1、3 31 1 数字音频轨道电路数字音频轨道电路 众所周知，50 Hz工频轨道电路必须用绝缘节来分割，且只能提供“有车”或“无车”2种信息，在交流电力牵引采用可控硅或大功率晶体管（IGBT）变流技术后，牵引电流对工频轨道电路的干扰导致轨道电路不能安全、可靠地工作。此外，分割轨道电路的绝缘节在安装时不得不锯断钢轨，绝缘节的存在限制了列车速度的提高。当然，绝缘节易于破损，也已成为信号技术的多发故障之一。正因为如此，在近年的城市轨道交通信号系统中，工频轨道电路已被无绝缘音频轨道电路所取代。随着数字电子技术的发展，具有高可靠性、多信息量的数字编码式音频轨道电路已经问世，且越来越普遍地得到重视。我国广州地
2、铁一号线、上海地铁二号线等均已采用这类轨道电路。一、一、S型联接音频轨道电路型联接音频轨道电路 为了克服上述弊端，目前在城市轨道交通领域一般都采用S型联接音频轨道电路，其原理图如图3-3所示。图3-3 S型联接音频轨道电路接收器2发送器1接收器3发送器22f1f3fL2C1L1C2U2U3L3C3C2L2mn图3-4 列车驶过时接收器端电压的变化 由以上讨论可见，S型联接音频轨道电路是符合信号安全原则的，所以已被广泛采用。谷区额定电压U2U3U3U2轮轴位置mn图3-5 S型联接音频轨道电路的简易表示图例 带 S型 联 接 的 电 气 分 隔带 调 谐 的 发 送 器带 调 谐 的 接 收 器
3、无 源 调 谐 单 元不 带 调 谐 单 元 的 发 送 器不 带 调 谐 单 元 的 接 收 器轨 道 继 电 器不 带 调 谐 单 元 的 中 继 接 收 器二、二、数字编码式音频轨道电路数字编码式音频轨道电路 上述音频轨道电路虽然取消了绝缘节，但仍只能给出“空闲”或“占用”2种信息，无论从可靠性还是从可用信息量角度来看，都不能满足实用的需要。在上述音频轨道电路的基础上，加上数码调制后，不仅能使轨道电路的可靠性大为提高，而且可以作为列车速度控制系统（ATC系统）中地面车上传递信息的通道。目前广泛采用的调制方式是频移键控方式，即FSK方式，由此构成的数字编码式音频轨道电路的结构框图如图3-8
4、所示。图3-8 数字编码式音频轨道电路的结构框图1音频发生器；2脉码调制器；3接收电平调节器4解调器；5比较器；6比特模式预置器；7电源1234567 采用数字编码式音频轨道电路的一项主要优点是它可被用作为车上地面的信息传输通道，在此基础上可构成列车速度控制（ATC）系统。图3-10表示了作为ATC系统基础的数字编码式音频轨道电路的简易框图。图3-10（a）表示区段无车状态，此时的轨道电路如图3-8所示状态，给出轨道区段空闲通报。图3-10（b）表示轨道区段有车状态，此时由于接收端的轨道继电器失磁落下，一方面给出轨道区段占用的通报，一方面接通ATC电码发送，即用ATC电码对音频信号进行调制，这
5、种数字编码信息在轨道中以200 bit/s的速率传输。图3-10 作为ATC系统基础的数字编码式音频轨道电路1轨道电路电码；2ATC电码G G J J发 送 环 节（a）G G J J12+接 收 环 节接 收 环 节车 载 接 收 天 线（b）发 送 环 节+G G J J+列 车 运 行 方 向G G J J21三、数字编码式音频轨道电路FTGS FTGS是为干线和城市轨道交通领域设计的轨道空闲检查系统。线路由电气节分成若干区间。按照轨道电路的原理，发送器向钢轨发送交流电压，由位于区段另一端的接收器将收到的电压进行计算。当列车进入轨道区段，车轴的分路就防止了信号进入接收器，这就导致其输出指
