郝 賓，余 躍，王運(yùn)明

(大連交通大學(xué)電氣信息工程學(xué)院，大連 116028)

引言

ZPW-2000型無(wú)絕緣軌道電路是鐵路信號(hào)系統(tǒng)的重要設(shè)備之一，具有列車(chē)占用情況檢測(cè)、完整性檢查和向列車(chē)傳輸行車(chē)信息等功能，廣泛應(yīng)用于鐵路工程中。ZPW-2000軌道電路具有結(jié)構(gòu)復(fù)雜的特點(diǎn)，惡劣環(huán)境運(yùn)行易發(fā)生故障并影響行車(chē)安全和運(yùn)輸效率[1]。軌道電路仿真設(shè)計(jì)是故障分析的重要手段，可為列車(chē)可靠運(yùn)行提供技術(shù)支撐。

近年來(lái)，部分學(xué)者開(kāi)展了ZPW-2000軌道電路的建模與仿真研究。董昱[2]提出基于粗糙集和模糊認(rèn)知圖的ZPW-2000軌道電路故障診斷方法；孫上鵬[3]根據(jù)均勻傳輸線理論建立無(wú)絕緣軌道電路機(jī)車(chē)信號(hào)感應(yīng)電壓幅值包絡(luò)計(jì)算模型，分析電氣絕緣節(jié)和補(bǔ)償電容故障、道砟電阻及列車(chē)運(yùn)行速度等對(duì)機(jī)車(chē)信號(hào)感應(yīng)電壓幅值包絡(luò)線的影響規(guī)律；王梓 丞[4]基于Simulink建立ZPW-2000軌道電路單區(qū)段仿真模型，分析分路狀態(tài)工作性能；張友鵬[5]分析了主軌道鋼軌斷裂對(duì)單獨(dú)區(qū)段上分路電阻的影響；WEI D[6]對(duì)區(qū)段補(bǔ)償電容故障造成的影響進(jìn)行了測(cè)試分析；HU L Q，馬濤等[7-8]基于灰度理論給出一種針對(duì)單區(qū)段主軌道電路故障的預(yù)測(cè)方法。上述研究局限于單段軌道電路和部分設(shè)備，對(duì)鄰區(qū)段研究尚不充分。

通過(guò)分析ZPW-2000型軌道電路的組成和工作原理，采用Simulink仿真工具，給出各模塊的設(shè)計(jì)方案，詳細(xì)設(shè)計(jì)ZPW-2000型多段軌道電路仿真模型。仿真分析軌道電路處于調(diào)整狀態(tài)、分路狀態(tài)及調(diào)諧單元故障時(shí)對(duì)移頻信號(hào)的影響。

1 ZPW-2000軌道電路結(jié)構(gòu)和基本原理

ZPW-2000軌道電路分為室外、室內(nèi)兩大部分。具體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1ZPW-2000移頻軌道電路結(jié)構(gòu)

ZPW-2000軌道電路采用移頻信號(hào)傳輸?shù)皖l控制信息。載頻上行：2 000，2 600 Hz交替排列和下行1 700，2 300 Hz交替排列，頻偏為Δf=11 Hz，低頻fc在10.3～29 Hz按1.1 Hz遞增共分18種。中心載頻分布如圖2所示。

圖2 中心載頻分布示意

2 基于Simulink的軌道電路仿真模型

參照Z(yǔ)PW-2000 軌道電路工作原理和數(shù)學(xué)模型[9]及電路模型[10-11]，參考FSK移頻信號(hào)的調(diào)制解調(diào)原理[12]及其優(yōu)化改進(jìn)方法[13-14]，借助Simulink仿真工具，采用模塊化設(shè)計(jì)思想，首先設(shè)計(jì)各設(shè)備的電路仿真模型，再集成單段軌道電路仿真模型，最后擴(kuò)展以2 300，1 700，2 300 Hz為中心載頻的連續(xù)3個(gè)區(qū)段的軌道電路仿真模型。

2.1 室外設(shè)備仿真模塊設(shè)計(jì)

(1)主軌道單元仿真模塊

調(diào)諧區(qū)距臨近第1個(gè)補(bǔ)償電容為75 m，其余補(bǔ)償電容等間距設(shè)置，間距為Δ=(L-150)/(N-1)，其中，L為圖1中主軌道電路長(zhǎng)度；N為補(bǔ)償電容數(shù)量。每個(gè)區(qū)段主軌道全長(zhǎng)按L=750 m設(shè)計(jì)，補(bǔ)償電容N=11個(gè)。主軌道Simulink仿真單元模塊如圖 3(a)所示。

