浅谈轨道交通3、4号线车载接收线圈的国产化技术

上海地铁维护保障有限公司通号分公司 陈思维

编制本文主要有三个目的。首先，研究了地铁三、四号线信号车载接收线圈接收信号的必要技术和缺陷。其次，本文旨在提供优化接收线圈的性能和可靠性的方法。第三，为实现接收线圈的国产化提供理论和实践依据。本文通过对上海地铁三、四号线接收线圈的技术国产化研究，提出了一系列需要解决的问题。这些问题包括设备老化、故障率上升、购置和维护成本高、采购周期长、并受制于国外厂家的配件不足。通过研究接收线圈，可以降低地铁运行维护成本，提高经济效益。同时，上海地铁的安全和正常运行也得到了较好的保障。

1 研究接收线圈国产化技术的背景

1.1 接收线圈的功能

上海地铁3、4号线车载信号接收线圈是安装在列车第一个转向架的第一根轮轴前左右钢轨上方的轨道电路信号感应接收装置。地面主机发送的环线和钢轨信号通过钢轨进行传递，由该线圈进行感应接收，再通过航空接插件与车载主机连接，完成地面与车载信号连续传输，是车载信号系统车地通信最主要且最重要的设备，通常我们也称之为PICK-UP-COIL。

1.2 接收线圈的使用现状

上海地铁3、4号线的设备投用已将近15年，由于露天高架线路的环境因素及安装设计缺陷，车载外挂设备老化程度加剧，故障率上升，对正常运营与安全产生了一定的影响。其中轨道交通3、4号线信号U200车载系统的接收线圈，由于安装设计缺陷以及使用环境非常恶劣，其安装于列车TC车底部第一个转向架的第一个轮轴前，位于左右两条钢轨上方，常年遭雨水、轮对溅水等的侵袭，因此老化、腐蚀、损坏率尤为突出，故障率逐年增高。同时，进口接收线圈采购流程通常都达到48周以上，且采购价格昂贵，近几年国外供应商随着检测维修成本的不断上升与其具有技术垄断性，3、4号线接收线圈返修成本已非常接近购买新件的价格，从成本上来说，该设备已不具备返厂维修的价值。由于国外供应商对核心技术的保密，我维护方对该设备并没有技术条件进行元器件级的自行维修，而国外供应商也考虑成本问题，不建议维修而是建议重采购新件，由此产生了我维护方采购预算严重不足，而且冗长的采购周期还会产生备件断档等问题。由于接收线圈库存量已接近零库存，已威胁到3、4号线的正常维护与运营。

1.3 接收线圈国产化研究的必要性

在这样的背景下，我维护部向公司提出了国产化需求，无论从根本上解决预期的备件断档问题、填补自身检修与维护的空白，还是从经济利益与保障运营考虑，对3、4号线车载信号接收线圈的国产化技术进行研究是必要的，国产化接收线圈技术研究成功，不但可以从根本上改变目前受制于国外供应商的被动局面，变被动为主动，还可以降低了3、4号线运营维修成本，提高经济效益与维护水平，同时更能为3、4号线正常运营与乘客的舒适度提供了一份保障。

2 关键技术分析与优化

2.1 接收线圈工作原理

我们对已损坏的接收线圈进行了解剖与分析（图1），发现接收线圈主要由两个功能性感应线圈组成和一块电路板，其两个功能线圈分别是接收轨道电路信息所发送信息的钢轨感应线圈，和接收岔区环线的环线（LOOP）感应线圈。接收线圈的电路板模块由车体车载设备根据进路地图，计算当前所在位置的轨道电路频率，并通过CTC板向接收线圈发送选择相应的轨道电路或环线需要接收频率的指令，由接收线圈内部的选频电路完成频率转换，接收当前有效的轨道电路或环线频率中的信息。

图1 车载信号接收线圈原理框图

通过研究接收线圈电路板与一系列测试（图2），得出：来自钢轨传递的信号，首先通过LB和LB2二个电感线圈进行感应耦合，分别经LB、L2、C2和LB2、L、1C1二个复式宽频带LC谐振槽路网络，再由T2、L2、C2和T1、L1、C1组成二个选频放大器进行放大器进行放大，最后由T2、T1与车载信号输入端构成射极跟随器进行输出。

图2 车载信号接收线圈原理图

2.2 技术难点

根据研究结果，经进口车载接收线圈各项技术指标与性能的测试，得出其完整的幅频特性，通过PSPICE电路仿真软件进行仿真，计算出各个关键元器件的参数灵敏度，从而确定关键元器件的参数误差要求，以此为依据开发出与进口车载信号接收线圈技术指标性能相符的试验品。而接收线圈国产化技术的关键及难点在于如何有效解决接收线圈电路中的槽路通频带宽窄与选择性好坏之间关系。

