謝保鋒，吳曉曉，孫魯錢

（中國鐵道科學(xué)研究院 基礎(chǔ)設(shè)施檢測研究所，北京 100081）

軌道電路檢測系統(tǒng)標(biāo)定方法研究

謝保鋒，吳曉曉，孫魯錢

（中國鐵道科學(xué)研究院 基礎(chǔ)設(shè)施檢測研究所，北京 100081）

根據(jù)軌道電路檢測系統(tǒng)工作原理，通過對檢測結(jié)果影響因素的分析，提出基于檢測輸入和輸出進(jìn)行對比的黑箱標(biāo)定方法和測量結(jié)果不確定度的計(jì)算方法。根據(jù)實(shí)際測試數(shù)據(jù)的計(jì)算和分析，證明該標(biāo)定方法實(shí)施簡單、可行有效，為保證檢測系統(tǒng)檢測結(jié)果的準(zhǔn)確性奠定基礎(chǔ)。

軌道電路；檢測系統(tǒng)；標(biāo)定方法；不確定度

軌道電路檢測系統(tǒng)（簡稱檢測系統(tǒng)）是安裝在電務(wù)檢測車或綜合檢測列車上（簡稱檢測車）的檢測裝備，能夠?qū)崿F(xiàn)對軌道電路（ZPW-2000制式、車站電碼化）信號(hào)設(shè)備的檢測功能，為了保證檢測系統(tǒng)檢測結(jié)果的準(zhǔn)確性，需對檢測系統(tǒng)按照一定時(shí)間周期進(jìn)行標(biāo)定[1-3]。在分析檢測系統(tǒng)檢測原理的基礎(chǔ)上，提出基于檢測輸入和輸出進(jìn)行對比的黑箱標(biāo)定方法，通過對標(biāo)定結(jié)果不確定度的計(jì)算和分析，證明本方法可行有效。

1 概述

檢測系統(tǒng)由機(jī)車信號(hào)感應(yīng)線圈（TCR天線）、連接線纜、硬件處理單元和上位機(jī)顯示單元等組成。檢測車第一輪對分路軌道電路時(shí)，軌道電路分路電流信號(hào)被檢測系統(tǒng)TCR天線接收生成感應(yīng)信號(hào)，經(jīng)過檢測系統(tǒng)采集處理機(jī)等硬件處理單元進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換、濾波處理后，生成主信號(hào)和鄰線鄰區(qū)段干擾信號(hào)的數(shù)字信號(hào)，利用頻域分析技術(shù)進(jìn)行數(shù)字信號(hào)處理，計(jì)算出主信號(hào)和干擾信號(hào)幅值大小，發(fā)送給檢測系統(tǒng)顯示單元進(jìn)行顯示。檢測系統(tǒng)具備ZPW-2000制式、站內(nèi)電碼化軌道電路信號(hào)設(shè)備的檢測功能，進(jìn)行檢測時(shí)，對應(yīng)4個(gè)不同載頻信號(hào)，硬件處理單元分別采用獨(dú)立電路通道進(jìn)行處理，同時(shí)，在上位機(jī)顯示單元人機(jī)界面分別設(shè)置了4個(gè)不同窗口，用于輸入調(diào)整系數(shù)，以對4個(gè)不同載頻軌道電路信號(hào)的檢測誤差進(jìn)行調(diào)整。檢測系統(tǒng)運(yùn)用一段時(shí)間后，TCR天線電氣特性將會(huì)發(fā)生一定變化，檢測系統(tǒng)車內(nèi)連接電纜衰耗增加，檢測系統(tǒng)硬件處理單元的信號(hào)處理結(jié)果也出現(xiàn)一定程度偏差，因此需要對檢測系統(tǒng)進(jìn)行周期性標(biāo)定。

檢測系統(tǒng)模型是對鋼軌中軌道電路電流信號(hào)進(jìn)行感應(yīng)、處理、計(jì)算、顯示的數(shù)學(xué)過程的描述，如果把檢測系統(tǒng)看作一個(gè)黑箱，輸入變量（檢測輸入）為軌道電路電流信號(hào)，輸出變量（檢測示值）為軌道電路感應(yīng)電壓幅值大小。標(biāo)定時(shí)，不關(guān)心檢測系統(tǒng)的具體計(jì)算過程，只需求解從輸入到輸出的直接轉(zhuǎn)換、對比關(guān)系，稱為黑箱對比標(biāo)定法。

