CN1537770A - 轨道电路道碴泄漏电阻车载测试方法及其测试设备 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种轨道电路道碴泄漏电阻车载测试方法及其测试设备，该测试方法根据测得出“机车感应电压－距离”曲线，并充分利用一些已知条件，对“机车感应电压－距离”数据进行多点拟合的优化计算，就能得到各区段轨道电路的道碴漏泄电阻值。该测试设备包括电源部分、微处理器部分、串行接口部分、模拟量输入通道、开关量输入通道、速度脉冲输入通道、外部存储器和实时时钟电路、人机接口电路。这种测算方法具有合理数学理论依据，算法本身具备一定的抗噪声性能，测算的准确度和精确度能满足一般工程设计及维护的需要，测试过程简便、快捷、智能化，测试过程不影响被测设备正常工作和行车作业。
Description
技术领域
本发明涉及一种测试方法及其测试设备，特别是指一种轨道电路道碴泄漏电阻车载测试方法及其测试设备。
轨道电路是铁路信号系统中的一种重要基础设施，用于产生并传送轨道是否空闲与是否完整的信息，同时还是通过信号机之间以及地面设备与机车设备之间的信息传输通道。轨道电路是以铁路线路的两根钢轨作为导体的特种电路，其传输性能主要由钢轨阻抗和道床(漏泄)电阻两个重要的一次参数决定。
轨道电路的计算和调整，以至于器材的设计等问题，都需要以一次参数值作为依据来进行。所以，一次参数(特别是道床电阻参数)是铁路信号设计、制造、维护工作的一项必不可少的重要基础数据。
背景技术
到目前为止，国内的轨道电路一次参数测算还只能采用传统的现场人工测试方法完成，即：一般采用开路短路法(包括三电压表法和相位表法)、始端开路短路电压电流和终端开路电压法。不足之处是采用这些方法进行参数测试时，均需要在现场甩、接线，经过人工测试采得数据后，根据传输方程式经手工或计算机辅助计算求解得出。由于传统的测算方法需要逐区段在现场甩、接线，测试和计算工作量大，效率低下，而且影响信号设备正常使用，干扰行车作业；对于电气化牵引区段，由于轨道电路全部接有扼流变压器，现场甩、接线测试更加困难且会造成较大行车干扰。因此，对于繁忙干线，若采用传统的现场测试方法，对数量巨大的轨道电路全部都进行一次参数的测算几乎是不可能的。由于轨道电路的数量巨大及上述原因，目前维护、设计部门是无法全面掌握管内全部轨道电路的一次参数的。铁路信号设计、制造、维护部门急需一种简单、高效、智能化并且不影响信号设备正常使用的测算方法。
本发明的目的在于避免上述现有技术中的不足之处而提供一种轨道电路道碴泄漏电阻车载测试方法及其测试设备。根据通信传输线理论和列车运行时可得到的各种已知条件，建立以道碴漏泄电阻模值为待解变量的数学模型。根据该数学模型，研究测试算法。该测试算法能够在既有的轨道电路参数车载测试系统硬件平台上，利用测试所得的“机车感应电压—距离”(曲线)数据，快速的解算出列车刚走过区段轨道电路的道碴漏泄电阻参数值。所提出的测试方法应突破传统的轨道电路一次参数测算方法。测算过程简便、快捷、智能化，且测算过程不影响信号设备正常使用，基本上不影响正常的行车作业。
本发明的目的可以通过以下措施来达到：
一种轨道电路道碴泄漏电阻车载测试方法，
第1步：获取机车信号感应电压、里程和频率数据，
由车载测试系统存储的信息帧中，读取“机车信号感应电压—里程”数据，以及与这些数据对应的信号载频值；
第2步：判断轨道电路里程的起始点和结束点，
相邻轨道电路区段的信号载频值是不同的，判断出轨道电路里程的起始点和结束点，即确定轨道电路的接收端和发送端里程；
第3步：根据信号频率确定单位钢轨阻抗，
根据该区段轨道电路的信号载频值，通过表1确定单位钢轨阻抗值；
第4步：确定轨道电路区段长度，
轨道电路里程的起始点和结束点确定轨道电路的区段长度l；
第5步：取从接收端起到整个区段2/3处的机车信号感应电压-里程数据用于后续计算，
取靠近轨道电路接收端的，占该段轨道电路总长2/3的数据进行计算；
