TWI393648B

TWI393648B - 軌道電路中之量測資料的評估方法及裝置

Info

Publication number: TWI393648B
Application number: TW96140178A
Authority: TW
Inventors: Peter Ellenberger; Tobias Schluer
Original assignee: Siemens Schweiz Ag
Priority date: 2006-10-30
Filing date: 2007-10-26
Publication date: 2013-04-21
Also published as: WO2008052643A2; EP2084048B1; EP2084048A2; TW200831336A; WO2008052643A3

Description

軌道電路中之量測資料的評估方法及裝置

本發明涉及一種軌道電路中之量測資料的評估方法及裝置。此外，本發明涉及一種使用軌道電路來指出閒置(idle)狀態用的方法和裝置。

就軌道之操作上的導引而言，與機動車所佔用之軌道區段有關的資訊一定是需要的。此資訊在道路的定位和分辨時扮演重要的角色。就一佔用區之辨認而言，有很多不同的技術。本發明的原來出發點是以傳統技術的電路配件來擴大的軌道電路。功能上的原理較簡單且可簡短地預設完成。待監視的鐵軌的軌道劃分成二個區段且相隔開。發送器施加一種電壓至該相隔開的區段之一末端。接收器在該區段的另一末端上評估該電壓。當一列車駛入該區段時，該列車的軸使該鐵軌之二個互相隔開的軌道短路且該鐵軌處於軌道接地電位處。所接收的信號因此會受到抑制。依據該接收器所作的評估將告知該區段已被佔用。

就上述構造上的基本原理而言，存在著很多很不相同的產品。這些產品之不同之處主要是在所選取的發送信號和該接收組件中的評估方法。然而，亦有一種所謂無撞擊式鐵軌電路，但此種鐵軌電路在二個相鄰的電路之間的邊界具有某種程度的重疊。於是，在轉轍器和交差點之區域中多個佔用區的明確劃分是不可能的。

一種在先前技術中已為人所知的實施形式是古典式直流軌道電路。其原理促成一種位於軌道區段上的直流電路的形成且道床電阻的大小不同的二個軌道串聯地處於該軌道區段中。運行時並聯的軸可使回路中的電阻下降。此原理就像第1圖所示一樣地工作著。最簡單的解決方式是使用一種串聯在電路中的繼電器(relay)作為接收器以偵測該區段的佔用情況。

另一習知的實施形式是藉由旋轉三相電流網路來對軌道電路(GSK)供電。於是，在行駛時可確定一種差動-變壓器形式的裝置或個別的馬達亦可以是一種電動軸的形式。製造商Siemens稱此種產品為馬達繼電器。在運行時，電路的以下參數會改變，即，頻譜、相位、功率。因此，馬達轉子之接地處作為慣性濾器(inertia filter)，其具有起動延遲性以抑制短時間的干擾作用。

軌道電路(GSK)之原理是以一種頻率是50Hz或60Hz之100V AC(大部份是230V)的電壓來連續地操作或以脈波來操作。較高的電壓用來打開各隔離層(例如，軌道滑動面上的爐格)。由於高的功率，因此須設置所需的干擾間距。

因此，由先前技術開始，本發明中值得追求的目的是，針對電磁干擾的影響使軌道電路的可靠性及其強固性可進一步獲得改良。

在本發明的過程中，上述目的藉由一種指出軌道區段之閒置狀態用的系統和方法來達成，其中：a)區段之長度藉由一種中斷於二個末端的軌道來定義； b)在軌道的一個末端上供應一種交流電壓以作為輸入信號，其具有二個可交替的頻率；c)在軌道的另一個末端上測得一輸出信號；d)對所測得的輸出信號之該二個頻率中的成份進行分析；以及e)依據極限值比較而得的分析來決定該軌道具有何種狀態。

以上述方式，考慮一種以已定義的任務周期比來定義的交流電壓以確定一軌道的佔用狀態，該交流電壓之頻率較佳是與該牽引電源所使用的頻率之諧波不一致。可確定所選取的取樣頻率以對所需的反應時間起反應而提供安全技術上的操作狀態。

上述方法可繼續訓練成本發明的形式，此時可以各過程之數學上的計算為基準來使用很有效率的信號處理。此種處理即時(real time)地以一種適合用來設定目的之信號-資料-拾取用的掃描區來進行。數位化的值特定地傳送至對個別的目的設定所形成的評估通道中。

本發明的較佳的實施例以下將依據圖式來詳述。

以下將描述Siemens Schweiz AG(西門斯瑞士股份公司)之通用型軌道電路(UGSK)。此系統由二個部份構成：外部設備部份，其在基本設施(即，軌道區段)上形成實際的接合；以及信號塔中的內部設備部份，其具有所屬的電路以產生信號且對閒置(free)狀態和佔用狀態進行評估。

外部設備部份基本上由軌道變壓器所構成，其在二個區段末端上具有接線。軌道變壓器將連接至信號塔之電纜上的已發送的高電壓轉換成一種可用於軌道設備的數伏特的小電壓。軌道變壓器另外設有一種高通濾波器，其可保護該發送器和接收器之電路使不受來自軌道的16.7Hz或50Hz之牽引(traction)主電源之牽引電流之高能量的干擾所影響。

「內部設備」部份由二通道的電壓供應器，一用來監視功能的微控制器以及一作為信號處理和使用者介面用的信號處理器所構成。須使發送用導線和接收用導線之電位隔離。安全繼電器作為狀態指示用。發送器和接收器由於干擾隔離技術上的原因而在空間中直接相鄰。

通用型軌道電路(UGSK)使用一種間斷(pause)調變式正弦信號，其可選擇的基頻是137.5Hz，175Hz或223Hz。經常須調整此系統，使發送器所使用的頻率與相鄰區段的頻率不同。發送器的位準可調整且可依據外部的情況來調整。在周期是200ms時發送間斷期間和發送相位之間的比值是3：2。

該接收器在輸入端處具有99級(order)數位式FIR濾波器。第2圖顯示該發送信號和接收信號在未干擾狀態下經過濾波器之後的時間曲線圖。就佔用狀態的確定而言，該發送周期劃分成五個區間，其周期分別為T=40ms。爆發(burst)期間2和3用來辨認一種佔用狀態。間隙(gap)期間可辨認出軌道中由於電流所造成的干擾。二個斜坡期間1 和4在評估時未被考慮，此乃因其資訊內容不能使用。

