蘇 蕊，李忠明

（北京全路通信信號研究設(shè)計院集團(tuán)有限公司，北京 100070）

1 高速鐵路道岔融雪系統(tǒng)現(xiàn)狀

隨著國內(nèi)高速鐵路技術(shù)的迅猛發(fā)展，列車運(yùn)行速度越來越快，行車密度不斷提高，道岔作為鐵路重要的信號設(shè)備，能否正常轉(zhuǎn)換直接影響著鐵路列車運(yùn)行。冬季大雪降溫天氣易使鐵路道岔積雪，甚至結(jié)冰，尤其是國內(nèi)北方高寒地區(qū)，存在嚴(yán)重的冬季積雪化冰，導(dǎo)致道岔運(yùn)轉(zhuǎn)失靈、尖軌尖端和基本軌無法密貼合等故障。客運(yùn)專線運(yùn)營要求“有人不行車、行車不上人”，目前國內(nèi)高速鐵路道岔融雪系統(tǒng)基本都是采用電加熱方式，操作員人工啟動系統(tǒng)后，系統(tǒng)可自動或人工啟動電加熱融雪電路，并通過安裝在道岔活動部位的電加熱元件以熱輻射和熱傳導(dǎo)的方式使道岔活動部位上的積雪蒸發(fā)并達(dá)到融雪除冰目的，保證道岔正常轉(zhuǎn)換。

1.1 系統(tǒng)設(shè)備構(gòu)成

電加熱道岔融雪系統(tǒng)（RD1型）由遠(yuǎn)程控制中心工作站（簡稱工作站）、車站控制終端（簡稱控制終端）、道岔融雪控制柜（簡稱控制柜）、鋼軌溫度傳感器（軌溫傳感器）、電加熱元件、道岔融雪隔離變壓器（簡稱隔離變壓器）、電加熱元件安裝卡具配套裝置、連接線纜和信息通道等組成，如圖1所示。其主要說明如下。

1）工作站

工作站主要由工控機(jī)、顯示器、網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)等設(shè)備組成，主要對所管轄的各車站融雪設(shè)備進(jìn)行遠(yuǎn)程操控和信息查詢；一般設(shè)置在調(diào)度中心或其他指定位置，通過不低于2 M信息通道與各控制終端進(jìn)行連接，采用TCP/IP方式進(jìn)行通信。

2）控制終端

控制終端主要由工控機(jī)、顯示器、網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)（需要組網(wǎng)時）、通信模塊、應(yīng)急控制盤等設(shè)備組成，設(shè)置于車站行車室，供車站值班員操作，實(shí)現(xiàn)本站電加熱道岔融雪系統(tǒng)設(shè)備的集中控制，在控制終端上設(shè)有應(yīng)急加熱操作按鈕，當(dāng)控制柜供電電源正常，而控制終端與現(xiàn)場控制柜間的通訊網(wǎng)絡(luò)故障、計算機(jī)、控制模塊、通信模塊等設(shè)備故障，且控制終端不能通過系統(tǒng)軟件控制加熱電路的啟動和停止時，可使用應(yīng)急加熱操作按扭進(jìn)行應(yīng)急加熱。

3）控制柜

控制柜采用智能模塊化結(jié)構(gòu)設(shè)計，各模塊具備獨(dú)自數(shù)據(jù)處理能力，通過遠(yuǎn)程RS-232、CAN總線等通信方式進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，主要設(shè)備單元包括控制單元、電壓/電流檢測單元、手動/自動轉(zhuǎn)換單元、溫度檢測單元，供電電源單元、防雷單元和通訊單元等。同時包括由斷路器、漏電開關(guān)及交流接觸器組成的加熱回路，其加熱回路具備短路、過載、漏電保護(hù)等功能。

控制柜用于控制現(xiàn)場道岔加熱系統(tǒng)的啟停、信息采集及運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測和參數(shù)設(shè)置，實(shí)現(xiàn)對加熱電路的啟動和停止操作，并將采集的各種信息發(fā)送至控制終端，也可以接受并執(zhí)行來自控制終端和工作站的各種指令。

