廣州地鐵13號線計軸輪軸脈沖畸變故障分析及解決方案

任鵬超

（廣州地鐵集團有限公司，廣東 廣州 510000）

0 引言

廣州地鐵十三號線已于2017年12月28日開通運營，本條線計軸采用的是科安達-提芬巴赫TAZⅡ/S295計軸設(shè)備，由室外車輪傳感器和室內(nèi)主機兩大部分組成，通過對軌道區(qū)段兩端駛?cè)肱c駛出計軸點的列車軸數(shù)的計數(shù)與比較, 來完成軌道區(qū)段空閑與占用狀態(tài)的自動檢查。計軸作為信號系統(tǒng)后備模式下使用的設(shè)備，理論上，計軸故障不應(yīng)會對CBTC模式運營列車產(chǎn)生影響，但由于信號廠家系統(tǒng)設(shè)計原因，某類計軸故障仍會導(dǎo)致道岔無法操動，列車進路無法排列，對地鐵正常運營產(chǎn)生較大影響。因此本文針對輪軸脈沖畸變導(dǎo)致的計軸干擾故障進行了分析，同時提出應(yīng)對措施，提高了十三號線計軸設(shè)備運行的穩(wěn)定性[2]。

1 TAZⅡ/S295計軸

1.1 科安達-提芬巴赫TAZⅡ/S295計軸車輪傳感器工作原理

車輪傳感器作為TAZⅡ/S295計軸的唯一室外電子單元，它由兩個相互獨立的傳感器單元SⅠ和SⅡ組成，車輪傳感器的內(nèi)部電路由一個高頻有源振蕩器和相應(yīng)的一系列附屬電路構(gòu)成。當(dāng)車輪接近傳感器時，電路輸出端端電壓升高，產(chǎn)生輪軸信號，即輪軸脈沖[3]。

圖1 車輪傳感器工作示意圖Fig.1 Wheel Sensor Operation Diagram

圖2 TAZⅡ/S295計軸系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)原理框圖Fig.2 Structural block diagram of TAZⅡ/S295 axle counting system

車輪跨越車輪傳感器DSS，兩個相互獨立、電路分離的傳感器單元分別感應(yīng)出車輪脈沖信號。兩路脈沖信號必須滿足有先后有重疊的特征，才被認為是有效的車輪信號，系統(tǒng)才會計入或計出一軸，如圖1所示。兩路輪軸信號的相位關(guān)系代表車輪的運動方向，計軸系統(tǒng)以此來識別列車運行方向。

1.2 TAZⅡ/S295 計軸系統(tǒng)工作過程

TAZⅡ/S295 計軸系統(tǒng)分室內(nèi)室外設(shè)備，室外設(shè)備主要是車輪傳感器，室內(nèi)設(shè)備包括放大板、計軸板、輸出板、復(fù)零板和電源板等單元。其中車輪傳感器與放大板組成車軸檢測單元，計軸板與輸出板等組成計軸運算單元，計軸系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理圖如圖2所示[4]。

車輪駛過車輪傳感器作用區(qū)域時，車輪傳感器產(chǎn)生的輪軸信號經(jīng)電纜傳輸?shù)绞覂?nèi)的放大板，由放大板AB將輪軸信號放大整形，整形后的信號如圖1所示，并傳送到計軸板。計軸板進行列車運行方向判別及軸數(shù)統(tǒng)計。計軸板的運算單元比較區(qū)段計入和計出的軸數(shù)，確定區(qū)段占用或空閑狀態(tài)，為輸出板提供輸入條件。輸出板根據(jù)計軸板和放大板提供的輸入條件，輸出區(qū)段空閑或占用信息。

2 TAZⅡ/S295計軸脈沖畸變故障分析

2.1 故障產(chǎn)生

廣州地鐵13號線在2017年11月22日-27日動車調(diào)試期間，官湖聯(lián)鎖區(qū)T4011、T4013區(qū)段多次出現(xiàn)計軸干擾現(xiàn)象，廠家人員通過使用GL900波形記錄儀對AC4011計軸點（T4011、T4013區(qū)段的公共計軸點）計軸傳感器的輪軸信號進行采集，最終捕捉到了畸變波形如圖3。當(dāng)列車第9軸經(jīng)過計軸點AC4011時，由于輪軸信號畸變，導(dǎo)致計軸系統(tǒng)判別該信號失效，從而少計一軸，由于區(qū)段的計入與計出數(shù)量不一致，所以導(dǎo)致區(qū)段干擾[5]。

2.2 原因分析

當(dāng)車輪輪對壓過計軸傳感器，則產(chǎn)生輪軸脈沖信號，脈沖信號經(jīng)過放大板的整形處理，然后輸出給計軸板進行識別計數(shù)，放大板可識別的有效脈沖長度為2ms，即脈沖信號持續(xù)時間只要大于2ms，放大板均可跟隨輸出脈沖信號。目前在線使用的放大板的脈沖拓展時長參數(shù)為8ms，在正常情況下，該放大板對軸脈沖的處理方式如圖4所示，有以下三種情況。

