網(wǎng)絡(luò)化高壓不對(duì)稱脈沖軌道電路的研制

黃贊武，李紹斌

（北京交通大學(xué)電子信息工程學(xué)院，北京100044）

軌道電路是鐵路信號(hào)系統(tǒng)中重要的設(shè)備之一，它最基本的功能是檢測(cè)軌道區(qū)間列車占用情況，是車站聯(lián)鎖和區(qū)間控制的基礎(chǔ)。因此，軌道電路的安全直接影響著行車的安全。

軌道電路由于受外界惡劣環(huán)境影響，如鋼軌軌面銹蝕、軌面粉塵堆積和車輛輪對(duì)銹蝕等，使得車輛輪對(duì)與鋼軌軌面接觸不良，從而造成有車占用軌道而不能檢測(cè)出來，錯(cuò)誤解鎖、道岔中途轉(zhuǎn)換，帶來擠岔、脫線、沖突等事故隱患，成為急需解決的安全技術(shù)問題。

1 高壓不對(duì)稱脈沖軌道電路發(fā)展現(xiàn)狀

在采用軌道電路的鐵路系統(tǒng)中，軌道電路分路不良是普遍遇到的問題。

法國鐵路采用高壓電沖軌道電路，后來發(fā)展為高壓不對(duì)稱脈沖軌道電路來解決站內(nèi)分路不良的問題。

日本鐵路在大多數(shù)分路不良區(qū)段將接收端電壓調(diào)整到3 V以上，取得了良好的效果，對(duì)于走車非常少的區(qū)段，開發(fā)了脈沖軌道電路，采用100 V高壓脈沖解決分路不良的問題，取得了非常好的效果。

我國鐵路研制了GZ-2007A型多特征脈沖軌道電路，通過提高軌面不對(duì)稱脈沖的電壓的方式，以高壓擊穿銹層，用于解決生銹嚴(yán)重區(qū)段的分路不良問題。

本文提出了一種網(wǎng)絡(luò)化高壓不對(duì)稱脈沖軌道電路的方案，此方案采用高壓不對(duì)稱脈沖擊穿輪軌間的銹層，接收端的設(shè)備分為室內(nèi)智能控制器和室外信號(hào)采集設(shè)備，室內(nèi)、外的設(shè)備均實(shí)現(xiàn)了智能化，室內(nèi)、外設(shè)備的聯(lián)絡(luò)方式不再使用信號(hào)電纜的傳輸方式，而是采用CAN總線通信方式。采用信號(hào)電纜的傳輸方式，每個(gè)軌道電路都需要一對(duì)電纜，而采用CAN總線通信方式，一個(gè)站場(chǎng)上所有的軌道電路都共用一對(duì)通信電纜即可。

2 網(wǎng)絡(luò)化高壓不對(duì)稱脈沖軌道電路技術(shù)方案

為了節(jié)約現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備投資成本，提高鐵路現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的智能性，在充分考慮系統(tǒng)可靠性和保證故障－安全原則的前提下，本文在GZ-2007A型多特征脈沖軌道電路基礎(chǔ)上提出了一種基于數(shù)字信號(hào)處理（DSP）技術(shù)和現(xiàn)場(chǎng)總線CAN網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的高壓不對(duì)稱脈沖軌道電路方案。利用具有針對(duì)性的高速濾波算法，提高設(shè)備抗干擾能力，利用高可靠性的實(shí)時(shí)CAN總線網(wǎng)絡(luò)，使鐵路現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備智能化。

2.1 方案設(shè)計(jì)

考慮一個(gè)區(qū)段的軌道電路，構(gòu)成如圖1。

圖1 網(wǎng)絡(luò)化高壓不對(duì)稱脈沖軌道電路結(jié)構(gòu)框圖

信號(hào)采集設(shè)備利用DSP技術(shù)將軌面電壓信號(hào)進(jìn)行濾波處理并進(jìn)行頻譜分析，得到高壓不對(duì)稱脈沖信號(hào)的特征值，利用CAN現(xiàn)場(chǎng)總線將特征值發(fā)送到室內(nèi)的控制器。室內(nèi)智能控制器安裝在繼電器架上，通過對(duì)特征值的判斷，得出軌道是否被分路的結(jié)論，室內(nèi)智能控制器設(shè)有LCD顯示屏，顯示實(shí)時(shí)高壓不對(duì)稱脈沖信號(hào)的特征值及變化情況，并且通過鍵盤可以設(shè)置分路的閾值，調(diào)整軌道電路參數(shù)，軌道繼電器的驅(qū)動(dòng)采用動(dòng)態(tài)安全電路。1臺(tái)室內(nèi)智能控制器可以監(jiān)控4臺(tái)室外信號(hào)采集設(shè)備和高壓不對(duì)稱脈沖發(fā)送設(shè)備，通過CAN現(xiàn)場(chǎng)總線形成1個(gè)總線網(wǎng)絡(luò)，室內(nèi)外的連接只通過1條CAN通信電纜完成，避免了傳輸衰減，簡(jiǎn)化了現(xiàn)場(chǎng)施工，節(jié)約了電纜成本。