4）鋼軌溫度傳感器

每臺控制柜配置1套軌溫傳感器，其安裝于裝有電加熱元件的基本軌軌底，用于實(shí)時采集鋼軌溫度信息。

5）隔離變壓器

為保證軌道電路正常工作和人身安全，系統(tǒng)在控制柜與電加熱元件間設(shè)有隔離變壓器，變壓器內(nèi)設(shè)有斷路器、鐵芯、接線端子等元器件，主要為電加熱元件提供工作電源，同時具備電氣隔離作用。

6）電加熱元件

電加熱元件主要安裝在道岔活動尖軌或心軌，用于對鋼軌進(jìn)行加熱，其外層導(dǎo)熱材料為鎳鉻合金鋼或不銹鋼，電加熱元件中心電熱材料為鎳鉻合金或銅鎳合金，電熱材料和外層導(dǎo)熱材料間為高壓氧化鎂絕緣層。

1.2 系統(tǒng)操作模式

系統(tǒng)操作分為工作站、控制終端、控制柜三級操作模式，可方便用戶在多種情況下對其進(jìn)行操作。工作站主要由調(diào)度員進(jìn)行操作，可對該工作站所管轄的各車站道岔融雪設(shè)備進(jìn)行遠(yuǎn)程操控和信息查詢；控制終端主要由車站值班員進(jìn)行操作，可對本站所有道岔融雪設(shè)備進(jìn)行操控和信息查詢；控制柜操作則主要限于設(shè)備維修人員進(jìn)行操作或室內(nèi)道岔融雪設(shè)備無法控制室外現(xiàn)場設(shè)備時，現(xiàn)場人工操作控制柜進(jìn)行啟停加熱電路。

1.3 系統(tǒng)功能

系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計，可根據(jù)用戶需要靈活設(shè)計融雪方式，便于操作和維修，并具有完善的自檢、診斷、檢測、報警、遠(yuǎn)程監(jiān)控和管理等功能。

1）系統(tǒng)參數(shù)配置功能，設(shè)置用戶操作權(quán)限，配置系統(tǒng)控制柜數(shù)量、加熱回路、溫度參數(shù)、加熱功率以及與外部通信接口參數(shù)等。

2）具有遠(yuǎn)程監(jiān)控、車站監(jiān)控、控制柜操縱功能和手動、自動工作模式，且手動工作優(yōu)先，處于手動工作模式時，自動工作模式無效。

3）通過采集鋼軌溫度進(jìn)行邏輯判定，可通過自動或手動工作模式來啟動/停止現(xiàn)場融雪控制柜的加熱電路，通過安裝在道岔活動部位上的電加熱元件，進(jìn)行間隙性循環(huán)加熱，以熱輻射和熱傳導(dǎo)的方式使道岔活動部位上積雪蒸發(fā)，達(dá)到融雪除冰的目的，保證道岔在雨雪天氣下能夠正常轉(zhuǎn)換，進(jìn)而確保行車安全與運(yùn)行效率。

4）系統(tǒng)能實(shí)時監(jiān)視并存儲控制柜模擬量、開關(guān)量等信息，當(dāng)控制信息與執(zhí)行結(jié)果不一致時發(fā)出報警。

5）系統(tǒng)具有接口功能，并預(yù)留與集中監(jiān)測接口功能。

6）具備應(yīng)急加熱功能，控制終端設(shè)有應(yīng)急控制盤，在控制終端電源、計算機(jī)設(shè)備發(fā)生故障時，能通過操作應(yīng)急加熱按鈕啟動加熱電路，保障融雪系統(tǒng)加熱。

2 智能化需求

以新能源、新材料、新設(shè)備為代表的新技術(shù)不斷推動高速鐵路取得突破性進(jìn)展，道岔融雪系統(tǒng)設(shè)備作為鐵路基礎(chǔ)設(shè)備，迫切需要研究一種自動高效、節(jié)能環(huán)保，人機(jī)界面開放友好的智能型電加熱道岔融雪系統(tǒng)，更好地應(yīng)對國內(nèi)外市場發(fā)展機(jī)遇與挑戰(zhàn)。