2 基于黑箱的現(xiàn)場對比標(biāo)定法

標(biāo)定時(shí)，在列車第一輪對前、檢測系統(tǒng)TCR天線正下方，沿鋼軌鋪設(shè)測試環(huán)線電纜，長度為4.0 m，測試環(huán)線電纜閉合端距離TCR天線1.5 m，采用機(jī)車信號(hào)發(fā)碼設(shè)備連接測試環(huán)線電纜，發(fā)送軌道電路電流信號(hào)，以此模擬軌道電路，檢測系統(tǒng)設(shè)備布置及標(biāo)定示意見圖1。

圖1 檢測系統(tǒng)設(shè)備布置及標(biāo)定示意圖

根據(jù)TB/T 3287—2013《機(jī)車信號(hào)車載系統(tǒng)設(shè)備》要求，測試環(huán)線電流及TCR天線感應(yīng)電壓對應(yīng)值見表1。將測試環(huán)線電流值計(jì)算轉(zhuǎn)換為TCR天線感應(yīng)電壓值，將此電壓值作為標(biāo)準(zhǔn)電壓值，并作為檢測輸入基準(zhǔn)值，與檢測示值進(jìn)行對比，通過檢測系統(tǒng)上位機(jī)顯示單元人機(jī)界面調(diào)整標(biāo)定系數(shù)，使檢測示值誤差滿足技術(shù)要求，實(shí)現(xiàn)檢測示值的標(biāo)定。因檢測系統(tǒng)硬件處理單元采用4個(gè)獨(dú)立電路通道對4個(gè)載頻軌道電路信號(hào)分別進(jìn)行處理，標(biāo)定時(shí)按照表1分別選擇一組電流值（電壓值）進(jìn)行。

表1 標(biāo)準(zhǔn)電流值、標(biāo)準(zhǔn)電壓值對應(yīng)值

3 檢測示值誤差不確定度評定

3.1 數(shù)學(xué)模型

檢測系統(tǒng)檢測示值誤差E，可按式（1）進(jìn)行計(jì)算。

式中：n分別為1 700、2 000、2 300、2 600，分別代表ZPW-2000制式（站內(nèi)電碼化）軌道電路4個(gè)不同載頻，Hz；En為不同載頻條件下檢測示值誤差；Von為不同載頻條件下的檢測示值；Vin為不同載頻條件下的檢測基準(zhǔn)值[4]。

3.2 各輸入量標(biāo)準(zhǔn)不確定度評定

根據(jù)式（1），檢測系統(tǒng)檢測示值誤差測量結(jié)果的不確定度取決于輸入量Von和Vin的不定度。

3.2.1 標(biāo)準(zhǔn)不確定度u（Von）評定

輸入量Von的標(biāo)準(zhǔn)不確定度u（Von），表示檢測系統(tǒng)檢測示值顯示讀數(shù)分辨力引入的不確定度。

（1）檢測示值讀數(shù)分辨力引入的不確定度分量u1（Von）。u1（Von）來源于檢測系統(tǒng)上位機(jī)顯示軟件的分辨力，采用B類方法評定。檢測系統(tǒng)上位機(jī)軟件對應(yīng)4個(gè)載頻，檢測示值有效顯示位數(shù)均為3位，可顯示最小電壓值為0.001 V，分辨力為0.001 V，分散區(qū)間為0.001 V，則分散區(qū)間的半寬a=0.000 5 V，在此區(qū)間服從均勻分布。

（2）檢測重復(fù)性引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量u2（Von）。u2（Von）是由檢測系統(tǒng)測量的重復(fù)性引起的，采用A類方法評定。4個(gè)不同載頻條件下，分別采用多次測量樣本標(biāo)準(zhǔn)差Si進(jìn)行計(jì)算。在重復(fù)性條件下，發(fā)碼設(shè)備分別發(fā)送標(biāo)準(zhǔn)電流值0.465 A、0.413 A、0.383 A、0.353 A，對應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)電壓值均為0.150 V，重復(fù)測量10次，測量數(shù)據(jù)見表3。

表2 不確定度評定計(jì)算結(jié)果 V

采用式（3）計(jì)算得出每個(gè)標(biāo)準(zhǔn)電壓下樣本標(biāo)準(zhǔn)差，也是檢測重復(fù)性引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量u2（Von）大小，計(jì)算結(jié)果見表2（第3列）。

3.2.2 標(biāo)準(zhǔn)不確定度u（Vin）評定

輸入量Vin的不確定度主要是由發(fā)碼設(shè)備（即標(biāo)準(zhǔn)表）的最大允許測量誤差引入的。標(biāo)準(zhǔn)表的示值最大允許測量誤差引入的不確定度分量u1（Vin），包括短期穩(wěn)定性引入的不確定度和標(biāo)定環(huán)境對其影響引入的不確定度。

