摘 要：近年来，随着铁路建设的跨越式发展，对机车信号设备显示的准确性和工作的可靠性提出了更高的要求，机车信号正朝着主体化的方向发展，研制和发展适合我国铁路ZPW-2000无绝缘轨道电路的机车信号成为了迫切需要。采用数字信号处理(DSP)技术实现对机车信号波形的谱分析，利用可靠的硬件和软件技术实现机车信号的安全性、实时性和高精度要求。基于ZPW-2000无绝缘轨道电路的机车信号的安全性、可靠性、实时性和高精度可以满足我国铁路发展的需要。随着我国铁路的大力发展，ZPW-2000无绝缘轨道电路和主体化机车信号得到大力推广，国产主体机车信号的时代已经到来。
关键词：ZPW-2000；轨道电路；无绝缘；机车信号；DSP
中图分类号：TP23 文献标识码：A 文章编号：1004373X(2008)1718802
New Technique Research of Cab Signal Based on ZPW-2000 Non-Insulation Track Circuit
LV Yonghong1,LIU Hongyan2
(1.The Electrical Service Engineering Co.Ltd. of China Railway First Group,Xi′an,710054,China;2.Xi′an Communication Institute,Xi′an,710106,China)
Abstract：In recent years,the leap frog development which constructed along with the railroad,demonstrated accurate and the work reliability to the cab signal equipment proposed a higher request,the cab signal was facing the main body direction to develop,the development and the development suited our country railroad ZPW-2000 non-insulation track circuit′s cab signal to become the urgent need.Using the Digital Signal Processing (DSP) technology realize the cab signal profile spectrum analysis,using the reliable hardware and the software technology realize cab signal security,timeliness and the high accuracy request.Based on the ZPW-2000 non-insulation track circuit cab signal security,the reliability,timeliness and the high accuracy may satisfy our country railroad the need to develop.Along with our country railroad vigorously development,the ZPW-2000 non-insulation track circuit and the main body cab signal obtained the vigorously promoted use,the domestically produced main body cab signal time already arrived.
Keywords：ZPW-2000;track circuit;non-insulation;cab signal;DSP
随着既有线路提速和高速铁路、客运专线的建设，列车运行速度越来越高，机车信号的地位也不断提高。新版《铁路技术管理规程》明确规定：“作为行车凭证的机车信号为主体机车信号，是由车载信号和地面信号设备共同构成的系统，必须符合故障导向安全原则，车载设备应具有运行数据记录的功能；地面信号设备应能提供正确信息。”研制主体化机车信号，是我国铁路发展列车控制系统的迫切需要。
1 主体机车信号的基本结构
主体化机车信号是一个系统工程，是车载设备(机车信号)和传输通道(轨道电路)构成的一个完整的系统。传输通道(轨道电路)部分应保证传递信息的准确性、连续性、惟一性；保证传递功率的可靠性(满足可靠的信噪比)，为接收设备创造良好的接收环境。车载部分应保证译码的正确性，在恶劣环境下工作的高可靠性，各种信息的记录分析功能，以及故障导向安全的性能。
图1 主体化机车信号系统结构框图2 ZPW-2000无绝缘轨道电路是实现国产主体化机车信号的基础 ZPW-2000型无绝缘轨道电路是具有自主知识产权、目前大力推广的一种先进的自动闭塞制式，其较高的安全度、可靠的分路保证、全程断轨检查功能、抗大牵引电流干扰且传输特性良好的特点，满足主体化机车信号对地面设备的苛刻要求，为主体化机车信号可靠工作奠定了良好的基础。
