（交通信息工程及控制专业论文）无绝缘数字轨道电路的设计及DSP实现研究.pdf

摘要 f 8 4 9 g 1 0 随着高速铁路的发展，列控系统必须提高对列车的控制精度刊。 能保证行车安全，提高运输效率。列车的控制精度与地面所提供的 信息密切相关，地面提供的参数越多、越精确，控制精度也就越高， 运输效率也随之提高。这样轨道电路所需要传输的信息量也就越 大，传统的轨道电路仅能提供有限的几种速度信息，远远不能满足 列控系统的需要因此必须提出新的轨道电路方案，以满足高速铁 路发展的需要。 本文介绍了国外高速铁路列控系统的发展与现状，分析了国外 几种典型的无绝缘数字轨道电路。结合我国高速铁路列控系统计划 采用的方案，提出了一种新型的无绝缘数字轨道电路方案，并且确 定了该轨道电路的传输信息量、编码方案、系统响应时间、绝缘节 类型、绝缘节参数、载频以及传输速率传输带宽等参数。 本文重点研究了无绝缘数字轨道电路的传输制式，分析比较了 f m ，q p s k ，m s k 以及n 1 4 d q p s k 调制解调的性能，采用仿真手 段对4 d q p s k 信号进行了详细的研究。最后依据仿真结果制作了 相应的硬件电路。 体论文的意义在于：将采用d s p 芯片编程实现调制的优点和n 4 d o p s k 调制方式的优点结合起来应用到铁路信号领域中去，对选 关健词：无绝缘数字轨道电路至j 堕垂虱调制解调 蚤中窆缈 糸；乞 a b s t r a c t o n l yw ei m p r o v e t h ep r e c i s i o no ft h ea u t o m a t i ct r a i ns p e e dc o n t r o l s y s t e m w h i c hh a ss om u c h r e l a t i o nw i t ht h ei n f o r m a t i o np r o v i d e db yt h e e a r t hd e v i c e ，c a l lw eg u a r a n t e et h es a f e t yo ft r a i n a n di m p r o v et h e e f f i c i e n c yo ft r a n s p o r t a t i o n t h em o r ep r e c i s ea n dm a n y t h ep a r a m e t e r g i v e nb yt h e e a r t hd e v i c ea r e 、t h em o r ep r e c i s ea u t o m a t i ct r a i ns p e e d c o n t r o ls y s t e mi s a n dt h ee f f i c i e n c ) 7o ft r a n s p o r t a t i o ni m p r o v e da st h e s a n l et i m e a st h er e s u l t t h ea u t o m a t i ct r a i nc o n t r o li n f o r m a t i o nw h i c h n e e db et r a n s f e r r e d b y t r a c kc i r c u i tb e c o m e sm o r et o ob u tt h e i n f o r m a t i o nt h a tc o n v e n t i o nt r a c kc i r c u i tc a r tt r a n s f e ri st o ol i m i t e d i ti s n o te n o u g hf o rt h en e e do ft h ea u t o m a t i ct r a i ns p e e dc o n t r o ls y s t e m s oa n e ws c h e m eo ft r a c kc i r c u i ti sn e e d e dt of u l f i l lt h er e q u i r e m e n to ft h e d e v e l o p m e n to f h i g h s p e e dr a i l w a y n o w a d a y s ，t h ed e v e l o p m e n ta n ds i t u a t i o no ft h ea u t o m a t i ct r a i n s p e e dc o n t r o ls y s t e ma r e i n t r o d u c e di nt h i st h e s i s ，a n ds o m et y p i c a l j o i n t l e s sd i g i t a lt r a c kc i r c u i t sa r es t u d i e d c o m b i n e dw i t h t h eh i g h s p e e d r a i l w a