車站數字化軌道電路關鍵技術探討

李文濤

2020年8月，國鐵集團印發了《新時代交通強國鐵路先行規劃綱要》［1］，明確提出：“提升基礎設施技術裝備水平；提升基礎設施全生命周期發展水平，推進設施數字化、智能化升級；推進工電技術裝備標準化、簡統化。”

目前，我國普速鐵路站內絕大部分采用25 Hz軌道電路，運用至今已超過40 年，雖然適應了電氣化鐵路和機車信號對疊加電碼化的需求，但在運用中也逐漸暴露出一些問題，在運用、維護等方面距離裝備數字化、標準化、簡統化還有很大差距，因此急需研制一種全新制式的車站數字化軌道電路系統。為此，國鐵集團設立了《車站數字化軌道電路關鍵技術研究》科研課題，支持開展相關研究工作。

1 存在問題

1）設備配置繁多。包括室內設備9 種、室外設備6 種，且以零散器材為主，各器材廠家只對某單一器材提供技術支持，缺乏系統性［2-4］。

2）調整難度大。由于隔離、調整和防護設備的規格多樣，導致電路組成較為復雜，軌道電路的傳輸特性極易受到影響，不利于維修維護。

3）抗干擾性能有待提升。重載鐵路、動車組運用區段抗電氣化干擾能力較弱，分路不良和列車升弓導致的閃紅光帶問題比較常見。

4）缺乏系統性安全認證。目前站內的單一器材雖有產品認證，但對于完整系統尚缺乏SIL4 等級的安全認證。

5）基礎裝備數字化程度不高，升級換代困難。軌道電路裝備開發年代較早，器材零散、元件分立，與鐵路信號數字化、信息化的發展趨勢極不相符。

2 研制目標

根據現存問題及數字化需求，梳理形成車站數字化軌道電路的10個研制目標。

1）同時具備軌道電路和電碼化功能。通過室內唯一調整環節，實現軌道電路和電碼化統一調整。

2）簡統化板卡式設備。室內采用板卡式設備，以此達到設備種類比25 Hz疊加電碼化和ZPW-2000軌道電路分別壓減70%和50%以上的目的。

3）進一步提升安全可靠性。目前25 Hz 軌道電路和電碼化無法進行系統級安全認證，而車站數字化軌道電路安全完整性等級可達到SIL4級。

4）數字化技術降低能耗。目前的ZPW-2000軌道電路和電碼化設備能量轉化效率較低，每區段功率達到180 W。車站數字化軌道電路是采用數字化模塊，通過優化傳輸系統設計，能夠提高能量轉換效率，典型一送一受區段能耗可壓減約60%。

5）股道區段無條件雙端發碼。普鐵股道與高鐵股道最明顯的區別是無指定位置的停車標，任何位置列車均可折返運行。而當列車折返時，無法向地面設備傳遞信息。為此，提出在滿足區段長度的條件下，不借助控制設備進行方向切換，無條件實現股道雙端發碼［5-6］。

6）短區段快速反應和分路性能提升。普鐵車站短區段多，需要軌道電路快速實現占用反應，同時對于現有短區段分路不良多發的情況，應至少提升分路性能1倍以上。

給定觀測值集合y后,一旦確定了概率密度p(y|f,θλ),對于有限高斯變量組成的向量f而言,其后驗分布可以通過貝葉斯公式推導得出:

7）電碼化信號閉環檢查。現有電碼化信號為開環發碼，即地面設備不檢查電碼化信號發送的有效性。采用車站數字化軌道電路則可在區段空閑時，由地面設備實時檢查電碼化信號的幅值和頻率，從而提高發碼安全性，減少掉碼故障發生。

8）易維護及預警診斷。軌旁僅設一臺設備，內置數字化采集功能，通過對關鍵位置的數據采集，實現智能預警和分區域診斷定位功能［7］。

9）優化牽引電流回流網絡。為防止軌道電路信號迂回出現“第三軌”，我國既有股道均為“一頭堵”的單端回流方式，類似“梳子”形狀，造成只有正線回流暢通，側線完全中斷。為此提出將車站橫向連接線、牽引回流網絡標準化，進一步改善絕緣燒損、牽引諧波干擾等回流問題［8］。

10）兼備數字化和繼電接口。同時具備數字化通信接口和繼電接口，與繼電聯鎖車站、列控車站和列控聯鎖一體化車站無縫切換，通過一體化接頭實現設備連接，適用于普鐵和高鐵。

3 關鍵技術

除數字化、功耗等通用技術指標外，車站軌道電路和區間軌道電路的應用場景差別較大。由于車站特殊的作業要求，需要面臨和解決的問題更多，如：橫向股道間的同頻鄰線干擾防護、復雜站場牽引回流網絡的迂回、列車運行進路差異導致的分路不良、列車運行縱向絕緣破損的防護等。因此，車站軌道電路在安全性和可用性上比區間更為復雜，主要解決以下5項關鍵技術。

3.1 軌道電路、電碼化集成技術

實現軌道電路和電碼化合二為一的難點在于頻率選擇。在車站數字化軌道電路研制過程中，制定了頻率選擇的“五大原則”：①機車信號兼容性，全路約2.6 萬輛機車需要動態地獲取車地信息，兼容性問題非常突出；②信號傳輸性能，傳輸長度滿足國鐵車站長區段使用要求，系統傳輸信號越單一，曲線平滑度和干擾防護能力越好；③抗工頻干擾性能，在電氣化鐵路中，需要選擇牽引諧波含量少的頻率范圍；④通道完整性檢查性能，防止信號迂回形成“第三軌”和改善電氣化回流環境需要較高頻率；⑤設備簡統化，頻率越高設備尺寸越小，頻率種類越少設備集成度越高。

