轨道电路检测数据无线传输系统

杨吉

（中国铁道科学研究院 基础设施检测研究所，北京 100081）

轨道电路检测数据无线传输系统

杨吉

（中国铁道科学研究院 基础设施检测研究所，北京 100081）

电务检测车装备的信号检测系统用于在动态条件下判别地面轨道电路工作状态。受作业条件限制，电务检测车采用有线方式采集轨道电路数据，存在诸多不便及安全隐患。研发了适用于电务检测车的轨道电路检测数据无线传输系统，重点阐述其关键技术和实现方式。应用试验表明，在无需对牵引机车和电务检测车设备进行大规模改造的情况下，该系统可降低作业人员工作强度，消除安全隐患，明显提高检测效率与便捷性。

轨道电路；检测数据；无线传输；电务检测车

1 电务检测车既有作业模式

电务检测车装备的通信、信号动态检测系统，可准确判别电务轨旁设备的实时状态，有效指导现场维修，因而在电务维护装备体系中占据重要地位。在信号动态检测系统的各子项目中，轨道电路感应电流数据量最大，作用也最为突出。由于电务检测车执行任务时需连挂机车，受轨道电路工作原理限制，只能通过机车车载设备获取相关数据。通常方法是，从牵引机车的机车信号主机测试插孔引出采集电缆组，该电缆组经机车上的开孔（如窗户、检查口等）穿出车体，采用绑扎方式悬挂在牵引机车和电务检测车之间，并最终将感应信号引至后者安装的采集设备上。采集电缆组由2～3根多芯电缆组成，长度一般大于30 m。电务检测车轨道电路检测子系统既有作业模式见图1。

该作业模式存在以下缺点：（1）由于电缆组需在检测作业时临时悬挂在车体外部，存在脱落、拖挂地面设施等风险。（2）由于电缆穿出口需保持敞开状态，破坏机车密封性，雨雪、灰尘等易渗入机车车体，干扰人员及车载设备工作，严重时甚至会引发设备短路。同时，电缆组的悬挂作业一般在站内进行，工作量大且作业时间窗口狭窄。（3）邻线运行的机车车辆会威胁到作业人员的人身安全，在雨雾等不良气象条件下上述问题更为突出。

针对上述问题及缺陷，提出适用于电务检测车的轨道电路检测数据无线传输系统，通过布设在机车上的前端装置完成相关数据采集和解析，并使用无线通道替代电缆组传输数据，达到消除隐患、降低工作强度的目的。

图1 电务检测车轨道电路检测子系统既有作业模式

2 系统设计

我国铁路采用的轨道电路种类较多，技术参数差别较大。以应用最为广泛的ZPW2000移频轨道电路为例，该系统在1 700、2 000、2 300、2 600 Hz 4种载频上，叠加10.4～29.0 Hz（间隔1.1 Hz）的18种低频信息。经机车轮对分路后，在最恶劣条件下ZPW2000轨道电路的分路电流＞0.50 A（2 600 Hz载频＞0.45 A）。动态条件下，一般采用电磁感应方式采集分路电流，受工作原理限制，采集线圈需安装在机车运行方向第一个轮对前方。故无法在电务检测车上安装接收线圈进行信号采集，一般通过机车信号主机测试插孔获取信号[1]。

电务检测车的作业范围覆盖国内多数线路，故检测系统应满足我国常见制式移频轨道电路的动态检测需要，包含ZPW2000、UM71、国内移频等制式轨道电路，主要需求如下：

（1）通过机车信号主机测试插孔采集轨道电路感应信号，解析感应信号的载频、低频、细化谱、主要成份幅值等信息。

（2）采集机车信号主机灯位信息。

（3）采集前端装置自身工作状态。

（4）存储上述信息，并经无线通道发送给检测车安装的接收装置。

（5）接收装置应兼容既有SIAS-I型信号检测系统的数据接口，在不对原有信号检测系统改动的情况下，接收、展示、存储检测数据。

根据上述需求，轨道电路检测数据无线传输系统采用分体式结构，总体结构见图2。系统由机车车载前端装置和检测车接收装置2部分组成。在执行检测任务时，机车车载前端装置临时安装在牵引机车设备间中，通过电缆组连接机车信号主机测试插孔，经隔离电路后采集轨道电路信号及灯位信号。相应数据经对应模块处理后，发送给前端装置主板，完成数据的组包、存储，并经无线通道发送给检测车车载接收装置。经接收装置校验后，经局域网发送给数据分析机，存储并供测试人员分析。