圖3 輪軸脈沖畸變波形圖Fig.3 Axis pulse distortion waveform

（a）當(dāng)輪軸脈沖信號長度小于2ms時，放大板輸出軸脈沖信號；

（b）當(dāng)輪軸脈沖信號長度大于8ms時，放大板輸出軸脈沖長度等于輸入脈沖長度；

（c）當(dāng)輪軸脈沖信號長度大于2ms小于8ms時，放大板輸出標準的8ms軸脈沖。

經(jīng)過對畸變的輪軸脈沖進行分析，發(fā)現(xiàn)在當(dāng)前運營條件下，列車通過該計軸車輪傳感器時，產(chǎn)生的輪軸脈沖信號（取波形上升SL與下降SL之間）寬度約為25ms，若產(chǎn)生畸變，信號會延遲5ms，該脈沖信號長度達到30ms。由于此時輪對經(jīng)過車輪傳感器兩個傳感器單元SⅠ和SⅡ的時間差△T約為5ms，就會導(dǎo)致DSS_SⅠ與DSS_SⅡ的輪軸脈沖信號同時結(jié)束，如圖5所示，不滿足信號有先有后的特征條件，計軸系統(tǒng)會將該信號判別為無效信號，從而少計一軸，此時就會出現(xiàn)如AC4011計軸點丟軸的情況，最終導(dǎo)致計軸干擾故障發(fā)生[6]。

圖4 放大板處理輪軸脈沖示意圖Fig.4 Enlarged plate processing wheel shaft pulse diagram

圖5 放大板對畸變脈沖處理示意圖Fig.5 Schematic diagram of distortion plate processing

2.3 解決方案

如何應(yīng)對由于脈沖信號畸變延遲結(jié)束產(chǎn)生的影響，現(xiàn)考慮將放大板的脈沖拓展時長參數(shù)由8ms調(diào)整為32ms。調(diào)整后放大板的脈沖處理方式較調(diào)整前有如圖6所示變化。

通過上述調(diào)整，由于放大板的脈沖處理方式發(fā)生變化，無論輪軸脈沖信號是正常的25ms還是異常延遲后的30ms，放大板的輸出脈沖均為標準的32ms，如圖7所示，雖然兩路脈沖信號同時結(jié)束，但放大板輸出了兩個具有先后順序的有效脈沖，計軸系統(tǒng)還是會正常計數(shù)，避免了故障的發(fā)生[7]。

圖6 兩種參數(shù)放大板對輪軸脈沖處理對比Fig.6 Comparison of Pulse Axis Processing of Two Parameter Amplification Plates

2.4 適應(yīng)性分析

車輪傳感器的脈沖長度受列車運行速度的影響，當(dāng)列車運行速度越快時，脈沖長度越小。以AC4011計軸點為例，在當(dāng)前運營計劃下，輪對經(jīng)過該點的速度約為90km/h，列車經(jīng)過時產(chǎn)生的輪軸脈沖長度約為20ms。現(xiàn)對其它速度情況下的計軸脈沖進行分析。

（a)當(dāng)列車運行速度不小于90km/h時，產(chǎn)生的輪軸脈沖長度將不大于25ms，脈沖延遲5ms后小于32ms，參數(shù)調(diào)整后的放大板將輸出標準的32ms脈沖。因此，當(dāng)速度不小于90km/h時，調(diào)整放大板脈沖拓展時長參數(shù)的方法能有效解決脈沖異常延長的問題。（b)當(dāng)列車運行速度小于90km/h時，輸入脈沖長度將大于25ms。由于速度降低，理論上也存在出現(xiàn)AC4011計軸故障的可能，但在實際監(jiān)測過程中發(fā)現(xiàn)，由于速度降低，輪對經(jīng)過車輪傳感器DSS的兩個傳感單元SⅠ和SⅡ時的時間差△T亦同時增大，大于脈沖畸變產(chǎn)生的5ms延遲時長，因此，當(dāng)出現(xiàn)如AC4011計軸的脈沖畸變時，放大板輸出的脈沖信號依然可以保證有△T-5＞0的時間差，如圖8所示，滿足計軸系統(tǒng)判定條件，計為有效[8]。

圖7 兩種參數(shù)放大板對畸變脈沖處理對比Fig.7 Comparison of distortion pulse processing with two kinds of parameter amplification board

由此可見，通過調(diào)整計軸放大板的脈沖拓展時長參數(shù)，可有效減少計軸丟軸故障的發(fā)生[9]。

圖8 正常脈沖與畸變脈沖處理對比Fig.8 Comparison of Normal Pulse and Distortion Pulse Processing

3 結(jié)論

本文簡述了科安達-提芬巴赫TAZⅡ/S295計軸系統(tǒng)的工作原理，同時針對車輪傳感器輪軸脈沖畸變引起的計軸故障進行了分析，并提出了有效的應(yīng)對措施，目前經(jīng)過對廣州地鐵13號線部分易發(fā)生丟軸的計軸，進行放大板脈沖拓展時長參數(shù)的調(diào)整之后，有效減少了計軸故障的發(fā)生，提高了系統(tǒng)穩(wěn)定性。對于使用該計軸系統(tǒng)的其他城市地鐵，可作為同類型故障處理參考[10]。