便攜式AF904數(shù)字軌道電路測(cè)試儀設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

魏麗麗，施 聰，陸鑫源，王振明

（1.上海工程技術(shù)大學(xué)，上海 201620；2.上海地鐵維護(hù)保障有限公司，上海 200235；3.通號(hào)通信信息集團(tuán)上海有限公司，上海 200070）

AF904型軌道電路是數(shù)字軌道電路的一種，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)軌道線路占用情況的監(jiān)督及傳遞行車信息，已應(yīng)用到多條地鐵線路中。其工作狀態(tài)直接關(guān)系列車是否正常運(yùn)營。目前，對(duì)AF904型軌道電路的維護(hù)方式是利用示波器和萬用表定期測(cè)試軌道電路的電流、頻率，以判斷其工作狀態(tài)。這種傳統(tǒng)的維護(hù)手段存在效率低、可測(cè)試參數(shù)少，無法判斷軌道電路數(shù)據(jù)傳輸是否正常等缺點(diǎn)。因此，有必要提供一個(gè)可測(cè)多種參數(shù)、能分析、解碼軌道電路數(shù)據(jù)、具備故障報(bào)警功能的測(cè)試設(shè)備。

在軌道電路測(cè)量方面，文獻(xiàn)[1]提出了基于相關(guān)算法的軌道電路測(cè)量方法；文獻(xiàn)[2]提出了一種基于故障預(yù)測(cè)與健康管理開放式分層體系的軌道電路特征參數(shù)采集及信息處理設(shè)備；文獻(xiàn)[3]提出了基于51單片機(jī)測(cè)試25 Hz相敏軌道電路的設(shè)計(jì)方案。在軌道電路故障診斷方面，文獻(xiàn)[4]提出了基于粒子群支持向量機(jī)的軌道電路故障診斷方法；文獻(xiàn)[5]提出了基于遺傳算法的無絕緣軌道電路故障綜合診斷方法；文獻(xiàn)[6]建立了基于ANFIS的音頻軌道電路故障診斷和預(yù)測(cè)模型；文獻(xiàn)[7]提出了一種便攜式可檢測(cè)多種軌道電路故障的測(cè)試儀的設(shè)計(jì)方案。

本文針對(duì)AF904數(shù)字軌道電路，提出一種基于數(shù)字信號(hào)處理（DSP）的離散短時(shí)傅立葉變換（DSTFT）、數(shù)字濾波等關(guān)鍵技術(shù)的便攜式測(cè)試儀的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)方案，以解決日常維護(hù)保養(yǎng)中傳統(tǒng)維護(hù)手段效率低，無法實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)解碼等問題。該測(cè)試儀結(jié)合專門研制的軌道拖行小車，可實(shí)現(xiàn)在鋼軌上連續(xù)測(cè)試，并實(shí)時(shí)解碼、顯示軌道電路信息，為軌道電路的日常維護(hù)保養(yǎng)、故障診斷提供了非常重要的支撐數(shù)據(jù)。

1 測(cè)試儀功能設(shè)計(jì)

綜合AF904數(shù)字軌道電路現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用情況及維護(hù)需求，測(cè)試儀具有電流、頻率等基本參數(shù)測(cè)量功能、測(cè)試數(shù)據(jù)分析功能、檢測(cè)結(jié)果可視化功能、輔助排查干擾源及報(bào)警等功能。

1.1 基本參數(shù)測(cè)量

具備對(duì)AF904軌道電路的基本參數(shù)電流、電壓和頻率進(jìn)行測(cè)量的功能。測(cè)量范圍：

電壓：5 mV～200 V

電流：5 mA～20 A

頻率：20 Hz～20 kHz

測(cè)量精度：±5%

1.2 測(cè)試數(shù)據(jù)分析

測(cè)試儀采集軌道電路的電壓、電流和頻率等參數(shù)，對(duì)采集參數(shù)進(jìn)行計(jì)算分析，根據(jù)所設(shè)閾值自動(dòng)判斷軌道電路的工作狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)對(duì)軌道電路性能指標(biāo)的定量化分析。