图2 轨道电路检测数据无线传输系统总体结构

3 系统实现

前端装置可由机车信号主机的110 V电源或自身携带的电池供电。系统各板卡所需5 V电源由前端装置主电源提供，各板卡所需1.8 V及3.3 V电源则由自身稳压电路提供。

轨道电路感应信号处理模块的作用是：采集并解析轨道电路感应信号，提供给前端装置主板。为减轻主处理器的运算压力，降低编程难度，提高系统实时性，该模块采用独立处理器进行信号解析，其结构见图3。

图3 轨道电路感应电流处理模块结构

轨道电路感应信号处理模块的稳压电路由单片低压差稳压器TPS76801QPWP为核心构成，为模块提供所需的1.8 V及3.3 V电源。该模块的输入信号为峰峰值小于3 V的交流电压信号，输入电路由隔离芯片ISO124为核心构成，用于信号的隔离和放大。AD采样电路由模数转换器ADS1174及外围电路构成，由模块处理器的定时中断触发采样，通过并行接口向处理器提供数据。模块处理器选取数字信号处理器TMS320F28335，为支持解析程序的运行，由静态存储芯片CY7C1041CV33构成外扩存储电路。经分处理器运算获得的数据通过串行接口传送给前端装置主板。

轨道电路感应信号模块解析程序流程见图4。轨道电路感应信号的解析运算由模块子处理器进行，模数转换（AD）采样数据通过数字滤波，形成主信号、邻线、邻区段、干扰等各自的包络，利用频域分析技术对主感应信号进行数字处理。为提高抗干扰性和信号频率的分辨率，系统采用频谱细化技术（ZFFT），对重点频段进行局部放大并最终获得信号的载频、低频、主要成份幅值等信息。经多次程序优化，轨道电路处理模块的数据解析、输出频率最高为9 Hz[2-3]。

图4 轨道电路模块解析程序流程

灯位信号采集模块用于机车信号主机灯位信息的采集和解析。该信号为开关管量信号，采集模块结构相对简单。输入信号经输入电路隔离、预处理后，形成数字信号，经并行接口传送给前端装置主板。

前端装置主板的作用是：采集前端装置的状态信息，检测数据的打包、存储、发送。以32位处理器STM32F103VET6为核心，该芯片具备高可靠性、低功耗、中断响应迅速等特点，可满足检测系统高实时性、高可靠性的要求。

主板工作模式如下：若前后端无线连接正常，系统将数据包经无线通道发送给位于检测车的轨道电路检测上位机。若前后端无线连接断开，无线传输子模块将尝试恢复连接，并自动将未发送的数据转发至上位机。系统具备自身状态监测功能，可将系统核心模块的工作状态、整体电能消耗等情况发送给上位机，并可响应来自操作人员的远程复位命令。

前端装置主处理器程序流程见图5。以每250 ms为1个周期，定时启动。将内存中的检测数据包进行循环冗余校验（CRC），抛弃错误包。随后将数据包压入发送队列并存储。若发送队列已满，则直接存储数据并记录数据断点位置，并在随后的周期中发送。

4 系统应用试验

传输天线的安装、配置是影响无线通道稳定性的重要因素，由于前端装置是在机车上临时安装，不具备安装专用车外天线的条件。为验证系统通道的稳定性，选取山区、隧道较多的线路进行应用测试。测试共进行5个单程，顺序编号为T1～T5，每个单程85 km。测试时，分别采用机车车顶全球定位系统（GPS）天线以及在设备间内布设6.8 dB的天线。试验过程如下：

T1、T3次试验，电务检测车处于机次位；T2次试验，电务检测车处于列尾位，与牵引机车间隔9节车厢。3次测试均采用机车车顶GPS天线。其中T1次数据源采用模拟方式提供，T2、T3次检测设备连接到轨道电路测试接口。

