JTC轨道信号采集与传输系统

张景璐，吴劲松，丁 江

（1.北京电子科技职业学院，北京 100016；2.北京经济管理职业学院，北京 102602）

1 JTC轨道电路工作原理

JTC轨道电路是一种无机械绝缘节的轨道电路，通过在两轨间安装短路棒对轨道进行分区，实现连续监测轨道的“占用”或“空闲”以及“断轨”状态，并向列车传递ATP信息。轨道电路是信号联锁的室外重要设备，起着保证行车和调车作业安全的作用。它能监督检查某一固定区段内的线路是否有列车运行、调车作业或车辆占用的情况，并随时检查该区段内的钢轨是否完整。

2 JTC轨道电路的组成

JTC轨道电路由室内设备和室外设备两部分组成。

室内设备对应每个轨道区段配置轨道电路的发送(TX)、接收(RX)和电源(PUS)设备；室外设备对应每个轨道区段分界点设有短路棒(TB)；调谐单元(TU)；分线盒(DS)构成分割区段作用；钢轨传输线。室内设备与室外设备之间通过信号传输模块进行连接，并直接向轨道发送与接收信号。典型的无绝缘轨道电路示意如图1所示。

在列车出清轨道区段后，出清端发送一个轨道信息。本区段另一端，也就是列车驶入的方向，由接收器接收轨道信息并对信息进行数字处理，及一系列的验证后，如果验证的结果满足“空闲”条件，则向联锁子系统输出轨道“空闲”信息。

图1 JTC无绝缘轨道电路系统方框图

如果列车进入轨道区段（或轨道电路设备发生故障），接收器检测不到正确的信号，则向联锁子系统输出轨道“占用”信息。另外轨道电路发送器同时还将ATP信息叠加在轨道电路信息中形成移频键控信号一同发出，发送至走行轨上再由车载天线接收。这样，通过轨道电路可以将ATP信息传递给车载ATP设备。

图2 调谐区构成图

3 JTC轨道信号的采集

在JTC轨道信号的采集过程中，对于相邻的轨道电路，设置不同的载频，通过轨道电路终端调谐单元与终端断路棒在两条短钢轨之间跨接形成谐振，这样，附近几米的轨道因谐振电磁感应产生相当高的等效阻抗，完成轨道电路电气分割。相互隔离的设备确定了每个频率只用于本区段轨道电路。短钢轨、终端断路棒和调谐单元(TU)构成一个谐振回路称之为调谐终端。

在JTC轨道电路系统中，真正实现与“机械绝缘”相同作用的装置正是“调谐终端”。这个调谐终端实际就是一个LC带通滤波器。调谐终端实际就是一个带通滤波器，滤波器是一种选频装置，可以使信号中特定的频率成分通过，而极大地衰减其它频率成分。在信号传输装置中，利用滤波器的这种选频作用，可以滤除干扰噪声或进行频谱分析。

信号系统中的调谐终端主要用于保障标准的JTC轨道电路信息顺畅地通过，同时滤除杂音及干扰频率。它是信息传送的唯一路径，它的性能变化将直接影响信息传输效率和信息的频谱特性。因此它在系统中起着至关重要的作用。

调谐区是由两个调谐终端组成的；调谐终端又由调谐单元（TU盒）内的配谐电容C0和变压器一个单边电感L0；以及一对短钢轨加终端短路棒构成的盒外等效电感L外组成，如图2所示。

在调谐区中，两调谐终端内的电容C0，电感L0与盒外等效电感L外分别构成两个LC谐振回路，且谐振频率不同。当回路谐振时，回路电导最大，在两终端短路棒间形成等电位，电位差等于零，电流为零，这样在调谐区内两调谐终端虽然靠得很近但不产生串扰，从而实现了电气绝缘。

如果调谐终端的参数选择不正确，便会导致谐振频率不匹配，产生严重的串频现象，采集波形如图3所示。

避免串频的关键是调谐终端的参数选择。在北京地铁使用的JTC轨道电路中，根据安装位置的不同共有3种“调谐终端”，也可称之为“带通滤波器”。一是安装在调谐区内本侧发送调谐终端(TX/TU-BW)；二是安装在调谐区内本侧接收端调谐终端(RX/TU-BW)；三是安装在设备间接收模块内的输入级带通滤波器(RX/BW)。这3个带通滤波器的性能直接影响着JTC轨道电路的系统参数。因此，保证上述3个带通滤波器性能良好，是保证JTC轨道电路系统稳定可靠工作的关键。

图3 严重串频波形及频谱示意图

带通滤波器的主要参数有3个：谐振频率(f0)、通频带宽度(BW)和品质因数(Q)。在这3个参数中f0根据标称是固定不变的，通带宽度BW是由品质因数Q决定的。

根据Q值计算公式：Q ＝ 1/ωCR。ω 是 常 数；C根据标称取值；而R通过大量的现场数据及实物数据勘测得出，调谐单元(TU)盒内电感内阻Ri＝0.013Ω；盒外电阻（短钢轨加短路棒）RO＝0.017Ω；总电阻R＝0.03Ω。将R＝0.03代入Q值公式得出：Q＝1/0.03ωC。对应不同的标称，频率Q值从10.2～14.2不等，见表1。