1.3 數(shù)據(jù)解碼

傳統(tǒng)的測(cè)試手段不能對(duì)數(shù)字軌道電路傳輸?shù)臄?shù)據(jù)進(jìn)行解碼，無法獲知速度碼等軌道電路的內(nèi)部編碼信息，導(dǎo)致無法及時(shí)發(fā)現(xiàn)誤操作等造成的數(shù)據(jù)篡改。本測(cè)試儀可采集AF904數(shù)字軌道電路傳輸?shù)臄?shù)據(jù)，并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行解碼，解析出軌道電路號(hào)、目標(biāo)速度、目標(biāo)距離等關(guān)鍵信息，便于維護(hù)人員核對(duì)及維護(hù)。

（1）微藻微觀水平的認(rèn)識(shí)。從分子水平上認(rèn)知微藻，了解其代謝途徑和機(jī)理，如微藻油脂積累途徑和太陽能轉(zhuǎn)化途徑。微觀水平的認(rèn)識(shí)有利于使用現(xiàn)代化基因技術(shù)構(gòu)建生長速度快、生物量高的優(yōu)良藻種，提高微藻的太陽能轉(zhuǎn)化效率，解決油脂積累與生物量積累的矛盾。

1.4 測(cè)試結(jié)果可視化

測(cè)試儀可以在顯示屏上顯示信號(hào)電壓值、頻率、軌道電路號(hào)等信息，還可以在智能終端APP的界面中顯示解碼后的目標(biāo)速度、目標(biāo)距離等值，實(shí)現(xiàn)檢測(cè)結(jié)果的可視化。

1.5 輔助排查干擾源

目前,軌道電路的故障中除硬件故障外，發(fā)生最多的是干擾造成的故障，但由于現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備較多，干擾信號(hào)很難排查，單靠市面上現(xiàn)有的儀器儀表，很難發(fā)現(xiàn)干擾源。該測(cè)試儀可以同時(shí)顯示軌道電路上接收到的3個(gè)信號(hào)最強(qiáng)的信號(hào)，便于預(yù)先查到干擾源。

1.6 報(bào)警

測(cè)試儀可事先設(shè)定各參數(shù)的閥值，并在超出閾值范圍時(shí)發(fā)出報(bào)警，輔助維護(hù)人員判斷軌道電路的工作狀態(tài)。

1.7 測(cè)試數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和下載

測(cè)試儀預(yù)留數(shù)據(jù)對(duì)外輸出接口，可實(shí)現(xiàn)測(cè)試數(shù)據(jù)下載功能。另外，測(cè)試內(nèi)置存儲(chǔ)芯片，可實(shí)現(xiàn)測(cè)試數(shù)據(jù)保存的功能，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)容量為500 M。

1.8 手持式測(cè)試

測(cè)試儀體積?。ㄩL184 mm，寬110 mm，高75 mm），重量輕，可實(shí)現(xiàn)手持式測(cè)試。如需查看詳細(xì)測(cè)試數(shù)據(jù)，可以通過手機(jī)、平板電腦等智能終端APP實(shí)時(shí)查看測(cè)試參數(shù)及解碼后的數(shù)據(jù)，操作簡單便捷。

2 測(cè)試儀工作原理

測(cè)試儀采用電壓探頭、電流鉗、天線等多種方式作為信號(hào)采集工具，實(shí)現(xiàn)對(duì)軌道電路信號(hào)的采集，采集的信號(hào)經(jīng)濾波后傳輸給DSP進(jìn)行分析、解碼、顯示，并在參數(shù)超限時(shí)報(bào)警。原理如圖1所示，測(cè)試儀主要包含信號(hào)采集單元、信號(hào)濾波單元、信號(hào)處理單元和手持式終端等部分。

