軌道電路檢測數(shù)據(jù)無線傳輸系統(tǒng)

楊吉

（中國鐵道科學研究院 基礎設施檢測研究所，北京 100081）

軌道電路檢測數(shù)據(jù)無線傳輸系統(tǒng)

楊吉

（中國鐵道科學研究院 基礎設施檢測研究所，北京 100081）

電務檢測車裝備的信號檢測系統(tǒng)用于在動態(tài)條件下判別地面軌道電路工作狀態(tài)。受作業(yè)條件限制，電務檢測車采用有線方式采集軌道電路數(shù)據(jù)，存在諸多不便及安全隱患。研發(fā)了適用于電務檢測車的軌道電路檢測數(shù)據(jù)無線傳輸系統(tǒng)，重點闡述其關鍵技術和實現(xiàn)方式。應用試驗表明，在無需對牽引機車和電務檢測車設備進行大規(guī)模改造的情況下，該系統(tǒng)可降低作業(yè)人員工作強度，消除安全隱患，明顯提高檢測效率與便捷性。

軌道電路；檢測數(shù)據(jù)；無線傳輸；電務檢測車

1 電務檢測車既有作業(yè)模式

電務檢測車裝備的通信、信號動態(tài)檢測系統(tǒng)，可準確判別電務軌旁設備的實時狀態(tài)，有效指導現(xiàn)場維修，因而在電務維護裝備體系中占據(jù)重要地位。在信號動態(tài)檢測系統(tǒng)的各子項目中，軌道電路感應電流數(shù)據(jù)量最大，作用也最為突出。由于電務檢測車執(zhí)行任務時需連掛機車，受軌道電路工作原理限制，只能通過機車車載設備獲取相關數(shù)據(jù)。通常方法是，從牽引機車的機車信號主機測試插孔引出采集電纜組，該電纜組經機車上的開孔（如窗戶、檢查口等）穿出車體，采用綁扎方式懸掛在牽引機車和電務檢測車之間，并最終將感應信號引至后者安裝的采集設備上。采集電纜組由2～3根多芯電纜組成，長度一般大于30 m。電務檢測車軌道電路檢測子系統(tǒng)既有作業(yè)模式見圖1。

該作業(yè)模式存在以下缺點：（1）由于電纜組需在檢測作業(yè)時臨時懸掛在車體外部，存在脫落、拖掛地面設施等風險。（2）由于電纜穿出口需保持敞開狀態(tài)，破壞機車密封性，雨雪、灰塵等易滲入機車車體，干擾人員及車載設備工作，嚴重時甚至會引發(fā)設備短路。同時，電纜組的懸掛作業(yè)一般在站內進行，工作量大且作業(yè)時間窗口狹窄。（3）鄰線運行的機車車輛會威脅到作業(yè)人員的人身安全，在雨霧等不良氣象條件下上述問題更為突出。

針對上述問題及缺陷，提出適用于電務檢測車的軌道電路檢測數(shù)據(jù)無線傳輸系統(tǒng)，通過布設在機車上的前端裝置完成相關數(shù)據(jù)采集和解析，并使用無線通道替代電纜組傳輸數(shù)據(jù)，達到消除隱患、降低工作強度的目的。

圖1 電務檢測車軌道電路檢測子系統(tǒng)既有作業(yè)模式

2 系統(tǒng)設計

我國鐵路采用的軌道電路種類較多，技術參數(shù)差別較大。以應用最為廣泛的ZPW2000移頻軌道電路為例，該系統(tǒng)在1 700、2 000、2 300、2 600 Hz 4種載頻上，疊加10.4～29.0 Hz（間隔1.1 Hz）的18種低頻信息。經機車輪對分路后，在最惡劣條件下ZPW2000軌道電路的分路電流＞0.50 A（2 600 Hz載頻＞0.45 A）。動態(tài)條件下，一般采用電磁感應方式采集分路電流，受工作原理限制，采集線圈需安裝在機車運行方向第一個輪對前方。故無法在電務檢測車上安裝接收線圈進行信號采集，一般通過機車信號主機測試插孔獲取信號[1]。

電務檢測車的作業(yè)范圍覆蓋國內多數(shù)線路，故檢測系統(tǒng)應滿足我國常見制式移頻軌道電路的動態(tài)檢測需要，包含ZPW2000、UM71、國內移頻等制式軌道電路，主要需求如下：

（1）通過機車信號主機測試插孔采集軌道電路感應信號，解析感應信號的載頻、低頻、細化譜、主要成份幅值等信息。

（2）采集機車信號主機燈位信息。

（3）采集前端裝置自身工作狀態(tài)。

（4）存儲上述信息，并經無線通道發(fā)送給檢測車安裝的接收裝置。

（5）接收裝置應兼容既有SIAS-I型信號檢測系統(tǒng)的數(shù)據(jù)接口，在不對原有信號檢測系統(tǒng)改動的情況下，接收、展示、存儲檢測數(shù)據(jù)。