车载感应接收传感器采用了复合式LC谐振槽路组成的宽频带选频网络，完成轨旁对车载的连续传输轨道信号。接收线圈中的轨道电路接收传感器的选择非常重要，因为其性能优劣直接对信号传递质量产生影响。而LC槽路的选择性与通频带的设计也至关重要。若电路中电抗大，电阻小，当阻抗明显变化，则幅频特性曲线尖锐，反之则曲线平坦。曲线越尖锐则此电路的选择性就越好，频率分辨能力就强，滤除噪音杂波性能就好，若仅从选择性好考虑则谐振曲线尖锐较好，但电路的通频带就变窄了，其接收轨道电路频率的适应能力就相对较弱，回路选择频率范围的能力也相对较差。反之则通频带虽宽，可是选择性却差了，所以对轨道电路信号接收传感器就必须两者兼顾，由于轨道电路被分为9.5kHZ、11.1kHZ、12.7kHZ、14.3kHZ、15.9kHZ、17.5kHZ、19.1kHZ、20.7kHZ八个频率，偏频正负100HZ，因此需要保障足够的通频带宽，也要具备良好的频率点选择性，不能让轨道或隧道中的其它频率信号产生干扰轨道电路信号正常的接收。所以传感器的设计采用了串并复式谐振槽路模式，以此来确保轨道电路接收传感器性能，解决了通频带狭窄和频点选择性差的矛盾。

所以在研制过程中，根据仿真软件的结果，制作符合要求的品质因数Q值的电感线圈，并达到符合要求的幅频特性；选择温度稳定性高和低损耗的高品质的电容，使得新产品的使用稳定性和耐用性上克服原产品在设计上的某些不足，从而克服原型产品的缺陷；在电气性能以及机械性能上达到或超过原型产品的标准；保证国产化设备能够在恶劣环境下准确的接收轨道信号。

2.3 技术优化

在电源和信号的输入输出端均采取了抗高压和雷击保护措施，通过静电放电抗扰度试验，点快速瞬变脉冲群抗扰度试验和浪涌（冲击）抗扰度试验，提高了产品的使用可靠性；

经过剖析大量损坏的进口车载接收线圈装置，我们发现原航空接插件密封性差，容易进水，有很大部分的接插件发生插针霉断或接触不良，甚至由于航空接口渗水而产生毛细血管现象，造成接插件上部电缆内部电腐蚀，不易通过日常维护所发现，最终导至设备不能正常工作。因此否定了进口接收线圈航空接插件形式与电缆连接的设计，以电缆直接引出的方式，使接收线圈与电缆一体化设计，从而根本上解决了接收线圈与电缆接插件部分进水而导致设备故障隐患，提高设备的可靠性与环境适应性。

将原装接收线圈装置与机车连接的航空插头设计为不锈钢航空连接器，解决航空接头外表防腐绣死而造成的无法检查与更换电缆的问题。

3 测试验证

使用调试专用列车，在有岔区的线路上将两个接收线圈国产化试验品安装于列车下行头，试验列车是否能正常使用ATP、ATO模式运营，同时观察列车在正线和岔区接收线圈接收到的电平强度。

正线（区段24.7.1）电平：最低00000110（十进制数为6）、最高01110100（十进制数为116）。如图3、图4所示。

图3 二个接收线圈国产化试验品正线区段电平接收情况

图4 二个进口接收线圈正线区段电平接收情况

岔区（区段9.6.0）电平：最低00000110（十进制数为6）、最高01010101（十进制数为85）。如图5、图6所示。

图5 二个接收线圈国产化试验品岔区区段电平接收情况

图6 二个进口接收线圈岔区区段电平接收情况

比较：安装两个进口接收线圈在试验条件相同的情况下，正线最低00000010（十进制数为2），最高01110111（十进制数为119）；岔区最低00000010（十进制数为2），最高01100100（十进制数为100）。比较图如图7所示。

图7 二个国产接收线圈与二个进口原装接收线圈电平接收比较图

同一车头安装两个国产接收线圈在相同区段内接收到的电平与安装两个进口接收线圈接收到的电平基本持平。列车能够正常使用ATP、ATO模式运营。

结论：从测试结果上看，国产化接受线圈具备既有设备的主要功能，并且性能测试良好。

本次对轨道交通3、4号线车载信号接收线圈国产化技术的研究成果，不但可以解决目前三、四号线接收线圈备件不足的问题，还能使我们摆脱一些关键设备过于依赖国外厂商的局面，同时节约大量的时间和资金，产生一定的社会和经济效益，如果轨道交通3、4号线车载接收线圈国产化技术得到应用，在经过国产化量产后，采购、维护、大修成本将有很大程度下降。仅大修成本节约效益一项就可达到千万级。同时使现场维护人员对接收线圈的各项指标与参数有了更深的了解，为接收线圈日后的国产化以及二级维护奠定了基础，同时维护人员的技术水平也得到进一步提升，提高了设备的维修效率。