第三章基礎(chǔ)設(shè)備課件

1、第三章 基礎(chǔ)設(shè)備31 數(shù)字音頻軌道電路 眾所周知，50 Hz工頻軌道電路必須用絕緣節(jié)來(lái)分割，且只能提供“有車(chē)”或“無(wú)車(chē)”2種信息，在交流電力牽引采用可控硅或大功率晶體管（IGBT）變流技術(shù)后，牽引電流對(duì)工頻軌道電路的干擾導(dǎo)致軌道電路不能安全、可靠地工作。此外，分割軌道電路的絕緣節(jié)在安裝時(shí)不得不鋸斷鋼軌，絕緣節(jié)的存在限制了列車(chē)速度的提高。當(dāng)然，絕緣節(jié)易于破損，也已成為信號(hào)技術(shù)的多發(fā)故障之一。 正因?yàn)槿绱耍诮甑某鞘熊壍澜煌ㄐ盘?hào)系統(tǒng)中，工頻軌道電路已被無(wú)絕緣音頻軌道電路所取代。隨著數(shù)字電子技術(shù)的發(fā)展，具有高可靠性、多信息量的數(shù)字編碼式音頻軌道電路已經(jīng)問(wèn)世，且越來(lái)越普遍地得到重視。我國(guó)廣州地鐵一號(hào)

2、線、上海地鐵二號(hào)線等均已采用這類(lèi)軌道電路。一、 S型聯(lián)接音頻軌道電路 為了克服上述弊端，目前在城市軌道交通領(lǐng)域一般都采用S型聯(lián)接音頻軌道電路，其原理圖如圖3-3所示。 圖3-3 S型聯(lián)接音頻軌道電路圖3-4 列車(chē)駛過(guò)時(shí)接收器端電壓的變化 由以上討論可見(jiàn)，S型聯(lián)接音頻軌道電路是符合信號(hào)安全原則的，所以已被廣泛采用。圖3-5 S型聯(lián)接音頻軌道電路的簡(jiǎn)易表示圖例 二、 數(shù)字編碼式音頻軌道電路 上述音頻軌道電路雖然取消了絕緣節(jié)，但仍只能給出“空閑”或“占用”2種信息，無(wú)論從可靠性還是從可用信息量角度來(lái)看，都不能滿足實(shí)用的需要。在上述音頻軌道電路的基礎(chǔ)上，加上數(shù)碼調(diào)制后，不僅能使軌道電路的可靠性大為提高

3、，而且可以作為列車(chē)速度控制系統(tǒng)（ATC系統(tǒng)）中地面車(chē)上傳遞信息的通道。目前廣泛采用的調(diào)制方式是頻移鍵控方式，即FSK方式，由此構(gòu)成的數(shù)字編碼式音頻軌道電路的結(jié)構(gòu)框圖如圖3-8所示。圖3-8 數(shù)字編碼式音頻軌道電路的結(jié)構(gòu)框圖1音頻發(fā)生器； 2脈碼調(diào)制器； 3接收電平調(diào)節(jié)器4解調(diào)器； 5比較器； 6比特模式預(yù)置器；7電源 采用數(shù)字編碼式音頻軌道電路的一項(xiàng)主要優(yōu)點(diǎn)是它可被用作為車(chē)上地面的信息傳輸通道，在此基礎(chǔ)上可構(gòu)成列車(chē)速度控制（ATC）系統(tǒng)。 圖3-10表示了作為ATC系統(tǒng)基礎(chǔ)的數(shù)字編碼式音頻軌道電路的簡(jiǎn)易框圖。圖3-10（a）表示區(qū)段無(wú)車(chē)狀態(tài)，此時(shí)的軌道電路如圖3-8所示狀態(tài)，給出軌道區(qū)段空閑通