根據(jù)上述需求，軌道電路檢測數(shù)據(jù)無線傳輸系統(tǒng)采用分體式結構，總體結構見圖2。系統(tǒng)由機車車載前端裝置和檢測車接收裝置2部分組成。在執(zhí)行檢測任務時，機車車載前端裝置臨時安裝在牽引機車設備間中，通過電纜組連接機車信號主機測試插孔，經隔離電路后采集軌道電路信號及燈位信號。相應數(shù)據(jù)經對應模塊處理后，發(fā)送給前端裝置主板，完成數(shù)據(jù)的組包、存儲，并經無線通道發(fā)送給檢測車車載接收裝置。經接收裝置校驗后，經局域網(wǎng)發(fā)送給數(shù)據(jù)分析機，存儲并供測試人員分析。

圖2 軌道電路檢測數(shù)據(jù)無線傳輸系統(tǒng)總體結構

3 系統(tǒng)實現(xiàn)

前端裝置可由機車信號主機的110 V電源或自身攜帶的電池供電。系統(tǒng)各板卡所需5 V電源由前端裝置主電源提供，各板卡所需1.8 V及3.3 V電源則由自身穩(wěn)壓電路提供。

軌道電路感應信號處理模塊的作用是：采集并解析軌道電路感應信號，提供給前端裝置主板。為減輕主處理器的運算壓力，降低編程難度，提高系統(tǒng)實時性，該模塊采用獨立處理器進行信號解析，其結構見圖3。

圖3 軌道電路感應電流處理模塊結構

軌道電路感應信號處理模塊的穩(wěn)壓電路由單片低壓差穩(wěn)壓器TPS76801QPWP為核心構成，為模塊提供所需的1.8 V及3.3 V電源。該模塊的輸入信號為峰峰值小于3 V的交流電壓信號，輸入電路由隔離芯片ISO124為核心構成，用于信號的隔離和放大。AD采樣電路由模數(shù)轉換器ADS1174及外圍電路構成，由模塊處理器的定時中斷觸發(fā)采樣，通過并行接口向處理器提供數(shù)據(jù)。模塊處理器選取數(shù)字信號處理器TMS320F28335，為支持解析程序的運行，由靜態(tài)存儲芯片CY7C1041CV33構成外擴存儲電路。經分處理器運算獲得的數(shù)據(jù)通過串行接口傳送給前端裝置主板。

軌道電路感應信號模塊解析程序流程見圖4。軌道電路感應信號的解析運算由模塊子處理器進行，模數(shù)轉換（AD）采樣數(shù)據(jù)通過數(shù)字濾波，形成主信號、鄰線、鄰區(qū)段、干擾等各自的包絡，利用頻域分析技術對主感應信號進行數(shù)字處理。為提高抗干擾性和信號頻率的分辨率，系統(tǒng)采用頻譜細化技術（ZFFT），對重點頻段進行局部放大并最終獲得信號的載頻、低頻、主要成份幅值等信息。經多次程序優(yōu)化，軌道電路處理模塊的數(shù)據(jù)解析、輸出頻率最高為9 Hz[2-3]。

圖4 軌道電路模塊解析程序流程

燈位信號采集模塊用于機車信號主機燈位信息的采集和解析。該信號為開關管量信號，采集模塊結構相對簡單。輸入信號經輸入電路隔離、預處理后，形成數(shù)字信號，經并行接口傳送給前端裝置主板。

前端裝置主板的作用是：采集前端裝置的狀態(tài)信息，檢測數(shù)據(jù)的打包、存儲、發(fā)送。以32位處理器STM32F103VET6為核心，該芯片具備高可靠性、低功耗、中斷響應迅速等特點，可滿足檢測系統(tǒng)高實時性、高可靠性的要求。

主板工作模式如下：若前后端無線連接正常，系統(tǒng)將數(shù)據(jù)包經無線通道發(fā)送給位于檢測車的軌道電路檢測上位機。若前后端無線連接斷開，無線傳輸子模塊將嘗試恢復連接，并自動將未發(fā)送的數(shù)據(jù)轉發(fā)至上位機。系統(tǒng)具備自身狀態(tài)監(jiān)測功能，可將系統(tǒng)核心模塊的工作狀態(tài)、整體電能消耗等情況發(fā)送給上位機，并可響應來自操作人員的遠程復位命令。

前端裝置主處理器程序流程見圖5。以每250 ms為1個周期，定時啟動。將內存中的檢測數(shù)據(jù)包進行循環(huán)冗余校驗（CRC），拋棄錯誤包。隨后將數(shù)據(jù)包壓入發(fā)送隊列并存儲。若發(fā)送隊列已滿，則直接存儲數(shù)據(jù)并記錄數(shù)據(jù)斷點位置，并在隨后的周期中發(fā)送。

4 系統(tǒng)應用試驗

傳輸天線的安裝、配置是影響無線通道穩(wěn)定性的重要因素，由于前端裝置是在機車上臨時安裝，不具備安裝專用車外天線的條件。為驗證系統(tǒng)通道的穩(wěn)定性，選取山區(qū)、隧道較多的線路進行應用測試。測試共進行5個單程，順序編號為T1～T5，每個單程85 km。測試時，分別采用機車車頂全球定位系統(tǒng)（GPS）天線以及在設備間內布設6.8 dB的天線。試驗過程如下：

