基于Simulink的ZPW?2000軌道電路仿真分析

王梓丞　張亞東　郭進(jìn)　孫寧先　羅蓉

摘 要： 軌道電路是我國鐵路列車運(yùn)行控制系統(tǒng)的關(guān)鍵設(shè)備之一，在此基于Simulink建立了ZPW?2000軌道電路仿真模型，并實(shí)現(xiàn)了軌道信號的調(diào)制與解調(diào)。在模型基礎(chǔ)上，分析了室外環(huán)境及故障對軌道電路性能的影響。結(jié)果表明，道床電阻值降低至0.7 Ω/km時(shí)，軌道電路“紅光帶”故障發(fā)生；3個(gè)及其以上補(bǔ)償電容斷線時(shí)，軌道電路將產(chǎn)生錯(cuò)誤的占用信息；電氣絕緣節(jié)破損會(huì)造成機(jī)車信號設(shè)備受到干擾，破損嚴(yán)重時(shí)列車會(huì)收到相鄰區(qū)段的錯(cuò)誤控制信息。仿真結(jié)果與現(xiàn)場測試數(shù)據(jù)的比較，驗(yàn)證了該模型的準(zhǔn)確性，通過該文方法，可為鐵路現(xiàn)場的維護(hù)及調(diào)試工作提供技術(shù)支持。

關(guān)鍵詞： Simulink； ZPW?2000軌道電路； 信號調(diào)制解調(diào)； 電氣絕緣節(jié)

中圖分類號： TN108+.7?34； TN710；U284.2 文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A 文章編號： 1004?373X（2017）06?0079?05

Abstract： The track circuit is one of the key devices of China′s railway train operation control system. On the basis of Simulink， the simulation model of the ZPW?2000 track circuit was established， and the modulation and demodulation of the track signal were realized. The impact of outdoor environment and fault on the track circuit performance is analyzed on the basis of this model. The results show that the ″red light strip″ fault of the track circuit occurs when the track bed resistance is lower than 0.7 Ω/km； when more than three compensation capacitors disconnect from the rail， the track circuit generates the wrong occupancy information； the cab signal equipment may be disturbed if the electrical insulation joint is broken， and the train may receive the false control information of the adjacent segment if the breakage is severe. The site test data is compared with the simulation result to verify the accuracy of the model. The method can provide the technical support for railway on?site maintenance and debugging.

Keywords： Simulink； ZPW?2000 track circuit； signal modulation and demodulation； electrical insulation joint

軌道電路是以鋼軌作為導(dǎo)體，用于自動(dòng)、連續(xù)檢測線路是否被列車占用的電路，另外，由軌道電路發(fā)送的軌道信號還通過電磁感應(yīng)方式為列車車載信號設(shè)備提供行車許可[1]。作為鐵路信號自動(dòng)控制與遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)的重要組成部分，軌道電路性能的優(yōu)劣直接影響著行車安全和運(yùn)輸效率。

我國高速鐵路普遍采用的ZPW?2000系列無絕緣軌道電路在軌道上加裝補(bǔ)償電容以延長軌道電路的傳輸距離，在調(diào)諧區(qū)安裝電氣絕緣節(jié)實(shí)現(xiàn)相鄰軌道電路間的電氣隔離。相比傳統(tǒng)軌道電路，無絕緣軌道電路不用安裝扼流變壓器，且無需鋸軌，但其結(jié)構(gòu)變得更加復(fù)雜，并易受到環(huán)境的影響，因此，有必要建立無絕緣軌道電路的仿真模型，并分析軌道電路在各種工況下的工作性能。Simulink是高度可視化的建模仿真工具，Simulink將系統(tǒng)分解成在物理和功能上相對獨(dú)立的子系統(tǒng)，而各子系統(tǒng)模塊采用分層結(jié)構(gòu)，使建模的自由度及效率大大提高[2]。考慮到ZPW?2000結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，本文基于Simulink建立軌道電路的仿真模型。

