CN102565536A - 无绝缘轨道电路道砟电阻在线监测方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种无绝缘轨道电路道砟电阻在线监测方法，所述方法包括：获得无绝缘轨道电路主轨道长度和衰减因子；选择道砟电阻解析表达式；根据所述的主轨道长度和衰减因子计算得到道砟电阻值；将所述道砟电阻值发送至地面监测客户端。其中，道砟电阻的计算是在机车信号车载系统中实现的。本发明可以简便、快捷地计算出无绝缘轨道电路道砟电阻值，测量准确度高，具有较好的抗噪声性能；而且本发明只依托现有的机车信号系统，不需要增加任何硬件设备，监测成本低，有利于铁路全线推广使用。
Description
技术领域
本发明关于铁路领域，涉及的是一种在线监测方法，特别是指一种无绝缘轨道电路道砟电阻在线监测方法。
技术背景
轨道电路是铁路信号系统中的极为重要的基础设施之一，已成为我国铁路运输自动控制中极其重要的基础设备。轨道电路是以铁路线路的两根钢轨作为导体，在两端加以绝缘或电气分隔并接上送电设备和受电设备而构成的电路，用于实现列车轨道占用以及钢轨线路完整性的检查，是列车运行控制系统信息传输的通道。目前，我国铁路上应用最为广泛的是无绝缘轨道电路。无绝缘轨道电路是通过电气分隔来避免相邻轨道电路信号的越区传输，其信号的传输性能主要由钢轨阻抗和道砟电阻两个重要的一次参数决定。其中，钢轨阻抗主要是由轨道电路信号的频率决定的，其值相对不变；而道砟电阻的变化相对较大，因而对信号的传输性能的影响也较大，是轨道电路正常稳定工作的主要影响因素。
轨道电路信号是通过铺设在道床之上的两根钢轨进行传输的，在钢轨和道床之间无法做到理想的绝缘，因此轨道电路信号传输时会在两根钢轨之间会形成许多的泄露电阻，这些泄露电阻在轨道电路中称为道砟电阻(道床电阻)，用Ω·km表示。道砟电阻受道床清洁度、气候和环境等因素的影响变化很大，当道砟电阻小于轨道电路设计指标的极限后，轨道电路信号的传输性能就受到很大的影响，从而使轨道电路发生故障，影响到列车的运行效率甚至是导致安全事故的发生。
由于补偿电容的存在，使得无绝缘轨道电路道砟电阻的测量变得十分困难，而且，目前对无绝缘轨道电路道砟电阻的测量的研究依然较少。现有的无绝缘轨道电路道砟电阻测量方法有以下两种：一是在十分必要的情况下，向运输调度部门要点或者开天窗，脱离会影响测量结果的电气设备，使被测的轨道电路区段变成无轨道电路和无电气化的两条轨道，然后用相应的测量仪器进行测量，对测得的数据通过传输方程计算出道砟电阻值，在测量完成后再安装这些设备。这种方法效率低下，成本高，而且会影响到铁路的运输计划。随着我国列车速度的提高和密度的加大，该测量方法很难实施。二是通过测量接收器入口电压的方法直接分析得到轨道电路区段的道砟电阻值。该测试方法是事先根据轨道电路长度、信号频率等外部条件通过计算得到轨道电路接收器的入口电压与道砟电阻的对应关系，再测量轨道电路接收器入口的实际电压值，最后利用查表的方式得到轨道电路的道砟电阻。这种方法操作简单，在室内就可完成测试，但实际中入口电压的变化受多方面因素的影响，很容易造成轨道电路入口电压的波动，其检测结果会带来很大误差甚至出现错误。随着铁路的高速发展和运输量的加大，传统的测量方法已经不能满足对轨道电路参数的测量要求。
发明内容
为了解决上述现有技术的不足，本发明提供一种无绝缘轨道电路道砟电阻在线监测方法。此监测方法的测量过程简单、有效，而且不影响信号设备的正常使用，完全不会影响铁路的正常运输，能够使相关工作人员及时了解轨道电路道砟电阻的情况，有利于保证轨道电路的正常稳定工作。
为实现上述目的，本发明采用下述的技术方案：
一种无绝缘轨道电路道砟电阻在线监测方法，
获得无绝缘轨道电路主轨道长度和衰减因子；
选择道砟电阻解析表达式；
根据所述的主轨道长度和衰减因子计算得到道砟电阻值；
将所述道砟电阻值发送至地面监测客户端。
本发明相比现有技术具有如下优点：
