基于電路仿真的軌道電路仿真技術研究

張 琦（北京全路通信信號研究設計院有限公司，北京 100073）

1 概述

軌道電路是鐵路信號系統的重要組成部分，它能夠提供軌道區段的空閑與占用信息，并作為地面設備與車載設備之間的信息傳輸通道，是關系到列車運行安全的基礎設備，它能否正常工作直接決定了列車行車安全和行車效率。

軌道電路的良好設計是列車安全運行的重要保證，國內外的專家學者圍繞著軌道電路及其研究方法開展了大量的工作。在實際線路上測試和驗證軌道電路系統，由于成本過高且極限參數條件不易實現，無法滿足科研和工程的需要；同時由于軌道電路的復雜性，用解析方法對其進行計算非常困難[1]。于是近年來國內外同行普遍采用了仿真的方法對軌道電路進行研究和分析[2-6]。仿真方法具有成本低、修改參數方便、重復性好的優點，被廣泛應用于研究不同參數條件（如鋼軌阻抗、道床電阻、補償電容配置方式、軌道電路長度等）及各種工作狀態（如調整狀態、分路狀態、故障狀態等）情況下的軌道電路傳輸特性，為軌道電路的優化設計和故障診斷提供了有力的支撐[3]。

本文提出了一種基于電路仿真的軌道電路仿真技術，該方法把軌道電路設備及鋼軌抽象成基本電路元件（電阻、電感、電容、變壓器等）的集合。軌道電路傳輸通道上的每一個設備都被建模成電路模型，并連接起來構成軌道電路仿真電路模型。由于整個模型都是由基本的電路元件構成，所以可以方便的進行結構的修改和參數的變化，使得通過該方法對軌道電路進行仿真研究具有更高的靈活性，功能更為強大。

本文提出的軌道電路仿真模型通過M atlab/Sim u link平臺實現電路計算。Simulink是一個用于對動態系統進行建模和仿真的平臺，被廣泛應用于電力[7]和電子電路[8]的仿真，并且支持用戶建立并封裝新的模塊[9]。通過在Simu link平臺上建立軌道電路仿真模型庫，可方便的實現仿真模型的標準化和模塊化，為仿真電路的搭建和仿真計算的控制提供了堅實的基礎。

為了進一步提高仿真工作的效率，本文還提出了軌道電路仿真系統中人機交互模塊和仿真控制模塊的設計方法，并通過M a t lab和PH P語言進行了實現。人機交互模塊從用戶輸入得到仿真配置，仿真控制模塊則依據配置條件搭

張琦，男，畢業于中國科學技術大學，工程師。主要研究方向為軌道電路，曾參與ZPW-2000A站內軌道電路系統的研究項目。建所需的電路仿真模型，并調用M atlab/Sim u link進行計算，最后分析計算結果，提取所需要的數據，生成用戶可讀的Ex cel數據文件。通過這種方法，實現了仿真計算流程的自動化，大大提高了軌道電路仿真計算工作的效率。

2 軌道電路仿真相關研究

物理仿真是實現軌道電路仿真的一種傳統方法，它通過在實驗室內用軌道電路物理模擬裝置與實物設備相結合的方法搭建軌道電路仿真環境，進行軌道電路試驗。一般情況下，在物理仿真中只有鋼軌和傳輸電纜部分使用物理模擬裝置，其余所有的軌道電路電子設備和傳輸設備都使用實際產品。所以物理仿真中軌道電路實物設備可以方便地與模擬裝置進行聯合試驗，試驗數據的準確度和可信度高；但物理仿真方法投資較大，研制周期較長，用每種物理模擬裝置只能對一定頻率范圍內的軌道電路特性進行試驗和分析，當需要對其他頻率信號進行分析時，必須進行模擬裝置的結構修改或重建[10]。

四端口電路網絡（四端網）模型是對軌道電路系統進行數學建模和仿真的一種典型方法[11-13]，運用均勻傳輸線和電路網絡理論，可以把軌道電路的各個單元通過簡化和線性化處理建立成理想的四端網模型，使用A參數來描述其傳輸特性[14]。整個軌道電路可看作是一系列四端網的級聯，從而實現對軌道電路調整和分路狀態的仿真計算。但是對于大多數的軌道電路故障狀態，由于其不對稱性和非確定性，很難使用四端口網絡進行建模和仿真。

根據軌道電路的鏈形電路等效模型，陳永生等提出了有限元準對角線矩陣法[15]對軌道電路進行仿真計算。這種方法適用于均勻分布參數和非均勻分布參數軌道電路，并且可以分析電流、電壓在整個電路中的分布規律。但隨著軌道電路被劃分段數的增加，描述軌道電路的矩陣規模隨之增加，該方法的計算量會顯著提高[11]。

3 基于電路仿真的軌道電路仿真系統

本文提出的基于電路仿真的軌道電路仿真系統是一個結構化的系統，系統的各個子模塊既相互獨立又互相聯系，每個模塊功能明確、接口清晰，組成一個有機的整體，共同實現軌道電路仿真計算。

