分析城市軌道交通信號系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)

摘 要：城市軌道交通具有較多顯著優(yōu)勢，其中信號系統(tǒng)能夠保障列車安全形式，提升運(yùn)營效率。本文主要是對城市軌道交通信號系統(tǒng)的組成與結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，并且對其各個子系統(tǒng)的分類和功能進(jìn)行比較分析，在此基礎(chǔ)之上分析城市軌道交通信號系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)，希望能夠?qū)ο嚓P(guān)人員起到參考性價值。

關(guān)鍵詞：城市軌道交通；信號系統(tǒng)；關(guān)鍵技術(shù)

中圖分類號：U239.5 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1004-7344（2018）17-0189-02

城市軌道交通信號系統(tǒng)能夠全面確保列車安全行駛，全面展現(xiàn)出其他技術(shù)裝備的能力。隨著技術(shù)發(fā)展速度加快，列車運(yùn)行調(diào)度中心的列車和計算機(jī)之間建立數(shù)據(jù)交換和信息交流渠道，促使兩者之間能夠協(xié)調(diào)運(yùn)作，全面發(fā)揮出運(yùn)輸效率，駕駛者的職責(zé)主要是監(jiān)控設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)。應(yīng)用城市軌道交通信號系統(tǒng)能夠降低事故發(fā)生率，還能夠防止列車出現(xiàn)突然加速和減速情況，提升列車穩(wěn)定性，實(shí)現(xiàn)節(jié)能目標(biāo)。

1 列車自動控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和功能

1.1 列車自動控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)

（1）整體結(jié)構(gòu)：城市軌道交通具有較大的行車密度，站間距離短小，這樣就增加了對信號系統(tǒng)的要求。現(xiàn)階段，大型城市修建的輕軌地鐵的列車要求都需要達(dá)到120s。為了行車指揮安全性，城市軌道交通都是應(yīng)用計算機(jī)控制系統(tǒng)控制行車速度，調(diào)整追蹤間隔以及實(shí)現(xiàn)定位停車等，此時就需要應(yīng)用列車自動控制系統(tǒng)。其主要包括列車自動保護(hù)系統(tǒng)，自動監(jiān)控系統(tǒng)以及自動運(yùn)行系統(tǒng)等。

（2）子系統(tǒng)功能：列車自動控制子系統(tǒng)能夠全面確保列車行駛安全，在整個系統(tǒng)結(jié)構(gòu)當(dāng)中占據(jù)重要位置，因此在設(shè)計期間需要滿足故障安全原則。為了全面保障系統(tǒng)可靠性，需要應(yīng)用性能安全的硬件設(shè)施和軟件設(shè)施，確保安全行車。

1.2 列車自動控制系統(tǒng)功能

（1）安全停車點(diǎn)防護(hù)：該項(xiàng)功能主要是在危險點(diǎn)基礎(chǔ)之上實(shí)行的，在日常運(yùn)行期間不能超過危險點(diǎn)，因此要在危險點(diǎn)之前設(shè)置安全區(qū)段，由列車性能和運(yùn)行條件確保安全區(qū)段長度，確保列車能夠在危險點(diǎn)之前停下來。自動控制系統(tǒng)能夠?qū)踩＼圏c(diǎn)作為基礎(chǔ)，確保列車不超出危險點(diǎn)。

（2）監(jiān)督速度：在城市軌道交通具有兩種速度限制：①固定速度限制，比如列車最大行駛速度，最大允許速度；②臨時性速度限制，比如在維修線路時臨時設(shè)置的速度限制。自動控制系統(tǒng)需要對該速度進(jìn)行全面監(jiān)視，堅決不能出現(xiàn)超速現(xiàn)象。

（3）列車安全間隔控制：城市軌道交通具有較高的行車密度，各個列車之間間隔較短，列車自動控制系統(tǒng)需要在閉塞條件下確保列車運(yùn)行安全性。

（4）測速和測距：在對列車行駛距離進(jìn)行連續(xù)測定。自動控制系統(tǒng)能夠?qū)α熊囄恢眠M(jìn)行準(zhǔn)確劃定，主要是應(yīng)用輪軸上的測速傳感器對列車即時速度進(jìn)行測量，并且通過駕駛室顯示。

