简析ZPW-2000A轨道电路室外设备监测系统原理架构及工程实施

胡飞龙 刘海东 贾 姣

(上海铁路通信有限公司，上海 200436)

1 概述

目前，ZPW-2000A型轨道电路系统均无室外监测系统，电务维护单位对室外参数的测定，只能通过现场测试获取，给电务维护人员带来极大不便。室外设备无冗余系统，故障可造成较大延时，甚至是D类事故，室外设备监测子系统的研发亟待进行。然而，室外设备均为无源设备，且距信号楼较远，数据传输和设备电力供应都成为难度较大的研究方向。

2 监测系统构想

基于背景条件所述，建立一套完整的室外信号设备监测系统，有助于电务维护和故障检测判断，从而进一步保障列车的安全运行。现有环境非常不利于室外监测系统的架构，首先各区段的设备分布较为分散，采集设备的电力供应成为首要考虑因素，若新增电力供应系统，将在工程实施和生产成本中都面临较大困难。其次，牵引电流等复杂的电磁环境对信号传输环境影响较重，且传输距离较远，所以对传输通道的要求非常高。

2.1 数据传输方案

根据现场环境可知，室外监测系统须满足可靠传输距离达15 km。因此，在系统架构中数据可靠传输需深入研究，目前在铁路系统中采用的通信方式有CAN总线通信、光纤通信和以太网。

CAN总线通信在铁路通信系统中应用较广，它是一种能支持分布式控制或实时控制的串行通信网络，废除了传统的站地址编码，有着较强的纠错能力和抗干扰能力，在汽车控制和工业控制中使用较多。其次，CAN总线中的各个终端无主从之分，任意两个节点都可以发起通信，各个节点的通信优先级靠节点信息确定，多个节点发起通信时，优先级较低的终端会主动避让优先级高的终端，一般不会造成信道堵塞，当其速率低于5 kbit/s时，有效传输距离可达10 km，如果在链路中增加中继，其传输距离会更长，且信道传输较稳定；CAN总线所采用的传输介质为双绞线或同轴电缆，如果室外采集系统采用CAN总线传输，需重新铺设电缆，增加供电系统，还需要增加CAN总线中继设备，以及防护设备，工程实施难度较大，在室外监测系统中不适合采用。

光纤通信是以光波作为载体，以光纤作为传输介质进行信息传递。光纤通信具有传输速率高，抗干扰能力强等优点，非常适合用于复杂的电磁环境中，在铁路系统中也经常采用。但是，光纤较适合远距离传输，其中单模光纤传输距离可达100 km，且光纤布线较为复杂，其设备专业性强，因此使用成本较高，基于上述原因，光纤通信也不太适用于轨道电路轨旁监测系统的使用。

以太网是基于TCP/IP、UDP等协议的通信方式，一般用于大型数据传输网络，通过网络可实现多点登陆和查询数据，目前其有效传输距离在100 M左右。在现场使用时需先增加电力供应网络，其次，需要增加路由设备，总体成本较高，且室外环境较为复杂，以太网也不太适用于轨旁监测系统。

上述较为可靠的几种通信方式均不太适用于目前室外监测系统的要求，有一种新型的通信方式，基于电力线路的通信方式称为电力载波通讯（Power line Communication，PLC）。电力载波是电力系统常用的通信方式，利用已有的供电线路，将需要传输的模拟信号或数字信号通过载波的方式实现传输，其最大的优点是利用电力线进行数据传输，不需额外增加通信网络，将通信和供电合二为一，对传输通道没有太多技术要求，且使用成本较低，是一种非常适合用于轨旁监测系统的新型通信方式。对于目前已完成的既有铁路或客专线路都能最大程度上降低工程实施难度和技术实施困难，在工程和系统架构上可以利用铁路信号电缆的备用芯线作为其传输通道和电力供应线路，整体架构采用总线形式，每台采集通信点都作为一个中继点，可将其他通信点的数据进行中继传播，这样可以满足现场所要求实现的有效传输距离为15 km的要求。

2.2 设备电力供应

在轨旁增加采集设备，必须要考虑设备的电力供应，ZPW-2000A轨道电路设备为无源设备，轨旁可引入的电力有：接触网、信号表示灯、普通民用220 V交流电以及通过新增太阳能光电设备。接触网为超高压电力，作为列车动力电源，涉及行车安全，不适合引入监测系统，且工程难度较大，成本较高；信号表示灯在客专线路中，只有进出站口存在，且信号灯用于行、调车的安全表示，不宜采用；轨旁非专用220 V交流电，如果引入监测系统，在技术上完全可靠，但实施工程较大，成本较高；若采用新型能源，风能或太阳能，需重新增加设备，在一些高架路桥中涉及到行车安全，且会受到天气和环境的因素受到限制，因此也不宜采取。结合系统架构对通信系统的需求，设备电力供应采用电力载波技术是一种最优的选择，将信号传输和电力供应结合在一起，在技术上可行，工程上可实施。