1）自動高效

按照國內(nèi)鐵路道岔特點(diǎn)，道岔融雪技術(shù)從人工上道除雪的低效不安全模式逐步發(fā)展到目前的電加熱道岔融雪模式，能夠根據(jù)客戶需求靈活組成遠(yuǎn)程控制、車站控制、控制柜現(xiàn)場控制等不同的控制方式。但隨著用戶需求逐步提高，智能化和精細(xì)化控制功能欠缺，目前國內(nèi)電加熱道岔融雪系統(tǒng)現(xiàn)有的雨雪檢測裝置，只能給出雨雪有無的信息，大多是通過操作人員根據(jù)天氣狀況開啟系統(tǒng)，不夠自動高效。

2）節(jié)能環(huán)保

目前電加熱道岔融雪系統(tǒng)通過對實(shí)時采集的鋼軌溫度與系統(tǒng)設(shè)定的啟停溫度進(jìn)行邏輯判定，來實(shí)現(xiàn)對道岔進(jìn)行間隙性循環(huán)加熱，使道岔鋼軌保持在融雪除冰所需的溫度，正常轉(zhuǎn)換不受降雪影響。但采用的是粗放式的控制方式，操作啟動加熱是對全線各站所有道岔加熱，未做到按需精準(zhǔn)加熱道岔。電加熱元件作為電加熱道岔融雪系統(tǒng)的關(guān)鍵零部件，額定工作電壓：AC 220 V；額定功率偏差：-10%～+5% 。粗放式的控制方式所需電功耗較大，存在能源浪費(fèi)，且難免會降低加熱元件的使用壽命，從而影響融雪效果。

3）人機(jī)界面開放友好

電加熱道岔融雪系統(tǒng)是按照國內(nèi)鐵路道岔特點(diǎn)，適用于高速鐵路、普速及重載線路和城際軌道不同類型道岔需求的專用道岔融雪系統(tǒng)設(shè)備。目前遠(yuǎn)程控制中心工作站與車站控制終端上位機(jī)軟件界面顯示直觀，各功能模塊劃分較為清晰，能直觀的體現(xiàn)現(xiàn)場設(shè)備狀態(tài)情況，方便現(xiàn)場人員使用。隨著國家“一帶一路”倡議的提出，面對中國高鐵“走出去”形勢下的新需求，面向海外市場，高速鐵路道岔融雪系統(tǒng)人機(jī)界面主要欠缺語言切換功能。

3 智能化方案設(shè)計

道岔融雪系統(tǒng)設(shè)備作為不可缺少的鐵路基礎(chǔ)設(shè)備，迫切需要研究出一種可根據(jù)氣象信息進(jìn)行自動啟停，同時接口相關(guān)系統(tǒng)實(shí)時獲取列車進(jìn)路信息，根據(jù)道岔使用情況進(jìn)行加熱，自動高效、節(jié)能降耗，人機(jī)界面開放友好的智能型電加熱道岔融雪系統(tǒng)。

3.1 智能型系統(tǒng)介紹

在現(xiàn)有電加熱道岔融雪系統(tǒng)（RD1型）基礎(chǔ)上，新增氣象站、智能管理終端，如圖2所示。

本次智能化方案探討，需要對系統(tǒng)程序進(jìn)行適配性開發(fā)，涉及通訊接口等內(nèi)容。

3.1.1 內(nèi)部接口

1）控制終端與工作站的接口

控制終端與工作站間通過不低于2 M信息通道進(jìn)行連接，采用TCP/IP方式進(jìn)行通信?？刂平K端發(fā)送本站控制柜以及其他信息至工作站，工作站發(fā)送控制指令至控制終端。

