李文濤

2020年8月，國鐵集團(tuán)印發(fā)了《新時(shí)代交通強(qiáng)國鐵路先行規(guī)劃綱要》［1］，明確提出：“提升基礎(chǔ)設(shè)施技術(shù)裝備水平；提升基礎(chǔ)設(shè)施全生命周期發(fā)展水平，推進(jìn)設(shè)施數(shù)字化、智能化升級；推進(jìn)工電技術(shù)裝備標(biāo)準(zhǔn)化、簡統(tǒng)化?！?/p>

目前，我國普速鐵路站內(nèi)絕大部分采用25 Hz軌道電路，運(yùn)用至今已超過40 年，雖然適應(yīng)了電氣化鐵路和機(jī)車信號對疊加電碼化的需求，但在運(yùn)用中也逐漸暴露出一些問題，在運(yùn)用、維護(hù)等方面距離裝備數(shù)字化、標(biāo)準(zhǔn)化、簡統(tǒng)化還有很大差距，因此急需研制一種全新制式的車站數(shù)字化軌道電路系統(tǒng)。為此，國鐵集團(tuán)設(shè)立了《車站數(shù)字化軌道電路關(guān)鍵技術(shù)研究》科研課題，支持開展相關(guān)研究工作。

1 存在問題

1）設(shè)備配置繁多。包括室內(nèi)設(shè)備9 種、室外設(shè)備6 種，且以零散器材為主，各器材廠家只對某單一器材提供技術(shù)支持，缺乏系統(tǒng)性［2-4］。

2）調(diào)整難度大。由于隔離、調(diào)整和防護(hù)設(shè)備的規(guī)格多樣，導(dǎo)致電路組成較為復(fù)雜，軌道電路的傳輸特性極易受到影響，不利于維修維護(hù)。

3）抗干擾性能有待提升。重載鐵路、動車組運(yùn)用區(qū)段抗電氣化干擾能力較弱，分路不良和列車升弓導(dǎo)致的閃紅光帶問題比較常見。

4）缺乏系統(tǒng)性安全認(rèn)證。目前站內(nèi)的單一器材雖有產(chǎn)品認(rèn)證，但對于完整系統(tǒng)尚缺乏SIL4 等級的安全認(rèn)證。

5）基礎(chǔ)裝備數(shù)字化程度不高，升級換代困難。軌道電路裝備開發(fā)年代較早，器材零散、元件分立，與鐵路信號數(shù)字化、信息化的發(fā)展趨勢極不相符。

2 研制目標(biāo)

根據(jù)現(xiàn)存問題及數(shù)字化需求，梳理形成車站數(shù)字化軌道電路的10個(gè)研制目標(biāo)。

1）同時(shí)具備軌道電路和電碼化功能。通過室內(nèi)唯一調(diào)整環(huán)節(jié)，實(shí)現(xiàn)軌道電路和電碼化統(tǒng)一調(diào)整。

2）簡統(tǒng)化板卡式設(shè)備。室內(nèi)采用板卡式設(shè)備，以此達(dá)到設(shè)備種類比25 Hz疊加電碼化和ZPW-2000軌道電路分別壓減70%和50%以上的目的。

3）進(jìn)一步提升安全可靠性。目前25 Hz 軌道電路和電碼化無法進(jìn)行系統(tǒng)級安全認(rèn)證，而車站數(shù)字化軌道電路安全完整性等級可達(dá)到SIL4級。

4）數(shù)字化技術(shù)降低能耗。目前的ZPW-2000軌道電路和電碼化設(shè)備能量轉(zhuǎn)化效率較低，每區(qū)段功率達(dá)到180 W。車站數(shù)字化軌道電路是采用數(shù)字化模塊，通過優(yōu)化傳輸系統(tǒng)設(shè)計(jì)，能夠提高能量轉(zhuǎn)換效率，典型一送一受區(qū)段能耗可壓減約60%。

5）股道區(qū)段無條件雙端發(fā)碼。普鐵股道與高鐵股道最明顯的區(qū)別是無指定位置的停車標(biāo)，任何位置列車均可折返運(yùn)行。而當(dāng)列車折返時(shí)，無法向地面設(shè)備傳遞信息。為此，提出在滿足區(qū)段長度的條件下，不借助控制設(shè)備進(jìn)行方向切換，無條件實(shí)現(xiàn)股道雙端發(fā)碼［5-6］。

