張海東

(1.軌道交通工程信息化國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(中鐵一院),西安 710043； 2.中鐵第一勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司,西安 710043)

引言

ZPW-2000系列軌道電路是我國高鐵發(fā)展的重要成果之一，其以法國UM71軌道電路作為依托，經(jīng)歷了技術(shù)引進(jìn)、技術(shù)攻關(guān)，最終形成自主化產(chǎn)品，為機(jī)車提供前方閉塞分區(qū)空閑狀態(tài)信息及檢測(cè)軌道區(qū)段空閑狀態(tài)的功能[1]。普速鐵路車站多采用疊加電碼化的25 Hz相敏軌道電路，區(qū)間多采用ZPW-2000系列軌道電路。隨著高速鐵路技術(shù)的快速發(fā)展，列車運(yùn)行速度不斷提高，25 Hz相敏軌道電路疊加電碼化為機(jī)車提供行車憑證的方式已不能保證行車安全，因此，高速鐵路車站不再采用25 Hz相敏軌道電路，而采用與區(qū)間制式相同的一體化ZPW-2000系列軌道電路，通過不斷往軌面發(fā)送移頻信號(hào)來保證機(jī)車可靠的接收到有用信息。但機(jī)車接收本線軌道電路移頻信號(hào)的同時(shí)，易受到各方面“無用”信號(hào)的干擾，機(jī)車如何準(zhǔn)確地解調(diào)出本線路上發(fā)送的有用移頻信號(hào)對(duì)行車安全至關(guān)重要。目前，已有移頻信號(hào)解調(diào)方法有相干檢測(cè)法及非相干檢測(cè)法，相干檢測(cè)法具有抗干擾性能強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)，但實(shí)現(xiàn)起來較復(fù)雜；非相干檢測(cè)法包含小波檢測(cè)法、時(shí)域檢測(cè)法及頻域檢測(cè)法[2]。隨著數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)的發(fā)展，采用傅里葉變換對(duì)移頻信號(hào)進(jìn)行頻域解調(diào)的方法受到研究者的青睞，操作也易于實(shí)現(xiàn)，已作為移頻信號(hào)解調(diào)研究的主流方法。其中，馮慶勝等[3]采用ZFFT及CZT相結(jié)合的方法抑制了諧波分量，突出中心頻率的幅值，實(shí)現(xiàn)移頻信號(hào)的解調(diào)；何林等[4]采用欠采樣技術(shù)和漢寧窗在頻域?qū)σ祁l信號(hào)頻譜進(jìn)行重心校正，檢測(cè)出移頻信號(hào)各項(xiàng)參數(shù)；涂玉源等[5]采用Lab VIEW信號(hào)處理技術(shù)搭建仿真系統(tǒng)，在頻域?qū)σ祁l信號(hào)進(jìn)行解調(diào)研究；李永巖[6]利用Zoom-FFT技術(shù)實(shí)現(xiàn)了對(duì)鐵路移頻信號(hào)的頻域檢測(cè)；陳姝姝等[7]對(duì)基于FSK的ZPW-2000A軌道電路進(jìn)行了仿真研究。上述研究均在頻域?qū)σ祁l信號(hào)進(jìn)行解調(diào)研究，頻域分析法存在的問題是隨著噪聲幅值增大，其解調(diào)精度受限，當(dāng)信噪比到達(dá)-15 dB時(shí)頻域分析法已無法分辨出譜峰和其他頻譜分量，其在較低信噪比時(shí)的解調(diào)結(jié)果不夠理想。從近期國鐵集團(tuán)針對(duì)高鐵信號(hào)設(shè)備安全專項(xiàng)整治入手，結(jié)合實(shí)際，將混沌理論運(yùn)用到ZPW-2000系列軌道電路移頻信號(hào)解調(diào)中，提出移頻信號(hào)抗干擾研究的一種新思路、新方法，使其能夠在更低信噪比環(huán)境中解調(diào)到ZPW-2000軌道電路移頻信號(hào)。

