機(jī)車信號記錄器在LKJ數(shù)據(jù)誤差分析中的應(yīng)用

晁甲相

晁甲相:西安鐵路局電務(wù)處 工程師 710032 西安

機(jī)車信號和列車運(yùn)行監(jiān)控記錄裝置(以下簡稱LKJ)共同組成了列車安全運(yùn)行控制系統(tǒng)。在運(yùn)行途中，LKJ通過并行接口不斷采集機(jī)車信號送來的色燈信息，并連同距前方信號機(jī)距離、地面公里標(biāo)等其他實時信息，以LKJ內(nèi)部統(tǒng)一的時間基準(zhǔn)進(jìn)行記錄。同時，機(jī)車信號也連續(xù)采集地面軌道電路信號，以及從TAX2箱獲取的LKJ距離、公里標(biāo)等實時信息，以機(jī)車信號內(nèi)部統(tǒng)一的時間基準(zhǔn)進(jìn)行記錄。

由于機(jī)車在過絕緣節(jié)時，LKJ也同時體現(xiàn)為過信號機(jī)，此時軌道電路中的信號載頻、幅值會發(fā)生變化，因此通過對機(jī)車信號記錄文件的分析，確定載頻、幅值發(fā)生變化的時刻，再結(jié)合LKJ記錄文件，就可以計算出LKJ記錄信號機(jī)距離與地面實際距離的誤差，以此來修正LKJ原始距離。

1 基本設(shè)備簡介

1．LKJ的基本工作方式是將電務(wù)部門提供的原始信號機(jī)距離、絕緣節(jié)坐標(biāo)數(shù)據(jù)等寫入其數(shù)據(jù)芯片，以采集的軌道電路及機(jī)車信號色燈狀態(tài)作為運(yùn)行指令信息源，并在列車前進(jìn)過程中順序調(diào)用預(yù)先寫入的數(shù)據(jù)，監(jiān)控并記錄列車的運(yùn)行狀況。

2．TAX2箱即機(jī)車安全信息綜合檢測裝置，通過RS-485或CAN通信方式，從LKJ獲取列車實時運(yùn)行信息，并將這些信息通過RS-485接口以50 ms的周期傳送到機(jī)車信號通信板等功能單元。

3．機(jī)車信號記錄器是機(jī)車信號主機(jī)的車載記錄裝置，其主要功能是記錄與信號主機(jī)相關(guān)的狀態(tài)和波形信息。狀態(tài)信息主要有3種:①記錄器自身采集的燈位、速度等級、制式、絕緣節(jié)等;②以1/8 s為單位，連續(xù)記錄軌道電路信號載頻、低頻、幅度等主機(jī)譯碼信息;③記錄內(nèi)部時刻、公里標(biāo)、機(jī)車號、速度、信號機(jī)類型和編號等輔助信息。而波形信息是指機(jī)車信號感應(yīng)器所接收的地面軌道電路的實際波形數(shù)據(jù)。LKJ、TAX2箱、機(jī)車信號的連接如圖1所示。

2 LKJ數(shù)據(jù)誤差分析計算

2.1 過機(jī)的概念

圖1 LKJ、TAX2箱、機(jī)車信號連接示意圖

列車運(yùn)行中，LKJ距離顯示區(qū)以不斷遞減的數(shù)值顯示距下一架信號機(jī)的距離。理論上，當(dāng)機(jī)車前端信號雙路接收線圈越過地面絕緣節(jié)的瞬間，LKJ也剛好顯示為過信號機(jī)，剩余距離為零，同時調(diào)出下一分區(qū)距離。但實際上由于空轉(zhuǎn)、滑行、輪徑磨損，以及電務(wù)部門提供的LKJ原始信號機(jī)距離不準(zhǔn)等原因，會產(chǎn)生過機(jī)誤差，造成機(jī)車過絕緣節(jié)時，LKJ顯示的位置并不一定在信號機(jī)處，產(chǎn)生滯后或超前誤差。于是，將機(jī)車前端信號雙路接收線圈實際越過地面絕緣節(jié)，稱為監(jiān)控過機(jī);將LKJ顯示過信號機(jī)稱為邏輯過機(jī)，也就是LKJ文件記錄的通過信號機(jī)時刻。

