计轴在地铁信号系统中的应用研究

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摘要：计轴作为信号系统后备模式下列车占用检测设备，在国内外城市轨道交通信号系统中已得到广泛应用。不但在移动闭塞列车运营中至关重要，在移动闭塞后备模式中对列车安全运行发挥着更重要的作用，本文主要从计轴系统的概述、构成、原理、优缺点及故障处理方面进行介绍，并研究了计轴系统在CBTC系统中的应用。

关键词：计轴 ；组成；原理；故障处理；应用研究

中图分类号：U231文献标识码： A

当前，国内外地铁信号系统几乎都采用基于无线通信的列车自动控制系统（CBTC），而计轴作为列车占用检测设备，在CBTC后备模式下扮演着重要角色。近年来国内新建地铁都使用了各厂家的计轴作为后备模式核心系统。其广泛应用已经成为当前地铁信号领域的发展方向。

一、计轴系统概述

计轴技术是一项比较早的列车检测技术,计轴设备作为轨道区段占用检查设备,早在20世纪20年代已开始在欧洲铁路使用,它的出现解决了欧洲部分使用钢制轨枕的线路,交流轨道电路无法实现轨道区段占用检查的问题。经过90多年的发展，经历了机械式、电子管、晶体管和集成电路不同发展阶段，计数模式也由机械计数、电子计数发展到现在的微处理计数。

具体讲，计轴设备是一种位于轨道旁的设备，对通过它所在位置的列车轮轴进行计数。计轴区段是一种设计用来替代轨道电路的列车占用检测设备，有空闲、占用、干扰三种状态，并包含计轴评估单元，可以更智能地检测列车占用，实现故障恢复，具有完整的系统功能。

二、计轴系统的组成

计轴系统主要由室内和室外两部分组成。室内设备主要包括： 计轴主机、数字电源耦合单元、室内诊断系统：计轴诊断机 ；室外设备主要包括：电子盒和轨道磁头，室内主机与室外计轴点采用ISDN数据通信，且电源与数据可共线传输。每台主机最多可以连接三十多个计轴点、监控三十多个区段，适用于一般区段和复杂站场。

1、室内ACE设备主要包括CPU板、电源板、串口板、并口板。

（1）CPU板。通过通道间交换报文的软件比较达到安全处理目的。报文比较后CPU执行一个程序来确定是否所有结果一致。如果不一致，则暂停执行一个导向安全的响应。 为了减少故障响应时间,RAM,ROM和CPU的检测在后台模式下进行。

（2）电源板。主要功能是向各个I/O提供电源。

（3）串口板。由两个独立的综合业务数字网通道组成，能显示与监测点的连接状态以及通信状态，接收来自轨旁设备的数据 ，转换后传给CAN总线 ，每块串口板可以连接1-2个室外检测点 。

（4）并口板

并口板的主要功能室输出轨道区段占用状态信息，每块并口板对应一个计轴轨道区段 。

2、室外主要设备主要为电子盒及轨道磁头。

三、计轴系统功能及原理

1、磁头工作原理

每套磁头包括两个发送磁头(TX)和两个接收磁头(RX)，发送磁头安装在轨道外侧，接收磁头安装在轨道内侧，并与相应的发送磁头一一对应，内接收磁头部为绕制在铁芯上的线圈 。两组发送线圈中，因电流的频率各不相同它们产生的交变磁场使接收线圈产生感应电压。当有车轮轮缘压在钢轨上时，接收线圈产生的感应电压的相位反转180度，系统可根据其相位变化检测到一个轴。

（1）没有车轮时，车轮距离磁头中心超过200mm，发送线圈产生的交变磁场穿过接收线圈，其磁力线与接收线圈的垂直线成一个角度λ，导致接收线圈中产生与发送线圈的电压相位相同的感应交流电压。

（2）车轮距磁头中心线约200mm的位置时，发送线圈产生的磁力线垂直穿过接收线圈，这样，接收线圈的感应电压变为零。

（3）车轮到达磁头上方，发送线圈产生的磁力线穿过接收线圈，但磁力线与接收线圈的垂直线的角度变为-λ，那么，接收线圈中产生的感应交流电压较发送线圈的电压相位反转了180度。