1 股道分割抗干擾研究

1.1 雙端發(fā)碼的實(shí)現(xiàn)

高速鐵路車站股道采用ZPW-2000系列軌道電路，按照TB10007—2017《鐵路信號(hào)設(shè)計(jì)規(guī)范》規(guī)定，當(dāng)股道長度不超過650 m時(shí)只設(shè)置一段軌道電路[8]。而現(xiàn)有高鐵站場(chǎng)設(shè)計(jì)中股道有效長基本為650 m，標(biāo)準(zhǔn)車站布置(局部)示意如圖1所示。

圖1 標(biāo)準(zhǔn)車站布置示意(單位：m)

股道若采用一段軌道電路在下述場(chǎng)景下易受鄰線信號(hào)干擾，當(dāng)列車由下行方向接車?？吭?G后，如需辦理折返作業(yè)，列車就要換端，換端后由3G往X口的發(fā)車進(jìn)路若還未辦理，則3G移頻信號(hào)還未發(fā)送至鋼軌。但此時(shí)值班員正好辦理了由IG往X口的發(fā)車作業(yè)，即IG迎著列車方向(SI信號(hào)機(jī)處)發(fā)送出移頻信號(hào)，當(dāng)信號(hào)功率足夠大時(shí)，會(huì)使得?？吭?G的列車車載設(shè)備接收到來自IG的移頻信號(hào)而錯(cuò)誤將車駛出，此時(shí)，道岔未在規(guī)定位置，可能會(huì)導(dǎo)致列車擠岔側(cè)翻，甚至有可能與IG駛出的列車發(fā)生側(cè)沖，直接危及行車安全，此情況已發(fā)生過。因此，國鐵集團(tuán)工電部在工電通號(hào)函[2020]98號(hào)《關(guān)于印發(fā)<高鐵信號(hào)設(shè)備安全專項(xiàng)整治技術(shù)指南>的通知》(以下簡(jiǎn)稱“98號(hào)文”)提出采用股道分割的方法，同時(shí)修改TCC配置實(shí)現(xiàn)股道雙端發(fā)碼，消除列車換端無碼問題，并提高本線機(jī)車抗鄰線干擾能力。股道增加分割點(diǎn)示意如圖2所示。

圖2 股道分割后車站布置示意(單位：m)

此方法對(duì)于16輛編組或17輛編組長列車，由X口接車至3G的過程中需順序占?jí)?G1及3G2，當(dāng)列車剛壓入3G2時(shí)，列控中心采集到3G2的占用信息后就控制3G1進(jìn)行反向發(fā)碼，即由3G1的送端(S3信號(hào)機(jī)處)發(fā)送HU碼。此時(shí)若列車?？亢笥袚Q端折返作業(yè)，換端后機(jī)車接收到本股道的HU碼，保證了列車不會(huì)受到鄰線干擾而將列車開往咽喉區(qū)。但對(duì)于8輛編短列車而言，分割股道絕緣節(jié)的設(shè)置位置需進(jìn)一步研究，如絕緣節(jié)設(shè)置在股道正中間，存在機(jī)車上碼時(shí)機(jī)與信號(hào)顯示不一致問題(針對(duì)常態(tài)信號(hào)機(jī)點(diǎn)燈的車站)，即短編車(車長205 m)由X口接至3G后，最終會(huì)完全?？吭?G2軌道區(qū)段內(nèi)，此時(shí)列車最后一個(gè)輪對(duì)位于3G2內(nèi)。雖然軌道進(jìn)行了分割，3G1區(qū)段發(fā)送的是HU碼，但3G2的發(fā)碼方向沒有改變，還是由其送端(X3信號(hào)機(jī)處)進(jìn)行發(fā)碼。此時(shí)若有換端作業(yè)，換端后短編車接收不到本線軌道電路的移頻信號(hào)，但S3出站信號(hào)機(jī)會(huì)根據(jù)所辦進(jìn)路情況給出顯示，此時(shí)就有發(fā)碼與顯示不一致的問題。為解決這個(gè)問題，“98號(hào)文”規(guī)定，分割股道的絕緣節(jié)宜設(shè)在經(jīng)常有換端作業(yè)側(cè)，短編動(dòng)車組停車后尾部最后一個(gè)輪對(duì)內(nèi)方，以滿足動(dòng)車組換端后立即上碼需求，如圖2中所示絕緣節(jié)設(shè)置位置。

