田建兆，楊世武，崔 勇，陳?？?/p>

（1.北京交通大學(xué) 電子信息工程學(xué)院，北京 100044；2.中國鐵道科學(xué)研究院，北京 100081）

高鐵牽引電流瞬態(tài)干擾對鐵路信號的影響分析

田建兆1，楊世武1，崔 勇1，陳?？?

（1.北京交通大學(xué) 電子信息工程學(xué)院，北京 100044；2.中國鐵道科學(xué)研究院，北京 100081）

高速鐵路（簡稱：高鐵）信號系統(tǒng)工作在復(fù)雜的電磁環(huán)境中，在干擾特性分析和數(shù)據(jù)處理時，需要對多種模擬和數(shù)字信號建立通用平臺來完成。本文以LabVIEW軟件作為開發(fā)平臺，構(gòu)建了集數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換、信號處理為一體的數(shù)據(jù)處理平臺。平臺可采集磁帶記錄儀等模擬信號源，并可導(dǎo)入記錄儀存儲的數(shù)據(jù)，從而形成通用處理平臺。在此基礎(chǔ)上，分析了高鐵牽引電流瞬態(tài)特性對信號的影響，基于小波變換實(shí)現(xiàn)了對海量數(shù)據(jù)中瞬態(tài)干擾奇異點(diǎn)的檢測。最后，采用現(xiàn)場實(shí)際記錄波形進(jìn)行了處理，驗證了平臺功能和算法的有效性。信號處理部分還可完成對源信號的時域?qū)崟r測量、波形顯示、濾波、頻譜分析等功能。

虛擬儀器；LabVIEW；數(shù)據(jù)采集；高速鐵路；瞬態(tài)信號；小波變換

鐵路信號系統(tǒng)是運(yùn)輸?shù)幕A(chǔ)設(shè)施和控制中樞，隨著我國高速鐵路的發(fā)展，復(fù)雜電磁干擾條件下信號系統(tǒng)的性能評估和故障分析對于保障鐵路安全和效率具有重要價值。從電磁兼容的角度，只有掌握干擾源及其耦合途徑、信號設(shè)備受干擾機(jī)理，才能提出有效的解決方案 。傳統(tǒng)的方法是分析地面軌道電路及車載機(jī)車信號等鐵路信號設(shè)備故障，一般先利用數(shù)字記錄儀現(xiàn)場記錄波形,再通過人工方式翻看查找感興趣的信號，對其進(jìn)行分析。這種方法的缺點(diǎn)：（1）對各信號源和各通道數(shù)據(jù)的相關(guān)性分析非常不便；（2）捕獲感興趣信號（如瞬態(tài)突變信號）較為困難，且分析手段相對缺乏。因此構(gòu)建通用數(shù)據(jù)處理平臺，既能實(shí)時采集信號并且對信號進(jìn)行檢測與處理，又可對記錄儀中的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理分析，對制定合理對策及指導(dǎo)信號設(shè)備的使用和維護(hù)意義重大。

本文選擇虛擬儀器作為數(shù)據(jù)處理平臺，利用其軟件功能，實(shí)現(xiàn)對多種格式的模擬和數(shù)字信號在通用平臺下的處理，完成對高速鐵路（簡稱：高鐵）牽引電流瞬態(tài)干擾進(jìn)行定位及信號相關(guān)性分析。

1 虛擬數(shù)據(jù)處理平臺的結(jié)構(gòu)

本文以LabVIEW作為開發(fā)平臺，配合數(shù)據(jù)采集卡作為硬件實(shí)現(xiàn)該數(shù)據(jù)處理平臺的設(shè)計。該系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)模擬信號的采集、讀入記錄儀數(shù)據(jù)，完成對信號的分析與處理，其功能結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