1 ZPW?2000軌道電路仿真模型

1.1 ZPW?2000基本結(jié)構(gòu)及工作原理

ZPW?2000軌道電路由發(fā)送器、電纜模擬網(wǎng)絡(luò)、SPT電纜、匹配單元、調(diào)諧區(qū)小軌道電路以及鋼軌線路組成，其中，發(fā)送器產(chǎn)生高精度移頻信號；電纜模擬網(wǎng)絡(luò)補(bǔ)償SPT電纜使電纜總長度達(dá)到約10 km，以便于工程應(yīng)用；SPT電纜連接室內(nèi)與室外設(shè)備，傳輸軌道信號；調(diào)諧區(qū)中的電氣絕緣節(jié)實(shí)現(xiàn)相鄰軌道電路間的電氣分隔；匹配單元實(shí)現(xiàn)鋼軌與電纜的匹配連接；鋼軌線路由鋼軌和補(bǔ)償電容構(gòu)成，實(shí)現(xiàn)軌道信號的室外傳輸[3]。發(fā)送器產(chǎn)生的軌道信號，經(jīng)電纜設(shè)備和調(diào)諧區(qū)，沿鋼軌向接收器傳送，當(dāng)軌道被列車占用后，大部分軌道信號經(jīng)機(jī)車第一輪對回流，此時(shí)，接收端電壓低于閾值，繼電器落下表示區(qū)段占用，同時(shí)，機(jī)車信號設(shè)備利用接收線圈以電磁感應(yīng)的方式接收軌道電路信號，通過對感應(yīng)電壓信號進(jìn)一步解調(diào)和譯碼，最終提取出該信號中所包含的控車命令。軌道電路的整體結(jié)構(gòu)如圖1所示，圖1中，l表示補(bǔ)償電容的安裝間距，C表示補(bǔ)償電容容值，Zca表示電氣絕緣節(jié)設(shè)備與鋼軌的連接阻抗。

1.2 ZPW?2000的Simulink模型

根據(jù)ZPW?2000軌道電路的整體結(jié)構(gòu)及功能劃分，將軌道電路分為11個(gè)模塊進(jìn)行Simulink建模，并將各個(gè)模塊封裝到Simulink中的Subsystem子系統(tǒng)中，此外，在各模塊的輸出端設(shè)置電壓測量單元、均方根計(jì)算單元、數(shù)值及波形顯示單元以實(shí)現(xiàn)對輸出端電壓有效值的測量和顯示，ZPW?2000的Simulink模型如圖2所示。

（1） 模擬網(wǎng)絡(luò)及真實(shí)電纜

ZPW?2000電纜模擬網(wǎng)絡(luò)有0.5 km，1 km，2 km，4 km四種規(guī)格，分別模擬相應(yīng)長度的SPT真實(shí)電纜，根據(jù)工程需求組合安裝。模擬網(wǎng)絡(luò)由電阻、電感及電容等集中參數(shù)元件構(gòu)成，軌道信號經(jīng)模擬網(wǎng)絡(luò)后的衰耗與經(jīng)過相應(yīng)長度的SPT真實(shí)電纜的衰耗相同。在Simulink仿真軟件中，用Series RLC Branch元件搭建模擬網(wǎng)絡(luò)模型；SPT電纜的傳輸特性可由單位長度電阻（Ω/km）、電感（L/km）、電容（C/km）及漏導(dǎo)（S/km）表示，因此，在模型中SPT電纜用基于RLCG模型的Distributed Parameters Line元件模擬。

（2） 匹配單元

匹配單元由匹配變壓器、電感線圈及電解電容組成，其Simulink模型如圖3所示。其中，電容C1和C2分別串聯(lián)接入到鋼軌側(cè)電路中，主要起到隔離直流、導(dǎo)通交流的作用，防止鋼軌上的直流信號通過匹配單元流向軌道電路室內(nèi)設(shè)備，電感主要起到限流的作用。

