目前，我国铁路营业里程约为7万km，共有信号联锁道岔约12万组，使用的转辙机约有14万台。道岔及其转换设备是铁路线路重要的基础设备，同时又是轨道中的薄弱环节。转辙机的作用是转换、锁闭道岔，并把道岔的开通位置准确表示出来。而转辙机表示缺口则是反映道岔尖轨(心轨)与基本轨(翼轨)密贴状态及位置，是直接影响行车安全的重要的监测道岔状态的主要指标。道岔及转换设备在使用过程中，受列车运行的冲击振动作用和线路温度力的变化以及设备在使用过程中的磨耗等因素的影响，其原先调整的状态经过一段时间的应用后会产生变化，道岔尖轨(心轨)与基本轨(翼轨)的密贴状态会发生变化产生缝隙，同时在道岔转换过程中尖轨与基本轨夹异物也会造成尖轨的不密贴，这些因素都会使转辙机缺口产生变化，造成设备的故障，从而影响行车安全。因此，确保转辙机缺口状态的良好，直接影响到铁路运输的安全和效率。
铁路转辙机缺口监测系统是针对上述问题进行研究并开发的，适合于我国目前大量使用的各种转辙机的新的技术，该项技术也是“铁路信号微机监测系统”(该系统是保证行车安全、加强信号设备结合部管理、监测铁路信号设备运用质量的重要行车设备)的一项主要内容，对确保铁路行车的安全、提高铁路运输的效率具有极其重要的意义。在铁路车站，由于被监测对象(转辙机)一般距离监测主机所在位置即电气集中车站机械室的平均距离为1.5km左右，并且数量较多，分布无规律，因此监测数据的可靠传输一度成为制约本项技术应用的瓶颈。特别是在既有站，站内可用的电缆极为有限且造价高。为节约电缆及提高系统可用性，铁道部特别要求铁路转辙机缺口监测系统采用电力载波扩频通信技术来实现数据与室外工作电源的共线传输，完成室外监测分机与室内主机的通信。
电力线载波通信技术简介
电力线载波(Power Line Carrier, PLC)通信是利用高压电力线(在电力载波领域通常指35kV及以上电压等级)、中压电力线(指10kV电压等级)或低压配电线(380V/220V用户线)作为信息传输媒介进行语音或数据传输的一种特殊通信方式。随着电力线载波技术的不断发展和社会的需要，中/低压电力载波通信的技术开发及应用亦出现了方兴未艾的局面，电力线载波在380V/220V用户配电网上的应用在90年代后期之前，只限于采用调幅或调频制式的载波电话机实现近距离的拨号通话，也有采用专用的芯片实现近距离数据传输。
我国大规模地开展用户配电网载波应用技术的研究是在2000年左右，目前在自动集抄等系统中采用的载波通信方式有扩频窄带调频或调相。在各种扩频调制方式中，由于采用正交频分多路复用技术(Orthogonal Frequency Division Multiplexing, OFDM)调制具有突发模式的多信道传输，较高的传输速率，更有效的频谱利用率和较强的抗突发干扰噪声的能力，再加上前向纠错交叉纠错自动重发和信道编码等技术来保证信息传输的稳定可靠，因而成为电力线上应用的主导通信方式。
转辙机缺口监测系统
系统结构
铁路转辙机缺口监测系统主要由由缺口传感装置、现场分机、室内主机3部分组成。系统框图如图1所示：
室内主机与现场分机向的数据传输方式为：使用一对(2芯)信号电缆，进行数据的传输，同时该电缆也是室外分机的供电电源线。在数据传输协议的选择上，充分考虑通信的可靠性、实时性和抗干扰性。系统具体工作过程为：室外分机采集来自缺口传感装置的缺口变化信息，然后通过低压电力载波线路将数据实时传输到室内主机，主机既可以实现室外各转辙机缺口信息的存储、显示、告警，也可以通过高速CAN总线实现与铁路既有微机监测系统的并网连接，从而作为微机监测系统的一个子系统运行工作。本系统的特点在于监测数据传输方面的多样性，既有低压电力载波通信，也有CAN总线的运用，但是也在数据传输的可靠性等方面提出了更高的要求。