圖1 虛擬數(shù)據(jù)處理平臺功能結(jié)構(gòu)框圖

1.1 硬件組成

基于虛擬儀器數(shù)據(jù)處理平臺，硬件部分由電流傳感器、數(shù)據(jù)采集卡和計算機(jī)PC等幾部分組成。采集卡單通道最大采樣率為250 kS/s，A/D轉(zhuǎn)換器精度為16 bit。對于軌道電路信號，UM71、ZPW2000A載頻最大為2 600 Hz，低頻最小為10.3 Hz。數(shù)據(jù)采集卡完全滿足被測對象采用率及采樣精度要求。

1.2 信號源及數(shù)據(jù)多通道實(shí)現(xiàn)

本平臺的數(shù)據(jù)源模塊包括數(shù)據(jù)采集卡采集的模擬信號以及信號記錄儀存儲的數(shù)字信號。

數(shù)據(jù)采集模塊是主要完成數(shù)據(jù)采集的控制，包括對通道、信號連接方式、采樣率、采樣點(diǎn)數(shù)及采集方式的設(shè)置和控制。利用LabVIEW中DAQmx數(shù)據(jù)采集工具包，無需編寫代碼就可方便得實(shí)現(xiàn)多個通道信號連續(xù)采集[2]。當(dāng)源數(shù)據(jù)為記錄儀現(xiàn)場采集到的信號數(shù)據(jù)時，由于LabVIEW不能直接處理記錄儀REC格式數(shù)據(jù)，先將其由REC格式轉(zhuǎn)換為LabVIEW可處理的數(shù)據(jù)格式，如TXT或者XLS格式，并載入虛擬數(shù)據(jù)處理平臺，再轉(zhuǎn)換成波形數(shù)據(jù)進(jìn)而繼續(xù)分析處理。對于信號記錄儀中多通道同時采集的數(shù)據(jù)，需要對Read From SpreadSheet File.VI進(jìn)行數(shù)據(jù)格式以及分隔符進(jìn)行對應(yīng)設(shè)置，再通過索引數(shù)組可把各個通道的數(shù)據(jù)提取出來進(jìn)行分析，程序框圖如圖2所示。

1.3 信號處理模塊

LabVIEW作為虛擬儀器領(lǐng)域最具代表性的圖形化編程軟件，它為用戶提供了功能強(qiáng)大的信號處理工具包，用戶根據(jù)需求可以直接調(diào)用相應(yīng)模塊，從而省去大量軟件開發(fā)時間。在本平臺信號處理模塊設(shè)計中，利用LabVIEW信號處理工具包中的時域分析、頻域分析及波形顯示、波形存儲等功能模塊實(shí)現(xiàn)對鋼軌中牽引回流及軌道電路信號的處理。

圖2 讀取TXT格式數(shù)據(jù)程序框圖

2 小波分析對脈沖奇異點(diǎn)的檢測

高速鐵路運(yùn)行將導(dǎo)致牽引電流明顯增加，由于接觸網(wǎng)和受電弓離線及機(jī)車工作狀態(tài)切換，形成脈沖電流，給通信信號系統(tǒng)帶來干擾甚至錯誤動作。在牽引電流和信號的記錄中，此類瞬態(tài)干擾往往表現(xiàn)為高階奇異性。

信號的突變點(diǎn)，即奇異點(diǎn)，往往包含信號比較重要的信息，其檢測和定位在許多實(shí)際問題中都有重要的意義。傅里葉變換通常無法完成這一功能，而基于小波變換的方法具有良好的時頻局部化能力，能夠檢測信號的突變點(diǎn)以及高階奇異點(diǎn)，使得它成為信號奇異性檢測的有力工具。

2.1 小波變換模極大值原理檢測奇異點(diǎn)

當(dāng)小波函數(shù)被看作某一平滑函數(shù)的一階導(dǎo)數(shù)時，信號小波變換模的局部極值點(diǎn)對應(yīng)于信號的突變點(diǎn)；當(dāng)小波函數(shù)被看作某一平滑函數(shù)的二階導(dǎo)數(shù)時，信號小波變換模的過零點(diǎn)也對應(yīng)于信號的突變點(diǎn)。采用檢測小波變換系數(shù)模的過零點(diǎn)和局部極值點(diǎn)的方法可以檢測信號的突變點(diǎn)。