1.无绝缘轨道电路道砟电阻在线监测方法的测算过程快捷、简便而有效；测量过程完全不影响被测设备的正常工作和铁路的正常运输；道砟电阻在线监测方法能为信号设计、维护部门相关工作人员及时提供无绝缘轨道电路的道砟电阻参数，为无绝缘轨道电路的维护提供基本条件，为相应的故障查找提供科学依据。
2.该在线监测方法只需依托现有的机车信号车载系统就可实现无绝缘轨道电路道砟电阻的在线监测，无需增设任何硬件设备和人力资源，经济成本低，有利于全线的推广使用。
3.无绝缘轨道电路道砟电阻在线监测方法具有合理的数学理论依据，而且该测量方法是通过机车信号感应电压的整体趋势进行分析，比轨入电压法的“单点”测量方法更准确，测量精度更高；其测量结果可靠、抗噪声性能好，测量的准确度和精确度能满足一般工程设计及维护的需要。
附图说明
图1.本发明在线监测方法流程图；
图2.本发明在线监测方法实施过程的具体流程图；
图3.本发明在线监测方法与机车信号车载系统的组成关系。
具体实施方式
依据传输线理论，在已知轨道电路始端等效阻抗、终端等效阻抗、分路电阻值、补偿电容值以及轨道电路的一次参数(即钢轨阻抗和道砟电阻)的情况下，可计算出轨道电路沿线任意一点短路时的短路电流，从而获得轨道电路的短路电流曲线。由于机车信号感应电压和轨道电路短路电流具有线性关系，因此可以将机车信号感应电压幅值包络用来代替短路电流曲线，即机车信号感应电压幅值包络可反映出特定参数条件下的轨道电路的综合特性。
本发明实施例提供了一种无绝缘轨道电路道砟电阻在线监测方法，如图1所示，所述方法包括：
获得无绝缘轨道电路主轨道长度和衰减因子；
选择道砟电阻解析表达式；
根据所述的主轨道长度和衰减因子计算得到道砟电阻值；
将所述道砟电阻值发送至地面监测客户端。
进一步地，参考图2，详细描述了在线监测方法的流程，说明无绝缘轨道电路道砟电阻的在线监测方法。
第1步：获取机车信号感应电压幅值包络、里程、速度以及频率数据，
从机车信号车载记录器中，获取机车信号感应电压幅值包络、里程、速度数据以及与这些数据相对应的无绝缘轨道电路信号的载频值；
第2步：判断无绝缘轨道电路里程的起始点和结束点，
由于相邻轨道电路区段的轨道电路信号载频的频率值是不同的，因此可依据载频值来判断无绝缘轨道电路里程的起始点和结束点，即可确定无绝缘轨道电路的接收端和发送端里程；
第3步：确定无绝缘轨道电路的长度，
由无绝缘轨道电路里程的起始点和结束点确定无绝缘轨道电路的区段长度l。
第4步：判断无绝缘轨道电路的主轨道电路的长度，
一段无绝缘轨道电路由主轨道电路和小轨道电路(电气绝缘节)组成，无绝缘轨道电路通过电气绝缘节来避免相邻轨道电路区段间信号的越区传输，电气绝缘节的长度为29m，则其主轨道电路的长度l1为l-29(m)；
第5步：确定无绝缘轨道电路补偿电容的个数，
根据第4步所得到的主轨道的长度l1及轨道电路信号载频的频率值，可以通过轨道电路调整表确定出该轨道电路区段所安装的补偿电容个数；
第6步：对主轨道电路所对应的机车信号感应电压幅值包络进行处理，
利用主轨道电路长度内相应的列车速度、里程信息，通过插值处理，消除列车速度对机车信号感应电压幅值包络的影响，并对插值后的机车信号感应电压幅值包络进行滤波和归一化处理；
第7步：对第6步处理后的机车信号感应电压幅值包络进行拟合，
以机车信号感应电压幅值包络的幅值为纵坐标，其所对应的轨道电路位置为横坐标建立坐标系，并按机车信号感应电压幅值包络离轨道电路发送端的近远，其相对应的横坐标为0，1，2，…，以此可得到机车信号感应电压幅值包络曲线；通过使用
的指数项进行拟合，获得机车信号感应电压幅值包络衰减因子b2的值；
第8步：利用第7步得到的衰减因子b2，通过公式(1)计算出无绝缘轨道电路的道砟电阻Rd的大小，公式(1)如下：
Rd＝(b2+a+c/l1+d/l1 2)/b (1)
式中：b2为通过第6步进行指数拟合得到的机车信号感应电压幅值包络的衰减因子；
a，b，c，d为常数因子，不同的无绝缘轨道电路所对应于的a，b，c，d大小不同；