期間1至5之整體上的劃分是相對於發送器的周期以依據軌道電路中的運行時間而偏移11ms。藉由此種偏移，則該間隙期間可較佳地置於信號間斷期間上。

為了評估區段狀態，則該接收信號之值可經由一期間來積分。

第3圖顯示臨界(threshold)值，其用來評估已算出的位準P。若一爆發期間的位準已達到一臨界值，則該期間適合用作閒置(free)期間。若一預定數目的爆發期間已被辨認為閒置期間，則該軌道區段即為閒置狀態。當數個期間的位準小於一較低的極限值時，該區段已被佔用。

間隙期間的評估用來辨認各種干擾。一間隙期間內若已確定一種不允許的高位準，則此期間被視為”受到干擾”。在辨認各種干擾時，一種間斷調變的信號的使用具有不可否定的優先權，特別是干擾現象發生在濾波器之導通區時。然後，在選取該濾波器時須使干擾現象削減，此乃因接通/斷開相位不能用來進行評估。

一種佔用狀態必須依據表1在300ms之後發出。此種需求限制了濾波器的級數且因此亦限制了干擾的免除性。為了可正確地顯示此問題，以下將描述各種不同的干擾。這些干擾因此亦可顯示各種新方法的限制。

另一方法同樣由發送器和接收器等二個主要功能部所構成。發送器同樣在軌道區段中發出一種信號u=f(t)。然而，有利的方式是由正弦信號源交替地或同時發出二個或更多的頻率。在接收器此側可對受到軌道區段之傳送特性-以及個別的運行況所影響的信號進行接收。該接收信號傳送至一種A/D轉換器，其以較高的取樣速率將該輸入信號轉換成數位式信號。一種已定義的視窗”即時”地在各步驟中向前偏移，此種視窗具有一種由將使用的FFT方法所設定的數目之值(2ⁿ )，其是藉由一種例如平均值形成法、由N取1、尖峰值、最小值(及其它)等方法由AC/DC過(over)取樣速率而下降的離散式測量值所獲得。在每一步驟中，所得的結果在受監視的頻率區中以離散式振幅值的形式傳送至現有的評估單元。各評估單元隨後即依據預設的準則來評估振幅及/或頻率之時間曲線，且由此導出例如一種對佔用情況的特定的判定。

軌道操作時所產生的干擾可劃分成靜態和動態干擾。所有外部有規律的操作情況都屬於靜態干擾，其與基本設施(軌道設備和安全設備)之錯誤有關且未必由一機動車所觸發。該些干擾可突然發生，但會持續一段長的時間。該些干擾大部份都需要人員的介入。反之，動態干擾是由機動車之能量接收和釋出所造成，其在規律的軌道操作中會造成電性上和電磁上的影響。

準確地描述動態干擾是困難的，此乃因其種類很多且持續期間、頻率和振幅等會受到大的變化。

目前的系統區分出三種不同的靜態干擾。

a)道床(road bed)干擾

就軌道電路之操作而言，道床干擾是一種危險的干擾。當該接收位準介於佔用狀態所需的臨界值和閒置狀態所需的臨界值之間時，可辨認此道床干擾。此系統不再能可靠地確定”該區段是否為閒置或已被佔用”。其原因一方面是該道床電導值不能提高，使該軌道中無機動車時的位準衰減得太大。另一方面是並聯電阻會由於設有爐格的車輪運行面或軌道運行面而變大，使並聯電阻和上述位準即使在佔用的情況下亦不能變成足夠小。

當機動車又已離開該區段或該基本設施設定在一種狀態時，該干擾即消失。

b)過度驅動

另一種危險的干擾是過度(over)控制，其發生在該發送器的位準調整成過高時。在此種情況下，該接收器亦不能對該軌道的佔用狀態作出可靠的描述，此乃因該位準在不足夠的佔用情況下未下降至該臨界值以下。此種錯誤同樣只能藉由使用者介入至該發送器來排除。

c)隔離之瞬間橋接

一種隔離之瞬間橋接可使二個相鄰的軌道區段之間不再隔離。軌道電路在未使用的頻帶中確定相鄰區段的發送器且因此可辨認該干擾。該干擾需要人員介入至基本設施中來處理。該些干擾可藉由臨界值以單獨地由該爆發期間之評估來測得。此時不需考慮上述的間隙期間。

對軌道電路造成危險的動態干擾是由牽引電流所造成的干擾。該牽引電流流經架空導線、機動車且隨後又流回到電源。電流的一部份經由軌道而流回，另一部份流經架空導線桿上的接地線且一小部份流經接地處。在多軌之設備中，返回的電流同樣可流經相鄰軌道且在該處造成干擾而未經過該相鄰軌道。鐵軌系統對返回的電流而言因此就像一種多導體系統一樣。

最壞之情況下假設一機動車位於該區段之外部，但該電源是在相對的側面上。整個牽引電流應只經由軌道而流回，此乃因不能確保一種接地線的存在以及因此亦不能確保可接地。

接收器上的電壓如下所示：

吾人可辨認出該干擾主要是該干擾電流振幅i_Tr 和區段長度1之函數。該干擾電壓對應於該發送器和該接收器上的阻抗而被劃分。由第4圖之軌道等效電路圖所形成的電阻和電感片段必須劃分成一半，此乃因這些值是二個軌道所共用。

沿著已隔離的軌道之電壓降是可忽略的，此乃因其縱向電阻較終端的電阻小很多。與區段長度簡單地相乘是允許的，此乃因在已接地的軌道中不會產生漏電效應。現代的三相電流同步驅動技術已在最近20年中廣泛地排除了串聯馬達和截波技術以及鐵道中的直流驅動器。功率電子元件的進步通常可達成較高的機動車功率以及敏感的控制。然而，變頻器機動車對多種軌道裝置已有重大的影響。耦合現象會由於電磁場或牽引電流所造成的電鍍而發生。相對於計軸器系統而言，軌道電路對電磁干擾的敏感性較由牽引電流所造成的直接干擾的敏感性還低。

