胡飛龍 劉海東 賈 姣

(上海鐵路通信有限公司，上海 200436)

1 概述

目前，ZPW-2000A型軌道電路系統(tǒng)均無(wú)室外監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，電務(wù)維護(hù)單位對(duì)室外參數(shù)的測(cè)定，只能通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試獲取，給電務(wù)維護(hù)人員帶來(lái)極大不便。室外設(shè)備無(wú)冗余系統(tǒng)，故障可造成較大延時(shí)，甚至是D類(lèi)事故，室外設(shè)備監(jiān)測(cè)子系統(tǒng)的研發(fā)亟待進(jìn)行。然而，室外設(shè)備均為無(wú)源設(shè)備，且距信號(hào)樓較遠(yuǎn)，數(shù)據(jù)傳輸和設(shè)備電力供應(yīng)都成為難度較大的研究方向。

2 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)構(gòu)想

基于背景條件所述，建立一套完整的室外信號(hào)設(shè)備監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，有助于電務(wù)維護(hù)和故障檢測(cè)判斷，從而進(jìn)一步保障列車(chē)的安全運(yùn)行。現(xiàn)有環(huán)境非常不利于室外監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的架構(gòu)，首先各區(qū)段的設(shè)備分布較為分散，采集設(shè)備的電力供應(yīng)成為首要考慮因素，若新增電力供應(yīng)系統(tǒng)，將在工程實(shí)施和生產(chǎn)成本中都面臨較大困難。其次，牽引電流等復(fù)雜的電磁環(huán)境對(duì)信號(hào)傳輸環(huán)境影響較重，且傳輸距離較遠(yuǎn)，所以對(duì)傳輸通道的要求非常高。

2.1 數(shù)據(jù)傳輸方案

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境可知，室外監(jiān)測(cè)系統(tǒng)須滿足可靠傳輸距離達(dá)15 km。因此，在系統(tǒng)架構(gòu)中數(shù)據(jù)可靠傳輸需深入研究，目前在鐵路系統(tǒng)中采用的通信方式有CAN總線通信、光纖通信和以太網(wǎng)。

CAN總線通信在鐵路通信系統(tǒng)中應(yīng)用較廣，它是一種能支持分布式控制或?qū)崟r(shí)控制的串行通信網(wǎng)絡(luò)，廢除了傳統(tǒng)的站地址編碼，有著較強(qiáng)的糾錯(cuò)能力和抗干擾能力，在汽車(chē)控制和工業(yè)控制中使用較多。其次，CAN總線中的各個(gè)終端無(wú)主從之分，任意兩個(gè)節(jié)點(diǎn)都可以發(fā)起通信，各個(gè)節(jié)點(diǎn)的通信優(yōu)先級(jí)靠節(jié)點(diǎn)信息確定，多個(gè)節(jié)點(diǎn)發(fā)起通信時(shí)，優(yōu)先級(jí)較低的終端會(huì)主動(dòng)避讓優(yōu)先級(jí)高的終端，一般不會(huì)造成信道堵塞，當(dāng)其速率低于5 kbit/s時(shí)，有效傳輸距離可達(dá)10 km，如果在鏈路中增加中繼，其傳輸距離會(huì)更長(zhǎng)，且信道傳輸較穩(wěn)定；CAN總線所采用的傳輸介質(zhì)為雙絞線或同軸電纜，如果室外采集系統(tǒng)采用CAN總線傳輸，需重新鋪設(shè)電纜，增加供電系統(tǒng)，還需要增加CAN總線中繼設(shè)備，以及防護(hù)設(shè)備，工程實(shí)施難度較大，在室外監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中不適合采用。

光纖通信是以光波作為載體，以光纖作為傳輸介質(zhì)進(jìn)行信息傳遞。光纖通信具有傳輸速率高，抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，非常適合用于復(fù)雜的電磁環(huán)境中，在鐵路系統(tǒng)中也經(jīng)常采用。但是，光纖較適合遠(yuǎn)距離傳輸，其中單模光纖傳輸距離可達(dá)100 km，且光纖布線較為復(fù)雜，其設(shè)備專(zhuān)業(yè)性強(qiáng)，因此使用成本較高，基于上述原因，光纖通信也不太適用于軌道電路軌旁監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的使用。

以太網(wǎng)是基于TCP/IP、UDP等協(xié)議的通信方式，一般用于大型數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)可實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)登陸和查詢數(shù)據(jù)，目前其有效傳輸距離在100 M左右。在現(xiàn)場(chǎng)使用時(shí)需先增加電力供應(yīng)網(wǎng)絡(luò)，其次，需要增加路由設(shè)備，總體成本較高，且室外環(huán)境較為復(fù)雜，以太網(wǎng)也不太適用于軌旁監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。

