(guī)設(shè)計(jì)中只考慮高安全性，將2個(gè)鎖閉裝置4個(gè)行程開關(guān)常開接點(diǎn)串聯(lián)起來作為道岔位置信號(hào)輸出，也就是方案5的連接方式。該方案的可靠性不高，只要其中一個(gè)接點(diǎn)不通，就不能輸出正確的信號(hào)，即只要一個(gè)行程開關(guān)出現(xiàn)開路故障，信號(hào)系統(tǒng)不能接收到正確的位置信號(hào)，超時(shí)后會(huì)產(chǎn)生故障報(bào)警信號(hào)，列車就會(huì)停止運(yùn)行，造成列車運(yùn)行事故，影響磁浮交通運(yùn)輸效率。

方案4的可靠性高于方案3，安全性與方案3相同。同時(shí)由于鎖閉裝置1和鎖閉裝置2相距約10 m，方案4接線更方便?？梢姺桨?行程開關(guān)常開接點(diǎn)并串聯(lián)方案是磁浮交通道岔位置檢測信號(hào)的最佳設(shè)計(jì)方案。在實(shí)際應(yīng)用時(shí)還要注意一個(gè)問題：道岔位置檢測信號(hào)在出現(xiàn)一個(gè)開路或短路故障時(shí)，系統(tǒng)并不能直接檢測出來，可通過道岔定期巡檢維護(hù)檢查行程開關(guān)有無故障，發(fā)現(xiàn)問題及時(shí)維修更換，避免第2個(gè)故障出現(xiàn)時(shí)輸出錯(cuò)誤的位置信號(hào)。根據(jù)長沙磁浮道岔的維修經(jīng)驗(yàn)，行程開關(guān)的定期維護(hù)巡檢周期為2周。

4 結(jié)語

在新型軌道交通中，磁浮軌道、跨座式單軌、懸掛式單軌都有采用整梁移動(dòng)方式的道岔，道岔位置檢測采用雙行程開關(guān)也比較常見，通過前文分析，在設(shè)計(jì)行程開關(guān)檢測電路時(shí)采用并串聯(lián)方案能得到較高的可靠性和安全性。

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收稿日期 2019-05-15

責(zé)任編輯 胡姬

Redundancy design and analysis of maglev turnout position detection signal

He Junxi

Abstract： The whole beam moving mode is often used to change the track direction of maglev turnout. The sensors for detecting these position signals generally use double travel switches. This paper discusses the big impact of the series parallel connection mode of these travel switch contacts on the reliability of turnout system. It analyzes the connection schemes of five kinds of travel switches for maglev turnout position detection signals， the reliability and safety of different schemes and the advantages and disadvantages of each scheme， providing reference for the redundancy design of similar turnout position detection signals.

Keywords： maglev， turnout， detection signal， redundancy design