由使用變頻器機動車所造成的主要變化是，該牽引電流中的頻率成份幾乎是任意的。最大的干擾是由16.7Hz或50Hz之基本波以及相對應之已衰減的諧波所產生。於是，會造成各種干擾，其由驅動器而耦合至該牽引-機動車-變壓器之主繞組側。各種干擾的頻率直接與馬達的瞬間基本頻率有關且因此亦與馬達的轉速有關。此外，列車的匯流排之回線(1000V供電)同樣經由軌道而延伸。

由於所連接的使用元件(即，變頻器)之數目和種類很多，因此不容易測得各種干擾的影響。在軌道的廣的頻帶中且因此在濾波器之導通區域中會產生干擾現象。

濾波器之導通區域中的干擾對佔用狀態的整合而言是一種即時的危險。一方面是該發送信號可被觸發且產生一種虛假之佔用狀態。另一方面是雖然實際上已佔用該接收器，該位準仍很大而產生一種虛假的閒置狀態指示。因此，該接收器在干擾作用下不能對該佔用狀態作出可靠的描述。該干擾只能藉由一種附加資訊之評估才可辨認出。在上述的解法中，須評估該間隙期間的位準。當該位準超過一種臨界值(干擾電流極限值)時，可辨認一種干擾。

上述的事實對上述的通用型軌道電路(UGSK)系統的邊界會造成干擾。通常，在由牽引電流所造成的多種作用的集結下會又一次對該接收器信號的評估造成干擾性的影響。結果，通用型軌道電路(UGSK)將受到阻礙。

一種已辨認為虛假的佔用狀態將該系統設定成安全狀態，但因此所需要的人員的介入是一種危險的過程且因此會產生各種防礙操作的延遲時間。

本發明的目的是針對各種牽引的影響來達成一種高的干擾免除性。這樣可使可利用率改良且使危險的介入過程的機率下降，或在該可利用率和安裝性保持相同的情況下使可允許的區段長度增長。

然後，討論最重要的預考慮事項和邊界條件。接收器的特性是干擾免除性改良時的重點。該發送信號未含有資訊技術上的資訊。該接收器不必對來自一傳送通道的資訊進行解碼且不必繼續傳送。反之，在該接收信號中必須可靠地辨認一種干擾且作有意義的評估。該評估標準依據所需求的最低安全性以及該系統之高的可利用率來進行。

在使用軌道電路時，軌道操作員定義一種可允許的位準和可使用的頻率。這是以軌道上的特定測量為基準。就新的軌道電路而言，有效頻率不應低於200Hz。由於須有效地繼續使用舊有的外部設備，超過250Hz的頻率是不適當的。第5圖顯示各種發送頻率選取時的另一外觀。頻率介於基本頻率之各諧波之間時是有利的。在此種考慮下，可設定各種頻率f1=208.1Hz,f2=224.2Hz且f3=241.3Hz。這些頻率可使用在新方法中的所有其它的形式中。三種頻率是需要的，以便可在轉轍器現場中使軌道電路互相隔開。這樣可辨認出隔離之瞬間橋接之錯誤。

藉由上述頻率亦可廣泛地確定該發送信號之振幅，其須足夠大，以便在道床劣化時可確保一種可靠的辨認。其它的限制如上所述，是為了在道床良好且因此損耗較小時不會對該接收器造成過度驅動。然而，振幅和頻率之調變是可行的。此外，在軌道電路上就佔用狀態的辨認而言會有時間上的限制。評估過程須在一確定的時間極限中可靠地辨認一種佔用狀態的更替。操作員須定義此種時間，此時間須由事件的產生延續至通知信號塔為止。然後，須進行該辨認，使各輸出單元(例如，安全繼電器)能可靠地受到控制且又可被讀出。所設定的50ms對本發明而言是足夠的。

在二個軌道之間以一種金屬構造的零件來形成短路時對該軌道之佔用狀態所顯示的結果是：該佔用資訊只包含在所接收的信號的振幅中。該佔用狀態的判定只藉由該接收器上的信號大小來與固定的臨界值相比較才可達成。可選擇性地/適應性地製備各種臨界值的習知方法並不存在。臨界值是依據氣候的特徵值或軌道道床之導電性之特徵值來導出。因此，亦可相對應地對該發送位準進行調整。

規定的功能所需的臨界值之定義如下：

臨界值Pmax是最高的臨界值。條件P1>P2定義了一種介於閒置狀態指示FM和佔用通知BM之間已禁止的中間區。

在前述各段中，所用的習知原理以1至4個用於GSK之一般特性來描述。因此，依據前述USGK之例子以其作用環境來描述。

現在，顯示新的方法，其相對於目前的原理具有重要的優點且可具有一種較前述原理高很多的評估效率。於是會產生一種具有新特性的已擴大之方法。

然後，以下將在個別的功能方塊中描述軌道電路之原理。信號路徑中的各站適合用來說明整個新的功能環境。

軌道電路電子元件 包括：信號發送器 ，其經由耦合網路供應/發出一種對該軌道之網路和該牽引之影響是適當的發送信號(頻率和振幅)至該區段的一末端，以及信號接收器，其適合用來在該區段的另一末端上經由該耦合網路而由該軌道區段中正確地接收由該軌道的個別狀態(閒置狀態或佔用狀態)所發出或受到該牽引作用所影響的發送信號，以及信號評估器，其藉由最佳化的方法來進行資料整理，其結果以每單位時間適合於個別目的之資料密度的方式傳送至對一目的是最佳的處理單元中。該接收信號之此種連續的評估允許可靠地偵測出各種狀態「空閒、被佔用和被干擾」且另外可辨認其它的影響值，以及輸出單元，藉由繼電器以用來輸出「空閒、被佔用和被干擾」通知至信號塔，以簡易地讀回已輸出的狀態。

發送器

該發送信號和已選取的評估方法互相調整。此方法主要在於產生一種準(quasi)連續的發送信號，其能可靠地辨認各種干擾，這以下將再描述。相對於目前已知的方法而言，此發送器使用二種頻率，其交替地在對稱的掃描區中發出。此二種頻率由大部份情況下是三種或更多種的頻率來決定。

