ZPW-2000軌道電路安全傳輸技術研究

寧詠梅

(中鐵第五勘察設計院集團有限公司 北京 102600)

1 概述

ZPW-2000軌道電路系統是我國鐵路信號控制系統的重要基礎設備之一，軌道電路系統的安全可靠運行對鐵路運營具有重要影響。截至2020年，全國鐵路營業里程達到14.63萬km，軌道電路數量為150 000余套，在我國鐵路自動閉塞系統中有較大規模的應用。軌道電路系統包括室內設備和室外設備，其中移頻信號通道同時還包括室內電纜、室外信號電纜等傳輸路徑、鋼軌等，具有點多線長的特點，運營條件和應用環境具有復雜性，實際運營過程中故障時有發生，嚴重制約了鐵路的安全高效運營。目前，ZPW-2000軌道電路移頻信號安全傳輸方面存在以下問題:(1)軌道電路移頻信號傳輸路徑環境復雜，容易受到外部干擾信號、相鄰區段移頻信號的干擾[1-3]；(2)軌道電路對于移頻信號通常利用載頻信號和低頻信號校驗進行防護，信號安全傳輸的防護手段較為單一[6-8]。

國內目前大量應用的自動閉塞系統中ZPW-2000系列軌道電路設備對有電纜串音、耦合串擾及移頻信號跨區傳輸等問題導致的軌道電路安全性問題還沒有一個完整的解決方案，在軌道電路移頻信號傳輸過程中對電纜串音、電纜絕緣故障導致移頻信號耦合串擾、室外信號跨區段傳輸等問題的防護能力不足，從而導致軌道電路設備產生紅光帶，嚴重時甚至可能出現軌道繼電器不能可靠落下的安全性問題[9-11]。

為了進一步提高ZPW-2000軌道電路系統安全性，以軌道電路系統傳輸理論研究為支撐、以鐵路行業綜合應用需求為牽引[12-13]，針對ZPW-2000軌道電路系統移頻信號傳輸安全性問題，進行深入研究并提出技術解決方案。

2 ZPW-2000信號傳輸模型

ZPW-2000軌道電路主要實現區段空閑、占用檢查功能，并向車載列控信號設備發送連續控制信息，同時還具備改變發碼方向的功能。

ZPW-2000系列軌道電路移頻信號目前采用FSK 調制方式，載頻采用 1700-1、1700-2、2000-1、2000-2、2300-1、2300-2、2600-1、2600-2 共 8 種載頻，載頻頻偏±11 Hz，低頻調制信號頻率為10.3 Hz、11.4 Hz、12.5 Hz、…27.9 Hz、29 Hz(低頻按 1.1 Hz)，共18種。

2.1 時域表達式

(1)基帶信號

(2)載波信號

式中:Ac為載波幅值；wc為載波頻率，對于2000系列，wc＝1 700～2 600 Hz。

(3)調制信號時間域表達式

式中:K為移頻器的靈敏度系數。

瞬時頻率表達式:

式中:w為角頻率最大頻偏，對于2000系列，w＝2pi×11 Hz。

相位表達式:

因此，調制信號的時域表達式:

2.2 頻域表達式

根據對時域信號的傅里葉展開，可得ZPW-2000移頻信號頻域表達式。

調制信號傅里葉展開表達式:

考慮到φ(t)是周期為T的信號，則ejφ(t)也為周期信號，證明如下:

因此，ejφ(t)也是周期信號，傅里葉展開如下:

式中:ωb為低頻調制基波的頻率；為傅里葉系數。

式中:r為正整數，范圍為 1，2，3，4…。

2.3 頻譜分析

頻譜分析結果見表1。

表1 __ZPW-2000移頻信號頻譜分析結果

3 安全傳輸技術方案

3.1 方案分析

為了保證ZPW-2000軌道電路移頻信號安全傳輸過程中的唯一性，需要在目前采用的FSK信號基礎上采用安全校核的方案保證軌道電路在移頻信號傳輸過程中的安全防護。在既有移頻信號基礎上增加安全校核主要有兩種方法:復合調制方案和多路復用方案。復合調制方案，包括復合調幅、復合調頻和復合調相等方式；多路復用方案，包括時分復用、頻分復用和碼分復用等方式。

3.1.1 復合調制方案

復合調制方案是指在FSK信號的基礎上，對同一載波進行兩種或更多的調制。如對一個頻率調制波再進行振幅調制，所得結果即為調頻調幅波。

(1)復合調幅

復合調幅方案是指在FSK信號的幅度值上進行調制。利用數字編碼對FSK信號幅度值進行調制，得到數字編碼信號。該方案特點如下:

①系統不需要增加其他頻率信號；

②發送器增加復合調幅調制功能；

③接收器增加復合調幅解調功能；

④對車載TCR影響較小。

(2)復合調頻

復合調頻方案是指在移頻FSK信號的頻率值上進行調制。利用數字編碼對FSK信號頻率值進行調制，得到數字編碼信號。該方案特點如下:

