基于電路仿真的軌道電路仿真技術(shù)研究

張 琦（北京全路通信信號(hào)研究設(shè)計(jì)院有限公司，北京 100073）

1 概述

軌道電路是鐵路信號(hào)系統(tǒng)的重要組成部分，它能夠提供軌道區(qū)段的空閑與占用信息，并作為地面設(shè)備與車(chē)載設(shè)備之間的信息傳輸通道，是關(guān)系到列車(chē)運(yùn)行安全的基礎(chǔ)設(shè)備，它能否正常工作直接決定了列車(chē)行車(chē)安全和行車(chē)效率。

軌道電路的良好設(shè)計(jì)是列車(chē)安全運(yùn)行的重要保證，國(guó)內(nèi)外的專(zhuān)家學(xué)者圍繞著軌道電路及其研究方法開(kāi)展了大量的工作。在實(shí)際線(xiàn)路上測(cè)試和驗(yàn)證軌道電路系統(tǒng)，由于成本過(guò)高且極限參數(shù)條件不易實(shí)現(xiàn)，無(wú)法滿(mǎn)足科研和工程的需要；同時(shí)由于軌道電路的復(fù)雜性，用解析方法對(duì)其進(jìn)行計(jì)算非常困難[1]。于是近年來(lái)國(guó)內(nèi)外同行普遍采用了仿真的方法對(duì)軌道電路進(jìn)行研究和分析[2-6]。仿真方法具有成本低、修改參數(shù)方便、重復(fù)性好的優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于研究不同參數(shù)條件（如鋼軌阻抗、道床電阻、補(bǔ)償電容配置方式、軌道電路長(zhǎng)度等）及各種工作狀態(tài)（如調(diào)整狀態(tài)、分路狀態(tài)、故障狀態(tài)等）情況下的軌道電路傳輸特性，為軌道電路的優(yōu)化設(shè)計(jì)和故障診斷提供了有力的支撐[3]。

本文提出了一種基于電路仿真的軌道電路仿真技術(shù)，該方法把軌道電路設(shè)備及鋼軌抽象成基本電路元件（電阻、電感、電容、變壓器等）的集合。軌道電路傳輸通道上的每一個(gè)設(shè)備都被建模成電路模型，并連接起來(lái)構(gòu)成軌道電路仿真電路模型。由于整個(gè)模型都是由基本的電路元件構(gòu)成，所以可以方便的進(jìn)行結(jié)構(gòu)的修改和參數(shù)的變化，使得通過(guò)該方法對(duì)軌道電路進(jìn)行仿真研究具有更高的靈活性，功能更為強(qiáng)大。

本文提出的軌道電路仿真模型通過(guò)M atlab/Sim u link平臺(tái)實(shí)現(xiàn)電路計(jì)算。Simulink是一個(gè)用于對(duì)動(dòng)態(tài)系統(tǒng)進(jìn)行建模和仿真的平臺(tái)，被廣泛應(yīng)用于電力[7]和電子電路[8]的仿真，并且支持用戶(hù)建立并封裝新的模塊[9]。通過(guò)在Simu link平臺(tái)上建立軌道電路仿真模型庫(kù)，可方便的實(shí)現(xiàn)仿真模型的標(biāo)準(zhǔn)化和模塊化，為仿真電路的搭建和仿真計(jì)算的控制提供了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

為了進(jìn)一步提高仿真工作的效率，本文還提出了軌道電路仿真系統(tǒng)中人機(jī)交互模塊和仿真控制模塊的設(shè)計(jì)方法，并通過(guò)M a t lab和PH P語(yǔ)言進(jìn)行了實(shí)現(xiàn)。人機(jī)交互模塊從用戶(hù)輸入得到仿真配置，仿真控制模塊則依據(jù)配置條件搭

張琦，男，畢業(yè)于中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)，工程師。主要研究方向?yàn)檐壍离娐?，曾參與ZPW-2000A站內(nèi)軌道電路系統(tǒng)的研究項(xiàng)目。建所需的電路仿真模型，并調(diào)用M atlab/Sim u link進(jìn)行計(jì)算，最后分析計(jì)算結(jié)果，提取所需要的數(shù)據(jù)，生成用戶(hù)可讀的Ex cel數(shù)據(jù)文件。通過(guò)這種方法，實(shí)現(xiàn)了仿真計(jì)算流程的自動(dòng)化，大大提高了軌道電路仿真計(jì)算工作的效率。

