分析城市軌道交通信號(hào)系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)

摘 要：城市軌道交通具有較多顯著優(yōu)勢(shì)，其中信號(hào)系統(tǒng)能夠保障列車(chē)安全形式，提升運(yùn)營(yíng)效率。本文主要是對(duì)城市軌道交通信號(hào)系統(tǒng)的組成與結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，并且對(duì)其各個(gè)子系統(tǒng)的分類(lèi)和功能進(jìn)行比較分析，在此基礎(chǔ)之上分析城市軌道交通信號(hào)系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)，希望能夠?qū)ο嚓P(guān)人員起到參考性?xún)r(jià)值。

關(guān)鍵詞：城市軌道交通；信號(hào)系統(tǒng)；關(guān)鍵技術(shù)

中圖分類(lèi)號(hào)：U239.5 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1004-7344（2018）17-0189-02

城市軌道交通信號(hào)系統(tǒng)能夠全面確保列車(chē)安全行駛，全面展現(xiàn)出其他技術(shù)裝備的能力。隨著技術(shù)發(fā)展速度加快，列車(chē)運(yùn)行調(diào)度中心的列車(chē)和計(jì)算機(jī)之間建立數(shù)據(jù)交換和信息交流渠道，促使兩者之間能夠協(xié)調(diào)運(yùn)作，全面發(fā)揮出運(yùn)輸效率，駕駛者的職責(zé)主要是監(jiān)控設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)。應(yīng)用城市軌道交通信號(hào)系統(tǒng)能夠降低事故發(fā)生率，還能夠防止列車(chē)出現(xiàn)突然加速和減速情況，提升列車(chē)穩(wěn)定性，實(shí)現(xiàn)節(jié)能目標(biāo)。

1 列車(chē)自動(dòng)控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和功能

1.1 列車(chē)自動(dòng)控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)

（1）整體結(jié)構(gòu)：城市軌道交通具有較大的行車(chē)密度，站間距離短小，這樣就增加了對(duì)信號(hào)系統(tǒng)的要求?，F(xiàn)階段，大型城市修建的輕軌地鐵的列車(chē)要求都需要達(dá)到120s。為了行車(chē)指揮安全性，城市軌道交通都是應(yīng)用計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)控制行車(chē)速度，調(diào)整追蹤間隔以及實(shí)現(xiàn)定位停車(chē)等，此時(shí)就需要應(yīng)用列車(chē)自動(dòng)控制系統(tǒng)。其主要包括列車(chē)自動(dòng)保護(hù)系統(tǒng)，自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)以及自動(dòng)運(yùn)行系統(tǒng)等。

（2）子系統(tǒng)功能：列車(chē)自動(dòng)控制子系統(tǒng)能夠全面確保列車(chē)行駛安全，在整個(gè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)當(dāng)中占據(jù)重要位置，因此在設(shè)計(jì)期間需要滿(mǎn)足故障安全原則。為了全面保障系統(tǒng)可靠性，需要應(yīng)用性能安全的硬件設(shè)施和軟件設(shè)施，確保安全行車(chē)。

1.2 列車(chē)自動(dòng)控制系統(tǒng)功能

（1）安全停車(chē)點(diǎn)防護(hù)：該項(xiàng)功能主要是在危險(xiǎn)點(diǎn)基礎(chǔ)之上實(shí)行的，在日常運(yùn)行期間不能超過(guò)危險(xiǎn)點(diǎn)，因此要在危險(xiǎn)點(diǎn)之前設(shè)置安全區(qū)段，由列車(chē)性能和運(yùn)行條件確保安全區(qū)段長(zhǎng)度，確保列車(chē)能夠在危險(xiǎn)點(diǎn)之前停下來(lái)。自動(dòng)控制系統(tǒng)能夠?qū)踩＼?chē)點(diǎn)作為基礎(chǔ)，確保列車(chē)不超出危險(xiǎn)點(diǎn)。

（2）監(jiān)督速度：在城市軌道交通具有兩種速度限制：①固定速度限制，比如列車(chē)最大行駛速度，最大允許速度；②臨時(shí)性速度限制，比如在維修線路時(shí)臨時(shí)設(shè)置的速度限制。自動(dòng)控制系統(tǒng)需要對(duì)該速度進(jìn)行全面監(jiān)視，堅(jiān)決不能出現(xiàn)超速現(xiàn)象。

（3）列車(chē)安全間隔控制：城市軌道交通具有較高的行車(chē)密度，各個(gè)列車(chē)之間間隔較短，列車(chē)自動(dòng)控制系統(tǒng)需要在閉塞條件下確保列車(chē)運(yùn)行安全性。

