基于ＺＰＷ－２０００無絕緣軌道電路的機車信號新技術研究

摘 要：近年來，隨著鐵路建設的跨越式發展，對機車信號設備顯示的準確性和工作的可靠性提出了更高的要求，機車信號正朝著主體化的方向發展，研制和發展適合我國鐵路ZPW-2000無絕緣軌道電路的機車信號成為了迫切需要。采用數字信號處理(DSP)技術實現對機車信號波形的譜分析，利用可靠的硬件和軟件技術實現機車信號的安全性、實時性和高精度要求。基于ZPW-2000無絕緣軌道電路的機車信號的安全性、可靠性、實時性和高精度可以滿足我國鐵路發展的需要。隨著我國鐵路的大力發展，ZPW-2000無絕緣軌道電路和主體化機車信號得到大力推廣，國產主體機車信號的時代已經到來。

關鍵詞：ZPW-2000；軌道電路；無絕緣；機車信號；DSP

中圖分類號：TP23 文獻標識碼：A 文章編號：1004373X(2008)1718802

New Technique Research of Cab Signal Based on ZPW-2000 Non-Insulation Track Circuit

LV Yonghong1，LIU Hongyan2

(1.The Electrical Service Engineering Co.Ltd. of China Railway First Group，Xi′an，710054，China;2.Xi′an Communication Institute，Xi′an，710106，China)

Abstract：In recent years，the leap frog development which constructed along with the railroad，demonstrated accurate and the work reliability to the cab signal equipment proposed a higher request，the cab signal was facing the main body direction to develop，the development and the development suited our country railroad ZPW-2000 non-insulation track circuit′s cab signal to become the urgent need.Using the Digital Signal Processing (DSP) technology realize the cab signal profile spectrum analysis，using the reliable hardware and the software technology realize cab signal security，timeliness and the high accuracy request.Based on the ZPW-2000 non-insulation track circuit cab signal security，the reliability，timeliness and the high accuracy may satisfy our country railroad the need to develop.Along with our country railroad vigorously development，the ZPW-2000 non-insulation track circuit and the main body cab signal obtained the vigorously promoted use，the domestically produced main body cab signal time already arrived.

Keywords：ZPW-2000;track circuit;non-insulation;cab signal;DSP

隨著既有線路提速和高速鐵路、客運專線的建設，列車運行速度越來越高，機車信號的地位也不斷提高。新版《鐵路技術管理規程》明確規定：“作為行車憑證的機車信號為主體機車信號，是由車載信號和地面信號設備共同構成的系統，必須符合故障導向安全原則，車載設備應具有運行數據記錄的功能；地面信號設備應能提供正確信息。”研制主體化機車信號，是我國鐵路發展列車控制系統的迫切需要。

1 主體機車信號的基本結構

主體化機車信號是一個系統工程，是車載設備(機車信號)和傳輸通道(軌道電路)構成的一個完整的系統。傳輸通道(軌道電路)部分應保證傳遞信息的準確性、連續性、惟一性；保證傳遞功率的可靠性(滿足可靠的信噪比)，為接收設備創造良好的接收環境。車載部分應保證譯碼的正確性，在惡劣環境下工作的高可靠性，各種信息的記錄分析功能，以及故障導向安全的性能。

圖1 主體化機車信號系統結構框圖2 ZPW-2000無絕緣軌道電路是實現國產主體化機車信號的基礎 ZPW-2000型無絕緣軌道電路是具有自主知識產權、目前大力推廣的一種先進的自動閉塞制式，其較高的安全度、可靠的分路保證、全程斷軌檢查功能、抗大牽引電流干擾且傳輸特性良好的特點，滿足主體化機車信號對地面設備的苛刻要求，為主體化機車信號可靠工作奠定了良好的基礎。

ZPW-2000型無絕緣軌道電路信息傳輸的帶內干擾量分析比較：

(1) 電氣化區段軌道電路帶內干擾量除與牽引電流的諧波百分比有關外，還與牽引電流的幅值和軌道電路不平衡系數有密切關系。根據北方交通大學抗干擾中心的測試資料，選用SS-4型電力機車在四級半開放狀態的諧波百分比作為依據，分析國產移頻軌道電路機車信號帶內干擾量數據：

取牽引電流1000A，不平衡系數10%，即50 Hz牽引總干擾電流100 A，如表1所示。

信干比下行557500836.117 830.0836.655 81501∶5.58921∶9.09上行650850760.044 230.0760.636 01201∶6.34661∶11.52