各功能模块设计
1.室内监测主机
主要功能为实时分析处理现场分机传回的数据，并及时按照技术要求进行报警，并提供一定的数据存储能力。提供与“信号微机监测系统”的CAN总线接口，接口协议应遵照“信号微机监测系统”的规定。室内主机可以安装在微机监测柜内，也可以安装在信号组合架上或置于室内工作台上，通过分线盘将信号电缆连接到采集器后面板的接线端上，其硬件结构图如图2所示。
2.室内采集分机
采集分机为安装在转辙机附近或内部的现场数据处理装置。采集分机一般具有向缺口传感装置提供需要的电源；接收来自缺口传感装置的信号；对传感装置的输出信号进行初级处理；进行向室内通信传输数据的处理等功能。其系统结构图如图3所示。
3.缺口传感装置
其主要功能是准确的检测到被测缺口的变化。分为连续监测缺口变化和达到额定值输出开关量变化两种。连续监测缺口变化可以全程地监测缺口的位置变化，监测的位移变化范围应在0 mm～4 mm之间。达到额定值输出开关量变化则为达到额定值报警，即事先设定缺口报警值，当缺口报警装置监测到缺口达到报警值时，给出一个开关量信号。下面以图4的ZD型与S700K型转辙机的缺口位置为例说明其采集原理。
电力线载波通信系统解调方式
与信道特性分析
由于室内室外之间的通信只能采用低压电力载波通信技术，并且现场信号电缆的绝缘等参数并不统一，有些电缆还可能铺设在高压线路附近(电气化铁路)，通道特性比较恶劣，而室外所有监测信息的准确性又是本系统正常工作的基础，因此如何保证通信质量，提高低压电力载波通信的可靠性是无法避免的问题，也是研制工作的重中之重。
电力线路作为载波通道，各种尖脉冲的干扰较多，是影响数据正确接收的主要因素之一。现有的载波通信技术采用SSB(单边带抑制载波)调制技术，FSK(频移键控)调制技术，对尖脉冲的抑制能力有限。因此，近年来国内外许多厂商都在研究采用新的载波通信技术，以抑制尖脉冲的干扰。扩频调制和OMCM多载波调制技术和OFDM(正交频分复用)就是其中有代表性的技术，扩频调制技术是将较低的数据调制到较宽的频带上，这样它对尖脉冲有很好的抑制作用，虽然尖脉冲幅度大，但把它调制较宽的频带后，其所占的相对份量较小，在接收端很容易把它滤除掉，扩频调制方式对尖脉冲有较好的抑制能力，不足的是，电力线路作为载波通道的高频特性较差，可利用的有效频带限制在500kHz以下，这样数据传输速率不可能太高，否则对尖脉冲的抑制能力也要相应减弱。
采用OFDM(正交频分复用)调制技术。它既能抑制尖脉冲的干扰，又有较高的数据传输速率。OFDM系统的基本原理是将高速的串行数据fs转变为N个并行的低速子数据流，用N个子载波(f0,f1...fN-1)去调制(f0,f1...fN-1)这些低速的子数据流，f0,f1...fN-1是相互正交的。允许子载波的频谱可以有部分重叠，这样能有效行的码元转成并行的码元经正交调制后再在通道中并行传输，同SSB,FSK等单载波调制系统相比，在相同的传输速率fs下，子通道上因为传输速率只有fs/N，每个码元所占时间增大N倍，这样可以很好地抑制尖脉冲干扰。
因为尖脉冲虽然幅度大，但其所占频谱宽，单位频带内所占有的能量少，相对于每个子信道f0,f1...fN-1其所具有的能量减小，这样也就减小对解调输出的影响；对窄带脉冲干扰，它只能影响f0,f1...fN-1中的几个子信道，不足以影响全部子信道，系统可以在这些受干扰的子通道上降低传输速率，或者暂时关闭这些子信道，可以克服窄带脉冲干扰的影响。同扩频调制相比，OFDM同样具有抗尖脉冲及窄带脉冲干扰的能力，并且在相同的传输速率下，OFDM所占用的带宽比扩频调制要窄，这对频带资源只有500kHz的电力线载波通道而言是十分可贵的。但是OFDM的调制解调技术比较复杂，Siemens公司采用ASIC技术制成专用芯片，同时还具有通道特性测试功能，通过测试分析指出哪些频段适宜传输，这些都给技术实施带来极大的方便。