2）控制終端與控制柜的接口

控制終端與控制柜間通過RS-232實(shí)現(xiàn)串口通信?？刂平K端發(fā)送加熱指令至下層控制柜，下層控制柜發(fā)送狀態(tài)信息至控制終端。

3）控制終端與氣象站的接口

控制終端與氣象站間通過RS-485實(shí)現(xiàn)串口通信，控制終端實(shí)時接收、解析氣象信息。

4）控制終端與智能管理終端的接口

控制終端與智能終端間通過RS-232串口實(shí)現(xiàn)通信，控制終端接收智能管理終端發(fā)送的融雪指令。

3.1.2 外部接口

1）信號集中監(jiān)測系統(tǒng)接口

信號集中監(jiān)測系統(tǒng)通過RS-232串口接收控制終端發(fā)送的控制柜信息。

2）提供行車計劃的系統(tǒng)接口

提供行車計劃的系統(tǒng)通過RS-232串口發(fā)送行車計劃信息至智能管理終端。

3.2 智能化方案優(yōu)勢

與現(xiàn)有的電加熱道岔融雪系統(tǒng)（RD1型）相比，智能化方案新增氣象站、智能管理終端，是一種可根據(jù)氣象站反饋的氣象信息以及列車進(jìn)路道岔使用情況進(jìn)行自動啟停、精準(zhǔn)加熱的智能型電加熱道岔融雪系統(tǒng)。通信方式和工作模式維持RD1型系統(tǒng)不變，新增設(shè)備故障或因?yàn)槠渌蛩匚茨軐Φ啦磉M(jìn)行及時加熱，達(dá)不到融雪除冰效果時，系統(tǒng)能夠及時切換至傳統(tǒng)控制方式，以滿足現(xiàn)場對融雪的要求。

1）氣象站（新增）

氣象站由降雪傳感器、溫濕度傳感器、電氣配電柜和立桿等部分組成，如圖3所示。主要用于監(jiān)測氣象信息，可對大氣溫度、相對濕度、降水天氣現(xiàn)象等氣象要素進(jìn)行全天候現(xiàn)場監(jiān)測，并把采集信息發(fā)送至車站控制終端，融雪系統(tǒng)根據(jù)氣象信息進(jìn)行自動啟動和停止，更加自動高效。

氣象站顯示及測量范圍如下。

天氣：顯示當(dāng)前氣象信息：雨、雪等天氣；濕度：顯示當(dāng)前的環(huán)境濕度，測量范圍：（0～100）%RH；

溫度：顯示當(dāng)前的環(huán)境溫度，測量范圍：（-40～80）℃；

氣象站開啟時，此時系統(tǒng)可根據(jù)氣象信息與系統(tǒng)設(shè)定的啟停溫度、積雪厚度進(jìn)行邏輯判定，自動開啟或關(guān)閉加熱電路。氣象站關(guān)閉或故障時，可人工啟停加熱。

2）智能管理終端（新增）

智能管理終端作為與車站控制終端通信的橋梁，通過串口通信接收行車計劃信息，將其計劃解析并生成相應(yīng)的融雪指令發(fā)送到車站控制終端；當(dāng)列車行車計劃發(fā)生調(diào)整時，也可通過人工修改生成融雪指令發(fā)送至車站控制終端，車站控制終端接收到融雪指令時，自動啟停融雪加熱電路，對列車進(jìn)路所經(jīng)道岔實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)融雪除冰，即“所行皆所融”降低能耗。

如圖4、5所示，“接收到列車行車計劃一列車從XF口接車至9G后，向S口發(fā)車。在全站道岔都處于定位的情況下，9#、19#、35#、37#、24#道岔需從定位轉(zhuǎn)向反位，而該站內(nèi)其他道岔可以不用進(jìn)行轉(zhuǎn)換。因此當(dāng)雨雪天氣時，只需要對9#、19#、35#、37#、24#道岔進(jìn)行先后加熱融雪，對于進(jìn)路不涉及的道岔可以不用開啟加熱。