6）短區(qū)段快速反應(yīng)和分路性能提升。普鐵車站短區(qū)段多，需要軌道電路快速實(shí)現(xiàn)占用反應(yīng)，同時(shí)對于現(xiàn)有短區(qū)段分路不良多發(fā)的情況，應(yīng)至少提升分路性能1倍以上。

給定觀測值集合y后,一旦確定了概率密度p(y|f,θλ),對于有限高斯變量組成的向量f而言,其后驗(yàn)分布可以通過貝葉斯公式推導(dǎo)得出:

7）電碼化信號閉環(huán)檢查。現(xiàn)有電碼化信號為開環(huán)發(fā)碼，即地面設(shè)備不檢查電碼化信號發(fā)送的有效性。采用車站數(shù)字化軌道電路則可在區(qū)段空閑時(shí)，由地面設(shè)備實(shí)時(shí)檢查電碼化信號的幅值和頻率，從而提高發(fā)碼安全性，減少掉碼故障發(fā)生。

8）易維護(hù)及預(yù)警診斷。軌旁僅設(shè)一臺設(shè)備，內(nèi)置數(shù)字化采集功能，通過對關(guān)鍵位置的數(shù)據(jù)采集，實(shí)現(xiàn)智能預(yù)警和分區(qū)域診斷定位功能［7］。

9）優(yōu)化牽引電流回流網(wǎng)絡(luò)。為防止軌道電路信號迂回出現(xiàn)“第三軌”，我國既有股道均為“一頭堵”的單端回流方式，類似“梳子”形狀，造成只有正線回流暢通，側(cè)線完全中斷。為此提出將車站橫向連接線、牽引回流網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)化，進(jìn)一步改善絕緣燒損、牽引諧波干擾等回流問題［8］。

10）兼?zhèn)鋽?shù)字化和繼電接口。同時(shí)具備數(shù)字化通信接口和繼電接口，與繼電聯(lián)鎖車站、列控車站和列控聯(lián)鎖一體化車站無縫切換，通過一體化接頭實(shí)現(xiàn)設(shè)備連接，適用于普鐵和高鐵。

3 關(guān)鍵技術(shù)

除數(shù)字化、功耗等通用技術(shù)指標(biāo)外，車站軌道電路和區(qū)間軌道電路的應(yīng)用場景差別較大。由于車站特殊的作業(yè)要求，需要面臨和解決的問題更多，如：橫向股道間的同頻鄰線干擾防護(hù)、復(fù)雜站場牽引回流網(wǎng)絡(luò)的迂回、列車運(yùn)行進(jìn)路差異導(dǎo)致的分路不良、列車運(yùn)行縱向絕緣破損的防護(hù)等。因此，車站軌道電路在安全性和可用性上比區(qū)間更為復(fù)雜，主要解決以下5項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)。

3.1 軌道電路、電碼化集成技術(shù)

實(shí)現(xiàn)軌道電路和電碼化合二為一的難點(diǎn)在于頻率選擇。在車站數(shù)字化軌道電路研制過程中，制定了頻率選擇的“五大原則”：①機(jī)車信號兼容性，全路約2.6 萬輛機(jī)車需要?jiǎng)討B(tài)地獲取車地信息，兼容性問題非常突出；②信號傳輸性能，傳輸長度滿足國鐵車站長區(qū)段使用要求，系統(tǒng)傳輸信號越單一，曲線平滑度和干擾防護(hù)能力越好；③抗工頻干擾性能，在電氣化鐵路中，需要選擇牽引諧波含量少的頻率范圍；④通道完整性檢查性能，防止信號迂回形成“第三軌”和改善電氣化回流環(huán)境需要較高頻率；⑤設(shè)備簡統(tǒng)化，頻率越高設(shè)備尺寸越小，頻率種類越少設(shè)備集成度越高。

