淺談軌道交通3、4號線車載接收線圈的國產化技術

上海地鐵維護保障有限公司通號分公司 陳思維

編制本文主要有三個目的。首先，研究了地鐵三、四號線信號車載接收線圈接收信號的必要技術和缺陷。其次，本文旨在提供優化接收線圈的性能和可靠性的方法。第三，為實現接收線圈的國產化提供理論和實踐依據。本文通過對上海地鐵三、四號線接收線圈的技術國產化研究，提出了一系列需要解決的問題。這些問題包括設備老化、故障率上升、購置和維護成本高、采購周期長、并受制于國外廠家的配件不足。通過研究接收線圈，可以降低地鐵運行維護成本，提高經濟效益。同時，上海地鐵的安全和正常運行也得到了較好的保障。

1 研究接收線圈國產化技術的背景

1.1 接收線圈的功能

上海地鐵3、4號線車載信號接收線圈是安裝在列車第一個轉向架的第一根輪軸前左右鋼軌上方的軌道電路信號感應接收裝置。地面主機發送的環線和鋼軌信號通過鋼軌進行傳遞，由該線圈進行感應接收，再通過航空接插件與車載主機連接，完成地面與車載信號連續傳輸，是車載信號系統車地通信最主要且最重要的設備，通常我們也稱之為PICK-UP-COIL。

1.2 接收線圈的使用現狀

上海地鐵3、4號線的設備投用已將近15年，由于露天高架線路的環境因素及安裝設計缺陷，車載外掛設備老化程度加劇，故障率上升，對正常運營與安全產生了一定的影響。其中軌道交通3、4號線信號U200車載系統的接收線圈，由于安裝設計缺陷以及使用環境非常惡劣，其安裝于列車TC車底部第一個轉向架的第一個輪軸前，位于左右兩條鋼軌上方，常年遭雨水、輪對濺水等的侵襲，因此老化、腐蝕、損壞率尤為突出，故障率逐年增高。同時，進口接收線圈采購流程通常都達到48周以上，且采購價格昂貴，近幾年國外供應商隨著檢測維修成本的不斷上升與其具有技術壟斷性，3、4號線接收線圈返修成本已非常接近購買新件的價格，從成本上來說，該設備已不具備返廠維修的價值。由于國外供應商對核心技術的保密，我維護方對該設備并沒有技術條件進行元器件級的自行維修，而國外供應商也考慮成本問題，不建議維修而是建議重采購新件，由此產生了我維護方采購預算嚴重不足，而且冗長的采購周期還會產生備件斷檔等問題。由于接收線圈庫存量已接近零庫存，已威脅到3、4號線的正常維護與運營。

1.3 接收線圈國產化研究的必要性

在這樣的背景下，我維護部向公司提出了國產化需求，無論從根本上解決預期的備件斷檔問題、填補自身檢修與維護的空白，還是從經濟利益與保障運營考慮，對3、4號線車載信號接收線圈的國產化技術進行研究是必要的，國產化接收線圈技術研究成功，不但可以從根本上改變目前受制于國外供應商的被動局面，變被動為主動，還可以降低了3、4號線運營維修成本，提高經濟效益與維護水平，同時更能為3、4號線正常運營與乘客的舒適度提供了一份保障。

2 關鍵技術分析與優化

2.1 接收線圈工作原理

我們對已損壞的接收線圈進行了解剖與分析（圖1），發現接收線圈主要由兩個功能性感應線圈組成和一塊電路板，其兩個功能線圈分別是接收軌道電路信息所發送信息的鋼軌感應線圈，和接收岔區環線的環線（LOOP）感應線圈。接收線圈的電路板模塊由車體車載設備根據進路地圖，計算當前所在位置的軌道電路頻率，并通過CTC板向接收線圈發送選擇相應的軌道電路或環線需要接收頻率的指令，由接收線圈內部的選頻電路完成頻率轉換，接收當前有效的軌道電路或環線頻率中的信息。

圖1 車載信號接收線圈原理框圖

通過研究接收線圈電路板與一系列測試（圖2），得出：來自鋼軌傳遞的信號，首先通過LB和LB2二個電感線圈進行感應耦合，分別經LB、L2、C2和LB2、L、1C1二個復式寬頻帶LC諧振槽路網絡，再由T2、L2、C2和T1、L1、C1組成二個選頻放大器進行放大器進行放大，最后由T2、T1與車載信號輸入端構成射極跟隨器進行輸出。

圖2 車載信號接收線圈原理圖

2.2 技術難點

根據研究結果，經進口車載接收線圈各項技術指標與性能的測試，得出其完整的幅頻特性，通過PSPICE電路仿真軟件進行仿真，計算出各個關鍵元器件的參數靈敏度，從而確定關鍵元器件的參數誤差要求，以此為依據開發出與進口車載信號接收線圈技術指標性能相符的試驗品。而接收線圈國產化技術的關鍵及難點在于如何有效解決接收線圈電路中的槽路通頻帶寬窄與選擇性好壞之間關系。