4、報(bào)。圖3-10（b）表示軌道區(qū)段有車(chē)狀態(tài)，此時(shí)由于接收端的軌道繼電器失磁落下，一方面給出軌道區(qū)段占用的通報(bào)，一方面接通ATC電碼發(fā)送，即用ATC電碼對(duì)音頻信號(hào)進(jìn)行調(diào)制，這種數(shù)字編碼信息在軌道中以200 bit/s的速率傳輸。 圖3-10 作為ATC系統(tǒng)基礎(chǔ)的數(shù)字編碼式音頻軌道電路1軌道電路電碼； 2ATC電碼三、數(shù)字編碼式音頻軌道電路FTGS FTGS是為干線和城市軌道交通領(lǐng)域設(shè)計(jì)的軌道空閑檢查系統(tǒng)。線路由電氣節(jié)分成若干區(qū)間。按照軌道電路的原理，發(fā)送器向鋼軌發(fā)送交流電壓，由位于區(qū)段另一端的接收器將收到的電壓進(jìn)行計(jì)算。 當(dāng)列車(chē)進(jìn)入軌道區(qū)段，車(chē)軸的分路就防止了信號(hào)進(jìn)入接收器，這就導(dǎo)致其輸出指示為“

5、軌道區(qū)段占用”。與以前音頻軌道電路不同的是，F(xiàn)TGS是由調(diào)頻電壓遠(yuǎn)程饋電。接收器和發(fā)送器都集中安裝在距離軌道區(qū)段6.5 km處的信號(hào)樓內(nèi)。FTGS是代表目前最高水平的軌道電路。 它配備有額外的運(yùn)行狀態(tài)指示燈，并允許通過(guò)連在發(fā)送器上的外部控制電路由鋼軌向列車(chē)傳送其他信息。 FTGS也可以在無(wú)調(diào)制編碼的情況下工作，但通過(guò)改進(jìn)相應(yīng)的電路板，F(xiàn)TGS也可在任何時(shí)候升級(jí)到最高安全等級(jí)。 FTGS音頻軌道電路的所有電子組件都安裝在信號(hào)樓里，這樣做有以下優(yōu)點(diǎn)： 低生命周期費(fèi)用 高可靠性 免維修的軌旁組件 標(biāo)準(zhǔn)化的電路板使得備件量保持在低水平 計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)，配置簡(jiǎn)單 經(jīng)過(guò)認(rèn)證且得到廣泛使用32 微機(jī)計(jì)軸設(shè)備

6、 由于電氣化鐵路的牽引電流回流與軌道電路共用一個(gè)通道，強(qiáng)電流對(duì)弱電流的干擾是不可避免的。隨著電力機(jī)車(chē)變流控制技術(shù)的發(fā)展，牽引電流的高次諧波對(duì)軌道電路的干擾影響越來(lái)越大。此外，軌道電路的工作狀態(tài)還嚴(yán)重依賴(lài)于道床狀態(tài)，在道床電阻很低的場(chǎng)合，無(wú)論何種軌道電路都無(wú)法正常工作。 歐洲德國(guó)鐵路由于有過(guò)使用鋼枕木的歷史，所以一直使用計(jì)軸器作為檢測(cè)軌道區(qū)段是否空閑的裝置。在電子技術(shù)高度發(fā)達(dá)的今天，電子計(jì)軸器已完全取代了傳統(tǒng)的機(jī)械計(jì)軸裝置。 圖3-11表示電子計(jì)軸器最基本的結(jié)構(gòu)，包括室外及室內(nèi)部分（信號(hào)樓或控制中心）；室外部分包括地面?zhèn)鞲衅鳎ㄓ?jì)數(shù)點(diǎn)）、電纜盒、傳輸電纜；室內(nèi)部分主要是信號(hào)處理電路及計(jì)數(shù)處理電路。