6、示为“轨道区段占用”。与以前音频轨道电路不同的是，FTGS是由调频电压远程馈电。接收器和发送器都集中安装在距离轨道区段6.5 km处的信号楼内。FTGS是代表目前最高水平的轨道电路。它配备有额外的运行状态指示灯，并允许通过连在发送器上的外部控制电路由钢轨向列车传送其他信息。FTGS也可以在无调制编码的情况下工作，但通过改进相应的电路板，FTGS也可在任何时候升级到最高安全等级。FTGS音频轨道电路的所有电子组件都安装在信号楼里，这样做有以下优点：低生命周期费用 高可靠性 免维修的轨旁组件 标准化的电路板使得备件量保持在低水平 计算机辅助设计，配置简单 经过认证且得到广泛使用3 32 2 微机计
7、轴设备微机计轴设备 由于电气化铁路的牵引电流回流与轨道电路共用一个通道，强电流对弱电流的干扰是不可避免的。随着电力机车变流控制技术的发展，牵引电流的高次谐波对轨道电路的干扰影响越来越大。此外，轨道电路的工作状态还严重依赖于道床状态，在道床电阻很低的场合，无论何种轨道电路都无法正常工作。欧洲德国铁路由于有过使用钢枕木的历史，所以一直使用计轴器作为检测轨道区段是否空闲的装置。在电子技术高度发达的今天，电子计轴器已完全取代了传统的机械计轴装置。图3-11表示电子计轴器最基本的结构，包括室外及室内部分（信号楼或控制中心）；室外部分包括地面传感器（计数点）、电缆盒、传输电缆；室内部分主要是信号处理电路及
8、计数处理电路。图3-11 电子计轴器的基本结构电缆盒电缆盒控制中心轨道区段传感器室外室内电缆传感器 在每一轨道区段的两端分别设置计数点,为了区分列车是“驶入”还是“驶出”该计数点，每一个计数点设置2个电磁传感器。当列车车轮驶经传感器时,随即产生1个电信号,经处理后送至控制室内。当轨道区段无车时,控制室内的“入”计数器与“出”计数器同步工作,从而给出该轨道区段空闲的通报。当列车驶入该轨道区段,“入”计数器由于计入了由传感器传来的计数脉冲,因而破坏了入、出计数器的同步工作,从而给出该轨道区段有车的通报。仅当列车全部驶出另一计数器,由于入、出计数器计入、计出同样数目的计数脉冲,从而又恢复了同步,给出
9、该轨道区段空闲通报。电子计轴器已经历了近20年的发展，有适应于各种情况的多种类型。这里选择最有代表性的ZP43型地面传感器（计轴点）及微计算机计轴系统AzSM作简要的说明。一、一、电子计轴点电子计轴点ZP43 西门子公司所开发的电子计轴点ZP43在计轴系统中作为传感装置。ZP43对电磁干扰不敏感，安装方便，由于其高机械稳定性及恒定的电气参数，所以几乎不需维护保养。计轴点是计轴系统的车轮识别点。它位于轨道区段分界点处。装在这个位置上的传感元件（如轨旁设备、电缆接线盒）组成一个功能单元，称为计数点ZP。因车轮作用而在ZP中形成的脉冲或信号经由区间电缆传送至装在联锁设备中的计数单元。这类ZP元件，已
10、取得了20年的实践经验。随着时代的发展，计数点的使用条件发生了变化，从而它必须满足越来越高的要求。l随着列车速度提高，轨旁设备的机械应力也相应增加。l较高的机车牵引力就要求大功率的供电网。在列车驶过时，由于较大的回流致使在钢轨内出现强大的电流跳变。此宽阔的高频干扰谱对计轴点产生明显的影响。l在高速列车上所采用的磁轨制动，在制动时将 在轨旁设备的接收线圈中产生较高的干扰电压。实验室及现场试验表明，用新开发的ZP43能足以防护上述几种干扰影响。计数点ZP43是一种车轮电磁识别装置，也即在计数点作用范围内，一对车轮就可改变其交流电磁场的分布，并引发出一个计数脉冲。每个计轴点ZP43包括一个带有固定联