ZPW-2000型无绝缘轨道电路信息传输的带内干扰量分析比较：
(1) 电气化区段轨道电路带内干扰量除与牵引电流的谐波百分比有关外，还与牵引电流的幅值和轨道电路不平衡系数有密切关系。根据北方交通大学抗干扰中心的测试资料，选用SS-4型电力机车在四级半开放状态的谐波百分比作为依据，分析国产移频轨道电路机车信号带内干扰量数据：
取牵引电流1000A，不平衡系数10%，即50 Hz牵引总干扰电流100 A，如表1所示。
信干比下行557500836.117 830.0836.655 81501∶5.58921∶9.09上行650850760.044 230.0760.636 01201∶6.34661∶11.52
可见，以目前《铁路信号维护规则》规定的移频轨道电路66~150 mA的机车信号最小入口电流计算，信干比小于1∶5，不能满足机车信号信干比条件。
(2) 选择典型牵引电流谐波电流分布作为依据分析ZPW-2000型轨道电路传输信息机车信号接收的带内干扰量数据：
取牵引电流1 000 A，不平衡系数10%，即50 Hz牵引总干扰电流100 A，如表2所示。
表2 带内干扰量（二）
信干比下行1 7002300102.956 310.0103.440 85004.83∶15004.83∶1上行2 000260080.622 610.081.240 45006.15∶14505.54:1
由表2可见，目前《铁路信号维护规则》规定的ZPW-2000轨道电路450~500 mA的机车信号最小入口电流，可以达到接近5∶1的信干比，满足机车信号信干比条件。实际上，ZPW-2000型无绝缘轨道电路实现了区间无绝缘，更有利于牵引电流的回流，有利于牵引电流平衡，也有利于降低干扰。
由于使用了补偿电容，ZPW-2000轨道电路具有良好的传输特性，可以保证足够的机车信号入口电流。另一方面，机车牵引电流的谐波分量的分布规律是谐波次数越高，频率越高，谐波电流越小。由于相对于移频轨道电路使用了较高的频率，ZPW-2000型无绝缘轨道电路电流频率“躲开”了牵引电流干扰严重的低频频带，与移频轨道电路相比当然有更高的信干比。
3 基于ZPW-2000轨道电路机车信号采用的新技术和基本功能3.1 利用数字信号处理(DSP)技术实现对机车信号波形的谱分析 ZPW-2000无绝缘轨道电路的信号波形和移频信号一样属于移频键控波形，是由一个上边频和一个下边频交替而形成的，相位连续。调制低频(上下边频交替的频率)代表着机车信号传递的信息。理论上可以采用滤波加时间计数的方法解调出移频信号的上边频、下边频和调制低频值，并由此计算出移频信号的中心频率值。但是铁路信号现场情况复杂，机车信号接收到的信号并不是纯正干净的移频信号，仅仅采用时间计数的方法，在实时性和精度方面就难以满足要求了。
相位连续的移频信号S(t)的时间表达式可写为：S(t)=A0cos式中：g(t)=∫kf(t)dt
=Δωt, -T/4 < t < T/4
Δω(T/2-t),T/4 < t < 3T/4
移频信号的频谱表达式：
S(t)=A0∑∞n=-∞1m2-n2
(sinmπ2cosmπ2-cosmπ2sinnπ2+
(-1)n(m-n)(sin mπ2cos nπ2+
cos mπ2sin nπ2)〗×cos(ω0+nω1)t(1)
公式(1)中，ω0为中心频率，ω1为调制低频，Δω为频偏，m=Δωω=ΔfF1，称为移频指数，n代表相对于中心频率的谱位置。
可见，利用谱分析方法，可以直接解调出移频信号的中心频率和调制低频的频率值。
3.2 运行数据记录和地面数据分析功能
《铁路技术管理规定》明确规定：主体机车信号的车载设备具有运行数据记录的功能。车载设备的记录功能可以记录下机车信号工作中的所有有用信息，配合地面分析系统的强大分析功能，能保证机车信号的良好工作环境，并且能够实现对机车交路上所有轨道电路区段的快速、全参数测试，监督轨道电路的工作状态，完成了许多以往信号试验车才能完成的任务。
3.2.1 运行数据记录子系统功能
为了能够真实地显示机车信号在动态运行中的状态变化，机车信号记录功能必须对机车信号各种相关信息进行全面的记录。有关机车信号系统工作状态的信息总体上有四类，即：机车信号的各类输入信息、各类输出信息、运用环境信息(运行温度及供电电源异常检测)及运行辅助信息(列车运行定位及状态)，通过这四类数据的记录和复现，维护人员可以比较透彻地了解机车信号的运行过程，机车信号工作状态的分析就能够建立在客观数据的基础之上。
3.2.2 地面数据分析处理系统功能
主体化机车信号的记录装置可以采集记录下机车信号运行过程中所有有用的信息，系统具有：文件管理与数据转存、数据波形文件操作、数据波形文件谱分析和状态信息文件分析功能。
4 结 语
基于ZPW-2000无绝缘轨道电路的机车信号采用了诸多新的技术，如多种的总线技术、新型显示器、新型电源等，才实现了具有高可靠性和高安全性的主体化机车信号，使得主体机车信号成为可能。
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