Rd为待测的无绝缘轨道电路的道砟电阻，单位为：Ω·km；
l1为待测无绝缘轨道电路主轨道电路的长度，由第(4)步来确定，单位为：m；
公式(1)是通过对无绝缘轨道电路机车信号感应电压幅值包络进行建模仿真而提出的计算道砟电阻的解析表达式。对于无绝缘轨道电路来说，其机车信号感应电压幅值包络可以用是一个指数趋势项和调幅的三角函数来表示，而道砟电阻的大小对感应电压幅值包络的影响集中体现在其趋势上。对于某一特定载频和补偿电容个数的无绝缘轨道电路，本发明经过研究分析发现，其指数趋势项的衰减因子与主轨道电路的长度(特定的补偿电容个数下对应于一定范围的轨道电路长度)以及道砟电阻值可用一个解析表达式来描述，如公式(1)所示。对于补偿电容个数以及信号载频不同的无绝缘轨道电路，其所对应的公式(1)中的常数因子a，b，c，d也是不同的。本发明根据不同的轨道电路载频和补偿电容个数，建立公式(1)中相应的常数因子a，b，c，d数据库。通过第7步获得实际机车信号感应电压幅值包络的衰减因子后，再根据信号载频和补偿电容个数选择相应的一组a，b，c，d常数因子，结合第4步获得的主轨道电路长度，进而由公式(1)计算出无绝缘轨道电路的道砟电阻值，并将其作为该区段轨道电路的道砟电阻值。
第9步：将第8步所计算得到的道砟电阻值发送至机车信号远程监测系统地面监测客户端上，实现对无绝缘轨道电路道砟电阻的在线监测。可参考图3在线监测方法与机车信号车载系统的组成关系，说明其具体的实现过程，
1.利用以模块化方式集成至机车信号车载记录器中的无绝缘轨道电路道砟电阻测量算法(第1至第8步)计算出道砟电阻值；
2.通过串口将此计算结果传送至机车信号车载远程监测系统的车载监测单元；
3.车载监测单元将道砟电阻计算结果通过GPRS模块发送至机车信号远程监测地面系统的监测服务器，再由服务器通过Internet网络转发至监测客户端上，从而实现道砟电阻的在线监测。
由于本专利提出的道砟电阻测量算法是利用机车信号感应电压幅值包络的整体趋势来进行分析的，因而，其应比“轨入电压法”的单点测量具有更好的抗噪声性能，其测量结果的更为准确和可信。从仿真计算的结果来看，其测量精度可高达98％，满足测量误差要求(工程测试相对误差要求小于10％)，且在道砟电阻越小时其测量精度越高。此外，通过在一个或几个补偿电容容值轻微下降的条件下进行仿真分析可知，该测量方法在此情况下道砟电阻的测量误差仅约为1.3％。由此可知，此方法对于补偿电容容值的轻微下降仍具有较好的测量精度。
本发明所提出的在线监测方法只需利用机车信号感应电压幅值包络等列车运行数据就可以实现道砟电阻的在线监测，测算过程简单、便捷、有效，其测量精度满足一般工程的设计要求；并且，实现监测功能仅需依托现有的机车信号车载系统，不需要增加额外的硬件设备，降低监测成本，有利于全线推广使用。从理论上可知，道砟电阻越大，相应的机车信号感应电压幅值的衰减越小，越有利于轨道电路的正常稳定工作；道砟电阻越小时，越不利于轨道电路的稳定工作，因此，对于道砟电阻的在线监测主要目的是确保其阻值不能低于其规定的道砟电阻值。而本方法在道砟电阻较小时其计算精度高，能有效反映出轨道电路道砟电阻的变化，因此，本发明所提出的道砟电阻在线监测方法能保证道砟电阻处于正常的范围，对确保轨道电路正常工作具有重要的意义。
具体地，为了进一步说明本发明的所达到的有益效果，现以京沪线某区段无绝缘轨道电路不同时期机车通过时所记录的实际数据为例进行说明，如下：
验证方法：利用该区段所对应的机车信号感应电压幅值包络和其他相关信息获得其衰减因子，选择相应的道砟电阻解析表达式计算出该轨道电路的道砟电阻值，再根据该道砟电阻值，模拟实际的无绝缘轨道电路，获得仿真的机车信号感应电压幅值包络，并进行对比分析。
