ZPW-2000A/K區間移頻軌道電路監測系統的應用

李久友 上海鐵路局上海鐵路電務實業有限公司

1 研究背景

1.1 某某線特別重大鐵路交通事故回顧

當日20：30左右，甲地開往乙地的D3001次列車行駛至某某線下行K584+300處，與前行的丙地開往乙地的D3003次列車發生追尾沖突，造成D3001次動車組列車第1至5位車輛脫軌，其中2輛墜落橋下，1節車體懸空，另有一節車體的部分車體散落橋下；D3003次動車組列車第15至16位車輛脫軌，事故造成多人傷亡。

1.2 某某線特別重大鐵路交通事故原因分析

事故發生前，雷電擊中了H站沿線鐵路牽引供電接觸網，通過大地的阻性耦合或空間感性耦合在信號電纜上產生浪涌電壓，在多次雷擊浪涌電壓和直流電流共同作用下，LKD2-T1型列控中心設備采集驅動單元采集電路電源回路中的保險管F2熔斷。熔斷前H站列控中心管轄區間的軌道無車占用，因H站列控中心設備的嚴重缺陷，導致后續時段實際有車占用時，列控中心設備仍按照熔斷前無車占用狀態進行控制輸出，致使H站列控中心設備控制的區間信號機錯誤升級保持綠燈狀態。

雷擊還造成軌道電路與列控中心信號傳輸的CAN總線阻抗下降，使5829AG軌道電路與列控中心的通信出現故障，造成5829AG軌道電路發碼異常，在無碼、檢測碼、綠黃碼間無規律變化，在H站計算機聯鎖終端顯示下行線三接近，即5829AG區段“紅光帶”。

20：21，D3003 次列車運行到 K583+834處，因5829AG軌道電路故障，觸發列車超速防護系統制動功能，列車制動滑行后停車。20：29，D3003次列車成功轉為目視行車模式，以低于20 km/h速度向前運行。20：30，D3001次列車進入發生故障的5829AG軌道區段，在K584+300處，與前行的D3003次列車發生追尾沖突。

2 區間移頻軌道電路室外設備監測的意義

2.1 作為信號集中監測系統的擴展

監測系統是保證行車安全、加強信號設備結合部管理、監測信號設備狀態、發現信號設備隱患、分析信號設備故障原因、輔助故障處理、指導現場維修、反映設備運用質量、提高電務部門維護水平和維護效率的重要行車設備。

目前信號集中監測系統中對區間移頻軌道電路的監測內容很少，并且都是在室內進行測試，缺少對室外軌旁設備的狀態監測，不能充分反映區間信號設備的真實運用狀態。區間移頻軌道電路室外設備監測系統能夠作為信號集中監測系統功能的擴展，將區間移頻軌道電路所有設備狀態進行有效的監測。區間移頻軌道電路室外設備監測系統能夠真實的采集到軌面電壓值，對區間軌道電路處于分路狀態還是調整狀態有最直接的發言權。

經過功能擴展后的信號集中監測系統作為獨立的第三方監測系統，在對比了自身實采數據與列控系統傳遞的狀態數據后，能夠有效識別出列控系統是否故障，從而避免重大鐵路交通事故的發生。

2.2 設備故障后為應急搶修提供技術指導

區間移頻軌道電路室外設備遠離信號工區，對其進行巡檢巡視要花費大量時間用在路途上，一旦發生設備故障，由于遠離信號工區往往處理時間比較長，導致故障延時，對運輸效率影響大。

由于信號集中監測系統缺少對室外軌旁設備的狀態監測，不能充分反映區間信號設備的真實運用狀態。發生故障時，信號人員只有到達區間現場才能知道具體什么設備故障，無法預先準備相應的工具和備用設備，給故障處理帶來困難。

實現區間移頻軌道電路室外設備的監測，是掌握區間室外信號設備運用狀態、預防設備故障發生、實現故障點快速定位、縮短故障延時的重要手段。

2.3 為設備狀態維修提供必要的數據支撐

信號設備是完成鐵路運輸生產的重要物資技術基礎。信號設備維修是保證信號設備狀態完好的重要措施。長期以來，鐵道系統維修沿用前蘇聯的設備定期修理制度，帶有很大盲目性，設備有無故障、故障部位、故障程度難以準確把握。另外，由于良好部位的反復拆卸，機械性能往往不理想，甚至低于檢修前，而且沒有必要的超前維修，帶來人力、物力的巨大浪費。設備狀態維修是在設備運行中或基本不解體的情況下，利用設備產生的不同信息，使用儀器采集、處理、分析信號，判斷產生故障的部位和原因，并預測設備使用壽命而開展的設備維修方式。狀態檢測避免了機械設備的突發故障，從而避免了被迫停機而影響生產；狀態檢測分析為預知機械設備的維修期提供了可靠依據，即可做到有必要時才進行維修。同時，便于及時準備維修部件，安排維修計劃，克服了定期維修帶來的不必要的經濟損失和設備性能的下降，避免了維修的盲目性，使檢修簡便易行，大大縮短了維修工期。