2 軌道電路仿真相關(guān)研究

物理仿真是實(shí)現(xiàn)軌道電路仿真的一種傳統(tǒng)方法，它通過(guò)在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)用軌道電路物理模擬裝置與實(shí)物設(shè)備相結(jié)合的方法搭建軌道電路仿真環(huán)境，進(jìn)行軌道電路試驗(yàn)。一般情況下，在物理仿真中只有鋼軌和傳輸電纜部分使用物理模擬裝置，其余所有的軌道電路電子設(shè)備和傳輸設(shè)備都使用實(shí)際產(chǎn)品。所以物理仿真中軌道電路實(shí)物設(shè)備可以方便地與模擬裝置進(jìn)行聯(lián)合試驗(yàn)，試驗(yàn)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確度和可信度高；但物理仿真方法投資較大，研制周期較長(zhǎng)，用每種物理模擬裝置只能對(duì)一定頻率范圍內(nèi)的軌道電路特性進(jìn)行試驗(yàn)和分析，當(dāng)需要對(duì)其他頻率信號(hào)進(jìn)行分析時(shí)，必須進(jìn)行模擬裝置的結(jié)構(gòu)修改或重建[10]。

四端口電路網(wǎng)絡(luò)（四端網(wǎng)）模型是對(duì)軌道電路系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)學(xué)建模和仿真的一種典型方法[11-13]，運(yùn)用均勻傳輸線(xiàn)和電路網(wǎng)絡(luò)理論，可以把軌道電路的各個(gè)單元通過(guò)簡(jiǎn)化和線(xiàn)性化處理建立成理想的四端網(wǎng)模型，使用A參數(shù)來(lái)描述其傳輸特性[14]。整個(gè)軌道電路可看作是一系列四端網(wǎng)的級(jí)聯(lián)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)軌道電路調(diào)整和分路狀態(tài)的仿真計(jì)算。但是對(duì)于大多數(shù)的軌道電路故障狀態(tài)，由于其不對(duì)稱(chēng)性和非確定性，很難使用四端口網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行建模和仿真。

根據(jù)軌道電路的鏈形電路等效模型，陳永生等提出了有限元準(zhǔn)對(duì)角線(xiàn)矩陣法[15]對(duì)軌道電路進(jìn)行仿真計(jì)算。這種方法適用于均勻分布參數(shù)和非均勻分布參數(shù)軌道電路，并且可以分析電流、電壓在整個(gè)電路中的分布規(guī)律。但隨著軌道電路被劃分段數(shù)的增加，描述軌道電路的矩陣規(guī)模隨之增加，該方法的計(jì)算量會(huì)顯著提高[11]。

3 基于電路仿真的軌道電路仿真系統(tǒng)

本文提出的基于電路仿真的軌道電路仿真系統(tǒng)是一個(gè)結(jié)構(gòu)化的系統(tǒng)，系統(tǒng)的各個(gè)子模塊既相互獨(dú)立又互相聯(lián)系，每個(gè)模塊功能明確、接口清晰，組成一個(gè)有機(jī)的整體，共同實(shí)現(xiàn)軌道電路仿真計(jì)算。

3.1 軌道電路仿真系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

如圖1所示，基于電路仿真的軌道電路仿真系統(tǒng)由電路仿真計(jì)算軟件、軌道電路仿真模型庫(kù)、仿真控制模塊、人機(jī)交互模塊4個(gè)部分組成。

電路仿真計(jì)算軟件完成仿真電路模型的計(jì)算工作，在本文中采用了M atlab/Simulink軟件；軌道電路仿真模型庫(kù)建立在電路仿真軟件中，存儲(chǔ)著軌道電路設(shè)備/元件的電路模型；人機(jī)交互模塊是仿真系統(tǒng)的對(duì)外輸入輸出接口，接收用戶(hù)的輸入并把仿真結(jié)果輸出給用戶(hù)；仿真控制模塊則負(fù)責(zé)仿真電路模型的建立、仿真計(jì)算的控制等控制功能。

3.2 基于電路仿真的軌道電路仿真流程

一個(gè)完整的軌道電路仿真流程,如圖2所示。首先人機(jī)交互模塊接收用戶(hù)輸入數(shù)據(jù)生成場(chǎng)景配置表，場(chǎng)景配置表描述了用戶(hù)的仿真需求，包括軌道電路的配置、參數(shù)、用戶(hù)所需要的仿真結(jié)果項(xiàng)目等信息；仿真控制模塊根據(jù)場(chǎng)景配置表，從仿真模型庫(kù)中選取模型，并搭建成軌道電路的仿真電路模型；仿真計(jì)算軟件對(duì)該電路模型進(jìn)行計(jì)算，輸出計(jì)算結(jié)果；人機(jī)交互模塊對(duì)仿真軟件的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行進(jìn)一步的加工和提煉，生成用戶(hù)可讀的仿真結(jié)果。

4 軌道電路系統(tǒng)建模

軌道電路系統(tǒng)的電路建模是基于電路仿真進(jìn)行軌道電路仿真計(jì)算的關(guān)鍵，本章將重點(diǎn)研究軌道電路系統(tǒng)模型和其中的關(guān)鍵模塊模型。

4.1 軌道電路系統(tǒng)模型

通過(guò)對(duì)軌道電路設(shè)備以及鋼軌等的分析研究，可以將其抽象成基本元器件構(gòu)成的電路，進(jìn)而連接成整個(gè)軌道電路系統(tǒng)的電路模型。如圖3所示，在Sim u link中建立的ZPW-2000A無(wú)絕緣軌道電路系統(tǒng)的模型，其中各個(gè)設(shè)備都被建模為Simulink電路模塊，并通過(guò)仿真控制模塊連接為一個(gè)整體。