2.2 通過狀態(tài)信息分析距離誤差

由于LKJ文件實時記錄了運(yùn)行距離，因此可以通過對LKJ文件記錄的分析，計算出任意2個時刻距離的差值。如果忽略空轉(zhuǎn)、滑行、輪徑不準(zhǔn)等因素，監(jiān)控過機(jī)和邏輯過機(jī)時刻之間的距離就是LKJ原始信號機(jī)的距離誤差。

在監(jiān)控過機(jī)時，由于軌道電路中的信號載頻、信號低頻、信號幅值發(fā)生變化，因此可通過分析機(jī)車信號的記錄文件，確定監(jiān)控過機(jī)的時刻。

2.3 不同制式距離誤差分析舉例

2.3.1 UM71區(qū)段

由于機(jī)車信號和LKJ內(nèi)部有各自的時鐘系統(tǒng)，兩者并不同步，這個時差標(biāo)記為Δt。為了方便計算，以LKJ時鐘為標(biāo)尺，把LKJ記錄的邏輯過機(jī)時刻定義為T邏輯，該數(shù)值可以從LKJ記錄文件中直接得到;監(jiān)控過機(jī)時刻定義為T監(jiān)控，機(jī)車信號系統(tǒng)中記錄的信號頻率或幅值變化時刻定義為T信號，那么根據(jù)分析，就有T監(jiān)控=T信號－ Δt;當(dāng) T監(jiān)控＞ T邏輯時，出現(xiàn)超前誤差，當(dāng)T監(jiān)控＜T邏輯時，出現(xiàn)滯后誤差。從圖1得知，經(jīng)機(jī)車信號主機(jī)譯碼后的燈位信號，同時送給機(jī)車信號記錄板和LKJ，同一地點兩者記錄文件中燈位變化的時差就是Δt。

2012年10月31日，T232次運(yùn)行在京廣上行線614.358－610.785 km處，經(jīng)過七里營時的一段機(jī)車信號記錄如圖2所示。通過逐步移動定位標(biāo)線，可查詢燈位變化的時刻，或按下工具條的【狀態(tài)檢索】按鈕，直接調(diào)出狀態(tài)記錄信息查詢窗口，見圖3，確定信號燈位變化順序是綠燈→綠黃燈→黃燈→黃2閃燈→雙黃閃燈。

接著再打開T232次經(jīng)過七里營時的一段LKJ文件記錄，找到與機(jī)車信號對應(yīng)的LKJ信號變化時刻，順序同樣是綠燈→綠黃燈→黃燈→黃2閃燈→雙黃閃燈，將機(jī)車信號燈位變化與LKJ信號變化分別列入表1。由于LKJ記錄的最小時間單位是1 s，而機(jī)車信號記錄時間單位是1/8 s，為了提高Δt的精確度，取4次燈位變化記錄的平均值作為兩者的時間差，當(dāng)然也可以取更多的次數(shù)來計算。

圖2 T232次七里營信號狀態(tài)顯示變化記錄

圖3 T232次七里營狀態(tài)記錄信息查詢窗口

本例中Δt平均值是5.813 s，即機(jī)車信號比LKJ時鐘系統(tǒng)快了5.813 s。

表1 機(jī)車信號與LKJ信號燈位變化記錄

由于 T監(jiān)控=T信號－Δt，而T信號是信號頻率或幅值變化時刻。查詢T232次在通過京廣上行線5626信號機(jī)時的頻率或幅值變化情況，逐步移動定位標(biāo)線，或直接調(diào)出狀態(tài)記錄信息查詢窗口，就可準(zhǔn)確定位 T信號。

從T232次通過5626信號機(jī)第15962條狀態(tài)檢索記錄中，找到信號頻率、幅值的變化點，第15962條記錄發(fā)生時刻是01:27:39.750;經(jīng)過10個1/8 s的單位后，頻率由 2598.1 Hz變?yōu)?001.0 Hz，時刻是01:27:39.750。加上 10個1/8 s，也就是01:27:41.000，這就是T信號。則T監(jiān)控=01:27:41.000－5.813 s=01:27:35.187。

