寧詠梅

(中鐵第五勘察設計院集團有限公司 北京 102600)

1 概述

ZPW-2000軌道電路系統(tǒng)是我國鐵路信號控制系統(tǒng)的重要基礎設備之一，軌道電路系統(tǒng)的安全可靠運行對鐵路運營具有重要影響。截至2020年，全國鐵路營業(yè)里程達到14.63萬km，軌道電路數(shù)量為150 000余套，在我國鐵路自動閉塞系統(tǒng)中有較大規(guī)模的應用。軌道電路系統(tǒng)包括室內(nèi)設備和室外設備，其中移頻信號通道同時還包括室內(nèi)電纜、室外信號電纜等傳輸路徑、鋼軌等，具有點多線長的特點，運營條件和應用環(huán)境具有復雜性，實際運營過程中故障時有發(fā)生，嚴重制約了鐵路的安全高效運營。目前，ZPW-2000軌道電路移頻信號安全傳輸方面存在以下問題:(1)軌道電路移頻信號傳輸路徑環(huán)境復雜，容易受到外部干擾信號、相鄰區(qū)段移頻信號的干擾[1-3]；(2)軌道電路對于移頻信號通常利用載頻信號和低頻信號校驗進行防護，信號安全傳輸?shù)姆雷o手段較為單一[6-8]。

國內(nèi)目前大量應用的自動閉塞系統(tǒng)中ZPW-2000系列軌道電路設備對有電纜串音、耦合串擾及移頻信號跨區(qū)傳輸?shù)葐栴}導致的軌道電路安全性問題還沒有一個完整的解決方案，在軌道電路移頻信號傳輸過程中對電纜串音、電纜絕緣故障導致移頻信號耦合串擾、室外信號跨區(qū)段傳輸?shù)葐栴}的防護能力不足，從而導致軌道電路設備產(chǎn)生紅光帶，嚴重時甚至可能出現(xiàn)軌道繼電器不能可靠落下的安全性問題[9-11]。

為了進一步提高ZPW-2000軌道電路系統(tǒng)安全性，以軌道電路系統(tǒng)傳輸理論研究為支撐、以鐵路行業(yè)綜合應用需求為牽引[12-13]，針對ZPW-2000軌道電路系統(tǒng)移頻信號傳輸安全性問題，進行深入研究并提出技術解決方案。

2 ZPW-2000信號傳輸模型

ZPW-2000軌道電路主要實現(xiàn)區(qū)段空閑、占用檢查功能，并向車載列控信號設備發(fā)送連續(xù)控制信息，同時還具備改變發(fā)碼方向的功能。

ZPW-2000系列軌道電路移頻信號目前采用FSK 調(diào)制方式，載頻采用 1700-1、1700-2、2000-1、2000-2、2300-1、2300-2、2600-1、2600-2 共 8 種載頻，載頻頻偏±11 Hz，低頻調(diào)制信號頻率為10.3 Hz、11.4 Hz、12.5 Hz、…27.9 Hz、29 Hz(低頻按 1.1 Hz)，共18種。

2.1 時域表達式

(1)基帶信號

(2)載波信號

式中:Ac為載波幅值；wc為載波頻率，對于2000系列，wc＝1 700～2 600 Hz。

(3)調(diào)制信號時間域表達式

式中:K為移頻器的靈敏度系數(shù)。

瞬時頻率表達式:

式中:w為角頻率最大頻偏，對于2000系列，w＝2pi×11 Hz。

相位表達式:

因此，調(diào)制信號的時域表達式:

2.2 頻域表達式

根據(jù)對時域信號的傅里葉展開，可得ZPW-2000移頻信號頻域表達式。

調(diào)制信號傅里葉展開表達式:

考慮到φ(t)是周期為T的信號，則ejφ(t)也為周期信號，證明如下:

因此，ejφ(t)也是周期信號，傅里葉展開如下:

式中:ωb為低頻調(diào)制基波的頻率；為傅里葉系數(shù)。

式中:r為正整數(shù)，范圍為 1，2，3，4…。

2.3 頻譜分析

頻譜分析結(jié)果見表1。

表1 __ZPW-2000移頻信號頻譜分析結(jié)果

3 安全傳輸技術方案

3.1 方案分析

為了保證ZPW-2000軌道電路移頻信號安全傳輸過程中的唯一性，需要在目前采用的FSK信號基礎上采用安全校核的方案保證軌道電路在移頻信號傳輸過程中的安全防護。在既有移頻信號基礎上增加安全校核主要有兩種方法:復合調(diào)制方案和多路復用方案。復合調(diào)制方案，包括復合調(diào)幅、復合調(diào)頻和復合調(diào)相等方式；多路復用方案，包括時分復用、頻分復用和碼分復用等方式。

3.1.1 復合調(diào)制方案

復合調(diào)制方案是指在FSK信號的基礎上，對同一載波進行兩種或更多的調(diào)制。如對一個頻率調(diào)制波再進行振幅調(diào)制，所得結(jié)果即為調(diào)頻調(diào)幅波。

(1)復合調(diào)幅

復合調(diào)幅方案是指在FSK信號的幅度值上進行調(diào)制。利用數(shù)字編碼對FSK信號幅度值進行調(diào)制，得到數(shù)字編碼信號。該方案特點如下:

①系統(tǒng)不需要增加其他頻率信號；

②發(fā)送器增加復合調(diào)幅調(diào)制功能；

③接收器增加復合調(diào)幅解調(diào)功能；

④對車載TCR影響較小。

(2)復合調(diào)頻

復合調(diào)頻方案是指在移頻FSK信號的頻率值上進行調(diào)制。利用數(shù)字編碼對FSK信號頻率值進行調(diào)制，得到數(shù)字編碼信號。該方案特點如下:

①發(fā)送器增加復合頻率調(diào)制功能；

②接收器增加復合頻率解調(diào)功能。

(3)復合調(diào)相

復合調(diào)相方案是指在FSK信號的相位值上進行調(diào)制。利用數(shù)字編碼對FSK信號相位值進行調(diào)制，得到數(shù)字編碼信號。該方案特點如下:

①系統(tǒng)需要增加其他相位信號；

②發(fā)送器增加復合相位調(diào)制功能；

③接收器增加復合相位解調(diào)功能；

④方案優(yōu)點是不會在系統(tǒng)內(nèi)引入其他頻率信號。

3.1.2 多路復用方案

在通信領域，多路復用技術是指一個信道同時傳輸多路信號的技術。該技術包括頻分復用(FDM，F(xiàn)requency Division Multiplexing)、時分復用(TDM，Time Division Multiplexing)和碼分多址(CDMA，Code-Division Multiple Access)。 對于軌道電路而言，該技術應用時是指在鋼軌回路同時傳輸移頻信號和數(shù)字校驗信號。

(1)時分復用

時分復用是指按照時間將信道劃分為N個時隙，并行傳輸N路數(shù)據(jù)。當采用時分復用時，TC碼可以采用與移頻信號低頻碼相同的調(diào)制解調(diào)方式，特點如下:

①TC碼載波頻率載頻:1 700～2 600 Hz；

②TC碼基帶信號頻率:0～40 Hz(除去10～29 Hz頻段)；

③TC碼解碼時間:＞1.2 s。

(2)頻分復用

按照頻率將信道劃分為N個載波，并行傳輸N路數(shù)據(jù)。當采用頻分復用時，TC碼可以采用與移頻信號低頻碼不同的調(diào)制解調(diào)方式，TC碼載波頻率載頻低于1 000 Hz，或者高于3 000 Hz。

(3)碼分復用

按照碼字將信道劃分為N個碼道，并行傳輸N路數(shù)據(jù)。

3.1.3 技術方案

為了最大限度保證既有ZPW-2000移頻自動閉塞系統(tǒng)的兼容性，同時保證車載列控設備可靠接收機車信號控制信息，復合調(diào)制中復合調(diào)頻方案具有較高的可行性。