上述較為可靠的幾種通信方式均不太適用于目前室外監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的要求，有一種新型的通信方式，基于電力線路的通信方式稱(chēng)為電力載波通訊（Power line Communication，PLC）。電力載波是電力系統(tǒng)常用的通信方式，利用已有的供電線路，將需要傳輸?shù)哪M信號(hào)或數(shù)字信號(hào)通過(guò)載波的方式實(shí)現(xiàn)傳輸，其最大的優(yōu)點(diǎn)是利用電力線進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，不需額外增加通信網(wǎng)絡(luò)，將通信和供電合二為一，對(duì)傳輸通道沒(méi)有太多技術(shù)要求，且使用成本較低，是一種非常適合用于軌旁監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的新型通信方式。對(duì)于目前已完成的既有鐵路或客專(zhuān)線路都能最大程度上降低工程實(shí)施難度和技術(shù)實(shí)施困難，在工程和系統(tǒng)架構(gòu)上可以利用鐵路信號(hào)電纜的備用芯線作為其傳輸通道和電力供應(yīng)線路，整體架構(gòu)采用總線形式，每臺(tái)采集通信點(diǎn)都作為一個(gè)中繼點(diǎn)，可將其他通信點(diǎn)的數(shù)據(jù)進(jìn)行中繼傳播，這樣可以滿足現(xiàn)場(chǎng)所要求實(shí)現(xiàn)的有效傳輸距離為15 km的要求。

2.2 設(shè)備電力供應(yīng)

在軌旁增加采集設(shè)備，必須要考慮設(shè)備的電力供應(yīng)，ZPW-2000A軌道電路設(shè)備為無(wú)源設(shè)備，軌旁可引入的電力有：接觸網(wǎng)、信號(hào)表示燈、普通民用220 V交流電以及通過(guò)新增太陽(yáng)能光電設(shè)備。接觸網(wǎng)為超高壓電力，作為列車(chē)動(dòng)力電源，涉及行車(chē)安全，不適合引入監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，且工程難度較大，成本較高；信號(hào)表示燈在客專(zhuān)線路中，只有進(jìn)出站口存在，且信號(hào)燈用于行、調(diào)車(chē)的安全表示，不宜采用；軌旁非專(zhuān)用220 V交流電，如果引入監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，在技術(shù)上完全可靠，但實(shí)施工程較大，成本較高；若采用新型能源，風(fēng)能或太陽(yáng)能，需重新增加設(shè)備，在一些高架路橋中涉及到行車(chē)安全，且會(huì)受到天氣和環(huán)境的因素受到限制，因此也不宜采取。結(jié)合系統(tǒng)架構(gòu)對(duì)通信系統(tǒng)的需求，設(shè)備電力供應(yīng)采用電力載波技術(shù)是一種最優(yōu)的選擇，將信號(hào)傳輸和電力供應(yīng)結(jié)合在一起，在技術(shù)上可行，工程上可實(shí)施。

3 監(jiān)測(cè)原理設(shè)計(jì)

室外監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)是對(duì)室外設(shè)備電氣參數(shù)的采集，在系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上，是對(duì)采集設(shè)備和傳輸設(shè)備的架構(gòu)。

3.1 數(shù)據(jù)采集

ZPW-2000A軌道電路軌旁設(shè)備主要由調(diào)諧單元和空芯線圈構(gòu)成，軌道所傳輸?shù)男盘?hào)經(jīng)調(diào)諧單元加載到軌道，調(diào)諧單元通過(guò)輸入、輸出與室外鋼軌和室內(nèi)設(shè)備連接，基于對(duì)信號(hào)安全的考慮，在室外設(shè)備中增加監(jiān)測(cè)設(shè)備，通過(guò)無(wú)直接接觸的方式銜接，獲取信號(hào)的特征，含五路電流：長(zhǎng)鋼包銅引接線內(nèi)線電流、長(zhǎng)鋼包銅引接線外線電流、短鋼包銅引接線內(nèi)線電流、短鋼包銅引接線外線電流以及室內(nèi)側(cè)電纜電流；從獲取的電流信號(hào)中，解析到信號(hào)特性，如低頻、載頻等詳細(xì)的信息。

3.2 數(shù)據(jù)處理

采集到的模擬信號(hào)，經(jīng)濾波電路進(jìn)行濾波，送入模數(shù)轉(zhuǎn)化電路轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)，CPU根據(jù)其所獲得的數(shù)字信號(hào)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，并將處理結(jié)果按照通信協(xié)議規(guī)定的格式進(jìn)行數(shù)據(jù)打包處理，傳送給ARM控制的電力載波傳輸模塊。

3.3 數(shù)據(jù)傳輸

傳輸部分功能的實(shí)現(xiàn)是基于電力載波技術(shù)，通過(guò)CPU控制的載波電路將需要傳輸?shù)男畔?，按照一定的協(xié)議送入傳輸通道進(jìn)行傳輸，電力載波模塊在50周動(dòng)力電源波形中疊加調(diào)制的信號(hào)波形，載波總線中的每臺(tái)終端都要按照一定的競(jìng)爭(zhēng)機(jī)制進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，在室內(nèi)設(shè)備的接口位置，電力載波電路按照數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議進(jìn)行解碼，并通過(guò)其他的協(xié)議格式提供給上位機(jī)進(jìn)行顯示。