T1、T3次試驗，電務檢測車處于機次位；T2次試驗，電務檢測車處于列尾位，與牽引機車間隔9節(jié)車廂。3次測試均采用機車車頂GPS天線。其中T1次數(shù)據(jù)源采用模擬方式提供，T2、T3次檢測設備連接到軌道電路測試接口。

T4次試驗，電務檢測車處于機次位，數(shù)據(jù)源采用模擬方式提供；T5次試驗，電務檢測車處于列尾位，檢測設備連接到軌道電路測試接口。2次測試均采用6.8 dB的內置天線。

圖5 前端裝置主處理器程序流程

各試驗中，電務檢測車均開啟其裝備的測試接收機（ESPI），用于監(jiān)測無線信號強度；同時打開數(shù)據(jù)分析機，以統(tǒng)計數(shù)據(jù)包丟失情況。測試數(shù)據(jù)統(tǒng)計見表1。

T1/T3/T4次試驗，最大連續(xù)丟包個數(shù)均未超過3個，平均丟包率小于2.21%，接收位置信號強度為-62～-45 dBm。故在機次位，無論是使用頻段差異較大的車載GPS天線還是頻段匹配的內置天線，均可滿足檢測需要。T3次測試數(shù)據(jù)接收情況示例見圖6。

T2/T5次試驗，電務檢測車處于列尾位。T5次試驗，最大連續(xù)丟包個數(shù)為5個，全程僅出現(xiàn)1次，且未出現(xiàn)連續(xù)丟失4包的情況。而T2次試驗，最大連續(xù)丟包個數(shù)達到14個，同時平均丟包率高達22.10%，接收強度較低。故檢測車處于列尾位時，采用內置天線滿足檢測需要。而頻段差異較大的GPS車頂天線，則難以滿足需要。T5次測試數(shù)據(jù)接收情況示例見圖7。

表1 測試數(shù)據(jù)統(tǒng)計

圖6 T3次測試數(shù)據(jù)接收情況示例

圖7 T5次測試數(shù)據(jù)接收情況示例

5 結束語

適用于電務檢測車的軌道電路檢測數(shù)據(jù)無線傳輸系統(tǒng)是根據(jù)鐵路信號專業(yè)特點提出的一種軌道電路動態(tài)檢測技術設備。在無需對牽引機車和電務檢測車設備進行大規(guī)模改造的情況下，降低了作業(yè)人員工作強度，消除了安全隱患，效率明顯提高，也提高了電務檢測車信號動態(tài)檢測的便捷性。該技術不但能夠滿足電務檢測車日常檢測需求，也可在脫離電務檢測車情況下，單獨安裝在機車設備間，在無人值守情況下采集解析軌道電路數(shù)據(jù)，供維護人員在地面進行分析處理。

目前，系統(tǒng)采用前端裝置與接收裝置直接進行無線通信的模式，通信效果與兩者間的距離關系密切。當兩者距離較近時，如電務檢測車處于機次位，通信效果可以保證。但當電務檢測車位于列尾位時，特別是滿軸列車尾部時，在地形復雜區(qū)段，無線通信的丟包率大幅上升。GSM-R基于基站進行通信，若采用該通道傳輸檢測數(shù)據(jù)，可有效解決該問題。隨著鐵路通信的發(fā)展，GSM-R網(wǎng)絡已經普及，將對GSM-R網(wǎng)絡在檢測數(shù)據(jù)無線傳輸方面的應用進行研究，達到降低數(shù)據(jù)丟包率、提高通信質量的目的。

[1]張富春. ZPW-2000A無絕緣軌道電路的測試[J]. 鐵 路通信信號，2004，40(10)：22-23.

[2]馬滄海，楊世武，梁皖貴. ZPW-2000A軌道電路自 動測試系統(tǒng)的軟件設計[J]. 鐵路計算機應用， 2007，16(5)：29-31.

[3]朱瑋. 移頻干擾信號輔助檢測技術研究[J]. 中國鐵 路，2016(5)：91-95.

The Wireless Transmission System for Track Circuit Inspection Data

YANG Ji
（Infrastructure Inspection Research Institute，China Academy of Railway Sciences，Beijing 100081，China)

The signal inspection system equipped on telecommunication and signal inspection car is used to distinguish the working condition of underground track circuit in dynamic situation. Subject to operating conditions, it is inconvenient and unsafe for telecommunication and signal inspection car to collect track circuit data by wire. Therefore, the wireless transmission system for track circuit inspection data applied by telecommunication and signal inspection car is invented. The paper is mainly to elaborate its key technology and operation. According to application test, the system can decrease operators’ working strength, eliminate potential risks and significantly promote inspection efficiency and convenience without reconstructing traction engine and telecommunication and signal inspection car in a large scale.

track circuit；test data；wireless transmission；telecommunication and signal inspection car

U285；U284

A

1001-683X（2017）10-0096-05

10.19549/j.issn.1001-683x.2017.10.096

楊吉（1983—），男，助理研究員，碩士。E-mail：yangji@rails.cn

責任編輯 盧敏

2017-06-29