以上都是从调制方式来解决电力线的干扰，或者避开干扰。从实际应用来看，大可没有必要，各种调制方式也只是解决一些问题，但是不能从根本解决，现在主要解决对电力线的信号能量耦合问题，才能从根本上解决问题。载波信号功率是通信成败的一个非常关键的因素，适当的选择功率放大器件对开发性能优越的载波通信设备非常重要。
低压电力线信道的干扰特性
低压电网的干扰源主要包括脉冲噪声干扰、窄带干扰、高斯噪声及50Hz谐波噪声干扰等。脉冲噪声主要由瞬间短路、功率器件的开启与阻断等现象和行为产生。窄带干扰源于网中的谐波现象。高斯噪声可认为是低压配电网的背景噪声，主要由配电变压器的高压边耦合而致。噪声在低压配电线上可分为以下四种。
(1)50Hz工业频率同步噪声：这种噪声主要由开关电路，如可控硅整流电路和某些电源供给电路。当电源供给电压跨过某一门限值时可控硅整流电路发生跳变。因为电压是周期性的，在50Hz或50Hz的整数倍时可控硅整流电路发生跳变，因此在50Hz或50Hz的整数倍时产生噪声。这种噪声与电源频率同步或漂移。由于可控硅整流电路存在于每一个配电自动化系统中，因此这一类噪声存在于配电变压器的一次侧和二次侧。这一类噪声在50Hz的整数倍处有线性的频谱。
(2)平滑频谱的噪声：这一类噪声是因为在电力线的负载的频率与电源的频率不同步所产生。一个最普遍的例子就是电动机。由于电动机的转速受其负载的控制，直流电动机的电刷可以导致电流发生间隔性改变。在大多数的工程实践中，可认为这一类噪声有平滑的频谱但没有固定的频谱线。在配电网通信这种带宽比较窄的情况下，可将这一类噪声看作白噪声。
(3)脉冲噪声：电灯、热水器以及其它一些开关现象都可以导致脉冲噪声，电力系统为补偿功率因数的补偿电容的接通或断开也可导致脉冲噪声。
(4)异步周期性噪声：这一类噪声有与50Hz电源频率不相关的线性频谱。产生这一类噪声源的设备为电视接收机。
低压电力线信道的其它特性
1．阻抗变化特性
配电变压器的二次侧的低压电力线上连接的负载多种多样，主要包括电阻性(R)、电容性(C)、电感性(L)3类负载。根据负载的随机接入和撤出，R,L,C的瞬时相对份额以及频率参数的变化，其阻抗特性难以准确描述，但在一定的频率范围内时，特性阻抗的变化范围一定。一般配电网电力线的波阻抗在几十欧姆到100多欧姆。例如在通信频率下，如130KHz，12-2G Romex NM-B在20m长的末端接1μF的电容(低阻抗)时，线路输入阻抗约为10Ω，呈感性；在末端接500Ω的电阻时，线路输入阻抗成容性。一些电器中均有电容滤波器，滤波器的电容与电力线的电感产生谐振，可在某些频率范围内使阻抗大大降低(小于1Ω)。线路上的感性负载或容性负载随机的接入，可引起以下两方面的效果：负阻抗负载与线路形成谐振电路，可形成阻抗零点；动态接入线路的负载不能保证与线路的特征阻抗匹配，从而引起线路波的反射和驻波效应，造成不同测量点的不同阻抗。此外，随着整流设备的越来越普遍，大多数整流设备在交流电压峰值点附近导通，并且与阻抗较小的滤波电容连接，造成交流电压在过零点附近时的阻抗大于峰值点附近时的阻抗。
2．损耗衰减特性