2.2 室內(nèi)智能控制器設(shè)計(jì)

選用TiniARM T23A系列工控模塊作為系統(tǒng)核心，T23A是成熟的工業(yè)級(jí)嵌入式控制模塊，經(jīng)過嚴(yán)格測(cè)試，內(nèi)含LPC2366和工業(yè)級(jí)的TCP/IP協(xié)議芯片，用戶只需在底板上設(shè)計(jì)系統(tǒng)的外圍接口電路即可。根據(jù)系統(tǒng)功能，外圍電路包括：CAN隔離收發(fā)器、動(dòng)態(tài)隔離驅(qū)動(dòng)電路、輸出信號(hào)回檢電路、故障檢測(cè)電路、LCD接口、鍵盤接口等，軌道電路內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖2。

圖2 室內(nèi)智能控制器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖

采用二乘二取二的安全型構(gòu)架，I系和II系通過串行總線同步數(shù)據(jù)，兩系計(jì)算機(jī)分別通過CAN1和CAN2獲取室外信號(hào)采集設(shè)備通過CAN總線發(fā)送來的軌道參數(shù)信息，進(jìn)行比較，確認(rèn)都正確后分別輸出動(dòng)態(tài)脈沖，共同通過安全驅(qū)動(dòng)與門輸出GJ的驅(qū)動(dòng)電壓。

同時(shí)，為了保證系統(tǒng)可靠性，2臺(tái)室內(nèi)智能控制器熱備運(yùn)行，共同驅(qū)動(dòng)1個(gè)軌道繼電器，當(dāng)1臺(tái)室內(nèi)智能控制器出現(xiàn)故障時(shí)，不影響整個(gè)系統(tǒng)的輸出。CAN1和CAN2也是雙網(wǎng)熱備，增加了通訊的可靠性。

2.3 室外信號(hào)采集設(shè)備設(shè)計(jì)

室外信號(hào)采集與處理設(shè)備結(jié)構(gòu)如圖3。

圖3 室外信號(hào)采集與處理設(shè)備結(jié)構(gòu)圖

當(dāng)軌道信號(hào)經(jīng)過隔離和調(diào)理后，輸入到DSP(TMS320F2812)時(shí)，由DSP內(nèi)部的12 bit A/D轉(zhuǎn)換器將模擬信號(hào)變換為數(shù)字信號(hào)，經(jīng)DSP進(jìn)行信號(hào)檢測(cè)與處理后，將有用信號(hào)通過DSP內(nèi)部的增強(qiáng)型CAN控制器（eCAN）將信號(hào)傳送給CAN總線收發(fā)器82C250，由82C250將信號(hào)傳送到CAN總線上。

為了增加信號(hào)采集與處理的可靠性，采用雙機(jī)熱備技術(shù)，當(dāng)其中1個(gè)DSP出現(xiàn)故障時(shí)，則由另1個(gè)DSP進(jìn)行采集和處理。為了增強(qiáng)系統(tǒng)的信號(hào)傳輸?shù)目煽啃?，采用雙路CAN信號(hào)收發(fā)方式。由于TMS320F2812內(nèi)部只嵌入1個(gè)CAN控制器模塊，因此需要再外接1路CAN控制器，用SJA1000作為另1個(gè)CAN控制器，以實(shí)現(xiàn)雙CAN通信模式。

3 方案的優(yōu)點(diǎn)

我國鐵路的軌道電路，無論是480型軌道電路，還是25 Hz相敏軌道電路或ZPW2000型軌道電路，都是以信號(hào)電纜作為室內(nèi)、外的傳輸媒介，這樣的方式帶來很多問題：（1）電纜的電阻對(duì)軌道電路影響很大，當(dāng)區(qū)段距離較遠(yuǎn)時(shí)，往往要進(jìn)行加芯處理，以降低信號(hào)在傳輸通道上的衰減。（2）有些還需要設(shè)置電纜模擬盤對(duì)不同區(qū)段的特性進(jìn)行補(bǔ)償。（3）當(dāng)區(qū)段數(shù)量較多時(shí)，電纜的耗費(fèi)很大，不僅大大增加施工的難度而且工程費(fèi)用也增加很多。

基于以上原因，網(wǎng)絡(luò)化高壓不對(duì)稱脈沖軌道電路利用CAN總線通信方式，實(shí)現(xiàn)室內(nèi)、外信號(hào)的傳輸。這種技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)如下：

（1） 各軌道電路之間可以建立智能通信網(wǎng)絡(luò)，有利于對(duì)區(qū)段占用的邏輯進(jìn)行判斷，并可以有效防止區(qū)段閃紅等故障情況。