根據(jù)T232次在京廣上行線通過5626信號機(jī)時的LKJ記錄，時間是01:27:34，該時刻就是T邏輯。

由于機(jī)車信號記錄器在運(yùn)行中要優(yōu)先處理并記錄狀態(tài)信息，如燈位、信號載頻、信號低頻、信號幅度等，而對于LKJ公里標(biāo)、速度等信息并不總是實時記錄，加上LKJ存在過機(jī)校正、車位校正、公里標(biāo)突變(長短鏈)等因素，所以不能通過機(jī)車信號記錄器公里標(biāo)變化數(shù)值推算距離誤差。而LKJ記錄文件實時記錄了地面信號機(jī)公里標(biāo)、距離等信息，可以作為距離推算的依據(jù)。本例中5626信號機(jī)LKJ原始距離是943 m，列車通過時的運(yùn)行速度是131 km/h，考慮到速度在短時間(幾秒內(nèi))變化很小，T監(jiān)控和T邏輯時刻之間的距離，即實際誤差Δs表示為:

Δs=131/3.6 ×(T監(jiān)控－T邏輯)=43.18(m)

由于T監(jiān)控＞T邏輯，所以5626出現(xiàn)超前誤差43.18 m，即LKJ距離比實際少了43.18 m，減去經(jīng)過前一架信號機(jī)5636時LKJ過機(jī)校正－1 m，那么5626信號機(jī)的實際距離S應(yīng)該是:

S=934+43.18－(－1)=978.18(m)

經(jīng)實地測量，該信號機(jī)距離是986 m，與推算值只差不到8 m。通過對多趟LKJ和機(jī)車信號文件的分析統(tǒng)計，最終可得到一個與實地測量基本相等的值。

2.3.2 其他信號制式區(qū)段

在上一例子中，通過T信號及Δt得出了5626信號機(jī)的T監(jiān)控，進(jìn)而求得距離誤差。使用同樣方法還可以得出其前一架信號機(jī)5636對應(yīng)的T監(jiān)控，其實這2個信號機(jī)T監(jiān)控之間的LKJ運(yùn)行距離才是5626信號機(jī)的準(zhǔn)確距離。無論使用哪種方法，計算的關(guān)鍵都是確定T監(jiān)控的值，而各種制式計算T邏輯和 Δt方法是一樣的，所不同的只是 T信號的推算。

1．半自閉普通移頻區(qū)段T信號推算。由于半自閉普通移頻區(qū)段在機(jī)車過預(yù)告點時，將接收到正常的載頻信號，在通過進(jìn)站、出站信號機(jī)時，信號幅值會發(fā)生較大的跌落，所以，在半自閉移頻區(qū)段，預(yù)告點的T信號以接收到信號載頻時刻來確定，進(jìn)站點的T信號以信號幅值跌落的時刻來確定，出站點的T信號以信號載頻消失的時刻來確定。

2．交流計數(shù)區(qū)段T信號推算。交流計數(shù)與普通移頻區(qū)段類似，機(jī)車過預(yù)告點時，將接收到50 Hz(或25 Hz)的載頻，在通過進(jìn)站信號機(jī)時，信號幅值會發(fā)生較大的跌落，越過出站信號機(jī)后，信號碼形會發(fā)生變化。同樣地，預(yù)告點的T信號以接收到的信號載頻時刻來確定;進(jìn)站點的T信號以信號幅值跌落的時刻來確定;出站點的T信號以信號碼形發(fā)生變化的時刻來確定。

2.4 通過波形信息分析距離誤差

波形信息是機(jī)車信號感應(yīng)器所接收的地面軌道電路的實際波形數(shù)據(jù)，被機(jī)車信號記錄插件實時記錄。通過對波形記錄的頻譜特性分析，結(jié)合LKJ文件即可求得距離誤差，計算的關(guān)鍵仍然是確定T信號的時刻。