ya u t o m a t i ct r a i ns p e e dc o n t r o ls y s t e mp l a no fc h i n a , an e wt y p e o fs c h e m eo f j o i n t l e s st r a c kc i r c u i ti sg i v e n ，a n di t sp a r a m e t e r s ，s u c ha s t h ei n f o r m a t i o na m o u n to fa u t o m a t i ct r a i ns p e e dc o n t r o ls y s t e m 、t h e c o d i n gs c h e m e 、t h er e s p o n s et i m e 、t h et y p e o fi n s u l a t e dj o i n t 、t h e p a r a m e t e ro f i n s u l a t e d j o i n t 、c a r r y i n gf r e q u e n c y 、t r a n s m i s s i o nr a t ea n d t r a n s m i s s i o nb a n de t c a r eg i v e nt o o ，i nt h et h e s i s t h i sp a p e rm a i n l ys t u d i e st h et r a n s f e r r i n gm o d eo f j o i n t l e s sd i g i t a l t r a c kc i r c u i t ，c o m p a r e st h ec h a r a c t e r i s t i c so ff m ，q p s k ，m s ka n d 4 d q p s k ，a n dm a k e s r e s e a r c h o n 4 d q p s ks i g n a lb ym e a n so f s i m u l a t i o ni nd e t a i l s a c c o r d i n gt ot h er e s u l to f t h es i m u l a t i o na b o v e t h e h a r d w a r ei sp r o d u c e d t h ed i s t i n c t i o no ft h i sp a p e ri st h a ti tm a k e sv a l u a b l ee x p l o r a t i o n a n de x p e r i m e n to ns e l e c t i n gt h em o d eo fi n f o r m a t i o nt r a n s m i s s i o ni n a u t o m a t i ct r a i ns p e e dc o n t r o ls y s t e mt h r o u g hc o m b i n i n gt h ea d v a n t a g e j ! 奎奎垩奎兰2 ：主兰兰 翌兰一 o f r e a l i z i n g m o d u l m o rb y d s p c h i p w i t ht h e a d v a n t a g e o ft h e m o d u l a t i o no fn 4 d q p s k a n d a p p l y i n g i nt h ea r e ao f r a i l w a ys i g n a l k e ) ，w o r d s ：j o i n t l e s s t r a c tc i r c u i t 4d q p s k m o d u l a t i o na n d d e m o d u l a t i o n 第一章综述 1 1 国外高速铁路列控系统的发展与现状 自从1 9 6 4 年日本东海道新干线高速铁路交付运营以来，高速铁 路技术迅速发展，我国发展高速铁路己势在必行。高速列车速度运 行控制系统是保证行车安全，提高行车速度，增加行车密度的关键 设备之一，发展高速铁路必须积极开发高速列车速度运行控制系 统。 目前世界各国高速铁路采用的列控系统主要有法国t g v 使用 的t v m 3 0 0 和t v m 4 3 0 系统，德国和西班牙铁路使用的l z b 系统， 日本新千线的a t c 系统，意大利采用的d t c 2 4 d t c 9 2 1 系统，以及 瑞典铁路的e b i c a 9 0 0 系统。 列控系统按照地面向机车传送信号的连续性进行分类，可以分 成点式列控系统和连续式列控系统两大类。瑞典e r i c a b 系统属于 点式列控系统。德国l z b 系统、法国t v m 系统、日本a t c 系统均 为连续式列控系统。 点式列控系统造价低、维修工作少。点式列控系统尽管接收地 面信息不连续，但对列车运行和司机的监督并不间断，因此也有很 好的安全效能。