3.1 軌道電路仿真系統結構

如圖1所示，基于電路仿真的軌道電路仿真系統由電路仿真計算軟件、軌道電路仿真模型庫、仿真控制模塊、人機交互模塊4個部分組成。

電路仿真計算軟件完成仿真電路模型的計算工作，在本文中采用了M atlab/Simulink軟件；軌道電路仿真模型庫建立在電路仿真軟件中，存儲著軌道電路設備/元件的電路模型；人機交互模塊是仿真系統的對外輸入輸出接口，接收用戶的輸入并把仿真結果輸出給用戶；仿真控制模塊則負責仿真電路模型的建立、仿真計算的控制等控制功能。

3.2 基于電路仿真的軌道電路仿真流程

一個完整的軌道電路仿真流程,如圖2所示。首先人機交互模塊接收用戶輸入數據生成場景配置表，場景配置表描述了用戶的仿真需求，包括軌道電路的配置、參數、用戶所需要的仿真結果項目等信息；仿真控制模塊根據場景配置表，從仿真模型庫中選取模型，并搭建成軌道電路的仿真電路模型；仿真計算軟件對該電路模型進行計算，輸出計算結果；人機交互模塊對仿真軟件的計算結果進行進一步的加工和提煉，生成用戶可讀的仿真結果。

4 軌道電路系統建模

軌道電路系統的電路建模是基于電路仿真進行軌道電路仿真計算的關鍵，本章將重點研究軌道電路系統模型和其中的關鍵模塊模型。

4.1 軌道電路系統模型

通過對軌道電路設備以及鋼軌等的分析研究，可以將其抽象成基本元器件構成的電路，進而連接成整個軌道電路系統的電路模型。如圖3所示，在Sim u link中建立的ZPW-2000A無絕緣軌道電路系統的模型，其中各個設備都被建模為Simulink電路模塊，并通過仿真控制模塊連接為一個整體。

對于軌道電路設備，如發送器、接收器、電纜模擬網絡、調諧單元、補償電容等設備，因其本身就是由電子/電氣器件組成的設備，所以可以直接使用設備的設計電路作為仿真電路模型。但對于鋼軌和電纜，則需要進行研究和測量，以確定其電路模型。

4.2 鋼軌仿真電路模型

在軌道電路系統建模中，一般把鋼軌視為一段均勻傳輸線。軌道電路的兩條鋼軌固定在軌枕上并鋪設在線路的道床上面，其傳輸特性是由鋼軌線路的鋼軌阻抗（包括鋼軌電阻R和鋼軌電感L）和道砟電阻Bed R、線間電容C等參數所決定[16]。軌道電路的電能在傳輸過程中，因為兩根鋼軌間有電位差存在，造成電流由一根鋼軌經過軌枕和道砟向另一根鋼軌漏泄，這樣使在兩根鋼軌之間形成許多并聯著的漏泄通路，這些通路的電阻就是道砟電阻[17]。道砟電阻是沿著鋼軌線路均勻分布在各點上的，因此可認為鋼軌屬于均勻傳輸線。同時由于鋼軌的線間電容相比于加在鋼軌上的補償電容在計算中可忽略不計[18]，因此鋼軌模塊仿真電路模型如圖4所示。

圖4描述了一個鋼軌單元模塊的仿真模型，在本仿真系統中一般選取10～50 m鋼軌作為一個基本單元模塊，由多個鋼軌模塊級聯構成圖3所示的軌道電路系統模型。

4.3 電纜仿真電路模型

傳輸電纜是連接軌道電路室內與室外設備的通道，通常采用內屏蔽數字信號電纜。電纜作為一條均勻傳輸線，其傳輸特性是由電纜芯線的阻抗（包括芯線電阻Cab le_R和芯線電感Cab le_L）和線間電容Cab le_C等參數所共同決定。因此電纜模塊的仿真電路模型如圖5所示。在本仿真系統中，選取100 m電纜作為一個基本模塊。

5 仿真試驗數據

本文基于電路仿真建立了ZPW-2000A軌道電路的仿真系統，對ZPW-2000A軌道電路進行了仿真計算，并與相同軌道電路配置的調整表數據進行對比。

ZPW-2000A軌道電路調整表分為1 700 H z、2 000 H z、2 300 H z、2 600 H z四個頻率，區段長度為300～1 500 m，共計204種仿真配置。對于每個仿真配置本試驗均采集功出電壓、功出電流、送端軌面電壓、受端軌面電壓、主軌入電壓、軌出電壓6個仿真結果數據，共計1 224個仿真數據，與調整表數據進行對比，計算每個數據的誤差d，統計結果如圖6所示。

如圖6所示，1 224個仿真結果數據中，55%的仿真計算結果與調整表的誤差小于1%，90%的仿真計算結果與調整表的誤差小于3%，誤差最大為6%。

6 結論及展望

本文對軌道電路仿真技術進行了研究，提出了一種基于電路仿真的軌道電路仿真技術，并應用該方法實現了一套基于電路仿真的ZPW-2000A軌道電路仿真系統。基于電路仿真的軌道電路仿真技術具有靈活性好、仿真效率高、易于實現故障仿真等優點，同時仿真試驗結果也表明該仿真技術具有很高的準確性，可廣泛應用于軌道電路的傳輸計算和故障分析等研究工作。

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