第6步：判断计算模式是模式1，还是模式2，如果是模式1，转至第7步执行；如果为模式2，则转至第8步执行，
模式1采用单纯形法进行最优化计算，需要进行迭代计算，算法精度高，适用任意长度的轨道电路，但是算法复杂，对微处理器的运算速度要求较高；模式2采用最小二乘法进行最优化计算，不需要进行迭代计算，算法简单，执行速度快，但仅适用于轨道电路长度大于500米的轨道电路区段；
第7步：根据选定的机车信号感应电压-里程数据以及公式(1)，采用单纯形法对三个未知变量进行优化计算。公式(1)如下：
式中： x为列车分路地点距轨道电路接收端的距离，单位：Km；
l为被测轨道电路区段的长度，单位：Km；
ZDXS &为轨道电路发送端的等效内阻抗，单位为：Ω；
Ux为列车在距接收端x处分路时，机车信号感应电压有效值，单位为V；
U0为列车在接收端分路时，机车信号感应电压有效值，单位为V；
z& g为被测轨道电路区段的单位钢轨阻抗，单位：Ω/Km；
rd为被测轨道电路区段的单位道碴漏泄电阻，单位：Ω·Km；
在公式(1)的变量中，rd是待解变量。Ux、U0、x、l能够根据实测“机车感应电压—距离”数据得到。轨道电路发送端等效阻抗ZDXS &通常为感性，其相角在0～π/2之间变化，其幅值通常在0～5Ω之间变化，钢轨阻抗zg &可根据各区段实测信号频率并参照部颁标准得到，P60钢轨在各信号频率下的单位钢轨阻抗如表1所示：
表1单位钢轨阻抗值
| 信号载频(Hz) | 550 | 650 | 750 | 850 |
| 单位钢轨阻抗(Ω/Km) | 5.1∠79° | 5.9∠79.5° | 5.9∠80° | 7.75∠81° |
公式(1)中有3个未知变量待解，即道碴漏泄电阻rd、发送端等效阻抗ZDXS &的相角和幅值，而Ux-x数据有多组，通常车载测试系统每隔1米测得的一组值，一个轨道电路区段能有数百组数据，根据最优化理论，采用单纯形法对这三个未知变量进行综合寻优，可得到与实测机车感应电压—距离曲线拟合最好、均方误差最小的三个变量值，其中计算得出的道碴漏泄电阻值就是该区段轨道电路道碴漏泄电阻的最终计算值；
第8步：根据公式(2)计算rd
第9步：将计算得到rd的作为本区段轨道电路的单位道碴漏泄电阻值。
一种轨道电路道碴泄漏电阻车载测试设备，
电源通过总线供电；
微处理器连接有为测试程序提供的数据空间的数据RAM和用于存放程序代码的程序RAM，
微处理器连接有为微处理器提供复位信号包含看门狗电路的监督复位电路和为微处理器提供系统时钟的晶振，
微处理器通过串口扩展连接有一路是与TAX2箱连接的串行接口，另一路是与GPS板连接的串行接口，
微处理器通过总线驱动和缓冲连接到总线；
采集由机车感应器来的信号，经过对信号进行预处理的限幅和隔离放大，经模数转换器到总线；
采集由机车信号测试接口输出的信号和信息，通过光耦隔离和缓冲驱动电路与总线连接；
接收由速度传感器送出的速度脉冲信号，经过限幅、整形电路、脉冲计数器到总线；
用于存储实时测试所得的所有数据的外部储存器和为系统提供当前时间信息的实时时钟芯片连接到总线；
键盘和液晶单元连接到总线。
本发明相比现有技术具有如下优点：
1.轨道电路道碴漏泄电阻参数车载测试方法具有明确、合理数学理论依据，由该测算方法得出的测算结果符合客观实际。经过多次测试和结果对比，证明该方法算法正确，测算结果可信，在通常情况下，测算的准确度和精确度能满足一般工程设计及维护的需要。
2.在满足一定测试取样步长要求的条件下，轨道电路道碴漏泄电阻参数车载测试方法可适应既有各种(能形成的“机车感应电压—距离”数组的)轨道电路测试系统平台，并可“嵌入”式工作，为推广应用提供了条件。
3.轨道电路道碴漏泄电阻参数车载测试方法测算过程简便、快捷、智能化，劳动效率数百倍于传统测算方法；测试过程不影响被测设备正常工作和行车作业；为信号设计、维护部门全面掌握管内移频轨道电路道床电阻参数，指导设计、维护工作提供了基本条件，对于推动信号设计、维护工作的科学化、现代化具有较大意义。
附图说明
图1.车载测试程序的流程图；
图2.车载测试设备原理图。
