摘 要：近年來(lái)，隨著鐵路建設(shè)的跨越式發(fā)展，對(duì)機(jī)車信號(hào)設(shè)備顯示的準(zhǔn)確性和工作的可靠性提出了更高的要求，機(jī)車信號(hào)正朝著主體化的方向發(fā)展，研制和發(fā)展適合我國(guó)鐵路ZPW-2000無(wú)絕緣軌道電路的機(jī)車信號(hào)成為了迫切需要。采用數(shù)字信號(hào)處理(DSP)技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)車信號(hào)波形的譜分析，利用可靠的硬件和軟件技術(shù)實(shí)現(xiàn)機(jī)車信號(hào)的安全性、實(shí)時(shí)性和高精度要求?；赯PW-2000無(wú)絕緣軌道電路的機(jī)車信號(hào)的安全性、可靠性、實(shí)時(shí)性和高精度可以滿足我國(guó)鐵路發(fā)展的需要。隨著我國(guó)鐵路的大力發(fā)展，ZPW-2000無(wú)絕緣軌道電路和主體化機(jī)車信號(hào)得到大力推廣，國(guó)產(chǎn)主體機(jī)車信號(hào)的時(shí)代已經(jīng)到來(lái)。

關(guān)鍵詞：ZPW-2000；軌道電路；無(wú)絕緣；機(jī)車信號(hào)；DSP

中圖分類號(hào)：TP23 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1004373X(2008)1718802

New Technique Research of Cab Signal Based on ZPW-2000 Non-Insulation Track Circuit

LV Yonghong1，LIU Hongyan2

(1.The Electrical Service Engineering Co.Ltd. of China Railway First Group，Xi′an，710054，China;2.Xi′an Communication Institute，Xi′an，710106，China)

Abstract：In recent years，the leap frog development which constructed along with the railroad，demonstrated accurate and the work reliability to the cab signal equipment proposed a higher request，the cab signal was facing the main body direction to develop，the development and the development suited our country railroad ZPW-2000 non-insulation track circuit′s cab signal to become the urgent need.Using the Digital Signal Processing (DSP) technology realize the cab signal profile spectrum analysis，using the reliable hardware and the software technology realize cab signal security，timeliness and the high accuracy request.Based on the ZPW-2000 non-insulation track circuit cab signal security，the reliability，timeliness and the high accuracy may satisfy our country railroad the need to develop.Along with our country railroad vigorously development，the ZPW-2000 non-insulation track circuit and the main body cab signal obtained the vigorously promoted use，the domestically produced main body cab signal time already arrived.

Keywords：ZPW-2000;track circuit;non-insulation;cab signal;DSP

隨著既有線路提速和高速鐵路、客運(yùn)專線的建設(shè)，列車運(yùn)行速度越來(lái)越高，機(jī)車信號(hào)的地位也不斷提高。新版《鐵路技術(shù)管理規(guī)程》明確規(guī)定：“作為行車憑證的機(jī)車信號(hào)為主體機(jī)車信號(hào)，是由車載信號(hào)和地面信號(hào)設(shè)備共同構(gòu)成的系統(tǒng)，必須符合故障導(dǎo)向安全原則，車載設(shè)備應(yīng)具有運(yùn)行數(shù)據(jù)記錄的功能；地面信號(hào)設(shè)備應(yīng)能提供正確信息?！毖兄浦黧w化機(jī)車信號(hào)，是我國(guó)鐵路發(fā)展列車控制系統(tǒng)的迫切需要。

1 主體機(jī)車信號(hào)的基本結(jié)構(gòu)

主體化機(jī)車信號(hào)是一個(gè)系統(tǒng)工程，是車載設(shè)備(機(jī)車信號(hào))和傳輸通道(軌道電路)構(gòu)成的一個(gè)完整的系統(tǒng)。傳輸通道(軌道電路)部分應(yīng)保證傳遞信息的準(zhǔn)確性、連續(xù)性、惟一性；保證傳遞功率的可靠性(滿足可靠的信噪比)，為接收設(shè)備創(chuàng)造良好的接收環(huán)境。車載部分應(yīng)保證譯碼的正確性，在惡劣環(huán)境下工作的高可靠性，各種信息的記錄分析功能，以及故障導(dǎo)向安全的性能。

圖1 主體化機(jī)車信號(hào)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖2 ZPW-2000無(wú)絕緣軌道電路是實(shí)現(xiàn)國(guó)產(chǎn)主體化機(jī)車信號(hào)的基礎(chǔ) ZPW-2000型無(wú)絕緣軌道電路是具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)、目前大力推廣的一種先進(jìn)的自動(dòng)閉塞制式，其較高的安全度、可靠的分路保證、全程斷軌檢查功能、抗大牽引電流干擾且傳輸特性良好的特點(diǎn)，滿足主體化機(jī)車信號(hào)對(duì)地面設(shè)備的苛刻要求，為主體化機(jī)車信號(hào)可靠工作奠定了良好的基礎(chǔ)。