1.2 特殊場(chǎng)景下的弊端

98號(hào)文中所述方法從單方向解決了短編列車停靠后能夠及時(shí)上碼的問題，但由于側(cè)線股道絕緣節(jié)未設(shè)置在中間位置，存在另一方向短編車接至側(cè)線股道換端后不能及時(shí)上碼的問題，如圖2所示，中上行方面接至3G的短編車停靠后，最后1個(gè)輪對(duì)處于3G1的內(nèi)方，沒有實(shí)現(xiàn)跨壓3G2。因此，分割股道實(shí)現(xiàn)雙端發(fā)碼進(jìn)行鄰線抗干擾防護(hù)的方法，不能夠完全滿足各種運(yùn)營場(chǎng)景下的解決方案。如何實(shí)現(xiàn)ZPW-2000軌道電路鄰線干擾的防護(hù)，就需從多領(lǐng)域進(jìn)行研究，挖掘出解決鄰線干擾的新思路、新方法。

2 混沌檢測(cè)移頻信號(hào)研究

2.1 混沌檢測(cè)信號(hào)原理

隨著混沌理論研究的不斷深入，其被應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域，尤其在弱電信號(hào)的提取領(lǐng)域，更是被廣泛應(yīng)用。其中，劉劍鳴等[9]利用Liu-cos混沌系統(tǒng)檢測(cè)到聲波微弱信號(hào)；唐貴基等[10]利用Chen混沌系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了軸承早期故障的檢測(cè)；侯思祖等[11]利用濾波器與混沌振子結(jié)合的方法，對(duì)配電網(wǎng)進(jìn)行了故障選線；閆曉麗等[12]利用混沌吸引子階躍變換現(xiàn)象，檢測(cè)到了滾動(dòng)軸承的微弱故障；吳彥華等[13]通過設(shè)置Duffing振子系統(tǒng)的內(nèi)置動(dòng)力頻率，消除了相移鍵控信號(hào)的盲檢測(cè)影響；許伯強(qiáng)等[14]采用Duffing系統(tǒng)與APES算法相結(jié)合的方法，實(shí)現(xiàn)了定子匝間故障的定位；劉劍鳴[15]通過搭建混沌系統(tǒng)電路檢測(cè)微弱信號(hào)，實(shí)現(xiàn)了理論向?qū)嵺`的轉(zhuǎn)變；凌云飛等[16]為解決微弱信號(hào)定量檢測(cè)問題，采用基于龐加萊截面法對(duì)待測(cè)信號(hào)幅值參數(shù)進(jìn)行提取；行鴻彥[17]采用螢火蟲優(yōu)化算法與混沌振子相結(jié)合的方法，對(duì)隨機(jī)共振微弱信號(hào)進(jìn)行了檢測(cè)。而杜芬振子模型作為一種穩(wěn)定的混沌模型，具有對(duì)初值敏感及對(duì)噪聲免疫的特性，其思想是在各類信號(hào)中提取有用信號(hào)，且不會(huì)對(duì)有用信號(hào)造成損耗[18]。因此，對(duì)檢測(cè)模型的研究作為本文的一個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)，經(jīng)典杜芬振子模型方程如下

(1)

式中，k為阻尼比；-x3(t)+x5(t)為非線性恢復(fù)力項(xiàng)；A為內(nèi)策動(dòng)力幅值；ω為內(nèi)策動(dòng)力頻率；B為加入系統(tǒng)的弱電信號(hào)幅值；φ為弱電信號(hào)頻率。