經(jīng)過頻率比選，最終形成4 種軌道電路備選頻率方案。各類方案雷達(dá)圖見圖1。

圖1 各類軌道電路方案雷達(dá)圖

1）24.5 Hz、25.5 Hz、26.5 Hz頻率方案：電氣化區(qū)段迂回信號超過動作門限，隔離設(shè)備體積較大。

2）425 Hz 頻率方案：電氣化區(qū)段迂回信號接近動作門限，隔離設(shè)備數(shù)量較多。

4）1 700~2 600 Hz 頻率方案：更為均衡，從我國鐵路使用情況和發(fā)展需要看，選用1 700~2 600 Hz進(jìn)行發(fā)碼和占用空閑檢查是最佳選擇。

因此，適用于車站的數(shù)字化軌道電路頻率宜采用1 700~2 600 Hz 信號進(jìn)行發(fā)碼和占用空閑檢查，即采用和普鐵區(qū)間、高鐵站內(nèi)區(qū)間相同的“軌道電路轉(zhuǎn)發(fā)機(jī)車信號”方式實(shí)現(xiàn)電碼化。

當(dāng)車站數(shù)字化軌道電路應(yīng)用于普鐵時(shí)，其發(fā)碼方式與普鐵既有發(fā)碼方式保持一致，即僅正線和側(cè)線股道發(fā)碼。車站數(shù)字化軌道電路發(fā)碼方式見圖2，其中紅框區(qū)域?yàn)楣傻绤^(qū)段，雙端發(fā)碼、雙頻切換；黃框區(qū)域?yàn)檎€道岔及無岔區(qū)段，發(fā)碼、切方向、雙頻切換；藍(lán)框區(qū)域?yàn)槠渌啦韰^(qū)段，不發(fā)碼、不切方向，默認(rèn)發(fā)檢測碼。

圖2 車站數(shù)字化軌道電路發(fā)碼方式

當(dāng)車站數(shù)字化軌道電路應(yīng)用于高鐵時(shí)，其發(fā)碼方式與高鐵既有發(fā)碼方式保持一致，同樣采用分支并聯(lián)方式實(shí)現(xiàn)全進(jìn)路發(fā)碼［9］。

3.2 股道雙端發(fā)碼技術(shù)

列車在股道折返時(shí)，有地面信號機(jī)點(diǎn)紅燈、軌道電路鄰線干擾值控制、雙端發(fā)碼大壓小共3 種防冒進(jìn)方式。其中高鐵由于地面信號機(jī)滅燈，因此采用軌道電路鄰線干擾值控制、雙端發(fā)碼大壓小2 種方式；而普鐵由于電碼化信號波動大，無法精準(zhǔn)控制，因此采用地面信號機(jī)點(diǎn)紅燈和雙端發(fā)碼大壓小2種方式，并同時(shí)輔以調(diào)低功率，盡量控制干擾值。

在車站數(shù)字化軌道電路方案中，為使3 種方式同時(shí)有效，股道設(shè)計(jì)采用“兩端發(fā)送、中間接收”結(jié)構(gòu)，在不依賴于方向電路、不進(jìn)行絕緣切割的條件下實(shí)現(xiàn)雙端發(fā)碼。如圖3 所示，接收端兩側(cè)任意一側(cè)有車占用，則ⅠG 股道占用，SⅠ和XⅠ側(cè)機(jī)車信號均能夠滿足完整股道的傳輸，與傳統(tǒng)預(yù)疊加發(fā)碼方式相同。

圖3 股道區(qū)段雙端發(fā)碼方式

股道“兩端發(fā)送、中間接收”的發(fā)碼方式和傳統(tǒng)預(yù)疊加發(fā)碼方式相比，有以下特點(diǎn)。

1）股道兩側(cè)載頻維持現(xiàn)狀，不需要修改。

2）側(cè)線股道編碼電路各自獨(dú)立，變化不大。

3）無需切換發(fā)碼通道。

4）正線使用單套編碼電路。

5）室外需要增設(shè)一對股道中心范圍內(nèi)的電纜。

車站數(shù)字化軌道電路的股道區(qū)段系統(tǒng)結(jié)構(gòu)見圖4，采用“兩端發(fā)送、中間接收”的雙送一受結(jié)構(gòu)，每一個(gè)發(fā)送設(shè)備負(fù)責(zé)半個(gè)區(qū)段的占用檢查、整個(gè)區(qū)段的電碼化發(fā)碼，股道中間的接收端同時(shí)解調(diào)2 路發(fā)送信號，在接收端分別調(diào)整解調(diào)后進(jìn)行邏輯“與”處理，每條股道設(shè)置1臺軌道繼電器即可。