7、圖3-11 電子計(jì)軸器的基本結(jié)構(gòu) 在每一軌道區(qū)段的兩端分別設(shè)置計(jì)數(shù)點(diǎn),為了區(qū)分列車(chē)是“駛?cè)搿边€是“駛出”該計(jì)數(shù)點(diǎn)，每一個(gè)計(jì)數(shù)點(diǎn)設(shè)置2個(gè)電磁傳感器。當(dāng)列車(chē)車(chē)輪駛經(jīng)傳感器時(shí),隨即產(chǎn)生1個(gè)電信號(hào),經(jīng)處理后送至控制室內(nèi)。當(dāng)軌道區(qū)段無(wú)車(chē)時(shí),控制室內(nèi)的“入”計(jì)數(shù)器與“出”計(jì)數(shù)器同步工作,從而給出該軌道區(qū)段空閑的通報(bào)。當(dāng)列車(chē)駛?cè)朐撥壍绤^(qū)段,“入”計(jì)數(shù)器由于計(jì)入了由傳感器傳來(lái)的計(jì)數(shù)脈沖,因而破壞了入、出計(jì)數(shù)器的同步工作,從而給出該軌道區(qū)段有車(chē)的通報(bào)。僅當(dāng)列車(chē)全部駛出另一計(jì)數(shù)器,由于入、出計(jì)數(shù)器計(jì)入、計(jì)出同樣數(shù)目的計(jì)數(shù)脈沖,從而又恢復(fù)了同步,給出該軌道區(qū)段空閑通報(bào)。 電子計(jì)軸器已經(jīng)歷了近20年的發(fā)展，有適應(yīng)于各

8、種情況的多種類(lèi)型。這里選擇最有代表性的ZP43型地面?zhèn)鞲衅鳎ㄓ?jì)軸點(diǎn)）及微計(jì)算機(jī)計(jì)軸系統(tǒng)AzSM作簡(jiǎn)要的說(shuō)明。一、 電子計(jì)軸點(diǎn)ZP43 西門(mén)子公司所開(kāi)發(fā)的電子計(jì)軸點(diǎn)ZP43在計(jì)軸系統(tǒng)中作為傳感裝置。ZP43對(duì)電磁干擾不敏感，安裝方便，由于其高機(jī)械穩(wěn)定性及恒定的電氣參數(shù)，所以幾乎不需維護(hù)保養(yǎng)。 計(jì)軸點(diǎn)是計(jì)軸系統(tǒng)的車(chē)輪識(shí)別點(diǎn)。它位于軌道區(qū)段分界點(diǎn)處。 裝在這個(gè)位置上的傳感元件（如軌旁設(shè)備、電纜接線盒）組成一個(gè)功能單元，稱(chēng)為計(jì)數(shù)點(diǎn)ZP。因車(chē)輪作用而在ZP中形成的脈沖或信號(hào)經(jīng)由區(qū)間電纜傳送至裝在聯(lián)鎖設(shè)備中的計(jì)數(shù)單元。這類(lèi)ZP元件，已取得了20年的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。 隨著時(shí)代的發(fā)展，計(jì)數(shù)點(diǎn)的使用條件發(fā)生了變化，從

9、而它必須滿足越來(lái)越高的要求。 隨著列車(chē)速度提高，軌旁設(shè)備的機(jī)械應(yīng)力也相應(yīng)增加。較高的機(jī)車(chē)牽引力就要求大功率的供電網(wǎng)。在列車(chē)駛過(guò)時(shí)，由于較大的回流致使在鋼軌內(nèi)出現(xiàn)強(qiáng)大的電流跳變。此寬闊的高頻干擾譜對(duì)計(jì)軸點(diǎn)產(chǎn)生明顯的影響。在高速列車(chē)上所采用的磁軌制動(dòng)，在制動(dòng)時(shí)將 在軌旁設(shè)備的接收線圈中產(chǎn)生較高的干擾電壓。 實(shí)驗(yàn)室及現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)表明，用新開(kāi)發(fā)的ZP43能足以防護(hù)上述幾種干擾影響。計(jì)數(shù)點(diǎn)ZP43是一種車(chē)輪電磁識(shí)別裝置，也即在計(jì)數(shù)點(diǎn)作用范圍內(nèi)，一對(duì)車(chē)輪就可改變其交流電磁場(chǎng)的分布，并引發(fā)出一個(gè)計(jì)數(shù)脈沖。 每個(gè)計(jì)軸點(diǎn)ZP43包括一個(gè)帶有固定聯(lián)接電纜的軌旁設(shè)備與一個(gè)電纜盒。 軌旁設(shè)備包括發(fā)送器和接收器（圖3-12