①發送器增加復合頻率調制功能；

②接收器增加復合頻率解調功能。

(3)復合調相

復合調相方案是指在FSK信號的相位值上進行調制。利用數字編碼對FSK信號相位值進行調制，得到數字編碼信號。該方案特點如下:

①系統需要增加其他相位信號；

②發送器增加復合相位調制功能；

③接收器增加復合相位解調功能；

④方案優點是不會在系統內引入其他頻率信號。

3.1.2 多路復用方案

在通信領域，多路復用技術是指一個信道同時傳輸多路信號的技術。該技術包括頻分復用(FDM，Frequency Division Multiplexing)、時分復用(TDM，Time Division Multiplexing)和碼分多址(CDMA，Code-Division Multiple Access)。 對于軌道電路而言，該技術應用時是指在鋼軌回路同時傳輸移頻信號和數字校驗信號。

(1)時分復用

時分復用是指按照時間將信道劃分為N個時隙，并行傳輸N路數據。當采用時分復用時，TC碼可以采用與移頻信號低頻碼相同的調制解調方式，特點如下:

①TC碼載波頻率載頻:1 700～2 600 Hz；

②TC碼基帶信號頻率:0～40 Hz(除去10～29 Hz頻段)；

③TC碼解碼時間:＞1.2 s。

(2)頻分復用

按照頻率將信道劃分為N個載波，并行傳輸N路數據。當采用頻分復用時，TC碼可以采用與移頻信號低頻碼不同的調制解調方式，TC碼載波頻率載頻低于1 000 Hz，或者高于3 000 Hz。

(3)碼分復用

按照碼字將信道劃分為N個碼道，并行傳輸N路數據。

3.1.3 技術方案

為了最大限度保證既有ZPW-2000移頻自動閉塞系統的兼容性，同時保證車載列控設備可靠接收機車信號控制信息，復合調制中復合調頻方案具有較高的可行性。

3.2 安全校核信號編碼

軌道電路發送器按照系統編碼規則，編碼生成本站具有唯一性的發送端安全校核信息；軌道電路接收器根據接收端通信地址，編碼生成接收端安全校核信息。

軌道電路安全校核編碼具有40 bit的安全校核可用信息，同時每字節信息均具有對應的校驗字節，可以保證在一定區域范圍的安全校核編碼的唯一性和安全性。

(1)系統編碼規則

軌道電路可通過系統給定的編碼條件生成安全校核信息，編碼條件設置于軌道電路組匣內或通過外部條件給出。編碼條件的格式如表2所示，其中ADRx＝0或1。

表2 編碼條件

(2)安全校核信息

按編碼規則進行編碼，可以生成一定區間范圍內的具有唯一性的安全校核信息。安全校核信息包括起始位、編碼后的地址位和校驗位等，如表3所示。

表3 安全校核信息

3.3 安全校核信號發碼

軌道電路發送器根據安全校核編碼原則發送移頻信息，發碼的同時包含安全校核信號。安全校核信號發碼規則:無論低字節還是高字節均先發低位，后發高位。

3.4 安全校核信號解碼

軌道電路接收器通過對安全校核信號解碼，獲得發送端安全校核信息。安全校核信號解碼規則:

(1)起始位解碼:解碼得到起始位信息；

(2)信息位解碼:解碼得到發送端通信地址信息；

(3)信號校驗:軌道電路接收器對解碼后的安全校核信息進行比較，當安全校核信息相同時接收器正常進行區段占用空閑檢查和發碼，接收器接收到非本區段的安全校核信息或無效安全校核信息及無安全校核信息時進行報警并導向安全側。

4 系統配置及測試

4.1 系統配置

軌道電路發送器載頻設置為2 001.4 Hz，低頻設置為10.3 Hz，區段長度1 350 m，發送端、接收端地址按表4、表5設置。

表4 發送端地址

表5 接收端地址

軌道電路分別進行調整狀態、分路狀態和機車信號發碼等基本功能測試，并進行了安全校核信息測試、安全校核串碼測試、非法安全校核信息測試、電纜混線、電纜串擾等移頻信號安全傳輸系統功能測試，見圖1、圖2。

圖1 2 000 Hz基準載頻信號頻譜

圖2 2000-1 Hz載頻信號頻譜

4.2 系統測試結果

通過測試，軌道電路調整狀態、分路狀態和機車信號發碼等基本功能符合鐵路相關標準要求，接收器正常進行安全校核信號解碼，當系統中存在非本區段的安全校核信息編碼時，可有效檢測出發送端安全校核信息與接收端安全校核信息不一致，從而實現移頻信號安全傳輸，且可在出現異常時導向安全側并進行報警。

5 結論

本文提出了ZPW-2000軌道電路移頻信號安全傳輸技術方法和系統，該系統包括軌道電路發送器、軌道電路接收器和信號傳輸通道等，可實現安全校核信號的編碼、發碼與解碼功能，從而實現ZPW-2000軌道電路移頻信號的安全傳輸，解決了軌道電路系統移頻通道的安全傳輸問題，對既有ZPW-2000軌道電路的系統優化具有較大參考價值。