4 系統(tǒng)架構(gòu)

ZPW-2000A室外監(jiān)測(cè)是基于電力載波傳輸?shù)牟杉O(jiān)測(cè)系統(tǒng)，對(duì)室外設(shè)備的模擬量進(jìn)行采集、傳輸和監(jiān)測(cè)。系統(tǒng)架構(gòu)在工程設(shè)計(jì)上分為兩部分：室內(nèi)和室外部分。按照實(shí)施功能可分為采集部分、傳輸部分以及監(jiān)測(cè)部分。

采集部分采用“DSP+互感器”，由DSP控制傳感器對(duì)ZPW-2000A室外設(shè)備中的模擬量數(shù)據(jù)進(jìn)行采集。并對(duì)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算和處理，提取其中所含的低頻信息、載頻信息和能量幅值，將這些參數(shù)按照標(biāo)準(zhǔn)格式協(xié)議進(jìn)行打包，傳遞給電力載波模塊進(jìn)行傳輸。

傳輸部分基于電力載波，將室外系統(tǒng)供電和信號(hào)傳輸集中在一起，既實(shí)現(xiàn)了設(shè)備供電和信號(hào)傳輸，監(jiān)測(cè)部分采用上位機(jī)對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行顯示，如圖1所示。

5 工程實(shí)施

5.1 室內(nèi)實(shí)施

ZPW-2000A室外設(shè)備監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在條件允許的情況下，可設(shè)置為八路傳輸總線，在進(jìn)出站口分為上下行且將發(fā)送端和接收端分開(kāi)，如圖2所示。

如果現(xiàn)場(chǎng)條件較為苛刻，可設(shè)置為四路總線將采集信息引入室內(nèi)，傳輸電纜可用電話芯線或備用芯纜，無(wú)論采用八路或四路總線，均需統(tǒng)一引入到區(qū)間綜合柜的零層，并在此處增加雷電防護(hù)，雷電防護(hù)采用縱向和橫向集中防護(hù)設(shè)計(jì)，每路單獨(dú)設(shè)計(jì)，如圖3所示。

圖1 室外監(jiān)測(cè)系統(tǒng)架構(gòu)Fig.1 Outdoor monitoring system architecture

圖2 八路總線設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)Fig.2 8-way transmission bus

圖3 防雷單元示意圖Fig.3 Schematic diagram of lightning protection unit

通過(guò)雷電防護(hù)后，監(jiān)測(cè)信號(hào)線纜采用上走線或者下走線的方式引入ZPW-2000A軌道電路通信監(jiān)測(cè)機(jī)柜或者新增機(jī)柜的TB端子上，經(jīng)TB端子接入到電力載波通信分機(jī)，進(jìn)行數(shù)據(jù)解析，并通過(guò)4路RS-485總線傳遞到通信處理機(jī)，通信處理按照CAN協(xié)議進(jìn)行傳輸和顯示。

5.2 室外實(shí)施

室外采集分機(jī)安裝在基礎(chǔ)樁上的雙體防護(hù)盒內(nèi)，和該區(qū)段的PT背靠背安裝，傳感器卡接在軌面信號(hào)連接鋼包銅引接線上，對(duì)鋼包銅引接線的短內(nèi)、短外、長(zhǎng)內(nèi)、長(zhǎng)外進(jìn)行采集，如圖4 所示。

圖4 室外監(jiān)測(cè)連線Fig.4 Outdoor monitoring connection diagram

室外采集分機(jī)的網(wǎng)絡(luò)連接采用總線形式，各個(gè)采集點(diǎn)都連接在總線上，各采集點(diǎn)通過(guò)方向盒中的空接端子或電話線端子連接主線上，如圖5所示。

圖5 采集分機(jī)連接圖Fig.5 Acquisition extensions connection diagram

如果采用電話線，發(fā)送端的采集單元采用在調(diào)諧區(qū)增加一根長(zhǎng)為35 m的多芯電纜，將發(fā)送端的采集單元并入到下一區(qū)段的接收端電話線上，即可連入主干網(wǎng)；對(duì)于進(jìn)站口的發(fā)送端和站末端發(fā)送端設(shè)備采用相同的方式，即采用備用芯纜連接回到上一個(gè)區(qū)段的發(fā)送端，一并接入和該區(qū)段的發(fā)送端采集單元回送到接收端即可。

6 總結(jié)

通過(guò)詳細(xì)分析ZPW-2000A型軌道電路的使用環(huán)境和技術(shù)運(yùn)用范圍，從技術(shù)實(shí)現(xiàn)和工程實(shí)施等方面詳細(xì)分析，得到ZPW-2000A型軌道電路室外設(shè)備監(jiān)測(cè)系統(tǒng)原理與架構(gòu)。