在模型中加入弱電信號(hào)后，隨著內(nèi)策動(dòng)力幅值的變化，系統(tǒng)分別會(huì)輸出同宿軌道態(tài)、分岔態(tài)、混沌態(tài)、大尺度周期態(tài)，且系統(tǒng)的輸出會(huì)在很長一段時(shí)間內(nèi)處于混沌狀態(tài)，直到內(nèi)策動(dòng)力幅值達(dá)到某一數(shù)值后，模型的輸出狀態(tài)會(huì)突然由混沌態(tài)躍變?yōu)榇笾芷趹B(tài)[19-20]，此階段研究較為成熟，本文不再贅述。一般將模型輸出由混沌態(tài)變?yōu)榇蟪叨葢B(tài)時(shí)對(duì)應(yīng)的內(nèi)策動(dòng)力幅值稱為系統(tǒng)臨界閾值。識(shí)別“有用”信號(hào)，濾除“無用”信號(hào)的原理是將模型的內(nèi)策動(dòng)力頻率調(diào)整為“有用”信號(hào)頻率，接著調(diào)整模型內(nèi)策動(dòng)力幅值至臨界閾值處。此時(shí)，如果進(jìn)入到模型中的弱電信號(hào)頻率與模型的內(nèi)策動(dòng)力頻率一致，則模型產(chǎn)生響應(yīng)轉(zhuǎn)變?yōu)榇蟪叨戎芷趹B(tài)，若進(jìn)入到模型中的弱電信號(hào)頻率與內(nèi)策動(dòng)力頻率不一致，則模型不會(huì)作出響應(yīng)，仍然為混沌態(tài)，表現(xiàn)為免疫態(tài)從而將其濾除。

2.2 雙耦合振子模型

雙耦合振子模型是在單杜芬振子模型基礎(chǔ)上通過線性耦合而得到的一種新型混沌振子模型。通過兩個(gè)振子間相互制約耦合的關(guān)系，使得其在檢測(cè)性能上更有優(yōu)勢(shì)。構(gòu)造出的雙耦合振子模型如式(2)所示。

(2)

式中，c(x-y)與c(y-x)為線性耦合項(xiàng)；c為耦合系數(shù)；A1與A2分別為兩個(gè)耦合子模型的內(nèi)策動(dòng)力幅值；ω1與ω2分別為兩個(gè)耦合子模型的內(nèi)策動(dòng)力頻率；B1與B2分別為加入到兩個(gè)子系統(tǒng)中的弱電信號(hào)幅值；φ1與φ2分別為弱電信號(hào)幅值的頻率；n1(t)與n2(t)分別為加入兩個(gè)子模型中的高斯白噪聲。

通過試驗(yàn)可得，耦合系數(shù)為1時(shí)模型的性能最佳，此耦合模型在識(shí)別小頻率信號(hào)時(shí)有較好效果，尤其對(duì)角頻率為1 rad/s附近信號(hào)響應(yīng)最為靈敏。隨著頻率增大，模型對(duì)初值敏感特性越來越差。而本次研究的對(duì)象ZPW-2000軌道電路移頻信號(hào)又有較高的頻率，因此，需對(duì)模型進(jìn)行廣義尺度變換，使其能夠?qū)θ我忸l率的信號(hào)產(chǎn)生響應(yīng)，過程如下。

急性缺血性腦卒中是最常見的卒中類型，在人類各種死亡原因中位居首位，具有較高的發(fā)病率及病死率，處理急性缺血性腦卒中應(yīng)著重強(qiáng)調(diào)早預(yù)防、早診斷、早治療和早康復(fù)，并采取措施預(yù)防復(fù)發(fā)[8]。這些相關(guān)措施為挽救患者生命、提高腦卒中患者的搶救成功率、減少并發(fā)癥發(fā)生率和病死率，形成有效的急救護(hù)理模式有至關(guān)重要作用。

令t=ωτ，則有

x(t)=x(ωτ)