3 监测原理设计

室外监测系统的设计是对室外设备电气参数的采集，在系统结构设计上，是对采集设备和传输设备的架构。

3.1 数据采集

ZPW-2000A轨道电路轨旁设备主要由调谐单元和空芯线圈构成，轨道所传输的信号经调谐单元加载到轨道，调谐单元通过输入、输出与室外钢轨和室内设备连接，基于对信号安全的考虑，在室外设备中增加监测设备，通过无直接接触的方式衔接，获取信号的特征，含五路电流：长钢包铜引接线内线电流、长钢包铜引接线外线电流、短钢包铜引接线内线电流、短钢包铜引接线外线电流以及室内侧电缆电流；从获取的电流信号中，解析到信号特性，如低频、载频等详细的信息。

3.2 数据处理

采集到的模拟信号，经滤波电路进行滤波，送入模数转化电路转化为数字信号，CPU根据其所获得的数字信号进行数据处理，并将处理结果按照通信协议规定的格式进行数据打包处理，传送给ARM控制的电力载波传输模块。

3.3 数据传输

传输部分功能的实现是基于电力载波技术，通过CPU控制的载波电路将需要传输的信息，按照一定的协议送入传输通道进行传输，电力载波模块在50周动力电源波形中叠加调制的信号波形，载波总线中的每台终端都要按照一定的竞争机制进行数据传输，在室内设备的接口位置，电力载波电路按照数据传输协议进行解码，并通过其他的协议格式提供给上位机进行显示。

4 系统架构

ZPW-2000A室外监测是基于电力载波传输的采集监测系统，对室外设备的模拟量进行采集、传输和监测。系统架构在工程设计上分为两部分：室内和室外部分。按照实施功能可分为采集部分、传输部分以及监测部分。

采集部分采用“DSP+互感器”，由DSP控制传感器对ZPW-2000A室外设备中的模拟量数据进行采集。并对采集到的数据进行计算和处理，提取其中所含的低频信息、载频信息和能量幅值，将这些参数按照标准格式协议进行打包，传递给电力载波模块进行传输。

传输部分基于电力载波，将室外系统供电和信号传输集中在一起，既实现了设备供电和信号传输，监测部分采用上位机对采集的数据进行显示，如图1所示。

5 工程实施

5.1 室内实施

ZPW-2000A室外设备监测系统在条件允许的情况下，可设置为八路传输总线，在进出站口分为上下行且将发送端和接收端分开，如图2所示。

如果现场条件较为苛刻，可设置为四路总线将采集信息引入室内，传输电缆可用电话芯线或备用芯缆，无论采用八路或四路总线，均需统一引入到区间综合柜的零层，并在此处增加雷电防护，雷电防护采用纵向和横向集中防护设计，每路单独设计，如图3所示。

图1 室外监测系统架构Fig.1 Outdoor monitoring system architecture

图2 八路总线设计结构Fig.2 8-way transmission bus

图3 防雷单元示意图Fig.3 Schematic diagram of lightning protection unit

通过雷电防护后，监测信号线缆采用上走线或者下走线的方式引入ZPW-2000A轨道电路通信监测机柜或者新增机柜的TB端子上，经TB端子接入到电力载波通信分机，进行数据解析，并通过4路RS-485总线传递到通信处理机，通信处理按照CAN协议进行传输和显示。

5.2 室外实施

室外采集分机安装在基础桩上的双体防护盒内，和该区段的PT背靠背安装，传感器卡接在轨面信号连接钢包铜引接线上，对钢包铜引接线的短内、短外、长内、长外进行采集，如图4 所示。

图4 室外监测连线Fig.4 Outdoor monitoring connection diagram

室外采集分机的网络连接采用总线形式，各个采集点都连接在总线上，各采集点通过方向盒中的空接端子或电话线端子连接主线上，如图5所示。

图5 采集分机连接图Fig.5 Acquisition extensions connection diagram

如果采用电话线，发送端的采集单元采用在调谐区增加一根长为35 m的多芯电缆，将发送端的采集单元并入到下一区段的接收端电话线上，即可连入主干网；对于进站口的发送端和站末端发送端设备采用相同的方式，即采用备用芯缆连接回到上一个区段的发送端，一并接入和该区段的发送端采集单元回送到接收端即可。

6 总结

通过详细分析ZPW-2000A型轨道电路的使用环境和技术运用范围，从技术实现和工程实施等方面详细分析，得到ZPW-2000A型轨道电路室外设备监测系统原理与架构。