2.1 信號(hào)采集單元

信號(hào)采集模塊主要完成對(duì)軌道電路數(shù)據(jù)進(jìn)行采集的功能。測(cè)試儀對(duì)信號(hào)的采集可采用電流鉗、電壓探頭和感應(yīng)天線3種方式。電流鉗用來夾在棒線上采集軌道電路的信號(hào)。用電壓探頭采集信號(hào)時(shí)，可將電壓探頭與軌面直接接觸。感應(yīng)天線用來在軌面上方以感應(yīng)的方式采集軌道電路信號(hào)，可固定在軌道拖行小車上，實(shí)現(xiàn)對(duì)軌道電路信號(hào)的連續(xù)采集。

圖1 原理框圖

2.2 信號(hào)濾波單元

采集的信號(hào)經(jīng)濾波器進(jìn)行濾波。濾波器包含硬件濾波器和軟件濾波器兩種。硬件濾波器采用MAXIX帶通濾波器，軟件濾波采用FIR帶通濾波器，采樣率（Fs）為68 kHz。

2.3 信號(hào)處理單元

信號(hào)處理單元采用基于DSP的數(shù)據(jù)處理模塊，主要完成AD采樣、移頻鍵控（FSK）信號(hào)解調(diào)、數(shù)據(jù)解碼、參數(shù)定量化分析和數(shù)據(jù)傳輸?shù)裙δ?。AF904軌道電路的信號(hào)采用二進(jìn)制移頻鍵控（BFSK）方式對(duì)載頻進(jìn)行調(diào)制，構(gòu)成不歸零反轉(zhuǎn)編碼數(shù)據(jù)（NRZI）。傳統(tǒng)的FSK信號(hào)解調(diào)主要采用相干解調(diào)算法，但其對(duì)噪聲比較敏感。由于軌道電路現(xiàn)場(chǎng)存在較多干擾信號(hào)，因此在解調(diào)時(shí)選擇采用了短時(shí)傅里葉變換（STFT）的算法實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)字軌道電路FSK信號(hào)的解調(diào)。解調(diào)后的信號(hào)根據(jù)編碼協(xié)議進(jìn)行解碼，解碼出軌道電路號(hào)、目標(biāo)速度、目標(biāo)距離等信息，傳送給信號(hào)顯示單元進(jìn)行顯示。同時(shí)，對(duì)電壓、電流、頻率參數(shù)進(jìn)行分析，在參數(shù)異常時(shí)發(fā)出報(bào)警信息。

2.4 智能終端APP

智能終端APP是基于安卓系統(tǒng)開發(fā)的可實(shí)現(xiàn)智能終端用戶與測(cè)試儀之間交互工作的軟件。把APP軟件預(yù)裝在任一安卓系統(tǒng)的智能終端上（如手機(jī)、平板電腦），在測(cè)試時(shí)可通過運(yùn)行APP軟件對(duì)測(cè)試儀進(jìn)行操控，并可實(shí)時(shí)在APP上查看解析的軌道電路的電壓、電流、頻率及編碼信息。同時(shí)，通過事先設(shè)定的門限值，APP軟件可根據(jù)采集到的電流大小判斷該軌道電路工作狀態(tài)是否正常，并在參數(shù)超標(biāo)時(shí)在顯示屏上提示報(bào)警。

3 測(cè)試儀組成

測(cè)試儀由測(cè)試盒、采集工具（電流鉗、天線或電壓探頭）、智能終端APP和軌道拖行車（需要連續(xù)測(cè)試軌道電路信號(hào)時(shí)使用）組成，如圖2所示。測(cè)試盒是測(cè)試儀的核心，主要完成測(cè)試信號(hào)的處理、分析和報(bào)警功能。采集工具可采用電流鉗、電壓探頭或天線，采集工具與測(cè)試盒之間用基本網(wǎng)絡(luò)卡（BNC）接頭相連接。根據(jù)不同的測(cè)試需求，選擇不同的采集工具。如需要在軌面上單點(diǎn)測(cè)量，可選擇使用電壓探頭；如需要在棒線上測(cè)量，可以采用電流鉗夾在棒線上；如需要在軌面上連續(xù)測(cè)量則選擇天線作為信號(hào)采集工具，將天線固定在軌道拖行車上，實(shí)現(xiàn)連續(xù)測(cè)量的功能。