(2)調(diào)諧區(qū)仿真模塊

調(diào)諧區(qū)由BA1和BA2兩個(gè)調(diào)諧單元及空心線圈跨接在鋼軌上構(gòu)成，調(diào)諧區(qū)長(zhǎng)29 m。調(diào)諧單元用于本區(qū)段調(diào)諧單元與相鄰區(qū)段載頻構(gòu)成串聯(lián)諧振或并聯(lián)諧振，實(shí)現(xiàn)電氣絕緣。調(diào)諧區(qū)的Simulink設(shè)計(jì)如圖3(b)所示。

(3)匹配變壓器

變壓器1線圈經(jīng)調(diào)諧單元端子接至鋼軌，2線圈接SPT電纜供出端，變比選240∶20。鋼軌側(cè)電路按相反極性串接兩個(gè)電解電容，起隔直交連作用，防止直流成分造成變壓器磁路飽和。接SPT電纜一側(cè)串接兩個(gè)電感，平衡與SPT電纜連接的容性，匹配變壓器的Simulink設(shè)計(jì)如圖3(c)所示。

圖3 室外設(shè)備仿真模塊

2.2 室內(nèi)設(shè)備仿真模塊設(shè)計(jì)

(1)發(fā)送器模塊

按照FSK調(diào)制原理，選用兩個(gè)Sine Wave DSP模塊，分別設(shè)置固定頻率：下偏頻fa1和上偏頻fa2；選用Pulse Generator方波發(fā)生器，設(shè)置頻率為fc2(或fc2或fc3)，產(chǎn)生低頻信號(hào)，設(shè)置占空比為50%；再使用乘法器、反相器和加法器合成FSK信號(hào)，控制受控AC電壓信號(hào)源，設(shè)置信號(hào)幅值Va=34.2 V。根據(jù)FSK信號(hào)調(diào)制原理設(shè)計(jì)的Simulink移頻發(fā)送器如圖4(a)所示。Port+和Port-兩端口間將發(fā)送低頻為fc2=16.9 Hz，頻偏為Δf=11 Hz的移頻信號(hào)。

(2)帶防雷電纜模擬網(wǎng)模塊

根據(jù)文獻(xiàn)[15]所述雷擊路徑，參考文獻(xiàn)[16]所述幾點(diǎn)防雷措施，帶防雷電纜模擬網(wǎng)絡(luò)應(yīng)由帶鐵心低轉(zhuǎn)移系數(shù)的同心變壓器做隔離，工作頻率設(shè)置與本區(qū)段中心載頻相同，副邊并接對(duì)稱(chēng)式限壓防護(hù)接地，當(dāng)電路中混入雷電沖激時(shí)將被擊穿，將雷電能量迅速導(dǎo)入大地，對(duì)后續(xù)電路起到保護(hù)作用，帶鐵心電感組，補(bǔ)償SPT電纜，后續(xù)并接限壓器，進(jìn)一步保護(hù)發(fā)送器或接收器，帶防雷電纜模擬網(wǎng)Simulink設(shè)計(jì)如圖4(b)所示。

(3)接收器模塊

按照FSK信號(hào)解調(diào)原理，設(shè)計(jì)2個(gè)一階切比雪夫帶通濾波器，分別用于提取上下2個(gè)邊帶，選取2個(gè)Quantizing Encoder抽樣編碼器對(duì)提取出的邊帶進(jìn)行抽樣編碼，實(shí)現(xiàn)包絡(luò)檢波。按照頻偏Δf=11 Hz確定的時(shí)間進(jìn)行定時(shí)抽樣判決，還原低頻信號(hào)。按照FSK信號(hào)解調(diào)原理的Simulink設(shè)計(jì)如圖4(c)所示。Conn1和Conn2端口接收移頻輸入，1端口輸出解調(diào)的低頻信號(hào)。