（3） 鋼軌線路

由于鋼軌線路被補(bǔ)償電容分割，因此鋼軌線路可視為若干個(gè)補(bǔ)償單元級聯(lián)構(gòu)成，單個(gè)補(bǔ)償單元由補(bǔ)償電容以及2個(gè)[l2]長度的鋼軌組成，如圖4所示，其中Ri與Li對應(yīng)[l2]長度鋼軌的等效電阻與電感，Rd表示l長度道床的等效電阻，C為補(bǔ)償電容，Zra為補(bǔ)償電容與鋼軌的連接阻抗。

（4） 電氣絕緣節(jié)

無絕緣軌道電路電氣絕緣節(jié)形成諧振回路對不同信號頻率呈現(xiàn)不同阻抗，實(shí)現(xiàn)相鄰軌道的電氣隔離，其由兩個(gè)調(diào)諧單元BU、一個(gè)空心線圈SVAC及29 m長的鋼軌組成，如圖5所示。對于較低頻率（1 700 Hz，2 000 Hz）軌道信號，設(shè)置La，Ca兩元件構(gòu)成的Fa型調(diào)諧單元，對于較高頻率（2 300 Hz，2 600 Hz）軌道信號，設(shè)置Lb，Cb1，Cb2三元件構(gòu)成的Fb型調(diào)諧單元；空心線圈SVAC由電感元件Ls模擬，Zca為連接阻抗；Small_Rail_Half為14.5 m的鋼軌線路模型，建模過程與鋼軌線路模型相同。

2 軌道信號的調(diào)制解調(diào)及仿真實(shí)現(xiàn)

2.1 FSK信號的調(diào)制及仿真

ZPW?2000系列軌道電路主要采用移頻鍵控（FSK）調(diào)制信號作為其軌道信號。確定信號載頻后，軌道信號就是一個(gè)以載波頻率（f0）為中心加減頻偏（Δf）而形成的正弦信號[4]?；陬l率鍵控法的FSK信號調(diào)制原理如圖6所示，其采用數(shù)字矩形脈沖控制電子開關(guān)，使電子開關(guān)在兩個(gè)獨(dú)立的振蕩器之間切換，從而在輸出端得到不同頻率的已調(diào)信號。

基于FSK信號的調(diào)制原理，建立模型如圖7所示，此模型在軌道電路模型中的發(fā)送器子系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)。圖7中，采用受控源將FSK信號轉(zhuǎn)換為電壓源作為軌道電路輸入。

2.2 FSK信號的解調(diào)及仿真

FSK信號的解調(diào)方法主要包括相干解調(diào)和非相干解調(diào)2種。其中，包絡(luò)檢波法（非相干解調(diào)）不需要穩(wěn)定的本地相干載波信號，易于工程實(shí)現(xiàn)[5]，其原理框圖如圖8所示，用2個(gè)窄帶濾波器分別濾出頻率為f1及f2的脈沖，經(jīng)包絡(luò)檢測后取出包絡(luò)并送到抽樣判別器中進(jìn)行比較，從而得出解調(diào)信號。

基于上述原理，建立Simulink模型如圖9所示，此模型在軌道電路模型中的接收器子系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)。圖9中，接收端等效阻抗由實(shí)驗(yàn)室測試得到，零階保持模塊和量化編碼器共同實(shí)現(xiàn)抽樣判決的功能。