具体实施方式
根据四端网理论(或电报电话传输线理论)，在已知轨道电路发送电压、始端等效阻抗、终端等效阻抗、分路电阻值以及轨道电路的一次参数(即钢轨阻抗和道床漏泄电阻)的条件下，可计算出在轨道电路沿线任意一点分路时，分路点钢轨电流的变化曲线。由于机车信号接收线圈的感应电压是轨道电路的短路电流的函数，且成正比关系，故机车信号接收线圈的感应电压曲线可替代分路点的钢轨电流变化曲线，即机车信号接收线圈的感应电压曲线可反应在特定参数条件下轨道电路的综合特性。
请参靠图1车载测试程序的流程图，说明轨道电路道碴泄漏电阻车载测试方法。
第1步：获取机车信号感应电压、里程和频率数据
由车载测试系统存储的信息帧中，读取“机车信号感应电压—里程”数据，以及与这些数据对应的信号载频值。
第2步：判断轨道电路里程的起始点和结束点
一般地，相邻轨道电路区段的信号载频值是不同的，根据这一特点，能够判断出轨道电路里程的起始点和结束点，即确定轨道电路的接收端和发送端里程。
第3步：根据信号频率确定单位钢轨阻抗
根据该区段轨道电路的信号载频值，通过查表(见表1)，确定单位钢轨阻抗值。
第4步：确定轨道电路区段长度
轨道电路里程的起始点和结束点确定轨道电路的区段长度l。
第5步：取从接收端起到整个区段2/3处的″机车信号感应电压-里程″数据用于后续计算
为了在最优化计算中，尽量减小信号电压波动对测试结果的影响，仅取靠近轨道电路接收端的、占该段轨道电路总长2/3的数据进行计算。
第6步：判断计算模式是模式1，还是模式2？如果是模式1，转至第7步执行；如果为模式2，则转至第8步执行。
模式1采用单纯形法进行最优化计算，需要进行迭代计算，算法精度高，适用任意长度的轨道电路，但是算法复杂，对微处理器的运算速度要求较高；模式2采用最小二乘法进行最优化计算，不需要进行迭代计算，算法简单，执行速度快，但仅适用于轨道电路长度大于500米的轨道电路区段。
第7步：根据选定的″机车信号感应电压-里程″数据以及公式(1)，采用单纯形法对三个未知变量进行优化计算。公式(1)如下：
式中：x为列车分路地点距轨道电路接收端的距离，单位：Km；
l为被测轨道电路区段的长度，单位：Km；
ZDXS &为轨道电路发送端的等效内阻抗，单位为：Ω；
Ux为列车在距接收端x处分路时，机车信号感应电压有效值，单位为V；
U0为列车在接收端分路时，机车信号感应电压有效值，单位为V；
zg &为被测轨道电路区段的单位钢轨阻抗，单位：Ω/Km；
rd为被测轨道电路区段的单位道碴漏泄电阻，单位：Ω·Km。
在公式(1)的变量中，rd是待解变量。Ux、U0、x、l能够根据实测“机车感应电压—距离”数据得到。轨道电路发送端等效阻抗ZDXS &通常为感性，其相角在0～π/2之间变化，其幅值通常在0～5Ω之间变化。钢轨阻抗zg &可根据各区段实测信号频率并参照部颁标准得到，P60钢轨在各信号频率下的单位钢轨阻抗如表1所示：
表1单位钢轨阻抗值
| 信号载频(Hz) | 550 | 650 | 750 | 850 |
| 单位钢轨阻抗(Ω | 5.1∠ | 5.9∠ | 5.9∠ | 7.75 |
| /Km) | 79° | 79.5° | 80° | ∠81° |
综上分析，公式(1)中有3个未知变量待解，即道碴漏泄电阻rd、发送端等效阻抗ZDXS &的相角和幅值，而Ux-x数据有多组，通常车载测试系统每隔1米测得的一组值，一个轨道电路区段能有数百组数据。根据最优化理论，采用单纯形法对这三个未知变量进行综合寻优，可得到与实测“机车感应电压—距离”曲线拟合最好、均方误差最小的三个变量值，其中计算得出的道碴漏泄电阻值就是该区段轨道电路道碴漏泄电阻的最终计算值。
第8步：根据公式(2)计算rd
第9步：将计算得到rd的作为本区段轨道电路的单位道碴漏泄电阻值，计算结束。