10、），它們用兩個(gè)固定螺栓與一塊屏蔽金屬板一起固定在軌腰上 。圖3-12 發(fā)送器、接收器及屏蔽金屬隔離板 在軌腰上的位 置及其固定 圖3-15 無(wú)車(chē)輪時(shí)發(fā)送器交變磁場(chǎng)的簡(jiǎn)化表示圖3-16 在車(chē)輪作用下發(fā)送器交變磁場(chǎng)的簡(jiǎn)化表示 二、 微計(jì)算機(jī)計(jì)軸系統(tǒng)AzS M 微計(jì)算機(jī)計(jì)軸系統(tǒng)是一種基于微計(jì)算機(jī)的用于檢測(cè)軌道區(qū)段空閑或占用的安全設(shè)備。AzS M是“帶有多段計(jì)數(shù)的西門(mén)子計(jì)軸系統(tǒng)”的縮寫(xiě)。在被檢測(cè)軌道區(qū)段的始、終端置有車(chē)輪傳感器（計(jì)數(shù)點(diǎn)或車(chē)輪傳感器）。每個(gè)車(chē)輪傳感器經(jīng)由通信電纜與中央計(jì)數(shù)設(shè)備相連。對(duì)車(chē)輪傳感器的供電也經(jīng)由此聯(lián)系通道實(shí)現(xiàn)。在固定的方向上作為中央處理和監(jiān)控的計(jì)數(shù)單元，其任務(wù)是將來(lái)自計(jì)數(shù)點(diǎn)的軸

11、脈沖信息歸總成一個(gè)總體結(jié)果以及給出每一個(gè)軌道區(qū)段的空閑或占用表示。AzS M包括：1. 在所監(jiān)控軌道區(qū)段兩端的計(jì)數(shù)點(diǎn)；2. 最多包括16個(gè)計(jì)數(shù)點(diǎn)的計(jì)軸單元。 圖3-17 用微計(jì)算機(jī)計(jì)軸系統(tǒng)AzS M監(jiān)控10個(gè)軌道區(qū)段的16個(gè)計(jì)數(shù)點(diǎn)33 查詢應(yīng)答器 查詢應(yīng)答器最初用于衛(wèi)星中繼、航空定位及導(dǎo)航，70年代中后期以后，應(yīng)答器傳輸技術(shù)逐漸由航空工業(yè)引入鐵路部門(mén)。查詢應(yīng)答器在歐洲的一些鐵路上安裝了幾十萬(wàn)個(gè)，主要用于列車(chē)自動(dòng)定位控制及無(wú)線閉塞等領(lǐng)域。此項(xiàng)技術(shù)目前己在日本、德國(guó)、瑞典、加拿大、英國(guó)等發(fā)達(dá)國(guó)家的鐵路得到廣泛應(yīng)用并取得了良好效果。 為適應(yīng)我國(guó)鐵路現(xiàn)代化發(fā)展、跟蹤世界高新技術(shù)發(fā)展的要求，鐵道部科學(xué)研

12、究院通信信號(hào)所自80年代初便進(jìn)行了此項(xiàng)技術(shù)的初步研究，經(jīng)歷了技術(shù)的不斷更新和發(fā)展，曾經(jīng)在成渝線120 km 線路12個(gè)車(chē)站進(jìn)行了點(diǎn)式列車(chē)自動(dòng)超速防護(hù)ATP系統(tǒng)的擴(kuò)大試驗(yàn)，完成了廣州至佛山間列車(chē)尾部完整到達(dá)擴(kuò)大試驗(yàn)等一系列現(xiàn)場(chǎng)推廣試驗(yàn)。目前查詢應(yīng)答器系統(tǒng)在功能上和性能上進(jìn)行了改進(jìn)，其主要技術(shù)指標(biāo)己達(dá)到或接近國(guó)外同類(lèi)產(chǎn)品水平。廣深線也于2000年底在部分提速區(qū)段上安裝了地面應(yīng)答器。查詢應(yīng)答器累計(jì)進(jìn)行過(guò)近萬(wàn)公里的準(zhǔn)高速運(yùn)行試驗(yàn)，效果良好。 此項(xiàng)技術(shù)主要可用于列車(chē)安全防護(hù)，道口控制，定位停車(chē)，列車(chē)報(bào)車(chē)次號(hào)，列車(chē)抄號(hào)，車(chē)種識(shí)別 ，進(jìn)路預(yù)排，特殊路段臨時(shí)限速，過(guò)岔、彎道及下坡道的限速，報(bào)公里標(biāo)位置，電力機(jī)