点式系统的主要弱点是信号追踪不佳。它只能在指 定的信号点接收信息，如果列车经过某信号点后，先行列车位置移 动，地面信号发生了变化，车上控制系统不能立即知道，而必须等 列车到达下一个信号点才能接收到。因此点式列控系统限制了列车 追踪间隔的进一步减少。 在高速铁路中，连续式列控系统是主流。连续式速度控制系统 按照超速判定方式进行分类，可分为两种：一种为阶梯控制方式， 一种是曲线控制方式。 阶梯控制方式在每个闭塞分区只设计一个目标速度。在闭塞分 区中按照目标速度进行判定列车是否超速。阶梯控制方式又分为检 查出口速度方式( 法国t v m 4 3 0 系统) 和检查入口速度方式( 日本 j i 之奎翌奎兰璺主竺三 兰= 耋堡兰 a t c 系统) 。 出i s 速度检查方式要求司机在闭塞分区内将列车速度降低到目 标速度，列控设备在闭塞分区的出口进行检查，如果列车实际速度 未达到目标速度以下，则列控设备自动进 1 f n 动。这种方式要求列 车在到达停车信号处( 目标速度为零) ，进行检查列车速度是否为 零如果列车速度不为零，设备将进行制动。因为制动后列车还要 走行一段距离采能停车，所以停车信号后方要有一段防护区。 入口速度检查方式的列控设备，在闭塞分区入口处接收到目标 速度信号后立即进行检查，一旦列车超速，则进行制动，使列车速 度降低到目标速度以下。这种方式在遇到停车信号时，列车在闭塞 分区入口处立即制动，对许多列车来说会过早地停车，因此日本新 干线采用了停车信号前再加装p 点的方式，轨道电路发送3 0 信号， 只有列车接收到3 0 信号且又经过p 点时车上才会形成停车信号。 阶梯控制方式完全不需要距离信息，只要求在停车信号与最高 速度信号间增加若干中间速度信号，因此轨道信息量少，设备简单。 这种传统控制方式是目前高速铁路比较普遍采用的控制方式。 曲线控制方式是把每一个闭塞分区入口速度( 上一个闭塞分区 的目标速度) 和出口速度( 本闭塞分区目标速度) 用曲线连接起来， 这时列控设备判定列车超速的目标速度不再是一个常数，而是一个 随着列车行驶不断变化的距离函数。因此列控设备除了需要接收目 标速度信息外，还要接收到闭塞分区长度及换算坡度的信息。 曲线控制方式和阶梯控制方式一样，在每个闭塞分区内只给定 一个目标速度，控制曲线把在闭塞分区内允许的速度变化连续地连 接起来，因此这种制式不需要象入口阶梯控制那样，在停车信号前 设置p 点，也不需象出口阶梯控制那样设置保护区段。 上述的列车控制方式存在以下不尽人意的地方： 1 如果列车实际速度大于信号允许速度，列控系统将自动使 列车制动，一般采用最大的制动力，这虽可以保证列车行 车安全，但减速急剧变化影响旅客乘坐的舒适度。 2 线路上运行不同制动性能的列车，为了保证安全，闭塞分 区长度应按照制动性能最差的列车选定。因此，对于制动 性能最好的列车就会产生不必要的过早制动，影响行车效 ：! 立茎翌查兰翌主兰兰要= 量 釜鎏。 率。 3 采用多段制动方式，每个闭塞分区都要考虑列车从入口速 度降到出口速度的减速制动距离。列车实际的减速距离包 括列车在设备动作时间及制动空走时间中的走行距离，此 外还要在防护点前留一点安全距离。如果列车从2 0 0 k m h 分三段降到速度0 ，则存在3 个空走距离和3 个安全距离， 如果采用一次制动，则只需一个空走距离和一个安全距 离。分段制动方式增加了列车追踪间隔。 由于分段制动存在上述不足，德国l z b 系统和日本a t p 系统 不再对每一个闭塞分区规定一个目标速度，而是向列车传送目标速 度、列车距目标的距离( 与t v m 4 3 0 不同，它可以包括多个闭塞分 区的长度) 的信息，列车实行一次制动控制方式。列车追踪间隔可 以根据列车制动性能、车速、线路条件调整，可以提高混跑线路的 通过能力。这是目前较理想的列车运行控制模式。 这种连续速度控制的列控模式根据目标距离、目标速度确定列 车制动曲线，该方式不再设定每个闭塞分区的等级速度，而采用一 次制动方式，以前方列车占用的闭塞分区入口为目标点，向列车传 输目标速度、目标距离等信息。这种列控方式更适合高、中速列车 混跑。 1 2 我国高速铁路列控系统计划采用的方案 我国即将建设的京沪高速铁路其列车运行速度高达3 0 0 k m h ， 在这种高速运行的条件下，列车制动距离长达数公里，情况变化迅 速。司机根据机车信号显示，了望地面线路情况，并根据其驾车经 验来驾驶列车，已经不能保证列车安全运行了，因此必须开发以机 车信号为主体信号的高速铁路列控系统来控制列车运行。这也是高 速铁路列控方式与目前普通铁路使用的列控系统的本质区别。在高 速铁路列控方面我国还是空白，为此我们必须借鉴国内外已有经 验，结合国情，加紧研究中国高速铁路列车运行控制系统。 根据国外成熟经验，考虑我国国情以及今后列控系统的发展， 经过多年专家论证，目前我国高速铁路考虑采用连续速度控制的列 控模式( 或称为一次制动模式) 。地面列控中心通过地对车信息传 ：! 之銮望奎兰竺圭兰兰 至= 至：i 生 输系统( 数字无绝缘轨道电路) 连续向列车传送列车至目标点的距 离、线路坡度、线路允许速度和目标速度等4 种数据。