對(duì)于軌道電路設(shè)備，如發(fā)送器、接收器、電纜模擬網(wǎng)絡(luò)、調(diào)諧單元、補(bǔ)償電容等設(shè)備，因其本身就是由電子/電氣器件組成的設(shè)備，所以可以直接使用設(shè)備的設(shè)計(jì)電路作為仿真電路模型。但對(duì)于鋼軌和電纜，則需要進(jìn)行研究和測(cè)量，以確定其電路模型。

4.2 鋼軌仿真電路模型

在軌道電路系統(tǒng)建模中，一般把鋼軌視為一段均勻傳輸線(xiàn)。軌道電路的兩條鋼軌固定在軌枕上并鋪設(shè)在線(xiàn)路的道床上面，其傳輸特性是由鋼軌線(xiàn)路的鋼軌阻抗（包括鋼軌電阻R和鋼軌電感L）和道砟電阻Bed R、線(xiàn)間電容C等參數(shù)所決定[16]。軌道電路的電能在傳輸過(guò)程中，因?yàn)閮筛撥夐g有電位差存在，造成電流由一根鋼軌經(jīng)過(guò)軌枕和道砟向另一根鋼軌漏泄，這樣使在兩根鋼軌之間形成許多并聯(lián)著的漏泄通路，這些通路的電阻就是道砟電阻[17]。道砟電阻是沿著鋼軌線(xiàn)路均勻分布在各點(diǎn)上的，因此可認(rèn)為鋼軌屬于均勻傳輸線(xiàn)。同時(shí)由于鋼軌的線(xiàn)間電容相比于加在鋼軌上的補(bǔ)償電容在計(jì)算中可忽略不計(jì)[18]，因此鋼軌模塊仿真電路模型如圖4所示。

圖4描述了一個(gè)鋼軌單元模塊的仿真模型，在本仿真系統(tǒng)中一般選取10～50 m鋼軌作為一個(gè)基本單元模塊，由多個(gè)鋼軌模塊級(jí)聯(lián)構(gòu)成圖3所示的軌道電路系統(tǒng)模型。

4.3 電纜仿真電路模型

傳輸電纜是連接軌道電路室內(nèi)與室外設(shè)備的通道，通常采用內(nèi)屏蔽數(shù)字信號(hào)電纜。電纜作為一條均勻傳輸線(xiàn)，其傳輸特性是由電纜芯線(xiàn)的阻抗（包括芯線(xiàn)電阻Cab le_R和芯線(xiàn)電感Cab le_L）和線(xiàn)間電容Cab le_C等參數(shù)所共同決定。因此電纜模塊的仿真電路模型如圖5所示。在本仿真系統(tǒng)中，選取100 m電纜作為一個(gè)基本模塊。

5 仿真試驗(yàn)數(shù)據(jù)

本文基于電路仿真建立了ZPW-2000A軌道電路的仿真系統(tǒng)，對(duì)ZPW-2000A軌道電路進(jìn)行了仿真計(jì)算，并與相同軌道電路配置的調(diào)整表數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比。

ZPW-2000A軌道電路調(diào)整表分為1 700 H z、2 000 H z、2 300 H z、2 600 H z四個(gè)頻率，區(qū)段長(zhǎng)度為300～1 500 m，共計(jì)204種仿真配置。對(duì)于每個(gè)仿真配置本試驗(yàn)均采集功出電壓、功出電流、送端軌面電壓、受端軌面電壓、主軌入電壓、軌出電壓6個(gè)仿真結(jié)果數(shù)據(jù)，共計(jì)1 224個(gè)仿真數(shù)據(jù)，與調(diào)整表數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，計(jì)算每個(gè)數(shù)據(jù)的誤差d，統(tǒng)計(jì)結(jié)果如圖6所示。

如圖6所示，1 224個(gè)仿真結(jié)果數(shù)據(jù)中，55%的仿真計(jì)算結(jié)果與調(diào)整表的誤差小于1%，90%的仿真計(jì)算結(jié)果與調(diào)整表的誤差小于3%，誤差最大為6%。

6 結(jié)論及展望

本文對(duì)軌道電路仿真技術(shù)進(jìn)行了研究，提出了一種基于電路仿真的軌道電路仿真技術(shù)，并應(yīng)用該方法實(shí)現(xiàn)了一套基于電路仿真的ZPW-2000A軌道電路仿真系統(tǒng)?；陔娐贩抡娴能壍离娐贩抡婕夹g(shù)具有靈活性好、仿真效率高、易于實(shí)現(xiàn)故障仿真等優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)仿真試驗(yàn)結(jié)果也表明該仿真技術(shù)具有很高的準(zhǔn)確性，可廣泛應(yīng)用于軌道電路的傳輸計(jì)算和故障分析等研究工作。

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