藉由”2與2”之組合，可對相鄰之軌道電路予以劃分，且在發生一種未發送的頻率時能以所產生的實際特徵來辨認一種軌道-隔離時橋接之錯誤。在所建議的解法中，頻率的選取對本方法無影響，但該發送器之相對應的參數化以及處理用的演算法是需要的。

“250ms內辨認一種有效的佔用情況”可藉由所選取的解法以二種發送頻率最佳化地來促成。然後，必須可持續地測得一種佔用狀態之與信號技術有關的構造。一種連續信號之使用可提供此種可能性，但在辨認該發送頻率附近的有作用的干擾時會有缺點。

為了避開此缺點，該發送信號以下述方式而被參數化。

(每一通道之)二個發送頻率之發送期間例如固定在170ms。

針對該信號評估方法以適當地調整各發送頻率，即，各發送頻率可稍微對該軌道驅動器的預設量形成偏移。

就新的解法而言，該三個預設的頻率(二個用在一區段中)在傅立葉(Fourier)轉換之離散式掃描區中偏移。在此種情況下，在遵守該接收-和評估側之全部需求下一種適應過程會造成以下的頻率。這是舉例性的，在FFT特性的範圍中任意的決定是可能的；f1=206.25Hz,f2=225Hz以及f3=243.75Hz。以下的第6圖顯示上述已調整的方式之優點。

接收器

在接收器上未設定特殊的需求。反之，該接收器具有位準-調整的目的以保護各輸入端使不致於受到過度驅動。此外，一種對導線以及該接收傳送器的調整是需要的，以達成一種最小的影響。

評估

由該區段所取出之會受到個別的佔用狀態和該牽引電流所影響的發送信號傳送至A/D轉換器。

該轉換快速地且藉由大約10：1之速率的過度取樣以對應於該輸入信號的特性來進行處理。所使用的方法連接於各種不同的方法以產生一種準連續的發送信號，其能可靠地辨認多種干擾。相對於目前所使用的方法而言，該發送器使用二種頻率，其交替地使用。在此二種屬於此系統之頻率之一之中實際上所發出和接收的頻率可顯示實際的佔用狀態或其時間曲線。就實際上未發出的頻率而言，可對到來的干擾進行評估。此外，藉由各區段之間的軌道不予隔離，則相鄰電路之不屬於GSK之上述頻率可被偵測出。目前為止所使用的方法之差別在於，不是濾波器被接通或斷開，而是在時間上已定義的區段中以一評估演算法來存取且使用一種對實際的發送頻率已調整之參數組。

在評估時通常可藉由A/D轉換器來使該接收信號不連續(discrete)且藉由FFT而在時間視窗中分析實際的信號曲線。視窗之時間區間可調整至對佔用狀態的辨認是有意義的頻譜中。在評估時，可使用二種方法，即，連續的方法和不連續的方法。若對一種狀態(例如，區段的佔用狀態)之可靠的偵測需要短的決定時間，則使用連續的評估方法。對該區段的閒置而言，例如，對一種隔離時橋接的偵測以及對牽引干擾作用之監視而言，不連續的評估是有利的。該不連續的方法允許對由連續的方法所形成的任意數目的n個解析步驟中的頻譜進行評估。可有利地以發送頻率切換用的時間上已定義的位置來分析一種時間視窗之信號曲線。

連續評估的細節

一種256點大小的FFT視窗隨著一數位式輸入信號值之每次的到來而逐步地向前滑動，將實際上已轉換的動量值附加在尖峰上且消除最長久之值(FILO)。在每一前進步驟之後，進行一種FFT。就實際上已評估的視窗而言，會產生二種成份可變的頻率成份，該二種成份之和是固定的。於是，該發送頻率之周期性的切換不會對該處理產生作用。

不連續評估的細節

連續評估的FFT視窗亦可未變化地在不連續的評估中用作資料源。然而，不是在每一步驟中都需取出資料，而是在N個步驟之後或在一已定義的時間點上針對二個不同頻率所需的發送期間來取出資料。此種對時間上的評估允許詳細地辨認出全部的事件，其與系統時序未同步且在時間上與該系統時序的關係只是短時間地(瞬間)發生而已。

評估演算法1 區段佔用(連續地)

瞬間發出的頻率之振幅值由該藉由FFT所算出的頻率成份連續地由每一所產生的FFT視窗所取出且對該佔用資訊進行評估。此二種交替發出的頻率不影響該評估方法。該發送信號之振幅的時間曲線藉由辨認該表1中已達成的狀態1和2用的一種振幅評估而在包含表2中已確定的時間準則下測得(亦請參閱第19圖)。

評估-演算法2 牽引之干擾作用(不連續地)

實際上未發出之頻率中接收振幅之與演算法1相同的分析允許在實際的時間點中對該頻率之干擾作用進行判定。

由於由牽引作用所造成的干擾作用在大部份時間中都明顯地處於該掃描區之間斷時間上方，則亦會對該發送信號之評估的影響形成一種指示值。

評估-演算法3 其它影體(不連續地)

除了對該二個發送頻率之隨時間而變的振幅波形的評估以及可能的佔用狀態的描述之外，亦可在產生一種隔離的橋接時將相鄰電路所構成的工作頻率的侵入辨認為錯誤狀態。此種錯誤的揭示在時間上並不重要且可另外通知。

一軌道區段中佔用狀態之辨認用的方法和裝置的圖式顯示在隨後的各圖中。藉由演算法4至n之其它評估在需要時是可行的。

一種數位式濾波器之振幅反應的偏移可以二種方式來進行。其中之一方式是操作時可藉由濾波器係數的改變而在固定的取樣頻率下對特性作調整。另一方式是使該取樣頻率改變，但濾波器係數不修改。

本方法提供以下的優點：

準連續的發送信號下可達成一種與只有一發送頻率時相同的具有選擇性的濾波器。藉由頻寬來達成對干擾的免除性因此是最顯著的。永久可辨認出各種干擾。因此，對佔用狀態的辨認和對干擾的辨認而言，都不必在佔用時間點時假設最壞之情況。辨認一干擾電壓時的安全性因此是與UGSK系統同等級或較上述UGSK系統更佳。模擬結果顯示：使用二種濾波器是無問題的。操作時全部的切換過程可在濾波器之輸出信號中發生反應。此外，在A/D轉換之範圍中耗費將提高，此乃因在最壞的情況下一個信號須使用二個相隔開的轉換器。

