机车信号记录器在LKJ数据误差分析中的应用

晁甲相

晁甲相:西安铁路局电务处 工程师 710032 西安

机车信号和列车运行监控记录装置(以下简称LKJ)共同组成了列车安全运行控制系统。在运行途中，LKJ通过并行接口不断采集机车信号送来的色灯信息，并连同距前方信号机距离、地面公里标等其他实时信息，以LKJ内部统一的时间基准进行记录。同时，机车信号也连续采集地面轨道电路信号，以及从TAX2箱获取的LKJ距离、公里标等实时信息，以机车信号内部统一的时间基准进行记录。

由于机车在过绝缘节时，LKJ也同时体现为过信号机，此时轨道电路中的信号载频、幅值会发生变化，因此通过对机车信号记录文件的分析，确定载频、幅值发生变化的时刻，再结合LKJ记录文件，就可以计算出LKJ记录信号机距离与地面实际距离的误差，以此来修正LKJ原始距离。

1 基本设备简介

1．LKJ的基本工作方式是将电务部门提供的原始信号机距离、绝缘节坐标数据等写入其数据芯片，以采集的轨道电路及机车信号色灯状态作为运行指令信息源，并在列车前进过程中顺序调用预先写入的数据，监控并记录列车的运行状况。

2．TAX2箱即机车安全信息综合检测装置，通过RS-485或CAN通信方式，从LKJ获取列车实时运行信息，并将这些信息通过RS-485接口以50 ms的周期传送到机车信号通信板等功能单元。

3．机车信号记录器是机车信号主机的车载记录装置，其主要功能是记录与信号主机相关的状态和波形信息。状态信息主要有3种:①记录器自身采集的灯位、速度等级、制式、绝缘节等;②以1/8 s为单位，连续记录轨道电路信号载频、低频、幅度等主机译码信息;③记录内部时刻、公里标、机车号、速度、信号机类型和编号等辅助信息。而波形信息是指机车信号感应器所接收的地面轨道电路的实际波形数据。LKJ、TAX2箱、机车信号的连接如图1所示。

2 LKJ数据误差分析计算

2.1 过机的概念

图1 LKJ、TAX2箱、机车信号连接示意图

列车运行中，LKJ距离显示区以不断递减的数值显示距下一架信号机的距离。理论上，当机车前端信号双路接收线圈越过地面绝缘节的瞬间，LKJ也刚好显示为过信号机，剩余距离为零，同时调出下一分区距离。但实际上由于空转、滑行、轮径磨损，以及电务部门提供的LKJ原始信号机距离不准等原因，会产生过机误差，造成机车过绝缘节时，LKJ显示的位置并不一定在信号机处，产生滞后或超前误差。于是，将机车前端信号双路接收线圈实际越过地面绝缘节，称为监控过机;将LKJ显示过信号机称为逻辑过机，也就是LKJ文件记录的通过信号机时刻。

2.2 通过状态信息分析距离误差

由于LKJ文件实时记录了运行距离，因此可以通过对LKJ文件记录的分析，计算出任意2个时刻距离的差值。如果忽略空转、滑行、轮径不准等因素，监控过机和逻辑过机时刻之间的距离就是LKJ原始信号机的距离误差。

在监控过机时，由于轨道电路中的信号载频、信号低频、信号幅值发生变化，因此可通过分析机车信号的记录文件，确定监控过机的时刻。

2.3 不同制式距离误差分析举例

2.3.1 UM71区段

由于机车信号和LKJ内部有各自的时钟系统，两者并不同步，这个时差标记为Δt。为了方便计算，以LKJ时钟为标尺，把LKJ记录的逻辑过机时刻定义为T逻辑，该数值可以从LKJ记录文件中直接得到;监控过机时刻定义为T监控，机车信号系统中记录的信号频率或幅值变化时刻定义为T信号，那么根据分析，就有T监控=T信号－ Δt;当 T监控＞ T逻辑时，出现超前误差，当T监控＜T逻辑时，出现滞后误差。从图1得知，经机车信号主机译码后的灯位信号，同时送给机车信号记录板和LKJ，同一地点两者记录文件中灯位变化的时差就是Δt。