13、車(chē)電分相自動(dòng)轉(zhuǎn)換及受電弓自動(dòng)控制，車(chē)輛自動(dòng)自動(dòng)收費(fèi)等 各種控制系統(tǒng)或管理信息系統(tǒng)中。因此查詢應(yīng)答器是一種具有綜合利用價(jià)值的通信信號(hào)設(shè)備，運(yùn)用潛力很大的。一、系統(tǒng)功能及特點(diǎn)1. 系統(tǒng)功能 查詢應(yīng)答器系統(tǒng)包括應(yīng)答器、查詢器、查詢器主機(jī)等3個(gè)主要部分。查詢應(yīng)答器是一種利用無(wú)線傳輸原理構(gòu)成的高速點(diǎn)式數(shù)據(jù)傳輸設(shè)備，用在特定地點(diǎn)實(shí)現(xiàn)機(jī)車(chē)與地面間的相互通信。安裝于兩根鋼軌中心枕木上的地面應(yīng)答器不需要外加電源，平時(shí)處于休眠狀態(tài)，僅靠接收查詢器發(fā)送的功率而工作，并能在接收查詢功率的同時(shí)向查詢器發(fā)送大量的調(diào)制編碼信息。 安裝于機(jī)車(chē)底部的查詢器不斷向地面發(fā)送瞬態(tài)功率，當(dāng)機(jī)車(chē)通過(guò)地面應(yīng)答器時(shí)，它接收來(lái)自應(yīng)答器的編碼信

14、息。車(chē)載主機(jī)除了向查詢器發(fā)送瞬態(tài)功率信號(hào)外，其主要任務(wù)是處理查詢器接收到的來(lái)自應(yīng)答器的調(diào)制編碼信息。2. 系統(tǒng)的特點(diǎn)（1）具有無(wú)線車(chē)地?cái)?shù)據(jù)傳輸功能，適于各種線路條件。在線路不斷改造或機(jī)車(chē)車(chē)輛升級(jí)換代后，該系統(tǒng)的地面設(shè)備與車(chē)載設(shè)備仍然可以繼續(xù)使用。（2）性能與功能有廣泛適用性和可擴(kuò)展性。既可用于傳統(tǒng)的ATP系統(tǒng)，也可用于無(wú)線移動(dòng)閉塞中的列車(chē)追蹤與控制；既可用于一般線路和高速線路，也可用于城市軌道交通。 （3）地面設(shè)備易于安裝，不影響工務(wù)設(shè)備的正常使用。（4）地面應(yīng)答器及車(chē)載天線適用性強(qiáng)，可在各種氣候條件下使用。 （5）借助專(zhuān)用設(shè)備，可將地面應(yīng)答器內(nèi)的數(shù)據(jù)反復(fù)編碼。二、應(yīng)答器的工作原理與基本結(jié)構(gòu)

15、應(yīng)答器是利用無(wú)線感應(yīng)原理在特定地點(diǎn)實(shí)現(xiàn)機(jī)車(chē)與地面間相互通信的一種數(shù)據(jù)傳輸裝置。當(dāng)列車(chē)上的查詢器通過(guò)設(shè)置于地面的應(yīng)答器時(shí)，應(yīng)答器被發(fā)自車(chē)上的查詢器瞬態(tài)功率激活并進(jìn)入工作狀態(tài)，它將向運(yùn)行中的列車(chē)連續(xù)發(fā)送存于應(yīng)答器中的可供列車(chē)自動(dòng)控制或地面指揮用的各種數(shù)據(jù)。 在查詢器應(yīng)答器的有效作用范圍之外，應(yīng)答器將不再工作，直至被下次列車(chē)上的查詢器功率再次激活。其最基本的原理基于電磁感應(yīng)理論。其系統(tǒng)框圖如圖3-25所示。在應(yīng)答器系統(tǒng)框圖中，整流電路用于當(dāng)查詢器與應(yīng)答器相互作用時(shí)，應(yīng)答器接收到發(fā)自查詢器的功率載波信號(hào)后，整流出一個(gè)可供應(yīng)答器的其他IC器件使用的直流電平，使應(yīng)答器進(jìn)入工作狀態(tài)。信源編碼器為數(shù)據(jù)編碼器，