3 實(shí)例分析

3.1 仿真計(jì)算與驗(yàn)證

ZPW?2000軌道電路根據(jù)上下行線路共設(shè)有8種載頻，相鄰區(qū)段設(shè)置不同頻率，以及18種低頻，分別對應(yīng)18種列車控制信息。為了驗(yàn)證仿真模型的正確性，本文基于Simulink模型對軌道電路進(jìn)行了仿真，并選取了2014年11月北京電務(wù)段管內(nèi)的某段軌道電路作為比較對象，其相關(guān)參數(shù)如表1所示。軌道電路室外設(shè)備的基本電氣參數(shù)參見文獻(xiàn)[6?7]，室內(nèi)設(shè)備電氣參數(shù)由供貨商提供，連接阻抗等在實(shí)驗(yàn)室測試得到?，F(xiàn)場測試數(shù)據(jù)與計(jì)算結(jié)果對比見表2。由表2可見，仿真結(jié)果與現(xiàn)場測試數(shù)據(jù)的最大相對誤差在接收端軌面電壓處，數(shù)值為7.3%，表明本文所建立的軌道電路仿真模型具有較高的精確度。

軌道電路接收端軌道信號的解調(diào)結(jié)果如圖10所示，圖10中，f（t）為軌道信號調(diào)制波形；y1（t），y2（t）為軌道信號經(jīng)帶通濾波器濾波后的波形；d（t）為解調(diào)波形。仿真結(jié)果表明，該模型很好地實(shí)現(xiàn)了軌道信號解調(diào)功能。

3.2 道床電阻對軌道電路性能的影響

ZPW?2000軌道電路根據(jù)接收端電壓判斷區(qū)段是否有車占用，然而，在室外降雨量較大或潮濕時(shí)，常常使軌道電路產(chǎn)生大量的漏泄電流，導(dǎo)致軌道電路在無車占用時(shí)接收端電壓低于閾值，造成軌道電路“紅光帶”故障[8]。本文基于軌道電路的Simulink模型，通過改變l長度道床的等效電阻的方法實(shí)現(xiàn)室外環(huán)境對接收端電壓影響的分析。取接收變比18，接收端電壓閾值240 mV，因此，軌入電壓需要高于0.24×[N118]，N1為接收端變壓器初級線圈匝數(shù)。仿真結(jié)果如圖11所示，可見隨著道床電阻的減小，信號在傳輸過程中的漏泄增大，接收端電壓的有效值逐步降低，當(dāng)?shù)来搽娮柚档陀?.7 Ω/km時(shí)，“紅光帶”故障發(fā)生。

3.3 故障對軌道電路性能的影響

（1） 補(bǔ)償電容斷線。補(bǔ)償電容在延長軌道電路的傳輸距離上起到了重要作用，然而，由于雷電災(zāi)害、浪涌電壓、集膚效應(yīng)等原因，補(bǔ)償電容時(shí)常損壞[9]，對軌道電路性能帶來影響?；谲壍离娐返腟imulink模型，通過改變補(bǔ)償電容容值的方法實(shí)現(xiàn)對軌道電路補(bǔ)償電容斷線情形的仿真分析，仿真結(jié)果如圖12所示。從圖12中可以看出，補(bǔ)償電容斷線使得接收端電壓下降，但是單個(gè)補(bǔ)償電容斷線并不影響軌道電路的工作狀態(tài)，三個(gè)及其以上補(bǔ)償電容斷線時(shí)，軌道電路產(chǎn)生錯(cuò)誤的占用信息。

（2） 電氣絕緣節(jié)破損。電氣絕緣節(jié)破損會(huì)使相鄰軌道區(qū)段的信號進(jìn)入本軌道區(qū)段，實(shí)際使用過程中因列車運(yùn)行產(chǎn)生的振動(dòng)沖擊、現(xiàn)場搗固維護(hù)作業(yè)及復(fù)雜的應(yīng)用環(huán)境等因素均可導(dǎo)致電氣絕緣節(jié)設(shè)備發(fā)生破損。電氣絕緣節(jié)破損會(huì)導(dǎo)致與鋼軌的連接阻抗增大，在模型中可直接通過增大Zca值進(jìn)行模擬[10]。建立模型如圖13所示，分析相鄰軌道電路（發(fā)送1，接收1）對機(jī)車信號的干擾，圖13中Rf為列車等效分路電阻，取機(jī)車感應(yīng)電流閾值為500 mA，軌道電路的基本參數(shù)與前述相同。