以2012年11月17日T231次京廣線UM71區(qū)段元氏－高邑間的波形記錄為例，推算3091和3101信號機(jī)的T信號時刻。

通過鼠標(biāo)左鍵雙擊選定狀態(tài)文件3091信號機(jī)處的綠色波形標(biāo)簽，激活波形分析窗口，如圖4所示。可以看出由于過絕緣節(jié)，在9.000～9.500時間段信號幅值發(fā)生了明顯變化，同時也應(yīng)該有頻率的變化。由于UM71型軌道電路絕緣節(jié)由2個調(diào)諧單元F2型BA和F1型BA組成，分別諧振于2300 Hz、2600 Hz和 1700 Hz、2000 Hz，當(dāng)機(jī)車在主軌道電路(3091信號機(jī)前)運(yùn)行時，理論上接收到信號載頻為2300 Hz，下一分區(qū)載頻為1700 Hz的信號被F2型BA短路而接收不到;當(dāng)機(jī)車越過F2型BA，運(yùn)行在調(diào)諧區(qū)短小軌道電路區(qū)段，在到達(dá)調(diào)諧區(qū)下一F1型BA之前時，2300 Hz和1700 Hz 2種頻率并存，但由于2300 Hz信號會被F1型BA短路，機(jī)車信號只能接收1700 Hz信號，直至機(jī)車運(yùn)行到下一信號機(jī)。

在實際應(yīng)用中，由于調(diào)諧單元元器件本身不可能達(dá)到理想狀態(tài)，機(jī)車越過F2型BA前，會接收幅值很小的1700 Hz信號，越過F2型BA后，也會接收幅值很小的2300 Hz信號，那么在越過F2型BA的瞬間，必然存在一個載頻由2300 Hz向1700 Hz變化的過程，2300 Hz信號幅值迅速減小，1700 Hz信號幅值迅速增大，而這個變化的瞬間時刻就是3091信號機(jī)的T信號。

用手動頻譜分析，逐步在9.000～9.500時間段波形顯示區(qū)單擊鼠標(biāo)左鍵，按住鼠標(biāo)左鍵向右側(cè)拖動，在波形顯示區(qū)選定一塊會高亮的波形區(qū)域，再單擊工具條上的【頻譜分析】按鈕，對當(dāng)前選定區(qū)域的波形數(shù)據(jù)進(jìn)行頻譜分析，并將頻譜計算結(jié)果顯示在【頻譜分析圖形顯示區(qū)】中，如圖5所示。用鼠標(biāo)左鍵單擊峰值均值頻率按鈕，彈出的提示框自動顯示信號頻率值。通過多次重復(fù)操作，最終會找到一個載頻2300 Hz信號幅值迅速減小，1700 Hz信號幅值迅速增大的過程。

圖4 3091信號機(jī)波形分析窗口

通過波形分析，可以看出分別在9.182～9.230 s和9.222～9.270 s時間段，1710.75 Hz和1689.60 Hz的信號(也即中心頻率1700 Hz的信號)幅值迅速增大，2300.20 Hz和2295.95 Hz的信號(也即中心頻率2300 Hz的信號)幅值迅速減小，這個變化的瞬間時刻可用9.230 s和9.222 s的平均值表示為9.226 s，觀察顯示的波形起始時間 00:29:29.125，相加即為 00:29:38.351，這就是3091信號機(jī)的T信號。

運(yùn)用同樣的方法，對3101信號機(jī)進(jìn)行頻譜特性分析，可以看到分別在9.351～9.392 s和9.392～9.432 s時間段，2289.55 Hz和2309.55 Hz的信號幅值迅速增大，1709.60 Hz和1690.60 Hz的信號幅值迅速減小，這個變化的瞬間時刻為9.392 s，再加上波形起始時間00:29:58.375，結(jié)果為00:30:07.767，這就是3101信號機(jī)的T信號。

圖5 3091信號機(jī)頻譜特性分析窗口

3 結(jié)束語

通過以上對信號記錄的分析，能夠確定監(jiān)控過機(jī)時刻，再結(jié)合LKJ文件記錄，可以計算出信號機(jī)之間的準(zhǔn)確距離。特別地，當(dāng)列車勻速運(yùn)行時，可以不依賴于LKJ文件，直接由T信號計算出信號機(jī)距離。

現(xiàn)有的LKJ系統(tǒng)已具備對軌道信息頻率、幅度的記錄功能，但因記錄文件容量的大量增加，所以除新線開通和試驗外，一般不打開該功能。機(jī)車信號直接接收地面信息，采用大容量存貯器，可以當(dāng)做是對LKJ記錄文件的完善，通過更改記錄板上的跳線，還可根據(jù)需求設(shè)置記錄模式，使距離誤差分析更加準(zhǔn)確。