（4）測(cè)速和測(cè)距：在對(duì)列車(chē)行駛距離進(jìn)行連續(xù)測(cè)定。自動(dòng)控制系統(tǒng)能夠?qū)α熊?chē)位置進(jìn)行準(zhǔn)確劃定，主要是應(yīng)用輪軸上的測(cè)速傳感器對(duì)列車(chē)即時(shí)速度進(jìn)行測(cè)量，并且通過(guò)駕駛室顯示。

2 基于數(shù)字軌道電路的準(zhǔn)移動(dòng)閉塞自動(dòng)控制系統(tǒng)

2.1 系統(tǒng)構(gòu)成

應(yīng)用數(shù)字編碼式音頻軌道電路作為信息傳輸通道，主要包括車(chē)載設(shè)備，軌旁設(shè)備以及軌道設(shè)備等。

在設(shè)計(jì)線路時(shí)需要按照用戶(hù)對(duì)列車(chē)運(yùn)行密度的要求，使用無(wú)絕緣軌道電路的S棒將整個(gè)電路劃分幾個(gè)軌道區(qū)域并統(tǒng)一編碼，使用數(shù)字化方式描述線路設(shè)備和線路地形之后能夠繪制線路地圖，存儲(chǔ)在車(chē)載計(jì)算機(jī)上。為了全面防止相鄰軌道信號(hào)出現(xiàn)干擾影響，還需要對(duì)列車(chē)行駛到軌道電路邊界進(jìn)行準(zhǔn)確判斷，將不同載頻應(yīng)用在相鄰數(shù)字軌道電路上。列車(chē)在行駛期間各個(gè)軌道都能夠顯示占用指示。

2.2 列車(chē)控制模式

該系統(tǒng)主要是根據(jù)發(fā)展階段和技術(shù)先進(jìn)性劃分為速度-距離模式和目標(biāo)速度模式等。其中速度-距離模式主要是應(yīng)用一次模式曲線，該種方式需要的信息包括運(yùn)行線路的數(shù)據(jù)，與前方列車(chē)曲線的距離以及制動(dòng)性能等，列車(chē)運(yùn)行期間地面向列車(chē)傳輸?shù)木嚯x信息是實(shí)時(shí)進(jìn)行的，主要包括與前方列車(chē)的距離，閉塞分區(qū)的起點(diǎn)里程和長(zhǎng)度以及臨時(shí)限速等；目標(biāo)速度模式原理在于：列車(chē)運(yùn)行區(qū)間線路劃分為數(shù)個(gè)閉塞分區(qū)，每個(gè)分區(qū)都由數(shù)字軌道組成。列車(chē)自動(dòng)自動(dòng)控制程序能夠給出列車(chē)目標(biāo)速度和安全速度。此時(shí)所說(shuō)的目標(biāo)速度主要是列車(chē)以最大運(yùn)行速度進(jìn)入閉塞分區(qū)之后進(jìn)行制動(dòng)，在分析制動(dòng)生效時(shí)間之后能夠達(dá)到閉塞分區(qū)終點(diǎn)速度。

2.3 最小列車(chē)追蹤安全間隔時(shí)間

在實(shí)際研究期間為了簡(jiǎn)化問(wèn)題難度，需要提出與實(shí)際情況差別較小的假設(shè)：①前后兩個(gè)列車(chē)起動(dòng)加速度a.制動(dòng)減速度為b.因此列車(chē)進(jìn)站制動(dòng)前的最大允許速度為Vmax。②兩列車(chē)車(chē)身長(zhǎng)度相同。③前一列車(chē)設(shè)置保護(hù)區(qū)段。④兩列車(chē)制動(dòng)反應(yīng)時(shí)間相同。

T=t運(yùn)+t加+t站+t制

在上式當(dāng)中，t運(yùn)表示列車(chē)經(jīng)過(guò)閉塞區(qū)分界點(diǎn)時(shí)起至開(kāi)始制動(dòng)時(shí)的運(yùn)行時(shí)間；t站表示列車(chē)運(yùn)行圖規(guī)定的停站時(shí)間；t加表示從車(chē)站起動(dòng)加速時(shí)至清車(chē)站閉塞分區(qū)時(shí)止的時(shí)間。