圖2 測(cè)試儀組成

4 關(guān)鍵技術(shù)

4.1 基于DSP的FIR數(shù)字濾波器

根據(jù)移頻信號(hào)相位連續(xù)的特性，測(cè)試儀采用了基于DSP的FIR數(shù)字濾波技術(shù)。根據(jù)實(shí)際的AD采樣頻率及信號(hào)的頻譜特征確定濾波器參數(shù)，利用Matlab計(jì)算濾波器系數(shù)，在Matlab中的計(jì)算如圖3所示。FIR濾波器主要的特點(diǎn)是沒有反饋回路，因此，它是無條件穩(wěn)定系統(tǒng)。它的單位脈沖響應(yīng)h(n)是一個(gè)有限長序列。FIR濾波算法實(shí)際上是一種乘法累加運(yùn)算，它不斷地輸入樣本x(n)，經(jīng)延時(shí)做乘法累加，再輸出濾波結(jié)果y(n)。濾波器參數(shù)設(shè)計(jì)如下：

（1）采樣頻率（Fs）：68 kHz

（2）帶通濾波器的下過渡帶的參數(shù)：Fstop1=8 kHz；Fpass1=9 kHz

（3）帶通濾波器的上過渡帶的參數(shù)：Fstop2=18 kHz；Fpass2=17 kHz

（4）通帶波紋不超過0.2 dB，阻帶衰減不小于60 dB。

圖3 Matlab計(jì)算濾波器參數(shù)

4.2 基于 DSTFT的 FSK 信號(hào)解調(diào)技術(shù)

AF904軌道電路數(shù)據(jù)信息以二進(jìn)制移頻鍵控（BFSK）方式對(duì)載頻進(jìn)行調(diào)制，構(gòu)成不歸零反轉(zhuǎn)編碼數(shù)據(jù)（NRZI），其數(shù)據(jù)波形如圖4所示[8]。

圖4 NRZI數(shù)據(jù)編碼波形

測(cè)試儀采用了DSTFT解調(diào)BFSK信號(hào)。DSTFT定義為：

其中： x(n)為輸入信號(hào)序列，w(n)為移動(dòng)窗函數(shù)，N為窗寬度。式（1）可以看作是信號(hào) x(n)在“分析時(shí)間”n附近的“局部頻譜”,當(dāng)n變化時(shí),得到信號(hào)頻率隨時(shí)間n變化的規(guī)律[9]。根據(jù) DSTFT的原理，實(shí)現(xiàn)對(duì)AF904軌道電路BFSK信號(hào)的解調(diào)，實(shí)現(xiàn)框圖如圖5所示。

圖5 利用DSTFT解調(diào)BFSK信號(hào)流程

5 應(yīng)用及應(yīng)用效果

便攜式AF904數(shù)字軌道電路測(cè)試儀已經(jīng)在現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試中得到了應(yīng)用，經(jīng)過與示波器測(cè)試結(jié)果對(duì)比，該測(cè)試儀能夠準(zhǔn)確測(cè)量AF904數(shù)字軌道電路的基本參數(shù)，測(cè)試精度在±5%之內(nèi)，滿足日常維護(hù)要求，且能夠?qū)崟r(shí)查看解碼后的數(shù)據(jù)，為維護(hù)人員判斷軌道電路的狀態(tài)提供了有力的數(shù)據(jù)支撐。另外，與傳統(tǒng)的維護(hù)工具示波器和萬用表相比，測(cè)試儀體積小，重量輕，操作簡便，很大程度上減少了維護(hù)人員的工作量，在軌道電路的日常維護(hù)保養(yǎng)中發(fā)揮了重要作用。

6 結(jié)束語

本文針對(duì)AF904數(shù)字軌道電路，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)維護(hù)需求，研制了便攜式的數(shù)字軌道電路綜合測(cè)試儀，代替?zhèn)鹘y(tǒng)工具對(duì)軌道電路進(jìn)行日常維護(hù)保養(yǎng)，提高了維護(hù)效率及維護(hù)質(zhì)量，具有一定的推廣意義。