圖4 室內(nèi)設(shè)備仿真模塊

2.3 3個(gè)區(qū)段軌道電路模型

按照?qǐng)D1所示ZPW-2000型移頻軌道電路結(jié)構(gòu)將上述設(shè)計(jì)的Simulink模塊組合成單區(qū)段軌道電路。主軌道由11個(gè)軌道單元級(jí)聯(lián)得到，并在主要信號(hào)測(cè)試點(diǎn)添加Scope示波器模塊。參考文獻(xiàn)[17-18]對(duì)每一段單區(qū)段軌道電路主要電氣特性參數(shù)進(jìn)行仿真調(diào)試，達(dá)到最佳效果。之后參照?qǐng)D2中心載頻分布的下行方向部分的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，擴(kuò)展得到連續(xù)三段軌道電路，如圖5所示。從左到右依次為3、2、1區(qū)段的中心載頻、低頻頻率分布，如表1所示。

表1 各區(qū)段參數(shù)分布

圖5 三段軌道電路仿真

3 仿真分析

3.1 調(diào)整狀態(tài)仿真分析

(1)調(diào)諧區(qū)電氣絕緣性能仿真分析

在調(diào)諧區(qū)設(shè)備故障時(shí)，無(wú)絕緣軌道電路將失去電氣絕緣功能，造成鄰區(qū)段干擾，致使機(jī)車(chē)信號(hào)設(shè)備不能正常識(shí)別軌道電路信號(hào)[19-20]。

僅2區(qū)段發(fā)送移頻信號(hào)，其他區(qū)段不發(fā)送信號(hào)時(shí)，調(diào)諧區(qū)兩側(cè)軌面信號(hào)如圖6所示。

圖6 僅2區(qū)段發(fā)送信號(hào)時(shí)調(diào)諧區(qū)兩側(cè)軌面電壓對(duì)比

對(duì)比分析可見(jiàn)，調(diào)諧區(qū)本區(qū)段發(fā)送端一側(cè)軌面信號(hào)正常，而鄰區(qū)段接收端一側(cè)信號(hào)大幅度衰耗，接近于零。仿真表明調(diào)諧單元電感電容值匹配恰當(dāng)，構(gòu)成諧振效果顯著，對(duì)鄰區(qū)段信號(hào)大幅衰減，有效實(shí)現(xiàn)了電氣絕緣性能。

(2)各區(qū)段信號(hào)傳輸過(guò)程仿真分析

3個(gè)軌道電路區(qū)段分別發(fā)送攜帶13.6，16.9 Hz和26.8 Hz低頻信息的移頻信號(hào)時(shí)，每個(gè)區(qū)段各環(huán)節(jié)信號(hào)傳輸情況如圖7所示。

圖7 3個(gè)區(qū)段各環(huán)節(jié)移頻信號(hào)傳輸情況

分析仿真結(jié)果可知，發(fā)送端軌面信號(hào)到接收端軌面信號(hào)略有輕微的頻率選擇性衰落和很小的全頻帶正常衰減，而低頻信息并沒(méi)有失真，確保信息完整正確傳輸及最終解調(diào)。說(shuō)明主軌道等效網(wǎng)絡(luò)仿真模型對(duì)移頻信號(hào)的傳遞性能較好，實(shí)現(xiàn)攜帶不同低頻信息的移頻信號(hào)的穩(wěn)定、可靠、全路徑傳輸。

就各區(qū)段接收還原出的低頻信息而言，除非常接近0時(shí)刻存在系統(tǒng)啟動(dòng)過(guò)程不穩(wěn)定振蕩造成的瞬時(shí)誤碼外，其后波形整齊，沒(méi)有誤碼。經(jīng)過(guò)測(cè)量，實(shí)際接收解調(diào)得到的3個(gè)區(qū)段低頻信號(hào)頻率依次為13.628，16.865 Hz和26.762 Hz，與發(fā)送端僅存在極小誤差，表明調(diào)諧區(qū)電氣絕緣性能良好，3個(gè)區(qū)段信號(hào)互不干擾、無(wú)失真?zhèn)鞑ズ驼_解碼還原，軌道區(qū)段傳輸特性良好。

3.2 動(dòng)態(tài)分路狀態(tài)仿真分析

以輪對(duì)由3區(qū)段某處勻速經(jīng)過(guò)2區(qū)段到達(dá)1區(qū)段的過(guò)程為例進(jìn)行仿真，依據(jù)ZPW-2000軌道電路的多輪對(duì)動(dòng)態(tài)分路模型[21]，并考慮到文獻(xiàn)[22]所述易造成分路不良的幾種實(shí)際情況，采用連續(xù)兩個(gè)為一組的定時(shí)開(kāi)關(guān)器模擬輪對(duì)組，如圖8(a)所示，得到的仿真結(jié)果如圖8(b)所示。