A/D-轉換之功能方塊

在該濾波器只藉由係數的改變來進行調整時，該轉換器系統以下述方式來設計。過度(over)取樣頻率是12.8 kHz且有效取樣頻率是1600 Hz。

在所有的其它情況下，須確定其它的頻率。有效取樣頻率和過度取樣頻率之比應該是8。在該發送器以較低的頻率來發送的期間，使用目前的取樣頻率。較高頻率的期間所需的有效取樣頻率計算於表3中。數位式抗假象(Anti-Alias)濾波器之最後結果所造成的偏移在此區域中是可容許的。

在安裝時，所需的過度取樣頻率由DSPs之高的系統時脈取得。

方法I中所述的具有抗假象系統之轉換器結構可未改變地予以採用。

濾波器1之目的是儘可能良好地隔離該發送信號，以便只對其振幅作評估。此種濾波器可用於一種連續的發送信號中。此濾波器可用在本方法中，此乃因在使用該準連續的發送信號時在時間上的需求是相同的。為了可使用此種優點，則在每一期間中該濾波器都須依據該發送頻率來調整。

濾波器

IIR濾波器設計：該接收用濾波器可另外設計成回授式系統。濾波器級數較FIR系統之級數小很多。此外，濾波器級數對該濾波器之延遲只具有小的作用。這主要是藉由轉移區之所需的寬度來決定。阻隔區衰減度類似地以-40dB來決定。導通帶中可藉由設計成雪比雪夫(Tschebyscheff)-IIR濾波器來達成所期望的平滑的振幅反應。此種設計的結果針對每一發送頻率顯示在第8圖中。

IIR濾波器具有一種-6dB之12Hz的頻寬。於此，可考慮二組。

濾波器的振幅反應可藉由係數的取代而在操作時在頻率軸上偏移。此種技術在適應性濾波器中已為人所知。有一種演算法已設計成用於此種濾波器中，此演算法在線上(on line)改變一濾波器之係數，以實現所期望的特性。此系統例如用來作系統辨認或回音抑制。

然而，上述方法中該濾波器不是在運行時被修改，而是只有在已知的時間點(此時該發送器變換該頻率)時被修改。此方法的優點是：在取樣系統中不必進行修改且取樣速率通常保持固定。然而，此技術的缺點顯示在第9圖中。

由1000個取樣開始，該輸入信號由208.1Hz切換至224.2Hz，且以適當的係數載入至該濾波器中。該濾波器在轉移區之後顯示一種瞬間的反應特性，此時不能對振幅進行評估。此外，須考慮的是：適應性的解法在相對應的安全需求下通常需要一種昂貴的安全證明。

適應於信號頻率的過程已在功能方塊A/D轉換中進行。於此，取樣頻率須相對應地升高或下降。該濾波器在已取樣的輸入信號中未決定頻率的變化且因此就像在連續式發送信號用的方法一樣將產生一輸出信號。可採用所設計的濾波器。

功能方塊濾波器2

濾波器2用來使該發送頻率之區域中的干擾被隔離且可被評估。此方法中該濾波器通常調整至剛才未使用的發送頻率處。由於該發送頻率周期性地改變，則干擾可在二個已使用的頻率上辨認出。在目前的系統UGSK中所獲得的資訊對應於間隙(gap)期間中的資訊。濾波器2切換時的問題是：頻率軸上的偏移方向正好與濾波器1上者相反。此種關係顯示在第10圖中。

在切換至較高的取樣頻率時，二個濾波器偏移至較高頻率的方向中。然而，濾波器2應調整至較小的頻率。第一種解法是對二種頻率使用不同的取樣頻率。但這樣所得的結果是，該A/D轉換之至少整個數位部份須以二通道方式來實現。然而，在更詳細地考慮該干擾辨認之需求時，可假設各種簡化情況。因此，未必須使干擾位準在運行時受到監視。當一期間已結束而可確定一種不允許的干擾電壓時即已足夠。於是，濾波器2在每一轉換時可被重置。然後，可使此系統振動且對該振幅進行評估。此種方式須要以一種頻率來重新確定該發送相位的長度。

就濾波器1而言，該發送期間的長度直至切換為止未扮演任何角色，此乃因該變化是由取樣來補償。若對該濾波器2之級數設定成與該濾波器1者相同，則所達成的振盪時間是大約170ms。就隨後的評估而言，亦可假設二種分別具有40ms之期間。每一頻率因此在250ms內可用來探尋一種干擾。此種需求，即，在大約500ms之後可發出一種干擾通知，可勉強地滿足。

由於存在著一種準連續的信號而與該濾波器所選取的策略無關，則振幅的評估可以下述方式來進行。即，為了辨認一區段的佔用狀態，對已過濾的信號的振幅作評估即已足夠。該信號之值在一特定期間的和(summation)可容易地求得。觀察期的長度因此至少須等於該發送信號之周期長度，然而，由於安全上的原因該長度應包含多個振盪區。現有系統之期間長度採用40ms。該和之結果顯示在第11圖中。視窗之每一偏移可形成一種新的點。吾人可辨認出：各點已受到一種輕微的振盪。該觀察視窗選擇成越狹窄，則該振盪越明顯。由於此一原因，則該視窗不能選擇成太小。由32個取樣開始，結果令人滿意。

以方法III來追蹤一種過程，其對應於理論上最大的干擾免除性且能像目前的系統一樣可靠地辨認各種干擾。在未使用現有系統之發送間斷(pause)時，本方法中發出另一頻率且接收器中的一濾波器須追蹤該發送頻率。另一濾波器調整至未使用的頻率且對各干擾信號進行評估。由於上述各種不同的因素，使用一種可變的取樣速率和一種不連續的濾波器2可確保一種最大的成效。此時不需第二A/D轉換器且避免了在線上追蹤該濾波器1之係數的問題。一種頻率之發送期間確定為250ms。