標(biāo)定環(huán)境條件：氣溫0～40℃，相對濕度≤95%RH，海拔高度≤2 500 m。該環(huán)境條件符合標(biāo)定的環(huán)境要求，環(huán)境條件對包括發(fā)碼設(shè)備和檢測設(shè)備在內(nèi)的整個(gè)系統(tǒng)標(biāo)定影響不大，可忽略不計(jì)。

標(biāo)準(zhǔn)表經(jīng)溯源合格，在檢定周期內(nèi)，其示值最大允許測量誤差通過式（4）進(jìn)行計(jì)算。

當(dāng)Vin=0.150 V時(shí)，分散區(qū)間半寬值a=0.003 V，在此區(qū)間服從均勻分布。

式中：k為包含因子，取值√3。根據(jù)式（5）進(jìn)行計(jì)算，對應(yīng)4個(gè)不同載頻，標(biāo)準(zhǔn)不確定度u1（Vin）相同，計(jì)算結(jié)果見表2（第4列）。

3.3 合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度評定

根據(jù)式（1）和上述不確定度影響因素分析，靈敏系數(shù)一般設(shè)置為：con=1、cin=1。

輸入量Von與Vin彼此獨(dú)立不相關(guān)，合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度可按式（6）計(jì)算得到。

根據(jù)式（6）進(jìn)行計(jì)算，合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度計(jì)算結(jié)果見表2（第5列）。

3.4 擴(kuò)展不確定度評定

綜上所述，檢測系統(tǒng)檢測示值不確定度共有3個(gè)不確定度分量，檢測系統(tǒng)檢測示值測量結(jié)果分布認(rèn)為滿足正態(tài)分布。

式中：k為包含因子，取值2。根據(jù)式（7）進(jìn)行計(jì)算，擴(kuò)展不確定度計(jì)算結(jié)果見表2（第6列）。

4 結(jié)束語

通過對軌道電路檢測系統(tǒng)標(biāo)定方法和檢測結(jié)果不確定度的研究，明確了影響檢測結(jié)果的因素，提出了測量結(jié)果不確定度的計(jì)算方法。軌道電路檢測系統(tǒng)相關(guān)技術(shù)規(guī)范規(guī)定，檢測系統(tǒng)檢測結(jié)果的誤差范圍為±（2 mV+標(biāo)準(zhǔn)電壓值×2%），在標(biāo)準(zhǔn)電壓值為150 mV時(shí)，檢測系統(tǒng)測量的允許誤差為±5 mV。采用上述標(biāo)定方法，對檢測系統(tǒng)進(jìn)行標(biāo)定，根據(jù)實(shí)際測試數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算，對應(yīng)4個(gè)不同載頻，檢測系統(tǒng)測量的擴(kuò)展不確定度為：3.58 mV、3.58 mV、3.60 mV、3.58 mV，在檢測系統(tǒng)檢測結(jié)果的允許誤差范圍內(nèi)，證明該標(biāo)定方法可靠有效，能夠保證檢測系統(tǒng)檢測結(jié)果的準(zhǔn)確性。

表3 重復(fù)測量數(shù)據(jù)記錄

[1] 孟景輝，于寶慶，楊樹忠，等．信號(hào)設(shè)備動(dòng)靜態(tài)檢測數(shù)據(jù)融合分析方法[J]．中國鐵路，2015(10)：19-21．

[2] 李勝，楊揚(yáng)，陳光，等．ZPW2000A/K型軌道電路設(shè)備配置軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J]．中國鐵路，2016(4)：71-74．

[3] 黃達(dá)志．軌道電路一次參數(shù)及維護(hù)管理[J]．中國鐵路，2015(2)：35-37．

[4] 林洪樺．測量誤差與不確定度評估[M]．北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2010．

責(zé)任編輯 高紅義

On Methods of Calibrating Track Circuit Inspection System

XIE Baofeng，WU Xiaoxiao，SUN Luqian
（Infrastructure Inspection Research Institute，China Academy of Railway Sciences，Beijing 100081，China）

According to the working principle of the track circuit inspection system, this paper analyzes the influence factors of inspection results, puts forward the black box calibration method and the method of calculating the measurement result uncertainty based on the comparison of inspection input and output. According to the calculation and analysis of the actual test data, it is proved that the calibration method is simple and feasible, and it lays the foundation for ensuring the accuracy of the inspection system.

track circuit；inspection system；calibration method；uncertainty

U284.28

：A

：1001-683X（2017）07-0060-04DOI：10.19549/j.issn.1001-683x.2017.07.060

2016-12-27

中國鐵路總公司技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)計(jì)劃項(xiàng)目（15CR073）

謝保鋒（1971—），男，副研究員。

E-mail：xiebaofeng@rails.cn