2.2 分解尺度及小波基的選擇原則

突變點(diǎn)的位置有時是由小波變換的過零點(diǎn)反映的，有時是由其極值點(diǎn)反映的。通常是根據(jù)極值點(diǎn)進(jìn)行檢測，因為過零點(diǎn)容易受噪聲干擾，而且有時過零點(diǎn)反映的不是突變點(diǎn)。在檢測邊沿宜采用反對稱小波，檢測尖峰脈沖宜采用對稱小波。為了使檢測有效，小波應(yīng)是某一平滑函數(shù)的一、二階導(dǎo)數(shù)。其次，分析尺度必須適當(dāng)，以便使小波變換后的突變點(diǎn)基本上能反映待分析信號的突變點(diǎn)，只有在適當(dāng)尺度下各突變點(diǎn)引起的小波變換才能避免交疊干擾。因此，在處理時需要把多尺度結(jié)合起來綜合觀察。

2.3 高鐵牽引電流瞬態(tài)干擾的來源及特征

當(dāng)電力機(jī)車通過分相區(qū)、升弓、降弓操作，接觸網(wǎng)有冰凌而造成弓網(wǎng)接觸不良、變電所過流保護(hù)開關(guān)瞬間開閉，以及列車工況的切換都會形成脈沖電流。此類脈沖電流帶來的瞬態(tài)干擾具有時間短、能量高的特點(diǎn)，通過傳導(dǎo)性耦合進(jìn)入弱電信號系統(tǒng)，可能會引起信號系統(tǒng)故障 。在牽引電流和信號的記錄中，此類瞬態(tài)干擾往往表現(xiàn)為高階奇異性。

對高階奇異性的瞬態(tài)干擾進(jìn)行小波分析，選擇的小波基應(yīng)具有足夠的消失矩階數(shù)，同時小波基波形盡量與瞬態(tài)干擾波形一致；具有對稱性的小波基對尖峰脈沖的檢測效果更好，瞬態(tài)干擾主要是脈沖輸入，因而采用的小波基最好要具有對稱性。

db系列小波、Coif 系列小波是最接近沖擊波形的小波基函數(shù)，近似對稱 。對瞬態(tài)干擾的分析，小波基適宜從db系和Coif系選擇，一般db3～db6、Coif2～Coif5[5～6]。在高鐵牽引電流瞬態(tài)干擾分析中，需要把多尺度結(jié)合起來綜合觀察。

3 軟件設(shè)計

本平臺程序基于LabVIEW2013開發(fā)，主要包括3個模塊：數(shù)據(jù)采集模塊、數(shù)據(jù)處理模塊、人機(jī)界面。為便于程序修改，每個模塊有不同的子VI組成，同時每個模塊又設(shè)計成可被調(diào)用的子VI。然后將各個功能模塊均置于While循環(huán)內(nèi)，通過前面板控制，使數(shù)據(jù)載入平臺并進(jìn)行處理。

在信號處理方面，LabVIEW提供了很多強(qiáng)大的信號分析工具包，本文利用其高級信號處理工具（ASPT），選取小波基函數(shù)進(jìn)行編程設(shè)計。系統(tǒng)程序流程圖如圖3所示，基于LabVIEW設(shè)計的數(shù)據(jù)處理平臺前面板如圖4所示，該平臺可對現(xiàn)場記錄的原始波形進(jìn)行小波分析、傳統(tǒng)FFT分析以及諧波分析。在程序設(shè)計中，考慮由于數(shù)據(jù)量過大會導(dǎo)致處理時間過長，而且過長的波形會導(dǎo)致頻譜分析誤差加大，因此添加了截取任一段數(shù)據(jù)的功能。用戶可以對感興趣信號點(diǎn)進(jìn)行小范圍截取，從而獲得該信號點(diǎn)精確的數(shù)據(jù)分析。