最重要的操作參數為：

相對於先前之所有的其它方法而言，頻譜分析-方法使用所接收的信號之頻率區域中的其它資訊。目前可使用的信號處理器和快速轉換演算法可顯示各接收信號之基本分析結果。此方法的接收器具有由三個功能方塊所構成的簡單結構(第12圖)。一種分離式轉換法使用在已接收的數位化信號上。已算出的係數含有全部所需的資訊，以便對一區段之佔用狀態和干擾進行評估。例如，一種短時間離散式傅立葉轉換法以及一種微波轉換法可用作上述的轉換法。STFT之參數之確定對即將選取的發送信號產生作用。此種機構隨後將再描述。

可未改變地採用方法I所述的具有抗假象系統的轉換器結構。

為了評估所接收的信號，可考慮二種轉換法，其將描述在隨後的段落中。首先，藉助於STFT來辨認該佔用狀態，此時使用2取樣之固定長度的視窗且能良好地以數位方式來達成。頻率區域中的解析度必須較△f=16 Hz時更佳。這大致上對應於發送頻率之間距。就所需的固定長度而言，適用於以下的關係式：

時間解析度和光譜解析度之間的不清晰現象需要一種妥協，這藉由以下的方程式來說明。

在fs=1600 Hz之先決條件下選取256可導致一種△t=160ms之觀察視窗以及△f=6.25 Hz之頻率解析度。變成二倍時會造成一種長度不允許的視窗，且變成一半時會使頻率解析度劣化，則良好地辨認信號將變得困難。

有多種演算法可在數位系統中用來計算FFT。DSP或FPGA之很多提供者直接提供已製成的IP核心，其特別是用於目標硬體中。在價格有利的模組上提供數微秒的轉換時間是可能的。然而，上述應用中此種效益是足足有餘的且仍須檢測：是否可不須藉由特定的安裝來節省該效益的成本。使用自我發展的系統可簡化此問題且可使成本下降。

轉換功能方塊之輸出提供一組係數，其表示原來的信號。與另一方法不同之處是，不是在時間領域中測得且算出振幅，而是將已算出的係數與臨界值作比較。在一種以STFT轉換而成的信號中，在每一期間只探尋三個係數。當FFT以上述參數來算出時，係數34、37和40正確地表示各發送頻率的成份。更多的資訊對轉移決定通常是不需要的。如上所述，為了遵守一種佔用時所需的時間條件，則須經常對各係數進行計算。隔離時的橋接之辨認同樣需要連續的資訊，此乃因相鄰的軌道電路並未同步。因此，可確保相鄰的電路作用在未使用的通道上可達足夠長的時間。就其它全部的操作狀態之偵測而言，在特定的時間點上計算各係數時即已足夠。須選取這些時間點，使FFT視窗完全位於一發送期間之內且因此只有一係數含有該發送信號之資訊。

其它優點是：在各通道之間切換時可避免一種由運行時間效應所產生的時間轉移區。為了逐點地進行評估，則須使用一種該發送頻率切換後10ms才開始的期間。第17、19和20圖顯示各種未受干擾的狀態中該評估的時間曲線。有標記的係數是固定時點時的值。

FFT係數用來觸發第13圖所示的一種轉移。連續地計算各係數，但大部份情況下只考慮逐點地進行計算。例外情況是隔離的瞬間橋接時發生的轉移T1和T3。個別的活性頻率然後稱為通道A，其具有所屬的係數Ca。未發送的頻率是通道B，其具有係數Cb。通道A和B之頻率因此能在每一期間交換。各係數對應於其它方法中的接收位準且同樣與臨界值相比較。

當GSK在狀態S1中且二個已調整的頻率之係數滿足下式Ca+CbP2

時，該轉移T1可正確地驅動。

藉由連續地評估，則可保持著每一時間的時間條件。該佔用狀態不是直接在辨認後告知，而是仍須繼續在仍保留著的大約100ms中觀看，以使短時間的干擾的影響變小。轉移時的需求不會很有限制性，此乃因S2是安全狀態。在干擾的情況下，在該干擾被告知之前可能會造成一種短的佔用狀態。然而，在下一個固定的期間，能可靠地辨認出該干擾。此種方式是允許的。

當GSK在狀態S2中且在二個依序的固定期間滿足下式CaP1且Cb<Ptr

時，該轉移T2可被驅動。

T2因此較T5更受到限制。這樣可確保：在未使用該二個頻率時一種干擾可造成一虛假之FM而不會被辨認出。

當GSK在狀態S1中且產生以下之一種情況時，該轉移T3可被驅動：當在二個依序的期間Ca>Pmax

時，可辨認出一種過度驅動。由此可知：該二個頻率時的位準太高。若該位準只在一個頻率時太高，則該位準與一種干擾電壓形成建設性的重疊。該區段保持閒置狀態，此乃因該佔用狀態的辨認可另外經由未受干擾的頻率來達成。

當通道A之係數在二個依序的期間中滿足下式：P2<Ca<P1

時，可辨認一種道床干擾。

為了辨認該隔離之瞬間橋接，須計算該未使用的頻率之係數Cx。須使用一種長的觀看時間來進行辨認，以確保該隔離之瞬間橋接不會由於牽引電流造成的較短的干擾而產生。當未使用的頻率之係數經常滿足C_x >Piso

時，可辨認該干擾。

由於相鄰的GSK未同步，則須確保：在二個GSK之期間之間發生不利的偏移時該位準須足夠高。這可藉由對該未使用的通道之連續的評估來確保。

一種牽引電流干擾以下式來表示：Cb>Ptr

該轉移T4描述該GSK由干擾而釋放成正規的佔用狀態。此轉移中可使用超過250ms的轉移T1。為了觸發T4，則在二個依序的期間中，須caP2且cbP2

此條件是需要的，該系統因此不會經常在每一期間在S2和S3之間變換。可主張其它的觀察時間，此乃因在自由運行時較慢且不會以區段速率來運行。

T5：當GSK在狀態S2中且滿足一與轉移T3相同的條件時，可觸發該轉移T5。

在上述段落中描述多種新方法，其在未受干擾的情況下可指出軌道的閒置狀態。除了基本功能之外，各個新方法應儘可能對動態的干擾具有免除性。為了能準確地評估上述特性且與現有的系統相比較，則在以下各段中須定義各種不同的干擾。干擾的特性可依據由測量值所獲得的經驗或理論上的考慮來決定。