2 基于數(shù)字軌道電路的準(zhǔn)移動閉塞自動控制系統(tǒng)

2.1 系統(tǒng)構(gòu)成

應(yīng)用數(shù)字編碼式音頻軌道電路作為信息傳輸通道，主要包括車載設(shè)備，軌旁設(shè)備以及軌道設(shè)備等。

在設(shè)計線路時需要按照用戶對列車運(yùn)行密度的要求，使用無絕緣軌道電路的S棒將整個電路劃分幾個軌道區(qū)域并統(tǒng)一編碼，使用數(shù)字化方式描述線路設(shè)備和線路地形之后能夠繪制線路地圖，存儲在車載計算機(jī)上。為了全面防止相鄰軌道信號出現(xiàn)干擾影響，還需要對列車行駛到軌道電路邊界進(jìn)行準(zhǔn)確判斷，將不同載頻應(yīng)用在相鄰數(shù)字軌道電路上。列車在行駛期間各個軌道都能夠顯示占用指示。

2.2 列車控制模式

該系統(tǒng)主要是根據(jù)發(fā)展階段和技術(shù)先進(jìn)性劃分為速度-距離模式和目標(biāo)速度模式等。其中速度-距離模式主要是應(yīng)用一次模式曲線，該種方式需要的信息包括運(yùn)行線路的數(shù)據(jù)，與前方列車曲線的距離以及制動性能等，列車運(yùn)行期間地面向列車傳輸?shù)木嚯x信息是實(shí)時進(jìn)行的，主要包括與前方列車的距離，閉塞分區(qū)的起點(diǎn)里程和長度以及臨時限速等；目標(biāo)速度模式原理在于：列車運(yùn)行區(qū)間線路劃分為數(shù)個閉塞分區(qū)，每個分區(qū)都由數(shù)字軌道組成。列車自動自動控制程序能夠給出列車目標(biāo)速度和安全速度。此時所說的目標(biāo)速度主要是列車以最大運(yùn)行速度進(jìn)入閉塞分區(qū)之后進(jìn)行制動，在分析制動生效時間之后能夠達(dá)到閉塞分區(qū)終點(diǎn)速度。

2.3 最小列車追蹤安全間隔時間

在實(shí)際研究期間為了簡化問題難度，需要提出與實(shí)際情況差別較小的假設(shè)：①前后兩個列車起動加速度a.制動減速度為b.因此列車進(jìn)站制動前的最大允許速度為Vmax。②兩列車車身長度相同。③前一列車設(shè)置保護(hù)區(qū)段。④兩列車制動反應(yīng)時間相同。

T=t運(yùn)+t加+t站+t制

在上式當(dāng)中，t運(yùn)表示列車經(jīng)過閉塞區(qū)分界點(diǎn)時起至開始制動時的運(yùn)行時間；t站表示列車運(yùn)行圖規(guī)定的停站時間；t加表示從車站起動加速時至清車站閉塞分區(qū)時止的時間。