对比分析结论：通过对实际的数据分析，可得该区段道砟电阻在5.34Ω·km～7.58Ω·km之间。基于此实际求得的道砟电阻值，通过模拟仿真后得到的机车信号感应电压幅值包络与实际的幅值包络的相似性在0.996～0.998之间，而残差平方和仅为0.188～0.174，可见本专利所提出的方法是有效的。而且，由于实际的道砟电阻受环境的影响会产生波动，因此，其不同日期所得到不同的道砟电阻值是与实际相符的，这也验证了本方法的正确性。
总之，以上所述仅为本发明技术方案的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (13)
1.一种无绝缘轨道电路道砟电阻在线监测方法，其特征在于：所述方法包括：
获得无绝缘轨道电路主轨道长度和衰减因子；
选择道砟电阻解析表达式；
根据所述的主轨道长度和衰减因子计算得到道砟电阻值；
将所述道砟电阻值发送至地面监测客户端。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述获得主轨道长度方法具体为：无绝缘轨道电路区段长度-电气绝缘节的长度。
3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述无绝缘轨道电路的区段长度的获得方法为：通过相邻无绝缘轨道电路区段的轨道电路信号载频的不同来确定无绝缘轨道电路里程的起始点和结束点。
4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述获得衰减因子的方法具体为：对该区段所对应的机车信号感应电压幅值包络进行计算得到衰减因子。
5.如权利要求4所述的方法，其特征在于，所述的机车信号感应电压幅值包络计算方法具体为：对机车信号感应电压幅值包络进行插值和滤波处理后进行趋势拟合。
6.如权利要求5所述的方法，其特征在于，所述的机车信号感应电压幅值包络插值方法具体为：利用机车信号记录器中的列车运行速度信息及其信号采样率，通过插值算法将机车信号感应电压幅值包络变换为等距离采样的机车信号感应电压幅值包络。
7.如权利要求4所述的方法，其特征在于，所述的机车信号感应电压幅值包络滤波处理方法具体为：对所述经过插值处理后的机车信号感应电压幅值包络进行滤波处理，获得平滑的机车信号感应电压幅值包络。
8.如权利要求4所述的方法，其特征在于，所述的趋势拟合方法具体为：对所述经过滤波处理后的机车信号感应电压幅值包络利用指数函数进行拟合。
9.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述选择道砟电阻解析表达式的方法为：根据轨道电路区段的补偿电容个数和信号载频来选择已建立的道砟电阻解析表达式。
10.如权利要求9所述的方法，其特征在于，所述补偿电容个数的计算方法为：根据轨道电路区段长度及轨道电路信号载频频率值，可通过轨道电路调整表确定出该轨道电路区段所安装的补偿电容个数。
11.如权利要求9所述的方法，其特征在于，所述的已建立的道砟电阻表达式的具体建立过程为：通过建模仿真，获得不同信号载频和补偿电容个数的轨道电路所对应的等间距机车信号电压幅值包络；
通过指数拟合获得不同道砟电阻条件下的衰减因子，从而建立相应的道砟电阻解析表达式。
12.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的根据主轨道长度和衰减因子计算得到道砟电阻值的方法具体为：根据主轨道长度和衰减因子，在机车信号记录器中通过所述选择的道砟电阻解析表达式，求解得到该区段轨道电路道砟电阻值。
13.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述将道砟电阻值发送至地面监测客户端 的方法为：
将道砟电阻值通过串口将此计算结果传送至机车信号车载远程监测系统的车载监测单元；
车载监测单元将道砟电阻计算结果通过GPRS模块发送至机车信号远程监测地面系统的监测服务器，再由服务器通过Internet网络转发至监测客户端上，从而实现道砟电阻的在线监测。
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