16、其輸出編碼經(jīng)過(guò)調(diào)制后送到放大電路，經(jīng)放大后發(fā)送出去。查詢器與應(yīng)答器的有效作用范圍與其間的電磁場(chǎng)能量的大小密不可分。在有效作用范圍內(nèi)，要提高車(chē)載查詢器接收到的數(shù)據(jù)量，需相應(yīng)提高數(shù)據(jù)傳輸速率。 圖3-25 地面應(yīng)答器系統(tǒng)框圖 應(yīng)答器具有以下主要特點(diǎn):1. 無(wú)源設(shè)備，不要求提供外接電源（有源應(yīng)答器除外）；2. 可提供固定信息內(nèi)容，如里程標(biāo)、區(qū)間長(zhǎng)度、限速值、坡道值等；3. 可變編碼應(yīng)答器可提供實(shí)時(shí)信息，如股道號(hào)、進(jìn)出站、通過(guò)等等；4. 使用壽命長(zhǎng)，基本無(wú)需維護(hù)，可節(jié)約維修資金；5. 不受話路限制，傳輸信息量大，有利于實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)故障安全；6. 不受頻帶限制，頻率運(yùn)用靈活；7. 電磁場(chǎng)穩(wěn)定，可以獲得高質(zhì)量

17、的傳輸效果；8. 一次性投資可服務(wù)于多種運(yùn)用，實(shí)現(xiàn)少投入，多產(chǎn)出。經(jīng)濟(jì)效益顯著。三、查詢器車(chē)載主機(jī)系統(tǒng)工作原理 查詢器車(chē)載主機(jī)系統(tǒng)的框圖如圖3-26所示。主機(jī)上電后，系統(tǒng)立即進(jìn)入自檢測(cè)試過(guò)程。如果系統(tǒng)異常，則停止發(fā)送功率載波，顯示相應(yīng)的故障狀態(tài)，并向有關(guān)設(shè)備，如ATP系統(tǒng)或車(chē)載電臺(tái)等報(bào)告故障。系統(tǒng)自檢正確后，將載波信號(hào)經(jīng)過(guò)功率放大器連續(xù)不斷地由查詢器天線發(fā)送出去。當(dāng)機(jī)車(chē)經(jīng)過(guò)地面應(yīng)答器時(shí)，功率載波信號(hào)將應(yīng)答器激活，向車(chē)載查詢器發(fā)送數(shù)字編碼信號(hào)。查詢器接收到此信號(hào)后，經(jīng)過(guò)濾波、解調(diào)及其他處理過(guò)程，送至CPU，由軟件進(jìn)行處理。處理后的數(shù)據(jù)供車(chē)載電臺(tái)、ATP系統(tǒng)以及其他系統(tǒng)使用。圖3-26 查詢器車(chē)載主機(jī)系統(tǒng)框圖 四、查詢應(yīng)答器的編碼、調(diào)制與載頻 應(yīng)答器信息幀格式可根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)要求的信息量大小進(jìn)行設(shè)計(jì),格式如下： 同步碼 用戶信息 CRC校驗(yàn) 1 Byte N Bytes（N13） 2 Bytes 選擇7E為同步碼，表示報(bào)文的開(kāi)始。用戶信息編碼根據(jù)用戶要求設(shè)計(jì)。CRC校驗(yàn)碼根據(jù)生成多項(xiàng)式計(jì)算得到。根據(jù)CCITT的建議，CRC生成多項(xiàng)式選用G(X)=X16+X12+X5+1，據(jù)有關(guān)資料，該生成多項(xiàng)式的誤碼漏檢概率很小。 由于可能發(fā)生誤碼漏檢，除在信息接收時(shí)要進(jìn)行CRC校驗(yàn)外，還需要進(jìn)行