2012年10月31日，T232次运行在京广上行线614.358－610.785 km处，经过七里营时的一段机车信号记录如图2所示。通过逐步移动定位标线，可查询灯位变化的时刻，或按下工具条的【状态检索】按钮，直接调出状态记录信息查询窗口，见图3，确定信号灯位变化顺序是绿灯→绿黄灯→黄灯→黄2闪灯→双黄闪灯。

接着再打开T232次经过七里营时的一段LKJ文件记录，找到与机车信号对应的LKJ信号变化时刻，顺序同样是绿灯→绿黄灯→黄灯→黄2闪灯→双黄闪灯，将机车信号灯位变化与LKJ信号变化分别列入表1。由于LKJ记录的最小时间单位是1 s，而机车信号记录时间单位是1/8 s，为了提高Δt的精确度，取4次灯位变化记录的平均值作为两者的时间差，当然也可以取更多的次数来计算。

图2 T232次七里营信号状态显示变化记录

图3 T232次七里营状态记录信息查询窗口

本例中Δt平均值是5.813 s，即机车信号比LKJ时钟系统快了5.813 s。

表1 机车信号与LKJ信号灯位变化记录

由于 T监控=T信号－Δt，而T信号是信号频率或幅值变化时刻。查询T232次在通过京广上行线5626信号机时的频率或幅值变化情况，逐步移动定位标线，或直接调出状态记录信息查询窗口，就可准确定位 T信号。

从T232次通过5626信号机第15962条状态检索记录中，找到信号频率、幅值的变化点，第15962条记录发生时刻是01:27:39.750;经过10个1/8 s的单位后，频率由 2598.1 Hz变为2001.0 Hz，时刻是01:27:39.750。加上 10个1/8 s，也就是01:27:41.000，这就是T信号。则T监控=01:27:41.000－5.813 s=01:27:35.187。

根据T232次在京广上行线通过5626信号机时的LKJ记录，时间是01:27:34，该时刻就是T逻辑。

由于机车信号记录器在运行中要优先处理并记录状态信息，如灯位、信号载频、信号低频、信号幅度等，而对于LKJ公里标、速度等信息并不总是实时记录，加上LKJ存在过机校正、车位校正、公里标突变(长短链)等因素，所以不能通过机车信号记录器公里标变化数值推算距离误差。而LKJ记录文件实时记录了地面信号机公里标、距离等信息，可以作为距离推算的依据。本例中5626信号机LKJ原始距离是943 m，列车通过时的运行速度是131 km/h，考虑到速度在短时间(几秒内)变化很小，T监控和T逻辑时刻之间的距离，即实际误差Δs表示为:

Δs=131/3.6 ×(T监控－T逻辑)=43.18(m)

由于T监控＞T逻辑，所以5626出现超前误差43.18 m，即LKJ距离比实际少了43.18 m，减去经过前一架信号机5636时LKJ过机校正－1 m，那么5626信号机的实际距离S应该是:

S=934+43.18－(－1)=978.18(m)

经实地测量，该信号机距离是986 m，与推算值只差不到8 m。通过对多趟LKJ和机车信号文件的分析统计，最终可得到一个与实地测量基本相等的值。

2.3.2 其他信号制式区段

在上一例子中，通过T信号及Δt得出了5626信号机的T监控，进而求得距离误差。使用同样方法还可以得出其前一架信号机5636对应的T监控，其实这2个信号机T监控之间的LKJ运行距离才是5626信号机的准确距离。无论使用哪种方法，计算的关键都是确定T监控的值，而各种制式计算T逻辑和 Δt方法是一样的，所不同的只是 T信号的推算。

1．半自闭普通移频区段T信号推算。由于半自闭普通移频区段在机车过预告点时，将接收到正常的载频信号，在通过进站、出站信号机时，信号幅值会发生较大的跌落，所以，在半自闭移频区段，预告点的T信号以接收到信号载频时刻来确定，进站点的T信号以信号幅值跌落的时刻来确定，出站点的T信号以信号载频消失的时刻来确定。

2．交流计数区段T信号推算。交流计数与普通移频区段类似，机车过预告点时，将接收到50 Hz(或25 Hz)的载频，在通过进站信号机时，信号幅值会发生较大的跌落，越过出站信号机后，信号码形会发生变化。同样地，预告点的T信号以接收到的信号载频时刻来确定;进站点的T信号以信号幅值跌落的时刻来确定;出站点的T信号以信号码形发生变化的时刻来确定。