(3)

(4)

(5)

將式(3)～式(5)代入式(2)得到式(6)

(6)

由變換后的模型可以看出，將頻率為ω的采集信號(hào)經(jīng)廣義尺度變換后成為τ/ω的采集信號(hào)，可實(shí)現(xiàn)對(duì)任意頻率信號(hào)的檢測(cè)。

為檢驗(yàn)雙耦合振子模型的性能，在內(nèi)策動(dòng)力頻率設(shè)置相同情況下，將頻率為100 Hz的弱電信號(hào)，分別加入至內(nèi)策動(dòng)力幅值調(diào)整至臨界態(tài)時(shí)的單杜芬振子系統(tǒng)和雙耦合振子模型中，結(jié)果如圖3所示。

圖3 不同模型性能分析

發(fā)現(xiàn)在同樣的初始條件下，兩個(gè)模型中加入同樣頻率的弱電信號(hào)后，雙耦合模型的輸出響應(yīng)曲線更加光滑，模型表現(xiàn)出的靈敏度更高。

2.3 移頻信號(hào)抗干擾研究

圖1所示車站中，各股道載頻是交替排列的，對(duì)下行咽喉來說，IG載頻為2000-1 Hz，3G載頻為2600-1 Hz。同理，上行咽喉相鄰股道間載頻為2300-1 Hz與1700-1 Hz交替排列。以下行咽喉股道處載頻為例，對(duì)于由S口接至3G的短車，列車停至3G1后需進(jìn)行折返作業(yè)，換端后由于機(jī)車最后一個(gè)輪對(duì)未跨壓3G2。此時(shí)，若進(jìn)路未辦理，則存在可能受鄰線移頻信號(hào)干擾問題；若進(jìn)路已辦理，則存在機(jī)車不能及時(shí)上碼但出站信號(hào)機(jī)已給出顯示的問題。為解決上述問題，給出雙耦合振子模型提取“有用”移頻信號(hào)流程，如圖4所示。

表1 雙耦合振子系統(tǒng)臨界閾值

當(dāng)Ad1為0.825 87，Ad2為0.825 95時(shí)，兩個(gè)模型分別處于由混沌態(tài)向大尺度態(tài)轉(zhuǎn)變的臨界狀態(tài)。此時(shí)，為模擬現(xiàn)場(chǎng)可能發(fā)生的各種情況，在模型中隨機(jī)加入頻率為1 700 Hz或2 300 Hz的信號(hào)，如果耦合振子1的輸出為混沌態(tài)，耦合振子2的輸出為大尺度態(tài)，則說明加入到模型中的只有載頻為2 300的信號(hào)。此場(chǎng)景可視為由S口接車至3G1的短車換端后進(jìn)路未辦理時(shí)，本線還未發(fā)送1 700 Hz信號(hào)，但受到了鄰線2 300 Hz信號(hào)的干擾，即此耦合系統(tǒng)能夠檢測(cè)到載頻為2 300 Hz的鄰線干擾信號(hào)。接著，在檢測(cè)模型中加入頻率為1 700 Hz的信號(hào)，再觀察兩個(gè)耦合振子模型的輸出狀態(tài)，若此時(shí)振子1的狀態(tài)由混沌態(tài)變?yōu)榇蟪叨葢B(tài)，則說明系統(tǒng)接收到了頻率為1 700 Hz的信號(hào)。此場(chǎng)景可視為3G機(jī)車換端且進(jìn)路排列好以后接收到本線移頻信號(hào)的場(chǎng)景。為濾除頻率為2 300 Hz的鄰線干擾信號(hào)，將耦合振子2中內(nèi)策動(dòng)力頻率調(diào)整為1 700 Hz，此時(shí)再觀察模型輸出，若耦合振子2的輸出由大尺度周期態(tài)變?yōu)榛煦鐟B(tài)，則說明模型已經(jīng)濾除了頻率為2 300 Hz的信號(hào)。根據(jù)上述分析，搭建雙耦合振子系統(tǒng)模型，如圖5所示。