圖8 模擬行車(chē)輪對(duì)定位仿真結(jié)果

由仿真結(jié)果可知，3個(gè)區(qū)段接收端還原的低頻信號(hào)依次出現(xiàn)了空碼。這是由于模擬輪對(duì)依次經(jīng)過(guò)了3個(gè)區(qū)段，使得被分路區(qū)段接收端不能接收到移頻信號(hào)，故出現(xiàn)相應(yīng)空碼，表征列車(chē)占用相關(guān)區(qū)段，符合實(shí)際情況。

3.3 調(diào)諧單元故障仿真分析

調(diào)諧單元是軌道電路在現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行時(shí)最易發(fā)生故障的室外設(shè)備，發(fā)生的典型故障包括引接線脫落、電容失效和斷軌等。通過(guò)模擬調(diào)諧單元上述3個(gè)故障，觀察相關(guān)區(qū)段信號(hào)的變化特征，分析調(diào)諧單元故障對(duì)相關(guān)區(qū)段的影響。

(1)調(diào)諧單元引接線脫落

斷開(kāi)1區(qū)段接收端調(diào)諧單元與鋼軌間的連線用于模擬引接線脫落，如圖9(a)所示，仿真結(jié)果如圖 9(b)、圖9(c)所示。

圖9 調(diào)諧單元引接線脫落仿真結(jié)果

由圖9可見(jiàn)，1區(qū)段接收端不能接受到本區(qū)段移頻信號(hào)，且由于不能對(duì)2區(qū)段1 700 Hz中心載頻構(gòu)成諧振，接收端軌面串入2區(qū)段的信號(hào)對(duì)相鄰的2區(qū)段無(wú)明顯影響。實(shí)際中若發(fā)現(xiàn)類(lèi)似波形，可初步判斷是相應(yīng)調(diào)諧單元引接線脫落故障。

(2)調(diào)諧單元電容失效

斷開(kāi)1區(qū)段接收端調(diào)諧單元電容連線，模擬電容失效，如圖10(a)所示，仿真結(jié)果如圖10(b)、圖10(c)所示。

圖10 調(diào)諧單元電容失效仿真結(jié)果

由圖10可見(jiàn)，調(diào)諧單元電容失效使得本區(qū)段信號(hào)明顯失真，解調(diào)后出現(xiàn)誤碼，鄰區(qū)段移頻信號(hào)在發(fā)送端被大幅度損耗，其接收端不能有效接收和解調(diào)?，F(xiàn)場(chǎng)實(shí)際中可據(jù)類(lèi)似波形推斷調(diào)諧單元電容失效。

(3)調(diào)諧區(qū)斷軌

調(diào)諧區(qū)的兩調(diào)諧單元之間鋼軌出現(xiàn)有害裂紋，如圖11(a)所示，產(chǎn)生影響如圖11(b)、圖11(c)所示。

圖11 兩調(diào)諧單元之間斷軌仿真結(jié)果

分析可見(jiàn)，發(fā)生上述斷軌情形時(shí)，由于不能對(duì)本區(qū)段信號(hào)構(gòu)成“極阻抗”，故本區(qū)段信號(hào)在接收端有明顯失真和頻率選擇性衰減，解調(diào)時(shí)上下邊帶不對(duì)稱(chēng)，所還原的低頻信息脈寬變窄，失去含義。現(xiàn)場(chǎng)若兩調(diào)諧單元之間斷軌，移頻信號(hào)波形失真明顯，解調(diào)出現(xiàn)連續(xù)誤碼，對(duì)行車(chē)安全構(gòu)成很大危害，應(yīng)當(dāng)避免調(diào)諧區(qū)鋼軌的有害裂紋。

4 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)分析ZPW-2000軌道電路原理，采用Simulink仿真工具搭建了ZPW-2000型多段軌道電路仿真模型。仿真分析了軌道電路處于調(diào)整狀態(tài)和動(dòng)態(tài)分路狀態(tài)下連續(xù)3個(gè)區(qū)段移頻信號(hào)的調(diào)制、發(fā)送、接收和解調(diào)的信號(hào)變化特征，模擬了調(diào)諧單元發(fā)生引接線脫落、電容失效和斷軌等典型現(xiàn)場(chǎng)故障時(shí)，調(diào)諧區(qū)兩側(cè)區(qū)段移頻信號(hào)變化過(guò)程。通過(guò)信號(hào)異常變化可推斷故障類(lèi)型和位置，可為軌道電路的設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)、現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試維護(hù)提供參考。