ZPW-2000A/K区间移频轨道电路监测系统的应用

李久友 上海铁路局上海铁路电务实业有限公司

1 研究背景

1.1 某某线特别重大铁路交通事故回顾

当日20：30左右，甲地开往乙地的D3001次列车行驶至某某线下行K584+300处，与前行的丙地开往乙地的D3003次列车发生追尾冲突，造成D3001次动车组列车第1至5位车辆脱轨，其中2辆坠落桥下，1节车体悬空，另有一节车体的部分车体散落桥下；D3003次动车组列车第15至16位车辆脱轨，事故造成多人伤亡。

1.2 某某线特别重大铁路交通事故原因分析

事故发生前，雷电击中了H站沿线铁路牵引供电接触网，通过大地的阻性耦合或空间感性耦合在信号电缆上产生浪涌电压，在多次雷击浪涌电压和直流电流共同作用下，LKD2-T1型列控中心设备采集驱动单元采集电路电源回路中的保险管F2熔断。熔断前H站列控中心管辖区间的轨道无车占用，因H站列控中心设备的严重缺陷，导致后续时段实际有车占用时，列控中心设备仍按照熔断前无车占用状态进行控制输出，致使H站列控中心设备控制的区间信号机错误升级保持绿灯状态。

雷击还造成轨道电路与列控中心信号传输的CAN总线阻抗下降，使5829AG轨道电路与列控中心的通信出现故障，造成5829AG轨道电路发码异常，在无码、检测码、绿黄码间无规律变化，在H站计算机联锁终端显示下行线三接近，即5829AG区段“红光带”。

20：21，D3003 次列车运行到 K583+834处，因5829AG轨道电路故障，触发列车超速防护系统制动功能，列车制动滑行后停车。20：29，D3003次列车成功转为目视行车模式，以低于20 km/h速度向前运行。20：30，D3001次列车进入发生故障的5829AG轨道区段，在K584+300处，与前行的D3003次列车发生追尾冲突。

2 区间移频轨道电路室外设备监测的意义

2.1 作为信号集中监测系统的扩展

监测系统是保证行车安全、加强信号设备结合部管理、监测信号设备状态、发现信号设备隐患、分析信号设备故障原因、辅助故障处理、指导现场维修、反映设备运用质量、提高电务部门维护水平和维护效率的重要行车设备。

目前信号集中监测系统中对区间移频轨道电路的监测内容很少，并且都是在室内进行测试，缺少对室外轨旁设备的状态监测，不能充分反映区间信号设备的真实运用状态。区间移频轨道电路室外设备监测系统能够作为信号集中监测系统功能的扩展，将区间移频轨道电路所有设备状态进行有效的监测。区间移频轨道电路室外设备监测系统能够真实的采集到轨面电压值，对区间轨道电路处于分路状态还是调整状态有最直接的发言权。

经过功能扩展后的信号集中监测系统作为独立的第三方监测系统，在对比了自身实采数据与列控系统传递的状态数据后，能够有效识别出列控系统是否故障，从而避免重大铁路交通事故的发生。

2.2 设备故障后为应急抢修提供技术指导

区间移频轨道电路室外设备远离信号工区，对其进行巡检巡视要花费大量时间用在路途上，一旦发生设备故障，由于远离信号工区往往处理时间比较长，导致故障延时，对运输效率影响大。

由于信号集中监测系统缺少对室外轨旁设备的状态监测，不能充分反映区间信号设备的真实运用状态。发生故障时，信号人员只有到达区间现场才能知道具体什么设备故障，无法预先准备相应的工具和备用设备，给故障处理带来困难。

