JTC軌道信號采集與傳輸系統

張景璐，吳勁松，丁 江

（1.北京電子科技職業學院，北京 100016；2.北京經濟管理職業學院，北京 102602）

1 JTC軌道電路工作原理

JTC軌道電路是一種無機械絕緣節的軌道電路，通過在兩軌間安裝短路棒對軌道進行分區，實現連續監測軌道的“占用”或“空閑”以及“斷軌”狀態，并向列車傳遞ATP信息。軌道電路是信號聯鎖的室外重要設備，起著保證行車和調車作業安全的作用。它能監督檢查某一固定區段內的線路是否有列車運行、調車作業或車輛占用的情況，并隨時檢查該區段內的鋼軌是否完整。

2 JTC軌道電路的組成

JTC軌道電路由室內設備和室外設備兩部分組成。

室內設備對應每個軌道區段配置軌道電路的發送(TX)、接收(RX)和電源(PUS)設備；室外設備對應每個軌道區段分界點設有短路棒(TB)；調諧單元(TU)；分線盒(DS)構成分割區段作用；鋼軌傳輸線。室內設備與室外設備之間通過信號傳輸模塊進行連接，并直接向軌道發送與接收信號。典型的無絕緣軌道電路示意如圖1所示。

在列車出清軌道區段后，出清端發送一個軌道信息。本區段另一端，也就是列車駛入的方向，由接收器接收軌道信息并對信息進行數字處理，及一系列的驗證后，如果驗證的結果滿足“空閑”條件，則向聯鎖子系統輸出軌道“空閑”信息。

圖1 JTC無絕緣軌道電路系統方框圖

如果列車進入軌道區段（或軌道電路設備發生故障），接收器檢測不到正確的信號，則向聯鎖子系統輸出軌道“占用”信息。另外軌道電路發送器同時還將ATP信息疊加在軌道電路信息中形成移頻鍵控信號一同發出，發送至走行軌上再由車載天線接收。這樣，通過軌道電路可以將ATP信息傳遞給車載ATP設備。

圖2 調諧區構成圖

3 JTC軌道信號的采集

在JTC軌道信號的采集過程中，對于相鄰的軌道電路，設置不同的載頻，通過軌道電路終端調諧單元與終端斷路棒在兩條短鋼軌之間跨接形成諧振，這樣，附近幾米的軌道因諧振電磁感應產生相當高的等效阻抗，完成軌道電路電氣分割。相互隔離的設備確定了每個頻率只用于本區段軌道電路。短鋼軌、終端斷路棒和調諧單元(TU)構成一個諧振回路稱之為調諧終端。

在JTC軌道電路系統中，真正實現與“機械絕緣”相同作用的裝置正是“調諧終端”。這個調諧終端實際就是一個LC帶通濾波器。調諧終端實際就是一個帶通濾波器，濾波器是一種選頻裝置，可以使信號中特定的頻率成分通過，而極大地衰減其它頻率成分。在信號傳輸裝置中，利用濾波器的這種選頻作用，可以濾除干擾噪聲或進行頻譜分析。

信號系統中的調諧終端主要用于保障標準的JTC軌道電路信息順暢地通過，同時濾除雜音及干擾頻率。它是信息傳送的唯一路徑，它的性能變化將直接影響信息傳輸效率和信息的頻譜特性。因此它在系統中起著至關重要的作用。

調諧區是由兩個調諧終端組成的；調諧終端又由調諧單元（TU盒）內的配諧電容C0和變壓器一個單邊電感L0；以及一對短鋼軌加終端短路棒構成的盒外等效電感L外組成，如圖2所示。

在調諧區中，兩調諧終端內的電容C0，電感L0與盒外等效電感L外分別構成兩個LC諧振回路，且諧振頻率不同。當回路諧振時，回路電導最大，在兩終端短路棒間形成等電位，電位差等于零，電流為零，這樣在調諧區內兩調諧終端雖然靠得很近但不產生串擾，從而實現了電氣絕緣。

如果調諧終端的參數選擇不正確，便會導致諧振頻率不匹配，產生嚴重的串頻現象，采集波形如圖3所示。

避免串頻的關鍵是調諧終端的參數選擇。在北京地鐵使用的JTC軌道電路中，根據安裝位置的不同共有3種“調諧終端”，也可稱之為“帶通濾波器”。一是安裝在調諧區內本側發送調諧終端(TX/TU-BW)；二是安裝在調諧區內本側接收端調諧終端(RX/TU-BW)；三是安裝在設備間接收模塊內的輸入級帶通濾波器(RX/BW)。這3個帶通濾波器的性能直接影響著JTC軌道電路的系統參數。因此，保證上述3個帶通濾波器性能良好，是保證JTC軌道電路系統穩定可靠工作的關鍵。

圖3 嚴重串頻波形及頻譜示意圖

帶通濾波器的主要參數有3個：諧振頻率(f0)、通頻帶寬度(BW)和品質因數(Q)。在這3個參數中f0根據標稱是固定不變的，通帶寬度BW是由品質因數Q決定的。

根據Q值計算公式：Q ＝ 1/ωCR。ω 是 常 數；C根據標稱取值；而R通過大量的現場數據及實物數據勘測得出，調諧單元(TU)盒內電感內阻Ri＝0.013Ω；盒外電阻（短鋼軌加短路棒）RO＝0.017Ω；總電阻R＝0.03Ω。將R＝0.03代入Q值公式得出：Q＝1/0.03ωC。對應不同的標稱，頻率Q值從10.2～14.2不等，見表1。