电力线中传输信号的损耗由多方面引起：1)由线路串联电感和并联负载、并联的分布电容(并联的电磁兼容电容)组成电压分压器造成的损耗。假如每30m线路的串联电感为19微亨，负载为30Ω的电阻，并联0.44微法的电磁兼容电容，则负载处的信号衰减为12dB。这样的3段单元组成的电压分压器，第3段负载处的信号衰减为36dB。2)不同相位的耦合引起的损耗。绝大多数的配电变压器将阻碍通信信号的通过，因此配电变压器的原、副边之间的传输信号衰减可达60dB到100dB。配电变压器的次级线圈间的信号传输也会达到20dB～40dB的衰减，其程度与分支线路用线的类型、不同相位布线耦合程度有关。3)由信号经过配电盘电源的交汇处引起的损耗。在电力线通信频率下，配电盘相当于小于1Ω的电负载，可引起12dB～24dB的信号损失。在一般情况下，传输信号的损耗是频率的函数，高频段的损耗大于低频段的损耗。
3．相移特性
低压电力线传输信号对相位的影响通过测量表明，250m的电力线，正弦波的相移小于±10。
电力线载波通信系统设计
硬件电路设计
经过长期调研与实验论证，我们最后选定国内自行研制的低压电力线载波通信模块KQ-100E。KQ-100E采用FSK载波通信方式，在数字信号处理技术上有独创性的高新技术成果应用，许多用户经过对比试验后都给予很高的评价。相对于扩频方案而言，FSK方式提供的是透明的载波通道，不需要对模块初始化编程，可以通过软件任意变换波特率，从而为过零点(市电50HZ的正弦波的零点)通信、软中继(定址中继或无中心自动中继)、软件滤波的实现提供可能。
KQ-100系列产品的发送部分和接收部分封装在同一模块内，并用CMOS器件作为接口，器件功耗低，主芯片+5V，约35 mA，另一种专用型功耗约+5V，20 mA，发送功率可以控制VAA的功耗，+12V，300mA，可以视环境需要在5V～18V范围内选定，电压越高，输出功率大，传送距离远。其系统结构简图如图5所示。
软件设计
一般来说噪声数据在一定范围内变化，如在EOH-FFH之间或7OH-90H之间出现，因此在进行软件编程时，重点采取以下处理方式：
1.引入同步码。在编程时，要在接收到同步码以后才开始对下面的数据正式接收。在同步码的确定上,经过反复实验,初步选定为FFH，FFH，A5H，A5H，A5H，在实际使用中能非常可靠地工作。
2.在模块发送时，R/T要提前变成低电平，一般提前一个字节的发送时间，1200bit提前8.33ms、100bit提前100ms。
3.在发送完毕时，一定要等到数据完全移位发送完所有位的数据后才将R/T置高电平。如51系统单片机，当系统检测到TI标志为1时，并不等于数据已完全发送完毕。其实这时仅表示单片机已可以处理下面欲发送的数据，而当前数据并未完全移位送出。
4．由于电力线上干扰比较严重，在模块通信距离较远，接收到干扰信号大于接收信号时，可通过编程用软件滤波方式以提高数据通信距离及可靠性。例如100bit，发送1位需10ms,编程定时中断每277.78μs中断1次(对89c51，在11.0592M晶体频率点，每256个机器周期中断1次),那么在传送一位的时间内,中断36次。每次中断对RXD采样一次，分别对1或0计数，当0和“1”总计数为36时比较1和0的计数值，谁的数计得多就以谁为这一次接收到的数据位。
结 语
该系统的运用，可以实现用现代化的管理手段，实施对道岔状态的动态监测，使道岔及其转换设备在故障发生前能得到完全解决，从而达到状态修。一方面可以减少设备的故障率提高铁路运输的安全和效率；另一方面，通过新技术的运用，采用现代化的管理手段可以对积累的数据采用科学的手段，能更好的分析产生故障的原因，从而对容易造成故障的原因及时克服，并为制定相应的措施提供可靠的理论依据。