2.4 通过波形信息分析距离误差

波形信息是机车信号感应器所接收的地面轨道电路的实际波形数据，被机车信号记录插件实时记录。通过对波形记录的频谱特性分析，结合LKJ文件即可求得距离误差，计算的关键仍然是确定T信号的时刻。

以2012年11月17日T231次京广线UM71区段元氏－高邑间的波形记录为例，推算3091和3101信号机的T信号时刻。

通过鼠标左键双击选定状态文件3091信号机处的绿色波形标签，激活波形分析窗口，如图4所示。可以看出由于过绝缘节，在9.000～9.500时间段信号幅值发生了明显变化，同时也应该有频率的变化。由于UM71型轨道电路绝缘节由2个调谐单元F2型BA和F1型BA组成，分别谐振于2300 Hz、2600 Hz和 1700 Hz、2000 Hz，当机车在主轨道电路(3091信号机前)运行时，理论上接收到信号载频为2300 Hz，下一分区载频为1700 Hz的信号被F2型BA短路而接收不到;当机车越过F2型BA，运行在调谐区短小轨道电路区段，在到达调谐区下一F1型BA之前时，2300 Hz和1700 Hz 2种频率并存，但由于2300 Hz信号会被F1型BA短路，机车信号只能接收1700 Hz信号，直至机车运行到下一信号机。

在实际应用中，由于调谐单元元器件本身不可能达到理想状态，机车越过F2型BA前，会接收幅值很小的1700 Hz信号，越过F2型BA后，也会接收幅值很小的2300 Hz信号，那么在越过F2型BA的瞬间，必然存在一个载频由2300 Hz向1700 Hz变化的过程，2300 Hz信号幅值迅速减小，1700 Hz信号幅值迅速增大，而这个变化的瞬间时刻就是3091信号机的T信号。

用手动频谱分析，逐步在9.000～9.500时间段波形显示区单击鼠标左键，按住鼠标左键向右侧拖动，在波形显示区选定一块会高亮的波形区域，再单击工具条上的【频谱分析】按钮，对当前选定区域的波形数据进行频谱分析，并将频谱计算结果显示在【频谱分析图形显示区】中，如图5所示。用鼠标左键单击峰值均值频率按钮，弹出的提示框自动显示信号频率值。通过多次重复操作，最终会找到一个载频2300 Hz信号幅值迅速减小，1700 Hz信号幅值迅速增大的过程。

图4 3091信号机波形分析窗口

通过波形分析，可以看出分别在9.182～9.230 s和9.222～9.270 s时间段，1710.75 Hz和1689.60 Hz的信号(也即中心频率1700 Hz的信号)幅值迅速增大，2300.20 Hz和2295.95 Hz的信号(也即中心频率2300 Hz的信号)幅值迅速减小，这个变化的瞬间时刻可用9.230 s和9.222 s的平均值表示为9.226 s，观察显示的波形起始时间 00:29:29.125，相加即为 00:29:38.351，这就是3091信号机的T信号。

运用同样的方法，对3101信号机进行频谱特性分析，可以看到分别在9.351～9.392 s和9.392～9.432 s时间段，2289.55 Hz和2309.55 Hz的信号幅值迅速增大，1709.60 Hz和1690.60 Hz的信号幅值迅速减小，这个变化的瞬间时刻为9.392 s，再加上波形起始时间00:29:58.375，结果为00:30:07.767，这就是3101信号机的T信号。

图5 3091信号机频谱特性分析窗口

3 结束语

通过以上对信号记录的分析，能够确定监控过机时刻，再结合LKJ文件记录，可以计算出信号机之间的准确距离。特别地，当列车匀速运行时，可以不依赖于LKJ文件，直接由T信号计算出信号机距离。

现有的LKJ系统已具备对轨道信息频率、幅度的记录功能，但因记录文件容量的大量增加，所以除新线开通和试验外，一般不打开该功能。机车信号直接接收地面信息，采用大容量存贮器，可以当做是对LKJ记录文件的完善，通过更改记录板上的跳线，还可根据需求设置记录模式，使距离误差分析更加准确。