在西門斯瑞士股份有限公司之UGSK的生命周期中，很多測量直接在軌道基本設施上進行以及在傳動式機動車之主回路中進行。

藉由上述的逐點測量，則可對即將評估之干擾之基本特性進行分析。目前所進行的測量只考慮各種待評估之干擾之一些部份。由可使用的測量結果，可導出各種干擾之以下特性：

變頻器機動車之牽引回授電流在小的速率時含有高的諧波成份，但其振幅較極限值小很多。在15 kV/16.7 Hz下測量時，在200Hz的範圍中未再產生明顯的諧波。就25 kV/50 Hz之主電源而言，不能瞬間進行測量。變頻器機動車之牽引回授電流在高的速率下包含一種與低速率時同等級的諧波成份。基本波的振幅由於已轉移的有效功率而變大。在此種情況下，200Hz的範圍中的成份同樣可忽略。

有關列車的匯流排的作用，目前相關的研究很少。於是，可假設：除了基本波和其諧波之外可產生主要的雜訊。相對於傳動式機動車之諧波的發出而言，列車的匯流排不會受到極限值的限制。具有直流機械但未具備功率電路的機動車不會產生干擾性的諧波成份。這樣在200Hz的範圍中對直流電路不會有影響。由外部有規律的操作情況所造成的影響同樣未被充份地探討。例如，一種保護區段以接通的主開關而過度地運行或運行導線短路等都未被充份地探討。在此種情況下，軌道中可能存在短暫的高電流脈衝。

軌道技術中全部的設備都是以數十年之壽命來設計。最近幾年之效率的進步已顯示：將來對此種設備之干擾作用的估價是不重要的。在一傳動式機動車上已安裝的功率由於機械上的原因而不能提高很多。貨車較重且須以更多的傳動式機動車來導引。

客運列車之長度由於有限的基本設施而不能過大。列車的匯流排上的功率容量及與此相關的干擾的影響會由於顧客之增高的舒適性和服務性的主張以隨著安全性而提高。另一趨勢是可變化的快速傳動式列車，其使用一種已分散的傳動器概念，各傳動器的功率可大大地超過個別的傳動器機動車。在瑞士亦很少進行一種機動車很少但有表現力的測量。實際的操作環境中的各種干擾的強度將來會增大，但其基本特性不會明顯地改變。

此段中描述的測試信號作為新方法之性能分析的根本。須選取各測試信號，以包含理論上全部的可能干擾。

造成干擾信號的軌道電流在其極限值內是藉由主驅動器來描述。在各發送頻率之附近，不可超過4安培之均方根電流。

正弦信號

一種具有唯一頻率之正弦形式的信號加至該發送信號而成為一種干擾。此信號的全部參數是可變的。該頻率應位於該濾波器之導通區域中。

本例子中須選取該振幅，使該發送信號可消除。在長的區段中由可允許的最大之軌道電流所形成的干擾電壓之計算顯示出：該干擾電壓可具有與該發送信號相同的振幅。

在實際之軌道操作中產生上述信號之機率很小。於是，該信號可用作測試信號，此乃因特別是對該使用連續式發送信號之方法而言該信號顯示是一種挑戰。

雜訊

列車之匯流排的影響可藉由一種無平均值之雜訊來模擬。在該接收用濾波器之導通區中因此會產生隨機之高度不同的干擾成份。SNR故意保持很小，以便模擬主要的功率。

牽引電流

具有基本頻率16.7Hz之牽引電流和第一15諧波可模擬一種對一運行中的列車的影響。固定的發送頻率位於諧波之旁，一種寬廣的接收濾波器當然可包括該發送頻率。導通區中該干擾可像一種正弦信號一樣來描述，此乃因方法I和III之濾波器可足夠窄。

脈衝

藉助於上述信號來探討：一種干擾必須作用至少多久，以產生一種虛假的FM或BM。此結果可用來在干擾處理中使策略獲得改良。例如，一種已被通知的太短之佔用狀態事後可處理成一種干擾。

為了說明上述的作用方式，可藉助於MATLAB模擬來進行。第17圖中顯示該方法的基本作用方式。上圖顯示在400個取樣期間該已取樣的接收信號。在已標記的時間點上在頻率f1和f2之間進行切換。已標記的FFT視窗內的256個取樣值作為轉換用的輸入資料。各輸入資料顯示在隨後的圖式中。

第17圖的下圖顯示該FFT之三個已選取的係數之時間曲線圖。由於一通道上的發送周期較該FFT視窗還長，於是形成所選取的時間點，各時間點上在轉換結果中只出現該發送器的一頻率。各時間點已作標記。

第18圖顯示在一較長的時間中所顯示的時間點上的係數。在未受干擾狀態下，該係數ca達到正規值，但係數cb消失。當此情況存在達到至少二個期間之長度時，該區段可安全地視為閒置狀態。在固定的時間點除了藉助於係數來辨認閒置狀態之外，此系統可藉由持續地算出的係數來辨認一種佔用狀態。一種足夠好的佔用狀態產生如第19圖所示的係數曲線。由第960取樣開始，該區段已被佔用。在隨後的160ms中，各係數變小且隨後即辨認該佔用狀態，此乃因c1和c2都小於P2。此種情況在佔用狀態被通知之前可繼續觀察100ms。操作情況顯示：該評估可滿足基本功能。過度驅動和道床干擾以相同的資訊和其它臨界值來辨認。該隔離之瞬間橋接成為仍保留的靜態干擾時需要一種個別的觀察。

必須對相鄰的UGSK作調整，使其發送頻率通常不相同。就第20圖的例子而言，已模擬的GSK使用頻率11和12，其與頻率12和13相鄰。在400個取樣之後，到達一種瞬間橋接狀態且該接收器另外獲得相鄰的GSK之信號。因此，振幅之比是與基本設施的參數有關。本例子中振幅的變化不考慮。相位狀態和頻率之切換點同樣是隨機的(random)，此乃因該GSK之各時脈源未同步。