經過頻率比選，最終形成4 種軌道電路備選頻率方案。各類方案雷達圖見圖1。

圖1 各類軌道電路方案雷達圖

1）24.5 Hz、25.5 Hz、26.5 Hz頻率方案：電氣化區段迂回信號超過動作門限，隔離設備體積較大。

2）425 Hz 頻率方案：電氣化區段迂回信號接近動作門限，隔離設備數量較多。

4）1 700~2 600 Hz 頻率方案：更為均衡，從我國鐵路使用情況和發展需要看，選用1 700~2 600 Hz進行發碼和占用空閑檢查是最佳選擇。

因此，適用于車站的數字化軌道電路頻率宜采用1 700~2 600 Hz 信號進行發碼和占用空閑檢查，即采用和普鐵區間、高鐵站內區間相同的“軌道電路轉發機車信號”方式實現電碼化。

當車站數字化軌道電路應用于普鐵時，其發碼方式與普鐵既有發碼方式保持一致，即僅正線和側線股道發碼。車站數字化軌道電路發碼方式見圖2，其中紅框區域為股道區段，雙端發碼、雙頻切換；黃框區域為正線道岔及無岔區段，發碼、切方向、雙頻切換；藍框區域為其他道岔區段，不發碼、不切方向，默認發檢測碼。

圖2 車站數字化軌道電路發碼方式

當車站數字化軌道電路應用于高鐵時，其發碼方式與高鐵既有發碼方式保持一致，同樣采用分支并聯方式實現全進路發碼［9］。

3.2 股道雙端發碼技術

列車在股道折返時，有地面信號機點紅燈、軌道電路鄰線干擾值控制、雙端發碼大壓小共3 種防冒進方式。其中高鐵由于地面信號機滅燈，因此采用軌道電路鄰線干擾值控制、雙端發碼大壓小2 種方式；而普鐵由于電碼化信號波動大，無法精準控制，因此采用地面信號機點紅燈和雙端發碼大壓小2種方式，并同時輔以調低功率，盡量控制干擾值。

在車站數字化軌道電路方案中，為使3 種方式同時有效，股道設計采用“兩端發送、中間接收”結構，在不依賴于方向電路、不進行絕緣切割的條件下實現雙端發碼。如圖3 所示，接收端兩側任意一側有車占用，則ⅠG 股道占用，SⅠ和XⅠ側機車信號均能夠滿足完整股道的傳輸，與傳統預疊加發碼方式相同。

圖3 股道區段雙端發碼方式

股道“兩端發送、中間接收”的發碼方式和傳統預疊加發碼方式相比，有以下特點。

1）股道兩側載頻維持現狀，不需要修改。

2）側線股道編碼電路各自獨立，變化不大。

3）無需切換發碼通道。

4）正線使用單套編碼電路。

5）室外需要增設一對股道中心范圍內的電纜。

車站數字化軌道電路的股道區段系統結構見圖4，采用“兩端發送、中間接收”的雙送一受結構，每一個發送設備負責半個區段的占用檢查、整個區段的電碼化發碼，股道中間的接收端同時解調2 路發送信號，在接收端分別調整解調后進行邏輯“與”處理，每條股道設置1臺軌道繼電器即可。

圖4 雙送一受系統結構

3.3 雙向回流技術

為防止軌道電路信號迂回出現“第三軌”，自20 世紀60 年代開始，我國鐵路股道均采用“一頭堵”的單端回流方式。這就造成了規模越大的車站，牽引回流越不暢通，結合部問題越多，出現越來越多的燒絕緣、電壓波動等問題［10］。

適用于車站內的數字化軌道電路一方面頻率為1 700~2 600 Hz，遠大于25 Hz，迂回電路的阻抗大幅增加；另一方面通過在設備和系統層面保證鋼軌電氣斷離檢查功能，側線股道兩側不設回流中斷點，直接將回流設備中心點連通，即可實現股道雙向回流，優化牽引回流網絡，解決60多年來站內存在的絕緣燒損、回流不暢、干擾問題頻發的現狀［10-11］。

3.4 智能診斷技術

目前大多數車站軌道電路均采用人工判斷故障的方式，時效性較差，不能及時檢測出故障點，且因人員技術水平的差異，易造成維護不當，影響行車效率，會造成嚴重的經濟損失［12-13］。

適用于車站內的數字化軌道電路配有一體化監測診斷系統，見圖5，用于實現軌道電路系統和設備工作狀態參數的在線監測、設備和傳輸通道的故障診斷定位，并給出報警、預警信息及維修建議，可全面提升鐵路裝備智能化水平，提高現場對軌道電路的維修效率。

圖5 監測診斷系統界面

3.5 設備簡統化技術

車站數字化軌道電路中，室內采用板卡式設備，軌旁僅設一臺設備，實現了設備簡統化。設備種類和25 Hz 相敏軌道電路疊加電碼化、ZPW-2000 一體化軌道電路相比，數量大幅壓減，軌道電路室內機柜的布置和連接方式對比見圖6，同時能夠節省機房占地面積，以34 個區段的中等車站為例，采用繼電編碼設備占地面積較傳統設計減少43%，采用通信編碼設備占地面積較傳統設計減少68%，設備數量和機柜寬度對比見表1。

表1 設備數量和機柜寬度對比

圖6 機柜布置和連接方式對比

4 結束語

車站數字化軌道電路以用戶需求為導向，確定十大研制目標，突破五大關鍵技術，采用簡統化結構和板卡式設備設計方案，集成程度、安全性和可靠性高，兼容多模式接口，具備控制、接口、運維數字化等特點。目前，已完成樣機研制，并通過了課題驗收。本項研究成果對推進我國鐵路軌道電路技術進步，提升基礎裝備數字化、智能化水平具有重要意義。