T4次试验，电务检测车处于机次位，数据源采用模拟方式提供；T5次试验，电务检测车处于列尾位，检测设备连接到轨道电路测试接口。2次测试均采用6.8 dB的内置天线。

图5 前端装置主处理器程序流程

各试验中，电务检测车均开启其装备的测试接收机（ESPI），用于监测无线信号强度；同时打开数据分析机，以统计数据包丢失情况。测试数据统计见表1。

T1/T3/T4次试验，最大连续丢包个数均未超过3个，平均丢包率小于2.21%，接收位置信号强度为-62～-45 dBm。故在机次位，无论是使用频段差异较大的车载GPS天线还是频段匹配的内置天线，均可满足检测需要。T3次测试数据接收情况示例见图6。

T2/T5次试验，电务检测车处于列尾位。T5次试验，最大连续丢包个数为5个，全程仅出现1次，且未出现连续丢失4包的情况。而T2次试验，最大连续丢包个数达到14个，同时平均丢包率高达22.10%，接收强度较低。故检测车处于列尾位时，采用内置天线满足检测需要。而频段差异较大的GPS车顶天线，则难以满足需要。T5次测试数据接收情况示例见图7。

表1 测试数据统计

图6 T3次测试数据接收情况示例

图7 T5次测试数据接收情况示例

5 结束语

适用于电务检测车的轨道电路检测数据无线传输系统是根据铁路信号专业特点提出的一种轨道电路动态检测技术设备。在无需对牵引机车和电务检测车设备进行大规模改造的情况下，降低了作业人员工作强度，消除了安全隐患，效率明显提高，也提高了电务检测车信号动态检测的便捷性。该技术不但能够满足电务检测车日常检测需求，也可在脱离电务检测车情况下，单独安装在机车设备间，在无人值守情况下采集解析轨道电路数据，供维护人员在地面进行分析处理。

目前，系统采用前端装置与接收装置直接进行无线通信的模式，通信效果与两者间的距离关系密切。当两者距离较近时，如电务检测车处于机次位，通信效果可以保证。但当电务检测车位于列尾位时，特别是满轴列车尾部时，在地形复杂区段，无线通信的丢包率大幅上升。GSM-R基于基站进行通信，若采用该通道传输检测数据，可有效解决该问题。随着铁路通信的发展，GSM-R网络已经普及，将对GSM-R网络在检测数据无线传输方面的应用进行研究，达到降低数据丢包率、提高通信质量的目的。

[1]张富春. ZPW-2000A无绝缘轨道电路的测试[J]. 铁 路通信信号，2004，40(10)：22-23.

[2]马沧海，杨世武，梁皖贵. ZPW-2000A轨道电路自 动测试系统的软件设计[J]. 铁路计算机应用， 2007，16(5)：29-31.

[3]朱玮. 移频干扰信号辅助检测技术研究[J]. 中国铁 路，2016(5)：91-95.

The Wireless Transmission System for Track Circuit Inspection Data

YANG Ji
（Infrastructure Inspection Research Institute，China Academy of Railway Sciences，Beijing 100081，China)

The signal inspection system equipped on telecommunication and signal inspection car is used to distinguish the working condition of underground track circuit in dynamic situation. Subject to operating conditions, it is inconvenient and unsafe for telecommunication and signal inspection car to collect track circuit data by wire. Therefore, the wireless transmission system for track circuit inspection data applied by telecommunication and signal inspection car is invented. The paper is mainly to elaborate its key technology and operation. According to application test, the system can decrease operators’ working strength, eliminate potential risks and significantly promote inspection efficiency and convenience without reconstructing traction engine and telecommunication and signal inspection car in a large scale.

track circuit；test data；wireless transmission；telecommunication and signal inspection car

U285；U284

A

1001-683X（2017）10-0096-05

10.19549/j.issn.1001-683x.2017.10.096

杨吉（1983—），男，助理研究员，硕士。E-mail：yangji@rails.cn

责任编辑 卢敏

2017-06-29