然而，交替地使用二種具有相同發送周期的頻率可確保：該二個GSK之非共同的頻率在至少一評估期間的一半期間發生作用且該係數c3成為足夠大。此例子顯示此極限情況。在取樣816時，對係數進行評估且此時c3>>0。在20秒長的觀察時間中此結果若太常發生，則可通知該隔離之瞬間橋接現象已存在。

總之，可確定的是：本發明的方法之一種有利的形式可用來計算該已接收的信號之快速傅立葉轉換之係數。本方法提供以下的優點：

有效的干擾頻寬12.5Hz可與方法I相比擬且因此較現有的系統更優越達2倍之多。就佔用狀態而言，不必考慮不利的時間點，其會在干擾免除性中造成妥協。藉由窄頻帶的干擾來消除該發送信號是不可能的。藉由交變的發送頻率，可產生人工的發送間斷(pause)，其可達成一種與先前技術中已知的Siemens Schweiz AG公司的軌道電路UGSK 95同等級的干擾辨認。

已充份地探討FFT且FFT可以數位方式來實現，且可帶來安全性的證明。另一方面，本方法只有下述之微小的缺點：

FFT所需的計算能力較該三種I-FIR-濾波器方法者稍強。干擾辨認時所需的時間極限值只需在最壞的情況下才需勉強遵守。然而，這些極限值不是一種絕對的限制而是解釋成標準值。

本方法之最重要的操作參數如下：

第1圖軌道電路之基本原理。

第2圖已接收之過濾後的信號，其具有區間-劃分。

第3圖軌道佔用狀態的臨界值和一種位準曲線。

第4圖藉由軌道電流來產生最大干擾電壓的原理之圖解。

第5圖軌道電路用之發送頻率以及頻率是16 2/3Hz之牽引電流的諧波。

第6圖目前為止已調整的發送頻率之FFT。

第7圖一評估裝置之功能方塊圖。

第8圖一種IIR-接收用濾波器。

第9圖藉由係數變化而在輸出信號上所造成的作用。

第10圖在1600Hz(左)和1724Hz(右)時的濾波器特性。

第11圖已數位化之接收信號之評估的圖解。

第12圖一種第三接收通道中的功能方塊。

第13圖一般閒置狀態指示系統之狀態圖。

第14圖一種正弦形式的干擾信號。

第15圖作為干擾信號用的雜訊。

第16圖短時間干擾用的高斯脈波。

第17圖未受干擾的空區段之模擬。

第18圖所選取的觀看時點(取樣時點)之係數曲線圖。

第19圖在正規的佔用狀態下各係數的時間曲線圖。

第20圖在一種隔離瞬間錯誤時相鄰的軌道電路之影響。

第21圖正弦形式之干擾的影響。

第22圖另一正弦形式之干擾的影響。

第23圖另一正弦形式之干擾的影響。

Claims

一種軌道區段之指示閒置狀態用之方法，其特徵為：a)區段之長度藉由一種中斷於二個末端的軌道來定義；b)在軌道的一個末端上供應一種交流電壓以作為輸入信號，其具有二個可交替的頻率，其中該兩個頻率選擇性形成自至少三個頻率的一集用區；c)在軌道的另一個末端上測得一輸出信號；d)對所測得的輸出信號之該可交替的頻率中的成份進行分析，其中該輸出信號以三通道方式來進行分析且在第一通道中該輸出信號之位準在該剛發出之輸入信號之頻率處進行分析，在第二通道中該輸出信號之位準在該剛才未發出之輸入信號之頻率處進行分析，且在第三通道中分析該輸出信號之頻譜；以及e)依據極限值之比較而得的分析來決定該軌道具有何種狀態。
如申請專利範圍第1項之方法，其中該區段就各種狀態”閒置”、“被佔用”和”被干擾”來進行檢測。
如申請專利範圍第1項之方法，其中該輸出信號至少在二個通道中受到帶通濾波作用，該帶通之導通頻率基本上對應於該輸入信號之二個頻率。
如申請專利範圍第2項之方法，其中該輸出信號至少在二個通道中受到帶通濾波作用，該帶通之導通頻率基本上對應於該輸入信號之二個頻率。
如申請專利範圍第1至4項中任一項之方法，其中為了指出一軌道區段之二個相鄰的區段之閒置狀態，則該二個區段中該輸入信號中只有一個頻率取得協調，另一頻率則互不相同，其中剛發送的頻率在相鄰的區段中同樣調整成互相不同。
.一種軌道區段之指示閒置狀態用之系統，包括：a)一種中斷於二個末端的軌道，其長度定義了該區段的長度；b)一發送器，其在軌道的一個末端上供應一種交流電壓以作為該軌道中的輸入信號，其具有二個可交替的頻率，其中該兩個頻率係選自至少三個頻率的一集用區；c)一接收器，藉此在軌道的另一個末端上測得一輸出信號；d)一分析裝置，籍此對所測得的輸出信號之該可交替的頻率中的成份進行分析，其中該輸出信號以三通道方式來進行分析且在第一通道中該輸出信號之位準在該剛發出之輸入信號之頻率處進行分析，在第二通道中該輸出信號之位準在該剛才未發出之輸入信號之頻率處進行分析，且在第三通道中分析該輸出信號之頻譜；以及e)一邏輯裝置，其依據極限值之比較而得的分析來決定該軌道具有何種狀態。
如申請專利範圍第6項之系統，其中該區段可就各種狀態”閒置”、“被佔用”和”被干擾”來進行檢測。
如申請專利範圍第6項之系統，其中該輸出信號至少在二個通道中受到帶通濾波作用，該帶通之導通頻率基本上對應於該輸入信號之二個頻率。
如申請專利範圍第7項之系統，其中該輸出信號至少在二個通道中受到帶通濾波作用，該帶通之導通頻率基本上對應於該輸入信號之二個頻率。
如申請專利範圍第6至9項中任一項之系統，其中為了指出一軌道區段之二個相鄰的區段之閒置狀態，則該二個區段中該輸入信號中只有一個頻率取得協調，另一頻率則互不相同，其中剛發送的頻率在相鄰的區段中同樣可調整成互相不同。