从理论分析看，该测算方法充分利用了已知条件来进行多点拟合的优化计算，因此，其计算精度和可信度应优于(只采用三点或两点测试计算的)传统测算方法。根据现场需求，可以采用模式1或模式2完成计算。此外，这种最优化计算方法本身就遵循了均方误差最小准则，具备一定的抗噪声性能。从仿真计算的结果来看，其精度是满足(相对误差小于10％的工程测试)要求的，且道床漏泄电阻值越小时计算精度越高。
请参考图2车载测试设备原理图，说明车载测试硬件结构，
1.电源部分
采用电池或机车110V电源供电。“电源开关”用于控制电源的通断。“电源变换”电路将初级电源输出转换为电路板工作所需的3.3V电压。“电源监视”电路用于实时监测电源的波动情况，并通过总线与微处理器联结。
2.微处理器部分
“微处理器”为中央处理器，系统的核心处理和控制部件；
“数据RAM”为测试程序提供的数据空间；
“程序RAM”用于存放程序代码；
“监督复位电路”为微处理器提供复位信号，并包含“看门狗”电路；
“晶振”为微处理器提供系统时钟；
“总线驱动和缓冲”用于保证总线工作的稳定性和可靠性。
3.串行接口部分
串行接口有两路，用于传输列车定位信息。一路是与TAX2箱联结的串行接口，另一路是与GPS板联结的串行接口。两路可以同时工作或根据需要仅有一路工作。
4.模拟量输入通道
采集由机车感应器来的信号，经过“限幅”和“隔离放大”对信号进行预处理，送入“模数转换器”，将模拟信号转换为数字信号，供微处理器分析处理。为了保证模数转换的精度，其参考电源采用基准电压源，并设计自校准电路。
5.开关量输入通道
采集由机车信号测试接口输出的50V开关量信号，共有16路，包括L、LU、U、U2、UU、HU、H、B共8路灯位信息，以及SD1、SD2、SD3、ZS、JY、SX、XX共7路辅助信息，再增加一路反映50V电源是否正常的信息(将测试接口的+50V输出作为1路)。16路开关量通过“光耦隔离”和“缓冲驱动电路”与总线联结。
6.速度脉冲输入通道
接收由速度传感器送出的速度脉冲信号，经过“限幅”和“整形电路”(施密特触发器)，送至“脉冲计数器”(16位循环计数器电路)，微处理器定时读取计数值，通过计算与前一次技计数的差值得到列车的运行速度。
7.外部存储器和实时时钟电路
“外部储存器”用于存储实时测试所得的所有数据，以信息帧的形式存放。
“实时时钟芯片”为系统提供当前时间信息，是信息帧的一个字段。
8.人机接口电路
“键盘”用于输入测试参数，实现测试过程控制。
“液晶”单元用于显示与测试有关的信息，包括被测线路、测试日期、测试人员、当前时间、信号载频、机车信号输出信息、TAX2里程、GPS坐标、速度传感器、电压有效值、前一区段道碴电阻值等。
该轨道电路道碴泄漏电阻车载测试方法及其测试设备工作过程是：在列车运行过程中，通过试验车上的车载测试装置对轨道电路各点的列车分路电流进行在线实时采样，同时测出各段轨道电路的信号载频及列车移动距离，采用本专利提供的测试算法对采样数据进行多点拟合和优化运算，从而得出各区段轨道电路的道碴漏泄电阻参数。
京广线隧道群移频轨道电路道床电阻参数测试，其误差分析如下：
(1)移频轨道电路计算误差分析
验证方法：由计算机模拟实际轨道电路情况，给出多组(轨面电压-里程)数据，由道床漏泄电阻计算程序反算道床漏泄电阻，并进行误差分析。
误差分析结论：移频轨道电路在道床漏泄电阻0.1～5Ω·km的有效检测范围内，测算误差基本满足相对误差小于10％的工程设计要求。
(2)叠加白噪声时移频轨道电路的计算误差分析
验证方法：由计算机模拟实际移频轨道电路情况，给出多组(轨面电压-里程)数据，并叠加一定成份的白噪声，由道床漏泄电阻计算程序反算道床漏泄电阻，并进行误差分析。
误差分析结论：移频轨道电路在道床漏泄电阻0.1～5Ω·km的有效检测范围内，和迭加噪声信号为“0.005方差，0均值”条件下，测算误差基本满足相对误差小于10％的工程设计要求。
该轨道电路道碴泄漏电阻车载测试方法及其测试设备，测算的准确度和精确度能满足一般工程设计及维护的需要，可适应既有各种轨道电路测试系统平台，其测试简便、快捷、智能化，测试过程不影响被测设备正常工作和行车作业轨道电路道碴泄漏电阻车载测试方法及其测试设备。
Claims (2)