圖3 程序流程圖

圖4 通用數(shù)據(jù)處理平臺前面板

4 實(shí)測數(shù)據(jù)分析

4.1 車載機(jī)車信號記錄數(shù)據(jù)分析

本組數(shù)據(jù)為重載鐵路機(jī)車信號左線圈記錄的數(shù)據(jù)，鋼軌既是牽引電流的通道又是信號電流的通道，通過單側(cè)線圈可以同時感應(yīng)到牽引回流和信號電流。截取其中10 s測試時間分析，如圖5所示。

在圖5中，看不出電流的變化以及牽引電流瞬態(tài)特性。對圖5數(shù)據(jù)進(jìn)行5層小波分解，小波基為Coif5，其中A-D5部分如圖6所示，根據(jù)小波模極大值原理，存在2處信號奇異點(diǎn)。對瞬態(tài)過程細(xì)節(jié)截取如圖7所示。利用本平臺對瞬態(tài)電流時刻提取鋼軌中包含的移頻信號，經(jīng)濾波及FFT變換，中心載頻頻譜如圖8所示，對比正常狀態(tài)下的信號頻譜如圖9所示，可知瞬態(tài)電流帶來明顯的信號帶內(nèi)干擾，無法準(zhǔn)確確定中心載頻相鄰的調(diào)制信號（邊頻），若瞬態(tài)干擾持續(xù)時間過長，根據(jù)移頻信號解調(diào)原理，可能造成低頻解調(diào)的失敗，帶來安全隱患。

圖5 信號記錄儀波形（車載機(jī)車信號記錄數(shù)據(jù)）

圖6 5層小波分解

圖7 第3處瞬態(tài)電流（車載機(jī)車信號記錄數(shù)據(jù)）

圖8 瞬變電流處信號頻譜（車載機(jī)車信號記錄數(shù)據(jù)）

圖9 2300-2信號中心載頻及邊頻

4.2 牽引回流記錄數(shù)據(jù)分析

本組數(shù)據(jù)為某高鐵站內(nèi)牽引電流回流記錄數(shù)據(jù)，記錄條件是有動車進(jìn)站，載頻2600-2型（2 598.7 Hz）。截取其中20 s原始測試數(shù)據(jù)，如圖10所示。

圖10 信號記錄儀波形（牽引回流記錄數(shù)據(jù)）

利用該平臺把記錄儀中通道1總電流的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理后，既可以分析任意時刻基波電流的大小，又可以分析各次諧波電流，同時還可以分析總電流中包含的信號載頻及低頻。

圖11為截取20 s測試數(shù)據(jù)的動車組出站時總電流變化趨勢?？闯隹傠娏髟诙虝r間內(nèi)急劇變化，動車出站過程中具有牽引電流瞬態(tài)特性，過大沖擊電流對與鋼軌連接的軌道電路等設(shè)備工作產(chǎn)生嚴(yán)重影響。

圖11 總電流變化趨勢

對通道1數(shù)據(jù)進(jìn)行3層小波分解，小波基為Coif5，其中D3部分如圖12所示，根據(jù)小波模極大值原理，存在3處信號奇異點(diǎn)。分別對3處信號點(diǎn)進(jìn)行截取并細(xì)節(jié)分析，發(fā)現(xiàn)這3處都為瞬態(tài)電流。其中，第1處，總電流在0.05 s內(nèi)由24.6 A增大到54.5 A，第2處總電流在0.05 s內(nèi)由49.8 A增大到76.6 A，第3處總電流在0.05 s內(nèi)由79.35 A增大到148.86 A。對第3處瞬態(tài)過程細(xì)節(jié)截取如圖13所示。利用本平臺對第3處瞬態(tài)電流時刻提取鋼軌中包含的移頻信號，經(jīng)濾波及FFT變換，中心載頻頻譜如圖14所示，對比正常狀態(tài)下的信號頻譜如圖15所示，可知瞬態(tài)電流帶來明顯的信號帶內(nèi)干擾，無法準(zhǔn)確確定中心載頻相鄰的調(diào)制信號（邊頻），根據(jù)移頻信號解調(diào)原理，持續(xù)時間過長或嚴(yán)重時可能造成低頻解調(diào)的失敗，帶來安全隱患。