2、电子盒功能

电子盒中包括评估板、模拟板、机笼、WAGO 端子 、底板 、磁头电缆及安装基础。评估板主要用来进行轴脉冲计数、判断计数方向、监督轨道磁头、并向主机发送数据；模拟板主要功能是生成发送信号并放大接收信号。

3、区段占用、出清原理

区段占用及空闲判断非常简单，即:计轴对进入区段和出清区段的列车轴数进行计数，当计入（占压区段的轮轴）等于计出（驶出区段的轮轴）时，区段显示空闲，当计入不等于计出时，区段显示占用。

四、计轴系统的优缺点

传统的轨道电路工作性能对道床状态依赖性高,计轴可以摆脱对钢轨和道床条件的严重依赖。她采用轮缘传感技术，可靠性高而且占用钢轨单面，安装方式简便，克服了室外放置电子器件易受环境温度，强电磁干扰和物理损坏的缺点。极大的减少了设备维护的工作量。

1、优点

（1）计轴设备设备安装简单、不受道床状况影响。

（2）轨道区段长度没有限制。

（3）无需绝缘装置，不存在绝缘不良的问题 。

（4）对牵引回流钢轨的连接方式没有限制，可在生锈钢轨上检查列车占用。

（5）维护工作量较小，成本较低。

2、缺点

（1）计轴容易受扰，如电磁干扰、磁头处划过金属物等。

（2）因为掉电等各种原因，轴计数器可能“忘记”一个区段内有多少轴，人工操作引入了不可靠人为的因素。

（3）计轴通过对经过的轮轴进行计数，不能通过回流检测断轨。

五、计轴系统故障处理

计轴系统虽优点颇多，但也存在易受干扰、掉电后无法正确检测占用信息等缺点，一旦受到干扰或自身故障对列车运行就会

产生不同程度的影响。为了减少计轴故障影响，尽快恢复运营秩序，需要对计轴故障进行判断及处理，一般情况下采用计轴复零和计轴旁路两种方式进行处理。

1、计轴复位

计轴复位是在出现干扰时清除计轴区段，当区间内无列车，但计轴器由于干扰显示占用时使用。一般采用的两种类型复位方式：

（1）无条件复位：执行无条件复位前，必须确保区间内无车辆，无条件复位后使区间立刻空闲。

（2）预复位：执行预复位前，必须确保区间内无车辆。预复位命令后区间不会立刻变空闲。随后列车通过区间。当进入和离开该区间的计数相同时，系统才会清除区间。

2、计轴旁路

计轴旁路的主要功能是来允许联锁解锁进路与道岔，从而建立其他进路。计轴旁路主要应用于两种情况：第一、道岔计轴区段故障。道岔将被锁闭在它当前的位置。如果此时需要一辆压道列车从道岔另一位置通过，需要搬动道岔至另一个位置时使用。第二、计轴设备故障。预复位可能无法工作，诊断故障和修理可能会花费一定的时间，在修理的时间里，列车需继续运行，计轴旁路操作能将保持部分解锁状态的进路解锁。列车可避免越过红灯运行。

六、应用研究

计轴在地铁信号系统中的应用已经比较成熟。国内城市在CBTC移动闭塞系统运行正常时，计轴仅用于辅助列车占用显示和处理部分联锁接口，但CBTC系统故障后备降级使用时，计轴完全作为列车检测占用工具，发挥着重要作用。通过各项目应用总体情况，因夜间施工干扰、并口板及CPU板稳定性等问题造成故障率较高。要从减少夜间施工干扰、提高板卡稳定性来减少计轴系统的干扰及故障影响。

同时建议在将计轴作为后备模式时，减少计轴与联锁接口。根据联锁需求，目前大多ATC系统通过复示轨道继电器或直接采集接点状态方式采集计轴信息，系统通过接点闭合向联锁设备提供各个计轴区段的占用和空闲状态。计轴虽作为后备模式使用，但CBTC正常运营时仍采集计轴信息，可能导致正常CBTC运营时，计轴的干扰和故障都对CBTC运营造成不同程度的影响，因此，建议计轴作为后备模式时，减少联锁和计轴的接口，非必要时联锁不采集计轴信息，减少计轴故障对列车运行影响，提高CBTC运营效率。

参考文献

[1]王历.移动闭塞系统计轴远程预复位功能的安全分析[J].城市轨道交通研究. 2010.

[2]黄忠礼.胡树宣.借鉴国外技术研发国产计轴设备[J].铁路通信信号工程技术.2010.