11、接电缆的轨旁设备与一个电缆盒。轨旁设备包括发送器和接收器（图3-12），它们用两个固定螺栓与一块屏蔽金属板一起固定在轨腰上。图3-12 发送器、接收器及屏蔽金属隔离板 在轨腰上的位 置及其固定 图3-15 无车轮时发送器交变磁场的简化表示接收线圈发送线圈1212图3-16 在车轮作用下发送器交变磁场的简化表示 二、二、微计算机计轴系统微计算机计轴系统AzS M 微计算机计轴系统是一种基于微计算机的用于检测轨道区段空闲或占用的安全设备。AzS M是“带有多段计数的西门子计轴系统”的缩写。在被检测轨道区段的始、终端置有车轮传感器（计数点或车轮传感器）。每个车轮传感器经由通信电缆与中央计数设备相连。
12、对车轮传感器的供电也经由此联系通道实现。在固定的方向上作为中央处理和监控的计数单元，其任务是将来自计数点的轴脉冲信息归总成一个总体结果以及给出每一个轨道区段的空闲或占用表示。AzS M包括：1.在所监控轨道区段两端的计数点；2.最多包括16个计数点的计轴单元。图3-17 用微计算机计轴系统AzS M监控10个轨道区段的16个计数点3 33 3 查询应答器查询应答器 查询应答器最初用于卫星中继、航空定位及导航，70年代中后期以后，应答器传输技术逐渐由航空工业引入铁路部门。查询应答器在欧洲的一些铁路上安装了几十万个，主要用于列车自动定位控制及无线闭塞等领域。此项技术目前己在日本、德国、瑞典、加拿大
13、、英国等发达国家的铁路得到广泛应用并取得了良好效果。为适应我国铁路现代化发展、跟踪世界高新技术发展的要求，铁道部科学研究院通信信号所自80年代初便进行了此项技术的初步研究，经历了技术的不断更新和发展，曾经在成渝线120 km 线路12个车站进行了点式列车自动超速防护ATP系统的扩大试验，完成了广州至佛山间列车尾部完整到达扩大试验等一系列现场推广试验。目前查询应答器系统在功能上和性能上进行了改进，其主要技术指标己达到或接近国外同类产品水平。广深线也于2000年底在部分提速区段上安装了地面应答器。查询应答器累计进行过近万公里的准高速运行试验，效果良好。此项技术主要可用于列车安全防护，道口控制，定位
14、停车，列车报车次号，列车抄号，车种识别，进路预排，特殊路段临时限速，过岔、弯道及下坡道的限速，报公里标位置，电力机车电分相自动转换及受电弓自动控制，车辆自动自动收费等 各种控制系统或管理信息系统中。因此查询应答器是一种具有综合利用价值的通信信号设备，运用潜力很大的。一、系统功能及特点一、系统功能及特点 1.系统功能 查询应答器系统包括应答器、查询器、查询器主机等3个主要部分。查询应答器是一种利用无线传输原理构成的高速点式数据传输设备，用在特定地点实现机车与地面间的相互通信。安装于两根钢轨中心枕木上的地面应答器不需要外加电源，平时处于休眠状态，仅靠接收查询器发送的功率而工作，并能在接收查询功率的
15、同时向查询器发送大量的调制编码信息。安装于机车底部的查询器不断向地面发送瞬态功率，当机车通过地面应答器时，它接收来自应答器的编码信息。车载主机除了向查询器发送瞬态功率信号外，其主要任务是处理查询器接收到的来自应答器的调制编码信息。2.系统的特点（1）具有无线车地数据传输功能，适于各种线路条件。在线路不断改造或机车车辆升级换代后，该系统的地面设备与车载设备仍然可以继续使用。（2）性能与功能有广泛适用性和可扩展性。既可用于传统的ATP系统，也可用于无线移动闭塞中的列车追踪与控制；既可用于一般线路和高速线路，也可用于城市轨道交通。（3）地面设备易于安装，不影响工务设备的正常使用。（4）地面应答器及车