（2） 避免了信號(hào)在電纜中的衰減，系統(tǒng)采用數(shù)字化通信技術(shù)，在傳輸過程中可以實(shí)現(xiàn)零衰減，使得軌道電路的調(diào)整變得簡(jiǎn)單。

（3） 采用智能網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)接收軌道電路的信號(hào)，這種網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)可以通過網(wǎng)關(guān)連接到鐵路系統(tǒng)設(shè)備監(jiān)測(cè)系統(tǒng)（如：微機(jī)監(jiān)測(cè)）中，可以實(shí)現(xiàn)信號(hào)設(shè)備從“故障修”到“狀態(tài)修”的跨越。

（4） 采用數(shù)字通信方式可以大量節(jié)省電纜，減少工程施工量。采用數(shù)字通訊方式連接室內(nèi)外，1個(gè)車站只鋪設(shè)1根通信電纜即可，站場(chǎng)中各軌道電路之間組成總線型的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)洹?/p>

4 實(shí)驗(yàn)測(cè)試

網(wǎng)絡(luò)化高壓不對(duì)稱脈沖軌道電路研制成功后，在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行了測(cè)試實(shí)驗(yàn)，得到了大量的測(cè)試數(shù)據(jù)，測(cè)試數(shù)據(jù)表明，該軌道電路各項(xiàng)參數(shù)符合現(xiàn)場(chǎng)要求，表1為其中一項(xiàng)的測(cè)試參數(shù)。

表1中的參數(shù)介紹：

（1） 電壓檔：發(fā)送器通過跳線可以選擇200 V、300 V等檔位。

表1 軌道電路參數(shù)測(cè)試表—調(diào)整狀態(tài)（200 V檔）

（2）頻率：高壓不對(duì)稱脈沖發(fā)送器設(shè)置了4種頻率：3.25 Hz、3.50 Hz、3.75 Hz、4.00 Hz。

（3）波頭峰值：高壓不對(duì)稱脈沖最大值。

（4）波尾峰值：高壓不對(duì)稱脈沖最小值。

（5）信號(hào)頻率：高壓不對(duì)稱脈沖的頻率。

（6）TOUT：系統(tǒng)從受端采集信號(hào)后，經(jīng)過變換后的輸出，因?yàn)槠渲薪?jīng)過了1個(gè)8:1的變壓器降壓，所以稱為TOUT。

（7）DSP采集：室外接收器采樣DSP技術(shù)對(duì)采集信號(hào)進(jìn)行處理，其中包括FIR濾波和一些數(shù)據(jù)處理算法，計(jì)算出采集的參數(shù)。

（8）30.2/27.4：表示當(dāng)主備機(jī)同時(shí)工作時(shí)輸出的軌道繼電器電壓為30.2 V，當(dāng)主機(jī)或備機(jī)單獨(dú)工作時(shí)軌道繼電器電壓為27.4 V。

通過對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析，可以得出如下結(jié)論：

（1）CAN通信正常。在現(xiàn)場(chǎng)干擾信號(hào)比較復(fù)雜的情況下，CAN通信穩(wěn)定可靠，滿足實(shí)時(shí)性要求；

（2）能精確測(cè)量軌道受端電壓，并在LCD上顯示其電壓和頻率參數(shù)；

（3）信號(hào)主要特征參數(shù)頻率的測(cè)試精度小于0.5%；

（4）軌道繼電器的端電壓在備機(jī)也起作用時(shí)達(dá)到30 V以上，單機(jī)起作用時(shí)為27 V以上，完全滿足JWXC-1700的工作電壓要求；

（5）軌道電路的反應(yīng)時(shí)間滿足鐵路相關(guān)要求。

5 結(jié)束語

本文在GZ-2007A型多特征脈沖軌道電路的基礎(chǔ)上，提出了一種基于DSP技術(shù)和現(xiàn)場(chǎng)總線CAN網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)絡(luò)化高壓不對(duì)稱脈沖軌道電路方案，研制出了接收端設(shè)備，包括接收端室內(nèi)控制器和接收端室外信號(hào)采集器。經(jīng)過現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，可以達(dá)到軌道電路的應(yīng)用要求，同時(shí)在設(shè)備智能化和節(jié)約電纜成本等方面有突出的優(yōu)點(diǎn)，是一種有廣泛應(yīng)用前景的軌道電路。

[1] 鄧昌盛，邱寬民. 不對(duì)稱脈沖軌道電路接收系統(tǒng)的改進(jìn)方案[J] . 鐵道通信信號(hào)，2001，37（3）.

[2] 李肖兵. TBTC下的分路不良對(duì)策與管理辦法[J] . 鐵路通信信號(hào)工程技術(shù)，2008，5（4）.

[3] 趙杰，邱波. 對(duì)軌道電路分路不良的解決方案探討[J] .鐵道通信信號(hào)，2010，46（5）.