ZPW-2000型無(wú)絕緣軌道電路信息傳輸?shù)膸?nèi)干擾量分析比較：

(1) 電氣化區(qū)段軌道電路帶內(nèi)干擾量除與牽引電流的諧波百分比有關(guān)外，還與牽引電流的幅值和軌道電路不平衡系數(shù)有密切關(guān)系。根據(jù)北方交通大學(xué)抗干擾中心的測(cè)試資料，選用SS-4型電力機(jī)車在四級(jí)半開放狀態(tài)的諧波百分比作為依據(jù)，分析國(guó)產(chǎn)移頻軌道電路機(jī)車信號(hào)帶內(nèi)干擾量數(shù)據(jù)：

取牽引電流1000A，不平衡系數(shù)10%，即50 Hz牽引總干擾電流100 A，如表1所示。

信干比下行557500836.117 830.0836.655 81501∶5.58921∶9.09上行650850760.044 230.0760.636 01201∶6.34661∶11.52

可見，以目前《鐵路信號(hào)維護(hù)規(guī)則》規(guī)定的移頻軌道電路66~150 mA的機(jī)車信號(hào)最小入口電流計(jì)算，信干比小于1∶5，不能滿足機(jī)車信號(hào)信干比條件。

(2) 選擇典型牽引電流諧波電流分布作為依據(jù)分析ZPW-2000型軌道電路傳輸信息機(jī)車信號(hào)接收的帶內(nèi)干擾量數(shù)據(jù)：

取牽引電流1 000 A，不平衡系數(shù)10%，即50 Hz牽引總干擾電流100 A，如表2所示。

表2 帶內(nèi)干擾量（二）

信干比下行1 7002300102.956 310.0103.440 85004.83∶15004.83∶1上行2 000260080.622 610.081.240 45006.15∶14505.54:1

由表2可見，目前《鐵路信號(hào)維護(hù)規(guī)則》規(guī)定的ZPW-2000軌道電路450~500 mA的機(jī)車信號(hào)最小入口電流，可以達(dá)到接近5∶1的信干比，滿足機(jī)車信號(hào)信干比條件。實(shí)際上，ZPW-2000型無(wú)絕緣軌道電路實(shí)現(xiàn)了區(qū)間無(wú)絕緣，更有利于牽引電流的回流，有利于牽引電流平衡，也有利于降低干擾。

由于使用了補(bǔ)償電容，ZPW-2000軌道電路具有良好的傳輸特性，可以保證足夠的機(jī)車信號(hào)入口電流。另一方面，機(jī)車牽引電流的諧波分量的分布規(guī)律是諧波次數(shù)越高，頻率越高，諧波電流越小。由于相對(duì)于移頻軌道電路使用了較高的頻率，ZPW-2000型無(wú)絕緣軌道電路電流頻率“躲開”了牽引電流干擾嚴(yán)重的低頻頻帶，與移頻軌道電路相比當(dāng)然有更高的信干比。

3 基于ZPW-2000軌道電路機(jī)車信號(hào)采用的新技術(shù)和基本功能3.1 利用數(shù)字信號(hào)處理(DSP)技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)車信號(hào)波形的譜分析 ZPW-2000無(wú)絕緣軌道電路的信號(hào)波形和移頻信號(hào)一樣屬于移頻鍵控波形，是由一個(gè)上邊頻和一個(gè)下邊頻交替而形成的，相位連續(xù)。調(diào)制低頻(上下邊頻交替的頻率)代表著機(jī)車信號(hào)傳遞的信息。理論上可以采用濾波加時(shí)間計(jì)數(shù)的方法解調(diào)出移頻信號(hào)的上邊頻、下邊頻和調(diào)制低頻值，并由此計(jì)算出移頻信號(hào)的中心頻率值。但是鐵路信號(hào)現(xiàn)場(chǎng)情況復(fù)雜，機(jī)車信號(hào)接收到的信號(hào)并不是純正干凈的移頻信號(hào)，僅僅采用時(shí)間計(jì)數(shù)的方法，在實(shí)時(shí)性和精度方面就難以滿足要求了。

相位連續(xù)的移頻信號(hào)S(t)的時(shí)間表達(dá)式可寫為：S(t)=A0cos式中：g(t)=∫kf(t)dt

=Δωt， -T/4 < t < T/4

Δω(T/2-t)，T/4 < t < 3T/4

移頻信號(hào)的頻譜表達(dá)式：

S(t)=A0∑∞n=-∞1m2-n2

(sinmπ2cosmπ2-cosmπ2sinnπ2+

(-1)n(m-n)(sin mπ2cos nπ2+

cos mπ2sin nπ2)〗×cos(ω0+nω1)t(1)

