車地通信軌旁盒信號接收能力的改進

文 星

目前,廣州地鐵2、8號線采用西門子LZB700M信號系統［1］,正線車站的車地通信軌旁接收設備（軌旁盒）［2］型號為S25448-M2-A2,用于接收由列車下發的開/關站臺門命令,其可靠接收范圍集中在60 cm（信號覆蓋區域以車地通信軌旁盒中心點為零點,前后各30 cm）以內。隨著設備在線使用年限的增長,個別設備的接收性能會有所下降,外加列車本身停車精度欠佳,導致列車車門與站臺門［3］不能聯動的情況時有發生,為此需對軌旁盒進行改進,以提高其信號接收能力。

1 設備?簡介

軌旁盒由盒體、電路板、感應線圈、接線端子等組成,見圖1,用于接收列車信號的感應線圈被設計封裝在軌旁盒內部（圖1中紅色線條表示隱藏在盒體內部的感應線圈）。軌旁盒安裝在站臺區域的地面上,位于軌道正中央,其一端引出一根電纜與室內設備相連接。列車在站臺對標停穩后,軌旁盒處在主駕駛室發送天線［4］的正下方,當列車發送開/關車門及站臺門控制命令時,軌旁盒接收信號并輸送到車站室,實現對站臺門與列車車門的同步開/關（或聯動開/關）［5］控制。

圖1 車地通信軌旁盒內部結構示意

2 測試分析

在廣州地鐵2號線試車線［7］上,選取某個站臺上的軌旁盒進行測試,調用列車在該設備區域發送的開/關門信號,模擬列車在正線車站站臺上對標停車及開/關門作業,并使列車信號發送天線處于軌旁盒中心點,在前、后2個方向各200 cm范圍內移動列車,且每次移動距離保持在10～20 cm,操作開/關列車車門；在室內采用示波器［8］監測軌旁盒傳來的信號,并記錄車門與站臺門的聯動情況,將采集到的數據描繪成一張數據分布圖,以掌握軌旁盒有效信號的分布及接收能力［9］。

經現場測試,發現軌旁盒接收到的信號數據所描繪出來的波形較窄,其有效聯動信號主要集中在60 cm的區域內,且有效信號存在發散的情況,即在前后60～90 cm的范圍內也有聯動的可能性。而廣州地鐵2、8號線列車ATP的整個停車窗范圍為120 cm（以軌旁盒中心點為零點,前后各60 cm）,與現場站臺門聯動范圍的測試數據對比,軌旁盒的有效接收范圍遠不及列車車門允許打開的范圍。為此,分別對軌旁盒內部感應線圈的形狀、材質、繞圈倍數、尺寸等進行分類測試,以確定改進方案。

2.1 感應線圈的形狀

在不改變線圈周長的情況下,將軌旁盒內的感應線圈由原來的長方形（跟軌旁盒形狀一致）改為正方形、圓形、橢圓形、三角形等形狀分別進行測試,結果表明,不論是哪種幾何形狀,有效信號只集中在全包圍結構的線圈范圍內,若超出線圈圍成的圖形,則信號明顯減弱并消失,即有效信號的覆蓋范圍無明顯擴大或增強。

2.2 感應線圈的材質

將封裝在軌旁盒壁內感應線圈電纜的材質［10］,由原來的多股銅導線更改為鐵絲、銅包鋼線、鍍錫銅線,分別測試上述材料接收信號的強度,其中導電性越好、線纜內阻越小,有效信號相對越強,發現設備既有的多股銅導線最好。

2.3 感應線圈的倍數（匝數）

原設備的感應線圈為單線圈,通過增加圈數（2圈、3圈、5圈）,進行相關測試。發現相同位置的信號強度與線圈匝數成正比,但隨著感應線圈圈數的增加,信號強度的增大,波形失真程度越發嚴重,影響設備工作的穩定性；而且隨著信號強度的增加,有效信號區域雖有所增加,但增加的范圍有限。

2.4 感應線圈的大小

受到盒體的限制,盒內的感應線圈尺寸無法改變,故將感應線圈外置,材料仍使用導電性較好的多股銅導線,尺寸（長×寬）分別設置為100 cm×30 cm、200 cm×30 cm、300 cm×30 cm。測試結果顯示,有效信號的覆蓋范圍與感應線圈圍成的長方形尺寸成正比,且有效信號集中在感應線圈內,無發散情況。但在車地通信設備功率一定的情況下,隨著感應線圈的周長增加,其感應線圈總內阻也會隨之增大,而內阻的增大會減弱信號強度。因此,感應線圈的整體尺寸不能無限放大,應選擇合理的尺寸。

通過現場測試發現,封裝在盒體內部的感應線圈是影響信號接收范圍的關鍵。在感應線圈材質保持不變的基礎上,增加感應線圈尺寸可得到明顯效果。

3 改造方案

設計要求廣州地鐵2、8號線列車允許開車門的停車窗范圍為120 cm,將封裝在車地通信軌旁盒體內部原有的長方形感應線圈移到盒外,且感應線圈的長邊由原來接近30 cm的長度改造為120 cm,寬邊由原來接近15 cm的長度適當增加至35 cm,使得長方形感應線圈的長度與列車開車門允許打開的停車范圍條件相對一致。即使列車出現對標停車的精度+60 cm或-60 cm的極端情況,站臺門與車門打開后的最小重合部分,即乘客上、下列車的最小有效空間也為70 cm（廣州地鐵2、8號線單側站臺共有30個站臺門,其中站臺前端第一個站臺門寬度為165 cm,其余29個站臺門為200 cm,列車單扇車門寬度為70 cm）,不會給乘客上、下列車造成較大影響,且當列車對標停車的精度超出停車窗（120 cm）范圍時,列車ATP系統經過檢測后,判斷此時列車已超出停車窗,而出于安全保護不會給出允許開關的指令,因此,車門與站臺門都不會被打開,這與允許開門的設計標準相符。現場實際設備改造原理見圖2（紅色線條表示為改造后的感應線圈）。

圖2 車地通信軌旁盒改造后的結構示意

改造后對設備進行測試,在不同的時間、不同的列車,同一個測試點累計測試超過10次,結果表明將軌旁盒感應線圈改造后,可有效控制站臺門信號的分布范圍,與被改造的感應線圈所圍成的長方形區域基本一致,且有效信號不存在發散情況。

4 結束語

通過試驗結果表明,將原封裝隱藏在軌旁盒內部的感應線圈進行合理改造后,有效提升了其接收能力,可以將其接收范圍由原來的60 cm擴大到120 cm（以改造后感應線圈長度為120 cm為例）。該項目在2020年5月已成功獲得國家實用新型專利（專利號：ZL 2019 2 0594580.X）。廣州地鐵根據現場運營需要,分別在2號線、8號線推廣應用超過10個站點,解決了列車車門與站臺門不能聯動的問題。