圖4 雙送一受系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

3.3 雙向回流技術(shù)

為防止軌道電路信號迂回出現(xiàn)“第三軌”，自20 世紀(jì)60 年代開始，我國鐵路股道均采用“一頭堵”的單端回流方式。這就造成了規(guī)模越大的車站，牽引回流越不暢通，結(jié)合部問題越多，出現(xiàn)越來越多的燒絕緣、電壓波動等問題［10］。

適用于車站內(nèi)的數(shù)字化軌道電路一方面頻率為1 700~2 600 Hz，遠(yuǎn)大于25 Hz，迂回電路的阻抗大幅增加；另一方面通過在設(shè)備和系統(tǒng)層面保證鋼軌電氣斷離檢查功能，側(cè)線股道兩側(cè)不設(shè)回流中斷點(diǎn)，直接將回流設(shè)備中心點(diǎn)連通，即可實(shí)現(xiàn)股道雙向回流，優(yōu)化牽引回流網(wǎng)絡(luò)，解決60多年來站內(nèi)存在的絕緣燒損、回流不暢、干擾問題頻發(fā)的現(xiàn)狀［10-11］。

3.4 智能診斷技術(shù)

目前大多數(shù)車站軌道電路均采用人工判斷故障的方式，時(shí)效性較差，不能及時(shí)檢測出故障點(diǎn)，且因人員技術(shù)水平的差異，易造成維護(hù)不當(dāng)，影響行車效率，會造成嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失［12-13］。

適用于車站內(nèi)的數(shù)字化軌道電路配有一體化監(jiān)測診斷系統(tǒng)，見圖5，用于實(shí)現(xiàn)軌道電路系統(tǒng)和設(shè)備工作狀態(tài)參數(shù)的在線監(jiān)測、設(shè)備和傳輸通道的故障診斷定位，并給出報(bào)警、預(yù)警信息及維修建議，可全面提升鐵路裝備智能化水平，提高現(xiàn)場對軌道電路的維修效率。

圖5 監(jiān)測診斷系統(tǒng)界面

3.5 設(shè)備簡統(tǒng)化技術(shù)

車站數(shù)字化軌道電路中，室內(nèi)采用板卡式設(shè)備，軌旁僅設(shè)一臺設(shè)備，實(shí)現(xiàn)了設(shè)備簡統(tǒng)化。設(shè)備種類和25 Hz 相敏軌道電路疊加電碼化、ZPW-2000 一體化軌道電路相比，數(shù)量大幅壓減，軌道電路室內(nèi)機(jī)柜的布置和連接方式對比見圖6，同時(shí)能夠節(jié)省機(jī)房占地面積，以34 個(gè)區(qū)段的中等車站為例，采用繼電編碼設(shè)備占地面積較傳統(tǒng)設(shè)計(jì)減少43%，采用通信編碼設(shè)備占地面積較傳統(tǒng)設(shè)計(jì)減少68%，設(shè)備數(shù)量和機(jī)柜寬度對比見表1。

表1 設(shè)備數(shù)量和機(jī)柜寬度對比

圖6 機(jī)柜布置和連接方式對比

4 結(jié)束語

車站數(shù)字化軌道電路以用戶需求為導(dǎo)向，確定十大研制目標(biāo)，突破五大關(guān)鍵技術(shù)，采用簡統(tǒng)化結(jié)構(gòu)和板卡式設(shè)備設(shè)計(jì)方案，集成程度、安全性和可靠性高，兼容多模式接口，具備控制、接口、運(yùn)維數(shù)字化等特點(diǎn)。目前，已完成樣機(jī)研制，并通過了課題驗(yàn)收。本項(xiàng)研究成果對推進(jìn)我國鐵路軌道電路技術(shù)進(jìn)步，提升基礎(chǔ)裝備數(shù)字化、智能化水平具有重要意義。