公式(1)中，ω0為中心頻率，ω1為調(diào)制低頻，Δω為頻偏，m=Δωω=ΔfF1，稱為移頻指數(shù)，n代表相對(duì)于中心頻率的譜位置。

可見，利用譜分析方法，可以直接解調(diào)出移頻信號(hào)的中心頻率和調(diào)制低頻的頻率值。

3.2 運(yùn)行數(shù)據(jù)記錄和地面數(shù)據(jù)分析功能

《鐵路技術(shù)管理規(guī)定》明確規(guī)定：主體機(jī)車信號(hào)的車載設(shè)備具有運(yùn)行數(shù)據(jù)記錄的功能。車載設(shè)備的記錄功能可以記錄下機(jī)車信號(hào)工作中的所有有用信息，配合地面分析系統(tǒng)的強(qiáng)大分析功能，能保證機(jī)車信號(hào)的良好工作環(huán)境，并且能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)機(jī)車交路上所有軌道電路區(qū)段的快速、全參數(shù)測(cè)試，監(jiān)督軌道電路的工作狀態(tài)，完成了許多以往信號(hào)試驗(yàn)車才能完成的任務(wù)。

3.2.1 運(yùn)行數(shù)據(jù)記錄子系統(tǒng)功能

為了能夠真實(shí)地顯示機(jī)車信號(hào)在動(dòng)態(tài)運(yùn)行中的狀態(tài)變化，機(jī)車信號(hào)記錄功能必須對(duì)機(jī)車信號(hào)各種相關(guān)信息進(jìn)行全面的記錄。有關(guān)機(jī)車信號(hào)系統(tǒng)工作狀態(tài)的信息總體上有四類，即：機(jī)車信號(hào)的各類輸入信息、各類輸出信息、運(yùn)用環(huán)境信息(運(yùn)行溫度及供電電源異常檢測(cè))及運(yùn)行輔助信息(列車運(yùn)行定位及狀態(tài))，通過(guò)這四類數(shù)據(jù)的記錄和復(fù)現(xiàn)，維護(hù)人員可以比較透徹地了解機(jī)車信號(hào)的運(yùn)行過(guò)程，機(jī)車信號(hào)工作狀態(tài)的分析就能夠建立在客觀數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)之上。

3.2.2 地面數(shù)據(jù)分析處理系統(tǒng)功能

主體化機(jī)車信號(hào)的記錄裝置可以采集記錄下機(jī)車信號(hào)運(yùn)行過(guò)程中所有有用的信息，系統(tǒng)具有：文件管理與數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)存、數(shù)據(jù)波形文件操作、數(shù)據(jù)波形文件譜分析和狀態(tài)信息文件分析功能。

4 結(jié) 語(yǔ)

基于ZPW-2000無(wú)絕緣軌道電路的機(jī)車信號(hào)采用了諸多新的技術(shù)，如多種的總線技術(shù)、新型顯示器、新型電源等，才實(shí)現(xiàn)了具有高可靠性和高安全性的主體化機(jī)車信號(hào)，使得主體機(jī)車信號(hào)成為可能。

參 考 文 獻(xiàn)

［1］傅彧，王小明，徐曄，等.DSP在機(jī)車信號(hào)處理中的應(yīng)用[J].微計(jì)算機(jī)信息，2005，21(16):101-103.

［2］文小偉.高速鐵路實(shí)現(xiàn)機(jī)車信號(hào)主體化的解決方案[J].中國(guó)西部科技，2005(8B):43-45.

［3］徐建華.機(jī)車信號(hào)記錄器數(shù)據(jù)分析處理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].鐵道通信信號(hào)，2006，42(12):4-6.

［4］王世一.數(shù)字信號(hào)處理(修訂版)[M].北京:理工大學(xué)出版社，1997.

［5］程蔭杭.關(guān)于我國(guó)機(jī)車信號(hào)主體化問(wèn)題[J].中國(guó)鐵路，2001(1):15-16.

［6］穆瀟，王化深，馮建周.基于無(wú)線通信的機(jī)車信號(hào)系統(tǒng)[J].廣東通信技術(shù)，2006，26(1):66-69.

［7］陸小珊，田嵐.數(shù)字式機(jī)車信號(hào)自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案[J].控制工程，2003，10(5):423-425.

［8］機(jī)車信號(hào)主體化課題組.影響機(jī)車信號(hào)主體化的因素及解決措施[J].中國(guó)鐵路，2003(2):21-25.

［9］孫艷朋，賈利民，范明.現(xiàn)代譜分析在機(jī)車FSK 信號(hào)中的應(yīng)用[J].中國(guó)鐵路科學(xué)，2000，21(4):102-109.

［10］楊少軍.基于DSP的移頻機(jī)車信號(hào)分析研究與實(shí)現(xiàn)[D].武漢:武漢大學(xué)，2006.

注：本文中所涉及到的圖表、注解、公式等內(nèi)容請(qǐng)以PDF格式閱讀原文