考慮最不利條件，列車在軌道區(qū)段（發(fā)送2，接收2）接收端處分路（干擾最大），在此條件下改變Zca值對上述模型進(jìn)行仿真，當(dāng)分路電流大于閾值，車載信號設(shè)備收到軌道信號。仿真結(jié)果如圖14所示，可見電氣絕緣節(jié)破損導(dǎo)致相鄰軌道電路對機(jī)車信號設(shè)備的干擾逐步增大，當(dāng)電氣絕緣節(jié)連接阻抗達(dá)到正常時(shí)的1.6倍時(shí)，列車將會(huì)收到相鄰區(qū)段的錯(cuò)誤控制信息。

4 結(jié) 論

本文基于Simulink軟件建立了ZPW?2000無絕緣軌道電路的層次化模型，并實(shí)現(xiàn)了軌道信號的調(diào)制與解調(diào)。仿真結(jié)果與現(xiàn)場測試數(shù)據(jù)相比，最大相對誤差數(shù)值為7.3%，表明該模型具有較高的精確度。此外，在模型的基礎(chǔ)上，分析了道床電阻、補(bǔ)償電容斷線、電氣絕緣節(jié)破損等特殊工況對軌道電路性能的影響。結(jié)果表明，道床電阻減小將導(dǎo)致接收端電壓有效值降低，當(dāng)?shù)来搽娮柚档陀?.7 Ω/km時(shí)，“紅光帶”故障發(fā)生；補(bǔ)償電容斷線同樣會(huì)使接收端電壓下降，但是單個(gè)補(bǔ)償電容斷線并不影響軌道電路的工作狀態(tài)，三個(gè)及其以上補(bǔ)償電容斷線時(shí)，軌道電路將產(chǎn)生錯(cuò)誤的占用信息；電氣絕緣節(jié)破損會(huì)造成機(jī)車信號設(shè)備受到干擾，當(dāng)電氣絕緣節(jié)連接阻抗達(dá)到正常時(shí)的1.6倍時(shí)列車將會(huì)收到相鄰區(qū)段的錯(cuò)誤信息。

圖14 電氣絕緣節(jié)破損對軌道電路性能的影響

參考文獻(xiàn)

[1] 郭進(jìn).鐵路信號基礎(chǔ)設(shè)備[M].北京：中國鐵道出版社，2010.

[2] 夏飛，黃金泉，周文祥.基于Matlab/Simulink的航空發(fā)動(dòng)機(jī)建模與仿真研究[J].航空動(dòng)力學(xué)報(bào)，2007，22（12）：2134?2138.

[3] 孫上鵬.無絕緣軌道電路故障診斷方法研究[D].北京：北京交通大學(xué)，2014.

[4] 姚亞平.軌道信號解調(diào)研究[D].北京：北京交通大學(xué)，2007.

[5] 董昱.區(qū)間信號與列車運(yùn)行控制系統(tǒng)[M].北京：中國鐵道出版社，2008：38?43.

[6] 趙懷東，王改素.ZPW?2000A型自動(dòng)閉塞設(shè)備安裝與維護(hù)[M].北京：中國鐵道出版社，2005：234?235.

[7] 中華人民共和國鐵道部.鐵路數(shù)字信號電纜第1部分：一般規(guī)定：TB/T 3100.1—2004[S].北京：中國鐵道出版社，2004.

[8] 常運(yùn)嬌.軌道電路自動(dòng)調(diào)壓系統(tǒng)的研究[D].蘭州：蘭州交通大學(xué)，2012.

[9] 鄭福林.補(bǔ)償電容損壞的若干問題研究[J].鐵道通信信號，2009，45（12）：31?32.

[10] 孫上鵬，趙會(huì)兵，全宏宇，等.基于定性趨勢分析的無絕緣軌道電路電氣絕緣節(jié)設(shè)備故障診斷方法[J].中國鐵道科學(xué)，2014，35（1）：105?113.