圖5 雙耦合振子系統(tǒng)仿真模型

其中，Add是加法模塊，Gaussian Noise Generator是高斯白噪聲模塊，Signal是內(nèi)策動(dòng)力模塊，Integrator是積分模塊，K是增益模塊，Subtract是減法器模塊，F(xiàn)cn為函數(shù)模塊，XY Graph及Scope為系統(tǒng)輸出模塊。

根據(jù)上述分析調(diào)整耦合振子模型相關(guān)參數(shù)后，隨機(jī)加入頻率為1700 Hz/2300 Hz的信號(hào)，雙耦合振子模型1與模型2的輸出如圖6所示。

圖6 加入弱電信號(hào)后系統(tǒng)輸出

看到模型1的輸出為混沌態(tài)，模型2的輸出為大尺度周期態(tài)，則說明此時(shí)雙耦合模型只接收到了頻率為2 300 Hz的移頻信號(hào)。為進(jìn)一步論證，在耦合模型中加入頻率為1 700 Hz的信號(hào)，耦合系統(tǒng)的輸出如圖7所示。

圖7 調(diào)整耦合系統(tǒng)參數(shù)后系統(tǒng)輸出

發(fā)現(xiàn)模型1的輸出由混沌態(tài)躍變?yōu)榇蟪叨戎芷趹B(tài)，模型2的輸出仍保持大尺度周期態(tài)，說明進(jìn)入到模型中的既有頻率為1 700 Hz的信號(hào)，又有頻率為2 300 Hz的信號(hào)。為濾除頻率為2 300 Hz的信號(hào)，將振子2模型中內(nèi)策動(dòng)力頻率調(diào)整為1 700 Hz，內(nèi)策動(dòng)力幅值調(diào)整為臨界閾值，得到耦合振子的輸出結(jié)果如圖8所示。

圖8 濾除干擾信號(hào)后系統(tǒng)輸出

耦合振子模型1的輸出仍為大尺度周期態(tài)，耦合振子模型2的輸出由大尺度周期態(tài)變?yōu)榛煦鐟B(tài)，仿真結(jié)果與理論分析一致，說明系統(tǒng)對(duì)“無用”信號(hào)表現(xiàn)出免疫狀態(tài)。

研究中還發(fā)現(xiàn)，雙耦合振子模型不僅對(duì)鄰線不同頻率信號(hào)能夠起到很好的抗干擾作用，還能夠?qū)ζ渌噍^于移頻信號(hào)來說“無用”的信號(hào)起到防護(hù)作用，如牽引回流諧波信號(hào)、電磁干擾信號(hào)，弓網(wǎng)離線噪聲干擾等都能夠起到濾除作用。在模型中加入高斯白噪聲進(jìn)行大量試驗(yàn)，得到結(jié)果如圖9所示，發(fā)現(xiàn)雙耦合振子模型能夠在更低的信噪比下實(shí)現(xiàn)移頻信號(hào)的抗干擾防護(hù)。

圖9 兩種模型的抗干擾性能曲線

3 結(jié)論

采用雙耦合杜芬振子模型實(shí)現(xiàn)了ZPW-2000軌道電路移頻信號(hào)鄰線抗干擾防護(hù)，在算法上進(jìn)行了優(yōu)化研究，采用廣義尺度變換突破了原有模型受小頻率因素的限制，得到了一種適用于移頻信號(hào)的提取耦合振子模型。結(jié)合股道分割后現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際移頻信號(hào)載頻布置原則，通過搭建仿真模型進(jìn)行仿真驗(yàn)證，調(diào)整模型參數(shù)，輸入載頻數(shù)據(jù)，得出改造后耦合振子模型。其能夠在更低信噪比條件下實(shí)現(xiàn)了移頻信號(hào)的提取，解決了“98號(hào)文”中存在的問題，為ZPW-2000軌道電路抗干擾防護(hù)研究提出一種新方法。