車載感應接收傳感器采用了復合式LC諧振槽路組成的寬頻帶選頻網絡，完成軌旁對車載的連續傳輸軌道信號。接收線圈中的軌道電路接收傳感器的選擇非常重要，因為其性能優劣直接對信號傳遞質量產生影響。而LC槽路的選擇性與通頻帶的設計也至關重要。若電路中電抗大，電阻小，當阻抗明顯變化，則幅頻特性曲線尖銳，反之則曲線平坦。曲線越尖銳則此電路的選擇性就越好，頻率分辨能力就強，濾除噪音雜波性能就好，若僅從選擇性好考慮則諧振曲線尖銳較好，但電路的通頻帶就變窄了，其接收軌道電路頻率的適應能力就相對較弱，回路選擇頻率范圍的能力也相對較差。反之則通頻帶雖寬，可是選擇性卻差了，所以對軌道電路信號接收傳感器就必須兩者兼顧，由于軌道電路被分為9.5kHZ、11.1kHZ、12.7kHZ、14.3kHZ、15.9kHZ、17.5kHZ、19.1kHZ、20.7kHZ八個頻率，偏頻正負100HZ，因此需要保障足夠的通頻帶寬，也要具備良好的頻率點選擇性，不能讓軌道或隧道中的其它頻率信號產生干擾軌道電路信號正常的接收。所以傳感器的設計采用了串并復式諧振槽路模式，以此來確保軌道電路接收傳感器性能，解決了通頻帶狹窄和頻點選擇性差的矛盾。

所以在研制過程中，根據仿真軟件的結果，制作符合要求的品質因數Q值的電感線圈，并達到符合要求的幅頻特性；選擇溫度穩定性高和低損耗的高品質的電容，使得新產品的使用穩定性和耐用性上克服原產品在設計上的某些不足，從而克服原型產品的缺陷；在電氣性能以及機械性能上達到或超過原型產品的標準；保證國產化設備能夠在惡劣環境下準確的接收軌道信號。

2.3 技術優化

在電源和信號的輸入輸出端均采取了抗高壓和雷擊保護措施，通過靜電放電抗擾度試驗，點快速瞬變脈沖群抗擾度試驗和浪涌（沖擊）抗擾度試驗，提高了產品的使用可靠性；

經過剖析大量損壞的進口車載接收線圈裝置，我們發現原航空接插件密封性差，容易進水，有很大部分的接插件發生插針霉斷或接觸不良，甚至由于航空接口滲水而產生毛細血管現象，造成接插件上部電纜內部電腐蝕，不易通過日常維護所發現，最終導至設備不能正常工作。因此否定了進口接收線圈航空接插件形式與電纜連接的設計，以電纜直接引出的方式，使接收線圈與電纜一體化設計，從而根本上解決了接收線圈與電纜接插件部分進水而導致設備故障隱患，提高設備的可靠性與環境適應性。

將原裝接收線圈裝置與機車連接的航空插頭設計為不銹鋼航空連接器，解決航空接頭外表防腐繡死而造成的無法檢查與更換電纜的問題。

3 測試驗證

使用調試專用列車，在有岔區的線路上將兩個接收線圈國產化試驗品安裝于列車下行頭，試驗列車是否能正常使用ATP、ATO模式運營，同時觀察列車在正線和岔區接收線圈接收到的電平強度。

正線（區段24.7.1）電平：最低00000110（十進制數為6）、最高01110100（十進制數為116）。如圖3、圖4所示。

圖3 二個接收線圈國產化試驗品正線區段電平接收情況

圖4 二個進口接收線圈正線區段電平接收情況

岔區（區段9.6.0）電平：最低00000110（十進制數為6）、最高01010101（十進制數為85）。如圖5、圖6所示。

圖5 二個接收線圈國產化試驗品岔區區段電平接收情況

圖6 二個進口接收線圈岔區區段電平接收情況

比較：安裝兩個進口接收線圈在試驗條件相同的情況下，正線最低00000010（十進制數為2），最高01110111（十進制數為119）；岔區最低00000010（十進制數為2），最高01100100（十進制數為100）。比較圖如圖7所示。

圖7 二個國產接收線圈與二個進口原裝接收線圈電平接收比較圖

同一車頭安裝兩個國產接收線圈在相同區段內接收到的電平與安裝兩個進口接收線圈接收到的電平基本持平。列車能夠正常使用ATP、ATO模式運營。

結論：從測試結果上看，國產化接受線圈具備既有設備的主要功能，并且性能測試良好。

本次對軌道交通3、4號線車載信號接收線圈國產化技術的研究成果，不但可以解決目前三、四號線接收線圈備件不足的問題，還能使我們擺脫一些關鍵設備過于依賴國外廠商的局面，同時節約大量的時間和資金，產生一定的社會和經濟效益，如果軌道交通3、4號線車載接收線圈國產化技術得到應用，在經過國產化量產后，采購、維護、大修成本將有很大程度下降。僅大修成本節約效益一項就可達到千萬級。同時使現場維護人員對接收線圈的各項指標與參數有了更深的了解，為接收線圈日后的國產化以及二級維護奠定了基礎，同時維護人員的技術水平也得到進一步提升，提高了設備的維修效率。