表1中的参数，F1～F9是标称量；品质因数Q是通过电容值C和总电阻R值由上述公式计算而得；带宽BW通过公式BW＝2π f0/Q计算而得。根据表1的计算结果可得出平均带宽为414Hz。

图4 正常波形及频谱示意图

表1 频率Q值及带宽对照表

通过以上分析，重新设置谐振参数所得到的正常波形及频谱如图4所示。

4 JTC轨道信号的传输

JTC轨道信号处理系统由室内设备与室外设备组成，它们之间通过信号传输模块进行连接。传统的信号传输采用USB电缆进行传输，但是电缆传输的通信距离十分有限，一般不超过30米，而且信号传输的可靠性也无法得到保障，极易受到干扰，从而导致波形传输不准确。如果使用光纤传输USB信号，则可以克服现有电缆传输距离短的缺点，使USB的通信距离增加到几十千米。所以本系统采用了一种USB接口与光纤相结合的传输方式，通过光纤传输USB信号，实现USB信号光纤传输的处理、传输和还原。

本模块建立在光纤通信实验平台的光纤发射接收机上，对其他发射接收机有很强的可移植性。USB信号光纤传输系统结构图如图5所示。

由于USB信号是双路数字信号，如果分路传输，在长距离光纤的传输中会导致两路信号的不同步。为了保证两路信号的同步性，可以将两路信号转换成单路的电平信号，信号D+、D-的3种状态转换为5V、2.5V、0V这3个电平，通过模拟通道传输。

电平转换电路的结构比较简单，只需要用电阻分压即可实现。但由于光纤发射机模拟通道的隔直作用，直流电平信号不能直接接到模拟通道，所以需要在电阻分压之前进行归零编码。出于复杂度的考虑，本系统采用AMI编码方式。AMI电路编码原理图如图6所示。

通过AMI编码后的双路归零码经过电平转换电路后，变成单路的有-5V、-2.5V、0V、2.5V、5V共5个电平的电平信号，此信号可以直接使用实验平台光纤发射机发射。

图5 USB信号光纤传输系统框图

图6 AMI电路编码原理图

信号被光纤接收机接收后，需要对电平信号进行还原。与转换电平电路相反，判决电路采用比较器，将信号与参考电压相比较，再经过组合逻辑，还原为两路数字信号。为了避免误判，判决时的参考电压应留有余量，将0～1V电压视为0V，1～4V电压视为2.5V，将4V以上电压视为5V。再通过简单的组合逻辑得到两路差分信号。

USB光纤传输模块的调试结果良好，运行稳定，大大提高了信号的传输距离与可靠性。

5 JTC轨道信号的采集结果分析

JTC轨道电路数据采集分析系统是基于计算机技术、数字信息技术、程序控制技术、电子技术于一体的信号处理系统。JTC轨道电路数据采集分析系统是由硬件和软件两大部分构成。

图7 JTC轨道信号采集与分析软件界面

1） 硬件：数据采集卡、USB与光纤信号转换单元、光纤传输模块、计算机等组成。

2） 软件：JTC轨道电路数据采集分析软件（LABVIEW，组态软件等编译构成的）。

将使用本文所设计的信号采集系统所采集到的信号传输至上位机软件，得到如图7所示信号。JTC轨道电路数据采集分析软件包含了站点选择、历史数据管理、系统参数查看等一系列方便简洁的操作按钮，可以实时监控轨道电路的运行安全状态。

6 结论

本文着重研究了影响JTC轨道信号采集与传输系统的两个关键因素——调谐终端的参数选择和USB信号的光纤传输。

由图3和图4的信号采集结果来看，调谐终端的参数选择对信号质量有着巨大的影响。如果参数选择不正确，采集结果将直接影响到后续对轨道占用情况的判断，导致事故的发生。因此，可以通过调整电感参数纠正其谐振频率，使带通滤波器工作在适当状态来提高信号质量。另外，由于调谐区内各元件之间是靠紧固螺丝或焊接工艺连接起来的，接触电阻不可避免。电阻值的增加会使带通滤波器品质因数下降，信息传输效率锐减，选择性变差。因此加强接点清洁，保证焊点牢固，芯线断股率低，使接触电阻保持最小才能提高带通滤波器的品质因数，从而保证轨道信号的精确性和抗干扰性。

由图7几个站点的轨道信号采集与传输效果来看，采用光纤传输USB轨道信号，具有很好的传输特性，传输信道的抗干扰性能好，传输距离远，信号衰减小，为在上位机进行实施监控和故障分析提供了时间和准确度上的保证。

通过本文的研究，改进的JTC轨道信号采集与传输系统大大提高了信号采集与传输的质量与可靠性，为地铁的安全运营提供了保障。

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