1.一种轨道电路道碴泄漏电阻车载测试方法，其特征在于：
第1步：获取机车信号感应电压、里程和频率数据，
由车载测试系统存储的信息帧中，读取“机车信号感应电压-里程”数据，以及与这些数据对应的信号载频值；
第2步：判断轨道电路里程的起始点和结束点，
相邻轨道电路区段的信号载频值是不同的，判断出轨道电路里程的起始点和结束点，即确定轨道电路的接收端和发送端里程；
第3步：根据信号频率确定单位钢轨阻抗，
根据该区段轨道电路的信号载频值，通过表1确定单位钢轨阻抗值；
第4步：确定轨道电路区段长度，
轨道电路里程的起始点和结束点确定轨道电路的区段长度1；
第5步：取从接收端起到整个区段2/3处的机车信号感应电压-里程数据用于后续计算，
取靠近轨道电路接收端的，占该段轨道电路总长2/3的数据进行计算；
第6步：判断计算模式是模式1，还是模式2，如果是模式1，转至第7步执行；如果为模式2，则转至第8步执行，
模式1采用单纯形法进行最优化计算，需要进行迭代计算，算法精度高，适用任意长度的轨道电路，但是算法复杂，对微处理器的运算速度要求较高；模式2采用最小二乘法进行最优化计算，不需要进行迭代计算，算法简单，执行速度快，但仅适用于轨道电路长度大于500米的轨道电路区段；
第7步：根据选定的机车信号感应电压-里程数据以及公式(1)，采用单纯形法对三个未知变量进行优化计算。公式(1)如下：
式中：x为列车分路地点距轨道电路接收端的距离，单位：Km；
l为被测轨道电路区段的长度，单位：Km；
ZDXS &为轨道电路发送端的等效内阻抗，单位为：Ω；
ux为列车在距接收端x处分路时，机车信号感应电压有效值，单位为V；
U0为列车在接收端分路时，机车信号感应电压有效值，单位为V；
Zg &为被测轨道电路区段的单位钢轨阻抗，单位：Ω/Km；
rd为被测轨道电路区段的单位道碴漏泄电阻，单位：Ω·Km；
在公式(1)的变量中，rd是待解变量。Ux、U0、x、l能够根据实测“机车感应电压—距离”数据得到。轨道电路发送端等效阻抗ZDXS &通常为感性，其相角在0～π/2之间变化，其幅值通常在0～5Ω之间变化，钢轨阻抗Zg &可根据各区段实测信号频率并参照部颁标准得到，P60钢轨在各信号频率下的单位钢轨阻抗如表1所示：
表1单位钢轨阻抗值
信号载频(Hz)
550
650
750
850
单位钢轨阻抗(Ω/Km)
5.1∠79°
5.9∠79.5°
5.9∠80°
7.75∠81°
公式(1)中有3个未知变量待解，即道碴漏泄电阻rd、发送端等效阻抗ZDXS &的相角和幅值，而Ux-x数据有多组，通常车载测试系统每隔1米测得的一组值，一个轨道电路区段能有数百组数据，根据最优化理论，采用单纯形法对这三个未知变量进行综合寻优，可得到与实测机车感应电压—距离曲线拟合最好、均方误差最小的三个变量值，其中计算得出的道碴漏泄电阻值就是该区段轨道电路道碴漏泄电阻的最终计算值；
第8步：根据公式(2)计算rd
第9步：将计算得到rd的作为本区段轨道电路的单位道碴漏泄电阻值。
2.一种轨道电路道碴泄漏电阻车载测试设备，其特征在于：
电源通过总线供电；
微处理器连接有为测试程序提供的数据空间的数据RAM和用于存放程序代码的程序RAM，
微处理器连接有为微处理器提供复位信号包含看门狗电路的监督复位电路和为微处理器提供系统时钟的晶振，
微处理器通过串口扩展连接有一路是与TAX2箱连接的串行接口，另一路是与GPS板连接的串行接口，
微处理器通过总线驱动和缓冲连接到总线；
采集由机车感应器来的信号，经过对信号进行预处理的限幅和隔离放大，经模数转换器到总线；
采集由机车信号测试接口输出的信号和信息，通过光耦隔离和缓冲驱动电路与总线连接；
接收由速度传感器送出的速度脉冲信号，经过限幅、整形电路、脉冲计数器到总线；
用于存储实时测试所得的所有数据的外部储存器和为系统提供当前时间信息的实时时钟芯片连接到总线；
键盘和液晶单元连接到总线。
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