3 軌道電路傳輸特性的研究與仿真

3.1 軌道電路的一次參數(shù)頻率特性仿真

分析鋼軌阻抗頻率特性：鋼軌阻抗主要有感抗Xt與有效電阻R組成：

=Z·ej ？準(zhǔn) z=R+jXL=R+jωL

針對(duì)長(zhǎng)度為1km的軌道電路來(lái)說(shuō)，有效電阻：

R=2（r+rc）=2 +rc（Ω/km）

其中r表示軌條有效電阻；u表示軌條橫截面周邊長(zhǎng)；rc表示軌節(jié)連接處有效電阻；μ 表示相對(duì)導(dǎo)磁率；ρ表示鋼材的電阻率。

鋼軌的總電感表示為：

L=Le+2（Li+Le）=0.4ln +2 （mH/km）

其中，Le表示軌條外電感；Li表示內(nèi)電感；a表示等效于鋼軌截面周邊長(zhǎng)的圓周線半徑。那么感抗為：

X1=2πfLe+2（Le+Li）×10-3（Ω/km）

按照上述選定的參數(shù)值，能夠使用MATLAB語(yǔ)言仿真鋼軌阻抗頻率特性，圖1為仿真結(jié)果（部分）。

3.2 軌道電路的二次參數(shù)頻率特性仿真

軌道電路的二次參數(shù)主要包括傳播常數(shù)和波阻抗，其中波阻抗為：

c=Zc·ej？準(zhǔn)z=

傳播常數(shù)為：

=γ·ej？準(zhǔn)z= =β+jα

在上式當(dāng)中：β=8.686γ·cos？準(zhǔn)γ（dB/km），稱(chēng)為衰減常數(shù)，α=γ·sin？準(zhǔn)γ（Rad/km），稱(chēng)為相位常數(shù)。

從以上表達(dá)式能夠看出： 與 c不僅是軌道電路一次參數(shù)和函數(shù)，也屬于信號(hào)頻率的函數(shù)。

3.3 軌道電路在傳輸交流正弦穩(wěn)態(tài)信號(hào)時(shí)的頻率特性仿真

應(yīng)用上文敘述的仿真結(jié)果能夠看出，將其作為研究軌道電路在傳輸穩(wěn)態(tài)信息的理論依據(jù)，這樣能夠?qū)壍离娐吩趥鬏斀涣髡曳€(wěn)態(tài)信息時(shí)的通道問(wèn)題進(jìn)行仿真處理。

在實(shí)際仿真期間需要將軌道電路終點(diǎn)作為計(jì)算起點(diǎn)，根據(jù)不同負(fù)載功率條件對(duì)不同頻率的交流正弦傳輸信號(hào)的不同長(zhǎng)度軌道電路變化情況進(jìn)行計(jì)算。

通過(guò)對(duì)仿真結(jié)果進(jìn)行分析能夠看出：不管什么頻率的信號(hào)都會(huì)隨著不斷增加的傳輸距離出現(xiàn)衰減作用，信號(hào)頻率越大，衰減幅度越大。但是工頻條件下信號(hào)傳輸同樣距離的衰減程度只有幾倍左右，從以上分析能夠看出，軌道電路在較高傳輸頻率的信息具有快速衰減作；在相同條件下，軌道電路相同位置的高頻信號(hào)會(huì)弱于低頻信號(hào)，這就說(shuō)明軌道電路會(huì)影響高頻信號(hào)。按照各個(gè)頻率信號(hào)在軌道電路上的變化情況能夠看出，在經(jīng)過(guò)零點(diǎn)時(shí)信號(hào)的極性會(huì)出現(xiàn)改變，因此軌道電路不適合應(yīng)用極性特點(diǎn)的高頻信號(hào)作為傳輸信號(hào)，除非對(duì)軌道電路的實(shí)際長(zhǎng)度進(jìn)行限制。

3.4 軌道電路的傳輸干擾因素

此次研究將鋼軌作為傳輸信道，在分析信道干擾之后，可以使用下式表示軌道電路的輸入和輸出：

E（t）=K（t）e（t）+n（t）

在上式當(dāng)中，E（t），K（t），e（t），n（t）分別表示信道輸出，輸入，傳輸乘性干擾以及傳輸加性干擾等。

4 結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，使用均勻傳輸線方程對(duì)軌道電路進(jìn)行研究的方法只能應(yīng)用在均勻性分布參數(shù)電路，對(duì)于非均勻分布參數(shù)軌道電路則不能采用該種方法。當(dāng)前的研究方法和技術(shù)還有所限制，因此不能獲取到較多的數(shù)據(jù)資料，整體仿真過(guò)程中還存在較多缺陷問(wèn)題，例如在對(duì)鋼軌阻抗進(jìn)行計(jì)算時(shí)，軌道截面周長(zhǎng)屬于不精確數(shù)值，會(huì)對(duì)仿真結(jié)果造成影響，還存在其他不確定因素對(duì)仿真結(jié)果造成影響。與此同時(shí)，此次研究缺乏對(duì)寬帶調(diào)制信號(hào)影響下的瞬態(tài)響應(yīng)的軌道電路通道模型的分析，不具備完善的數(shù)據(jù)資料，還需要進(jìn)一步研究分析軌道電路傳輸中的干擾仿真模型。

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收稿日期：2018-5-9

作者簡(jiǎn)介：李海軍（1985-），男，大專(zhuān)，主要從事城市軌道交通信號(hào)管理工作。