3 軌道電路傳輸特性的研究與仿真

3.1 軌道電路的一次參數(shù)頻率特性仿真

分析鋼軌阻抗頻率特性：鋼軌阻抗主要有感抗Xt與有效電阻R組成：

=Z·ej ？準(zhǔn) z=R+jXL=R+jωL

針對長度為1km的軌道電路來說，有效電阻：

R=2（r+rc）=2 +rc（Ω/km）

其中r表示軌條有效電阻；u表示軌條橫截面周邊長；rc表示軌節(jié)連接處有效電阻；μ 表示相對導(dǎo)磁率；ρ表示鋼材的電阻率。

鋼軌的總電感表示為：

L=Le+2（Li+Le）=0.4ln +2 （mH/km）

其中，Le表示軌條外電感；Li表示內(nèi)電感；a表示等效于鋼軌截面周邊長的圓周線半徑。那么感抗為：

X1=2πfLe+2（Le+Li）×10-3（Ω/km）

按照上述選定的參數(shù)值，能夠使用MATLAB語言仿真鋼軌阻抗頻率特性，圖1為仿真結(jié)果（部分）。

3.2 軌道電路的二次參數(shù)頻率特性仿真

軌道電路的二次參數(shù)主要包括傳播常數(shù)和波阻抗，其中波阻抗為：

c=Zc·ej？準(zhǔn)z=

傳播常數(shù)為：

=γ·ej？準(zhǔn)z= =β+jα

在上式當(dāng)中：β=8.686γ·cos？準(zhǔn)γ（dB/km），稱為衰減常數(shù)，α=γ·sin？準(zhǔn)γ（Rad/km），稱為相位常數(shù)。

從以上表達(dá)式能夠看出： 與 c不僅是軌道電路一次參數(shù)和函數(shù)，也屬于信號頻率的函數(shù)。

3.3 軌道電路在傳輸交流正弦穩(wěn)態(tài)信號時的頻率特性仿真

應(yīng)用上文敘述的仿真結(jié)果能夠看出，將其作為研究軌道電路在傳輸穩(wěn)態(tài)信息的理論依據(jù)，這樣能夠?qū)壍离娐吩趥鬏斀涣髡曳€(wěn)態(tài)信息時的通道問題進(jìn)行仿真處理。

在實(shí)際仿真期間需要將軌道電路終點(diǎn)作為計算起點(diǎn)，根據(jù)不同負(fù)載功率條件對不同頻率的交流正弦傳輸信號的不同長度軌道電路變化情況進(jìn)行計算。

通過對仿真結(jié)果進(jìn)行分析能夠看出：不管什么頻率的信號都會隨著不斷增加的傳輸距離出現(xiàn)衰減作用，信號頻率越大，衰減幅度越大。但是工頻條件下信號傳輸同樣距離的衰減程度只有幾倍左右，從以上分析能夠看出，軌道電路在較高傳輸頻率的信息具有快速衰減作；在相同條件下，軌道電路相同位置的高頻信號會弱于低頻信號，這就說明軌道電路會影響高頻信號。按照各個頻率信號在軌道電路上的變化情況能夠看出，在經(jīng)過零點(diǎn)時信號的極性會出現(xiàn)改變，因此軌道電路不適合應(yīng)用極性特點(diǎn)的高頻信號作為傳輸信號，除非對軌道電路的實(shí)際長度進(jìn)行限制。

3.4 軌道電路的傳輸干擾因素

此次研究將鋼軌作為傳輸信道，在分析信道干擾之后，可以使用下式表示軌道電路的輸入和輸出：

E（t）=K（t）e（t）+n（t）

在上式當(dāng)中，E（t），K（t），e（t），n（t）分別表示信道輸出，輸入，傳輸乘性干擾以及傳輸加性干擾等。

4 結(jié)束語

綜上所述，使用均勻傳輸線方程對軌道電路進(jìn)行研究的方法只能應(yīng)用在均勻性分布參數(shù)電路，對于非均勻分布參數(shù)軌道電路則不能采用該種方法。當(dāng)前的研究方法和技術(shù)還有所限制，因此不能獲取到較多的數(shù)據(jù)資料，整體仿真過程中還存在較多缺陷問題，例如在對鋼軌阻抗進(jìn)行計算時，軌道截面周長屬于不精確數(shù)值，會對仿真結(jié)果造成影響，還存在其他不確定因素對仿真結(jié)果造成影響。與此同時，此次研究缺乏對寬帶調(diào)制信號影響下的瞬態(tài)響應(yīng)的軌道電路通道模型的分析，不具備完善的數(shù)據(jù)資料，還需要進(jìn)一步研究分析軌道電路傳輸中的干擾仿真模型。

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收稿日期：2018-5-9

作者簡介：李海軍（1985-），男，大專，主要從事城市軌道交通信號管理工作。