16、载天线适用性强，可在各种气候条件下使用。（5）借助专用设备，可将地面应答器内的数据反复编码。二、应答器的工作原理与基本结构二、应答器的工作原理与基本结构 应答器是利用无线感应原理在特定地点实现机车与地面间相互通信的一种数据传输装置。当列车上的查询器通过设置于地面的应答器时，应答器被发自车上的查询器瞬态功率激活并进入工作状态，它将向运行中的列车连续发送存于应答器中的可供列车自动控制或地面指挥用的各种数据。在查询器应答器的有效作用范围之外，应答器将不再工作，直至被下次列车上的查询器功率再次激活。其最基本的原理基于电磁感应理论。其系统框图如图3-25所示。在应答器系统框图中，整流电路用于当查询器与应
17、答器相互作用时，应答器接收到发自查询器的功率载波信号后，整流出一个可供应答器的其他IC器件使用的直流电平，使应答器进入工作状态。信源编码器为数据编码器，其输出编码经过调制后送到放大电路，经放大后发送出去。查询器与应答器的有效作用范围与其间的电磁场能量的大小密不可分。在有效作用范围内，要提高车载查询器接收到的数据量，需相应提高数据传输速率。图3-25 地面应答器系统框图 应答器放 大整 流时 钟调 制信源编码应答器具有以下主要特点:1.无源设备，不要求提供外接电源（有源应答器除外）；2.可提供固定信息内容，如里程标、区间长度、限速值、坡道值等；3.可变编码应答器可提供实时信息，如股道号、进出站、
18、通过等等；4.使用寿命长，基本无需维护，可节约维修资金；5.不受话路限制，传输信息量大，有利于实现系统故障安全；6.不受频带限制，频率运用灵活；7.电磁场稳定，可以获得高质量的传输效果；8.一次性投资可服务于多种运用，实现少投入，多产出。经济效益显著。三、查询器车载主机系统工作原理三、查询器车载主机系统工作原理 查询器车载主机系统的框图如图3-26所示。主机上电后，系统立即进入自检测试过程。如果系统异常，则停止发送功率载波，显示相应的故障状态，并向有关设备，如ATP系统或车载电台等报告故障。系统自检正确后，将载波信号经过功率放大器连续不断地由查询器天线发送出去。当机车经过地面应答器时，功率载波
19、信号将应答器激活，向车载查询器发送数字编码信号。查询器接收到此信号后，经过滤波、解调及其他处理过程，送至CPU，由软件进行处理。处理后的数据供车载电台、ATP系统以及其他系统使用。图3-26 查询器车载主机系统框图 显示及检测单位电台或其他设备CPU解调载波同步滤波功放时钟查询器四、查询应答器的编码、调制与载频四、查询应答器的编码、调制与载频 应答器信息帧格式可根据现场要求的信息量大小进行设计,格式如下：同步码 用户信息 CRC校验 1 Byte N Bytes（N13）2 Bytes 选择7E为同步码，表示报文的开始。用户信息编码根据用户要求设计。CRC校验码根据生成多项式计算得到。根据CC
20、ITT的建议，CRC生成多项式选用G(X)=X16+X12+X5+1，据有关资料，该生成多项式的误码漏检概率很小。由于可能发生误码漏检，除在信息接收时要进行CRC校验外，还需要进行大数判决。同时在信息传输中采用正、反码传输等保护方法，以保证尽可能不出现误码漏检。20世纪90年代中后期，欧洲铁路联盟相关部门根据欧洲国家频率运用与划分的情况，制定了欧洲标准应答器（Eurobalise），也采用了FSK的调制方式。借鉴国外经验，我国研制的应答器也采用了FSK调制方式。查询应答器的载频分为功率载频和信息载频。功率与信息载频频率的选择不仅要尽量避开电气化牵引电流高次谐波的干扰，并对积雪、冰、水、土等污物有较强的穿透能力，同时还要尽量避免功率载频与信息载频的互相干扰。根据以上考虑，选用的功率载频为128 kHz和信息载频为1058 kHz。