3.2 安全校核信號編碼

軌道電路發(fā)送器按照系統(tǒng)編碼規(guī)則，編碼生成本站具有唯一性的發(fā)送端安全校核信息；軌道電路接收器根據(jù)接收端通信地址，編碼生成接收端安全校核信息。

軌道電路安全校核編碼具有40 bit的安全校核可用信息，同時每字節(jié)信息均具有對應的校驗字節(jié)，可以保證在一定區(qū)域范圍的安全校核編碼的唯一性和安全性。

(1)系統(tǒng)編碼規(guī)則

軌道電路可通過系統(tǒng)給定的編碼條件生成安全校核信息，編碼條件設置于軌道電路組匣內(nèi)或通過外部條件給出。編碼條件的格式如表2所示，其中ADRx＝0或1。

表2 編碼條件

(2)安全校核信息

按編碼規(guī)則進行編碼，可以生成一定區(qū)間范圍內(nèi)的具有唯一性的安全校核信息。安全校核信息包括起始位、編碼后的地址位和校驗位等，如表3所示。

表3 安全校核信息

3.3 安全校核信號發(fā)碼

軌道電路發(fā)送器根據(jù)安全校核編碼原則發(fā)送移頻信息，發(fā)碼的同時包含安全校核信號。安全校核信號發(fā)碼規(guī)則:無論低字節(jié)還是高字節(jié)均先發(fā)低位，后發(fā)高位。

3.4 安全校核信號解碼

軌道電路接收器通過對安全校核信號解碼，獲得發(fā)送端安全校核信息。安全校核信號解碼規(guī)則:

(1)起始位解碼:解碼得到起始位信息；

(2)信息位解碼:解碼得到發(fā)送端通信地址信息；

(3)信號校驗:軌道電路接收器對解碼后的安全校核信息進行比較，當安全校核信息相同時接收器正常進行區(qū)段占用空閑檢查和發(fā)碼，接收器接收到非本區(qū)段的安全校核信息或無效安全校核信息及無安全校核信息時進行報警并導向安全側(cè)。

4 系統(tǒng)配置及測試

4.1 系統(tǒng)配置

軌道電路發(fā)送器載頻設置為2 001.4 Hz，低頻設置為10.3 Hz，區(qū)段長度1 350 m，發(fā)送端、接收端地址按表4、表5設置。

表4 發(fā)送端地址

表5 接收端地址

軌道電路分別進行調(diào)整狀態(tài)、分路狀態(tài)和機車信號發(fā)碼等基本功能測試，并進行了安全校核信息測試、安全校核串碼測試、非法安全校核信息測試、電纜混線、電纜串擾等移頻信號安全傳輸系統(tǒng)功能測試，見圖1、圖2。

圖1 2 000 Hz基準載頻信號頻譜

圖2 2000-1 Hz載頻信號頻譜

4.2 系統(tǒng)測試結(jié)果

通過測試，軌道電路調(diào)整狀態(tài)、分路狀態(tài)和機車信號發(fā)碼等基本功能符合鐵路相關標準要求，接收器正常進行安全校核信號解碼，當系統(tǒng)中存在非本區(qū)段的安全校核信息編碼時，可有效檢測出發(fā)送端安全校核信息與接收端安全校核信息不一致，從而實現(xiàn)移頻信號安全傳輸，且可在出現(xiàn)異常時導向安全側(cè)并進行報警。

5 結(jié)論

本文提出了ZPW-2000軌道電路移頻信號安全傳輸技術方法和系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括軌道電路發(fā)送器、軌道電路接收器和信號傳輸通道等，可實現(xiàn)安全校核信號的編碼、發(fā)碼與解碼功能，從而實現(xiàn)ZPW-2000軌道電路移頻信號的安全傳輸，解決了軌道電路系統(tǒng)移頻通道的安全傳輸問題，對既有ZPW-2000軌道電路的系統(tǒng)優(yōu)化具有較大參考價值。