表1中的參數，F1～F9是標稱量；品質因數Q是通過電容值C和總電阻R值由上述公式計算而得；帶寬BW通過公式BW＝2π f0/Q計算而得。根據表1的計算結果可得出平均帶寬為414Hz。

圖4 正常波形及頻譜示意圖

表1 頻率Q值及帶寬對照表

通過以上分析，重新設置諧振參數所得到的正常波形及頻譜如圖4所示。

4 JTC軌道信號的傳輸

JTC軌道信號處理系統由室內設備與室外設備組成，它們之間通過信號傳輸模塊進行連接。傳統的信號傳輸采用USB電纜進行傳輸，但是電纜傳輸的通信距離十分有限，一般不超過30米，而且信號傳輸的可靠性也無法得到保障，極易受到干擾，從而導致波形傳輸不準確。如果使用光纖傳輸USB信號，則可以克服現有電纜傳輸距離短的缺點，使USB的通信距離增加到幾十千米。所以本系統采用了一種USB接口與光纖相結合的傳輸方式，通過光纖傳輸USB信號，實現USB信號光纖傳輸的處理、傳輸和還原。

本模塊建立在光纖通信實驗平臺的光纖發射接收機上，對其他發射接收機有很強的可移植性。USB信號光纖傳輸系統結構圖如圖5所示。

由于USB信號是雙路數字信號，如果分路傳輸，在長距離光纖的傳輸中會導致兩路信號的不同步。為了保證兩路信號的同步性，可以將兩路信號轉換成單路的電平信號，信號D+、D-的3種狀態轉換為5V、2.5V、0V這3個電平，通過模擬通道傳輸。

電平轉換電路的結構比較簡單，只需要用電阻分壓即可實現。但由于光纖發射機模擬通道的隔直作用，直流電平信號不能直接接到模擬通道，所以需要在電阻分壓之前進行歸零編碼。出于復雜度的考慮，本系統采用AMI編碼方式。AMI電路編碼原理圖如圖6所示。

通過AMI編碼后的雙路歸零碼經過電平轉換電路后，變成單路的有-5V、-2.5V、0V、2.5V、5V共5個電平的電平信號，此信號可以直接使用實驗平臺光纖發射機發射。

圖5 USB信號光纖傳輸系統框圖

圖6 AMI電路編碼原理圖

信號被光纖接收機接收后，需要對電平信號進行還原。與轉換電平電路相反，判決電路采用比較器，將信號與參考電壓相比較，再經過組合邏輯，還原為兩路數字信號。為了避免誤判，判決時的參考電壓應留有余量，將0～1V電壓視為0V，1～4V電壓視為2.5V，將4V以上電壓視為5V。再通過簡單的組合邏輯得到兩路差分信號。

USB光纖傳輸模塊的調試結果良好，運行穩定，大大提高了信號的傳輸距離與可靠性。

5 JTC軌道信號的采集結果分析

JTC軌道電路數據采集分析系統是基于計算機技術、數字信息技術、程序控制技術、電子技術于一體的信號處理系統。JTC軌道電路數據采集分析系統是由硬件和軟件兩大部分構成。

圖7 JTC軌道信號采集與分析軟件界面

1） 硬件：數據采集卡、USB與光纖信號轉換單元、光纖傳輸模塊、計算機等組成。

2） 軟件：JTC軌道電路數據采集分析軟件（LABVIEW，組態軟件等編譯構成的）。

將使用本文所設計的信號采集系統所采集到的信號傳輸至上位機軟件，得到如圖7所示信號。JTC軌道電路數據采集分析軟件包含了站點選擇、歷史數據管理、系統參數查看等一系列方便簡潔的操作按鈕，可以實時監控軌道電路的運行安全狀態。

6 結論

本文著重研究了影響JTC軌道信號采集與傳輸系統的兩個關鍵因素——調諧終端的參數選擇和USB信號的光纖傳輸。

由圖3和圖4的信號采集結果來看，調諧終端的參數選擇對信號質量有著巨大的影響。如果參數選擇不正確，采集結果將直接影響到后續對軌道占用情況的判斷，導致事故的發生。因此，可以通過調整電感參數糾正其諧振頻率，使帶通濾波器工作在適當狀態來提高信號質量。另外，由于調諧區內各元件之間是靠緊固螺絲或焊接工藝連接起來的，接觸電阻不可避免。電阻值的增加會使帶通濾波器品質因數下降，信息傳輸效率銳減，選擇性變差。因此加強接點清潔，保證焊點牢固，芯線斷股率低，使接觸電阻保持最小才能提高帶通濾波器的品質因數，從而保證軌道信號的精確性和抗干擾性。

由圖7幾個站點的軌道信號采集與傳輸效果來看，采用光纖傳輸USB軌道信號，具有很好的傳輸特性，傳輸信道的抗干擾性能好，傳輸距離遠，信號衰減小，為在上位機進行實施監控和故障分析提供了時間和準確度上的保證。

通過本文的研究，改進的JTC軌道信號采集與傳輸系統大大提高了信號采集與傳輸的質量與可靠性，為地鐵的安全運營提供了保障。

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