該高鐵站道岔數(shù)量約78個，假設(shè)需安裝電加熱元件道岔數(shù)量約50個，相比于傳統(tǒng)電加熱道岔融雪系統(tǒng)（RD1）采用粗放式全線各站所有道岔均加熱的控制方式，如每組道岔功率20 kW左右，總功率1 000 kW左右，雨雪天持續(xù)10小時/天，系統(tǒng)提前開啟加熱1 h（估計），雨雪10 h后防止雪化冰，系統(tǒng)仍需持續(xù)加熱1 h，一次耗電量約12 000度電，智能化方案節(jié)省了無需動作道岔的能耗，一次耗電量約1 200度電，節(jié)約1.08萬度電，折合人民幣約1.08萬元。假設(shè)該地區(qū)平均每年氣溫低于10°C時約為30天，共約節(jié)電32.4萬度，折合人民幣約32.4萬元，且對多個進(jìn)路內(nèi)共用的道岔，例如下一趟列車依然是以如圖4、5所示的鎖閉進(jìn)路的方式通過該站，那么9#、19#、35#、37#、24#道岔也不用進(jìn)行轉(zhuǎn)換和加熱，由此合理的簡化道岔重復(fù)融雪的次數(shù)，延長電加熱元件使用壽命，經(jīng)濟(jì)效益顯著。

3）多國語言切換

多國語言切換功能，通過工作站、控制終端控顯程序新增“語言切換”功能模塊，工作站調(diào)度員、控制終端車站值班員通過單擊智能型電加熱道岔融雪系統(tǒng)主界面目錄樹中“語言切換”功能模塊，找到需要切換的語言類型，單擊應(yīng)用實(shí)現(xiàn)語言切換顯示。

4）控制模式可切換

高速鐵路電加熱道岔融雪系統(tǒng)智能化方案，除包含上述智能融雪控制功能外，需保留既有融雪傳統(tǒng)控制方式，當(dāng)智能控制方式因新增設(shè)備故障或其他因素未能對道岔進(jìn)行及時加熱，達(dá)不到融雪除冰功能時，系統(tǒng)能夠及時切換至傳統(tǒng)控制模式，所有控制柜會根據(jù)系統(tǒng)設(shè)定的啟停溫度與各自軌溫傳感器采集的鋼軌溫度進(jìn)行邏輯判定，當(dāng)鋼軌溫度低于啟動溫度時，系統(tǒng)會自動給控制柜發(fā)送加熱命令，開啟柜內(nèi)加熱電路，實(shí)現(xiàn)對道岔進(jìn)行加熱功能；當(dāng)鋼軌溫度上升至系統(tǒng)設(shè)定的停止溫度時，系統(tǒng)會自動發(fā)送停止加熱命令，停止柜內(nèi)加熱電路，實(shí)現(xiàn)對道岔進(jìn)行關(guān)閉加熱功能，以滿足現(xiàn)場對融雪的需求。

4 總結(jié)與展望

隨著高速鐵路技術(shù)發(fā)展，安全可靠、綠色低碳的評價標(biāo)準(zhǔn)要求道岔融雪系統(tǒng)朝向智能化方向發(fā)展。本方案在現(xiàn)有電加熱道岔融雪系統(tǒng)基礎(chǔ)上，通過接口氣象站進(jìn)行自動啟停、根據(jù)實(shí)際列車進(jìn)路道岔使用情況進(jìn)行精準(zhǔn)加熱，實(shí)現(xiàn)自動高效、節(jié)能降耗。人機(jī)界面新增多國語言切換功能，契合國家“一帶一路”倡議和中國高鐵“走出去”形勢下的新需求。當(dāng)智能型方案因設(shè)備故障或其他因素未能對道岔進(jìn)行及時加熱，達(dá)不到融雪除冰功能時，系統(tǒng)可切換傳統(tǒng)控制模式，以滿足現(xiàn)場對融雪的要求，符合現(xiàn)階段產(chǎn)品穩(wěn)中求進(jìn)的發(fā)展理念，經(jīng)濟(jì)效益和社會效益顯著。