可見，以目前《鐵路信號維護規則》規定的移頻軌道電路66~150 mA的機車信號最小入口電流計算，信干比小于1∶5，不能滿足機車信號信干比條件。

(2) 選擇典型牽引電流諧波電流分布作為依據分析ZPW-2000型軌道電路傳輸信息機車信號接收的帶內干擾量數據：

取牽引電流1 000 A，不平衡系數10%，即50 Hz牽引總干擾電流100 A，如表2所示。

表2 帶內干擾量（二）

信干比下行1 7002300102.956 310.0103.440 85004.83∶15004.83∶1上行2 000260080.622 610.081.240 45006.15∶14505.54:1

由表2可見，目前《鐵路信號維護規則》規定的ZPW-2000軌道電路450~500 mA的機車信號最小入口電流，可以達到接近5∶1的信干比，滿足機車信號信干比條件。實際上，ZPW-2000型無絕緣軌道電路實現了區間無絕緣，更有利于牽引電流的回流，有利于牽引電流平衡，也有利于降低干擾。

由于使用了補償電容，ZPW-2000軌道電路具有良好的傳輸特性，可以保證足夠的機車信號入口電流。另一方面，機車牽引電流的諧波分量的分布規律是諧波次數越高，頻率越高，諧波電流越小。由于相對于移頻軌道電路使用了較高的頻率，ZPW-2000型無絕緣軌道電路電流頻率“躲開”了牽引電流干擾嚴重的低頻頻帶，與移頻軌道電路相比當然有更高的信干比。

3 基于ZPW-2000軌道電路機車信號采用的新技術和基本功能3.1 利用數字信號處理(DSP)技術實現對機車信號波形的譜分析 ZPW-2000無絕緣軌道電路的信號波形和移頻信號一樣屬于移頻鍵控波形，是由一個上邊頻和一個下邊頻交替而形成的，相位連續。調制低頻(上下邊頻交替的頻率)代表著機車信號傳遞的信息。理論上可以采用濾波加時間計數的方法解調出移頻信號的上邊頻、下邊頻和調制低頻值，并由此計算出移頻信號的中心頻率值。但是鐵路信號現場情況復雜，機車信號接收到的信號并不是純正干凈的移頻信號，僅僅采用時間計數的方法，在實時性和精度方面就難以滿足要求了。

相位連續的移頻信號S(t)的時間表達式可寫為：S(t)=A0cos式中：g(t)=∫kf(t)dt

=Δωt， -T/4 < t < T/4

Δω(T/2-t)，T/4 < t < 3T/4

移頻信號的頻譜表達式：

S(t)=A0∑∞n=-∞1m2-n2

(sinmπ2cosmπ2-cosmπ2sinnπ2+

(-1)n(m-n)(sin mπ2cos nπ2+

cos mπ2sin nπ2)〗×cos(ω0+nω1)t(1)

公式(1)中，ω0為中心頻率，ω1為調制低頻，Δω為頻偏，m=Δωω=ΔfF1，稱為移頻指數，n代表相對于中心頻率的譜位置。

可見，利用譜分析方法，可以直接解調出移頻信號的中心頻率和調制低頻的頻率值。

3.2 運行數據記錄和地面數據分析功能

《鐵路技術管理規定》明確規定：主體機車信號的車載設備具有運行數據記錄的功能。車載設備的記錄功能可以記錄下機車信號工作中的所有有用信息，配合地面分析系統的強大分析功能，能保證機車信號的良好工作環境，并且能夠實現對機車交路上所有軌道電路區段的快速、全參數測試，監督軌道電路的工作狀態，完成了許多以往信號試驗車才能完成的任務。

3.2.1 運行數據記錄子系統功能

為了能夠真實地顯示機車信號在動態運行中的狀態變化，機車信號記錄功能必須對機車信號各種相關信息進行全面的記錄。有關機車信號系統工作狀態的信息總體上有四類，即：機車信號的各類輸入信息、各類輸出信息、運用環境信息(運行溫度及供電電源異常檢測)及運行輔助信息(列車運行定位及狀態)，通過這四類數據的記錄和復現，維護人員可以比較透徹地了解機車信號的運行過程，機車信號工作狀態的分析就能夠建立在客觀數據的基礎之上。

3.2.2 地面數據分析處理系統功能

主體化機車信號的記錄裝置可以采集記錄下機車信號運行過程中所有有用的信息，系統具有：文件管理與數據轉存、數據波形文件操作、數據波形文件譜分析和狀態信息文件分析功能。

4 結 語

基于ZPW-2000無絕緣軌道電路的機車信號采用了諸多新的技術，如多種的總線技術、新型顯示器、新型電源等，才實現了具有高可靠性和高安全性的主體化機車信號，使得主體機車信號成為可能。

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