实现区间移频轨道电路室外设备的监测，是掌握区间室外信号设备运用状态、预防设备故障发生、实现故障点快速定位、缩短故障延时的重要手段。

2.3 为设备状态维修提供必要的数据支撑

信号设备是完成铁路运输生产的重要物资技术基础。信号设备维修是保证信号设备状态完好的重要措施。长期以来，铁道系统维修沿用前苏联的设备定期修理制度，带有很大盲目性，设备有无故障、故障部位、故障程度难以准确把握。另外，由于良好部位的反复拆卸，机械性能往往不理想，甚至低于检修前，而且没有必要的超前维修，带来人力、物力的巨大浪费。设备状态维修是在设备运行中或基本不解体的情况下，利用设备产生的不同信息，使用仪器采集、处理、分析信号，判断产生故障的部位和原因，并预测设备使用寿命而开展的设备维修方式。状态检测避免了机械设备的突发故障，从而避免了被迫停机而影响生产；状态检测分析为预知机械设备的维修期提供了可靠依据，即可做到有必要时才进行维修。同时，便于及时准备维修部件，安排维修计划，克服了定期维修带来的不必要的经济损失和设备性能的下降，避免了维修的盲目性，使检修简便易行，大大缩短了维修工期。

对区间移频轨道电路室外设备的监测，能够为区间移频轨道电路设备的状态修提供详细必要的设备状态数据。为实现区间移频轨道电路设备的状态修做出有力的支撑。

3 区间移频轨道电路室外设备监测的可行性

3.1 信号采集的可行性

采集设备与被测设备之间必须采用良好的电气隔离措施，任何情况下不得影响被检测设备的正常工作，符合故障--安全原则。采用应满足铁道部颁布的铁路信号设备雷电及电磁兼容综合防护的相关规定，不能产生火、毒、热、电、辐射等影响人身安全的故障。采集器须具有良好的阻燃性和电气特性。

图1 电压采集电路

当采用图1电路作为电压采集电路时，限流电阻高低端各采用1 MΩ，2 W的电阻，当输入电压为3 000 V时，经测试证明，不会造成安全问题。高电压信号经过串联大功率大阻值电阻的分压后，只有几百毫伏信号输入到采集回路中，电路板上的TVS管 (瞬变电压抑制器)、高精度变压器等措施可以防止因遭到类似高压冲击而串入后级的测量电路中，特别是变压器彻底将输入侧和后级处理侧隔离开来，提高了模块耐高压的能力。

当出现极端情况，外部牵引回流串进采集模块，由于采集模块不存在接地点，所以输入端子高低端之间的短路成为主要的问题。当超过3 000 V的高压进入隔离电路时，一旦要在输入点之间形成短路，采集器输入端分压回路中串入的PTC(可恢复保险丝)元件在电流超过20 mA时发挥作用，在几十至几百毫秒内将阻值变大到几兆欧直至自身烧毁开路，而熔断保险丝（标称值为100 mA）可在电流超过200 mA时瞬间熔断，为防止输入高低端子间短路提供了双保险。

由于ZPW2000A/K移频轨道电路是利用频移键控的方式进行编码的（即FSK编码）。我们将采集到的信号数据根据FSK信号的带通特性，采用欠采样技术对信号进行采样。这样不仅保证仪表检测的实时性，并且保证在不增加采用点数的情况下，提高FSK信号的分辨率。然后对采得的信号进行傅立叶变换，根据其频谱特性，计算出FSK信号的中心频率、低频调制信息，同时利用希尔伯特变换对信号进行解调，从而确定出频偏和信号的幅值。

3.2 数据传输的可行性

RS485总线在波特率9 600 bps的情况下传输距离是2 km。RS-485信号在经过一定距离的传输或者带有一定数量的负载设备之后，信号强度会有相应的衰减，当信号衰减到一定程度之后，RS-485接口芯片就不能检测到相应的信号，从而导致数据通信失败。将RS485中继器放置在RS485信号有所衰减但是又能检测到信号的位置，将RS485信号整形还原，再将复制的信号通过RS-485总线进行传输，从而达到延长RS-485总线通信距离，增加RS-485总线负载能力的作用。由于铁路区间长度在1.4 km以下，所以在每个调谐区都安装一个RS485中继器就能将区间内所有轨旁设备的监测数据传输到车站信号集中监测系统的站机了。

4 结论

根据对区间移频轨道电路室外设备监测意义的分析以及区间移频轨道电路室外设备监测的可行性分析，我们可以得出这样的结论：

对区间移频轨道电路室外设备的监测能够有效地避免重大铁路交通事故的再次发生、能够为区间室外设备状态维修提供必要的数据支撑、能够对区间室外设备故障后的维修提供技术指导。对区间移频轨道电路室外设备的监测是可行的也是必要的。