對區間移頻軌道電路室外設備的監測，能夠為區間移頻軌道電路設備的狀態修提供詳細必要的設備狀態數據。為實現區間移頻軌道電路設備的狀態修做出有力的支撐。

3 區間移頻軌道電路室外設備監測的可行性

3.1 信號采集的可行性

采集設備與被測設備之間必須采用良好的電氣隔離措施，任何情況下不得影響被檢測設備的正常工作，符合故障--安全原則。采用應滿足鐵道部頒布的鐵路信號設備雷電及電磁兼容綜合防護的相關規定，不能產生火、毒、熱、電、輻射等影響人身安全的故障。采集器須具有良好的阻燃性和電氣特性。

圖1 電壓采集電路

當采用圖1電路作為電壓采集電路時，限流電阻高低端各采用1 MΩ，2 W的電阻，當輸入電壓為3 000 V時，經測試證明，不會造成安全問題。高電壓信號經過串聯大功率大阻值電阻的分壓后，只有幾百毫伏信號輸入到采集回路中，電路板上的TVS管 (瞬變電壓抑制器)、高精度變壓器等措施可以防止因遭到類似高壓沖擊而串入后級的測量電路中，特別是變壓器徹底將輸入側和后級處理側隔離開來，提高了模塊耐高壓的能力。

當出現極端情況，外部牽引回流串進采集模塊，由于采集模塊不存在接地點，所以輸入端子高低端之間的短路成為主要的問題。當超過3 000 V的高壓進入隔離電路時，一旦要在輸入點之間形成短路，采集器輸入端分壓回路中串入的PTC(可恢復保險絲)元件在電流超過20 mA時發揮作用，在幾十至幾百毫秒內將阻值變大到幾兆歐直至自身燒毀開路，而熔斷保險絲（標稱值為100 mA）可在電流超過200 mA時瞬間熔斷，為防止輸入高低端子間短路提供了雙保險。

由于ZPW2000A/K移頻軌道電路是利用頻移鍵控的方式進行編碼的（即FSK編碼）。我們將采集到的信號數據根據FSK信號的帶通特性，采用欠采樣技術對信號進行采樣。這樣不僅保證儀表檢測的實時性，并且保證在不增加采用點數的情況下，提高FSK信號的分辨率。然后對采得的信號進行傅立葉變換，根據其頻譜特性，計算出FSK信號的中心頻率、低頻調制信息，同時利用希爾伯特變換對信號進行解調，從而確定出頻偏和信號的幅值。

3.2 數據傳輸的可行性

RS485總線在波特率9 600 bps的情況下傳輸距離是2 km。RS-485信號在經過一定距離的傳輸或者帶有一定數量的負載設備之后，信號強度會有相應的衰減，當信號衰減到一定程度之后，RS-485接口芯片就不能檢測到相應的信號，從而導致數據通信失敗。將RS485中繼器放置在RS485信號有所衰減但是又能檢測到信號的位置，將RS485信號整形還原，再將復制的信號通過RS-485總線進行傳輸，從而達到延長RS-485總線通信距離，增加RS-485總線負載能力的作用。由于鐵路區間長度在1.4 km以下，所以在每個調諧區都安裝一個RS485中繼器就能將區間內所有軌旁設備的監測數據傳輸到車站信號集中監測系統的站機了。

4 結論

根據對區間移頻軌道電路室外設備監測意義的分析以及區間移頻軌道電路室外設備監測的可行性分析，我們可以得出這樣的結論：

對區間移頻軌道電路室外設備的監測能夠有效地避免重大鐵路交通事故的再次發生、能夠為區間室外設備狀態維修提供必要的數據支撐、能夠對區間室外設備故障后的維修提供技術指導。對區間移頻軌道電路室外設備的監測是可行的也是必要的。