圖12 3層小波分解D3部分

圖13 第3處瞬態(tài)電流 （牽引回流記錄數(shù)據(jù)）

圖14 瞬變電流處信號頻譜 （牽引回流記錄數(shù)據(jù)）

圖15 2600-2信號中心載頻及邊頻

5 結(jié)束語

針對傳統(tǒng)的鐵路信號分析方法的不足，提出采用基于虛擬儀器的數(shù)據(jù)采集與分析系統(tǒng)作為通用數(shù)據(jù)平臺進(jìn)行信號處理的方案。整個數(shù)據(jù)采集與分析平臺分為硬件和軟件兩個部分進(jìn)行設(shè)計，實(shí)現(xiàn)多個通道模擬信號的實(shí)時采集并分析處理，又可對記錄儀中的各個通道數(shù)據(jù)進(jìn)行處理分析。重點(diǎn)利用小波變換實(shí)現(xiàn)了對牽引電流瞬態(tài)干擾及特殊信號的檢測；介紹小波分析信號奇異點(diǎn)的原理，小波函數(shù)以及分解尺度的選取原則；介紹電氣化鐵路瞬態(tài)干擾的來源及特點(diǎn)，并給出了小波函數(shù)及分解尺度選取的建議。經(jīng)驗證，在現(xiàn)場機(jī)車信號大量測試數(shù)據(jù)中，利用小波分析可以準(zhǔn)確找到信號畸變點(diǎn)；在對牽引回流數(shù)據(jù)分析中，既能對工頻電流進(jìn)行分析，又可把鋼軌牽引電流中包含的信號電流進(jìn)行提取并分析。

[1]楊世武.鐵路信號抗干擾技術(shù)[M].北京：北京交通大學(xué)出版社，2012：53-64.

[2]龍華為，顧永剛.LabVIEW8.2.1與DAQ數(shù)據(jù)采集[M].北京：清華大學(xué)出版社，2008：152-156.

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[4]胡昌華，李國華，劉 濤，周志杰.基于MATLAB6.x的統(tǒng)分析與設(shè)計-小波分析[M].西安：西安電子科技大學(xué)出版社，2004，9.

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責(zé)任編輯 徐侃春

Infuence analysis of traction current transient interference of high-speed railway on railway signal

TIAN Jianzhao1,YANG Shiwu1,CUI Yong1,CHEN Haikang2
( 1.School of Electronic and Information Engineering,Beijing Tiaotong University,Beijing 100044,China;2.China Academy of Railway Sciences,Beijing 100081,China)

The Signal System of high speed railway operates in the complicated electromagnetic environment.During the interference characteristics analysis and data processing,a universal platform for various analog and digital signals should be established.An integrated data processing platform based on LabVIEW software was developed,consisting of data acquisition,data format conversion and signal processing.The platform could collect the signal of the analog source,and import the stored data of the recorder,acting as a universal processing platform.On this basis,the impact of the transient characteristics of high speed railway traction current on the signal was analyzed,and the detection of singularity of transient interference based on wavelet transformation was accomplished.Finally,by processing of the actual waveform recorded at the railway site,the validity of the platform function and algorithm were verifed. The signal processing part could implement the functions of real-time measurement in time domain,waveform display,fltering and spectrum analysis.

virtual instrument;LabVIEW;date acquisition;high speed railway;transient signal;wavelet transformation

U228.2：TP39

A

1005-8451（2016）04-0001-05

2015-09-28

國家自然科學(xué)基金資助項目（61227002）；中國鐵路總公司科技研究開發(fā)計劃（2014X008-1）。

田建兆，在讀碩士研究生；楊世武，副教授。