车载列控设 备对其进行处理接收，并与列车的实际性能( 制动、车长、车重等) 综合计算，由此生成相应的列控曲线，控制高速列车安全运行。如 图1 1 所示。 图1 1 连续速度控制模式示意图 这种高速铁路列控系统需要地面设备向列车传送大量列控信 息，传统的轨道电路仅仅能提供有限的几种速度信息，远远不能满 足列控系统的需要，因此必须提出新的轨道电路方案，以满足高速 铁路发展的需要。 1 3 国外高速铁路轨道电路分析 高速铁路需要有高可靠、高安全的列控系统来保证行车安全。 就列控系统本身而言，不仅要保证行车安全，还有很重要的一点， 就是最大限度地提高运输效率。列控系统通过提高对列车的控制精 度，能够缩短列车的追踪间隔，增加行车密度，从而提高了运输效 率。列控系统要完成对列车的精确控制需要地面设备提供大量的线 路状态信息以及速度信息。轨道电路作为列控信息传输通道，既可 以传输列控信息又可以作为闭塞分区列车占用检查设备，还可用于 钢轨线路完整性检查，因此许多国家的高速铁路都采用轨道电路来 传输列控信息。 列车高速行驶，对钢轨线路的要求提高，钢轨的有缝连接会严 重影响列车的安全运行，因此，轨道电路必须改变过去的机械分割 加装绝缘的方式，实现无绝缘化。在信息量方面，高速列车控制系 苎奎奎翌查主望圭丝兰 兰= 至立生 统对行车有关的信息需求急剧增加，为了向列车提供线路参数、目 标距离、目标速度等信息，轨道电路信息必须数字化才能满足要求。 在一些先进的国家，无绝缘数字轨道电路在高速铁路上已经得到应 用，成为轨道电路的发展方向。 下面简要介绍一下国外几种典型的数字轨道电路。 1 3 1u m 7 1 数字编码轨道电路 u m 7 1 数字编码轨道电路是法国高速铁路列控系统的地面信息 传输设备。它的结构如图1 2 所示。它由发送接收单元、传输电缆、 电缆补偿平衡网络、钢轨、补偿电容、加装空心线圈的串并联谐振 式电气绝缘节组成。 电气绝缘节 钢轨线路电气绝缘节 偿电 j -淞 弋 图1 - - 2u m 7 i 数字编码轨道电路结构 列控系统地面控制中心信息处理机产生的编码信息经串并转换 后，分送给各发送单元，发送器对收到的编码信息进行校验后，产 生一系列频率信号，这些信号经叠加后，对载频信号进行调制，经 放大后，由电缆传输到钢轨。在轨道电路接收端，信号经过电缆传 至室内的接收器对其进行解调、识别，以确定轨道区段是否被占用。 发送器采用频率编码方式进行传递信息，这些频率与整个电码 的“位”一一对应利用这些频率信号表示所要发送的信息码元， 凡码元为“1 ”的位都对应有一频率信号，而当该位为“0 ”时，则 没有该频率信号。 j ! 奎茎鎏銮兰罂圭兰兰 要= 羔笙坠 调制制式采用f m 制式，调制信号由2 8 种低频正弦信号叠加而 形成，与其中2 7 个正弦信号相对应的码长为2 7 b i t 的信息码，用来 传输列车控制信息，轨道电路所传输的信号，与原来的u m 7 1 轨道 电路相比，没有实质性的变化，信号频带仍受到严格的限制可用 带宽仍限制在8 0 h z 以内。调制信号的频率表示为： ：= 0 8 8 + o 6 4 - i ( h z ) ( i = 0 ，1 ，2 ，2 6 )( 1 一1 ) 另外还专设一个轨道电路信息频率2 5 6 8 h z ，将这些信号进行 叠加其调制信号表达式为： 丝 m ( t ) = 2 j 4 置s i n ( 甜, t + 仍) 十4 ds i n ( q d + 仍d ) ( 】- 2 ) ，1 0 a ：第i 个编码频率信号的振幅值 妒：第j 编码频率信号的初始相位 s ：对应第i 位数码 脚：对应第f 位编码信息的角频率 脚轨道电路信息的角频率，等于2 - 玎2 5 6 8 这个信号对载频进行调制，完成调制过程。 连续式信息传递共2 7 b “，其中有效信息2 1 b i t ，实际使用1 9 b i t ， 信息的帧格式如图1 3 所示： 2 7 b i t i 6 b i t i 4 b i t i 9 b i t i 6 b i t l2 b i t ( 1 ) ( 2 ) ( 3 ) ( 4 ) ( 5 ) 图1 - 3u m 7 1 数字编码轨道电路信息码帧格式 ( 1 ) 循环冗余校验码( c r c ) ，共6 比特； ( 2 ) 坡度信息，共4 比特，可以将坡度划分为1 6 个等级。 ( 3 ) 目标距离信息，共9 比特。 ( 4 ) 速度信息，共6 比特，提供线路速度和目标速度， ( 5 ) 保留2 比特备用。 u m 7 l 数字编码轨道电路具有以下特点： 电气绝缘节由外接电感、电容与钢轨电感一起构成谐振电 路，它的通频带很窄，仅8 0 h z ，因此相邻区段信号串扰小。 因为站内、区间采用相同的轨道电路频率，所以站内列控 6 j ! 查銮翌查兰要圭丝兰 至= 耋：i 坠 信号能连续发送，车载设备亦能连续接收，保证了信息的 连贯性。 由于采用了较高的载频，避开了工频牵引电流中干扰较大 的谐波分量，且占用的带宽较小，因此u m 7 1 数字编码轨 道电路对工频有较强的抗干扰能力。但轨道电路需要增加 补偿电容。 信息扩展性差。由于频带窄，因此传输速率较低，要增加 信息量，必须减小编码频率间隔，这样就增加了信息的传 递时间。 u m 7 1 数字编码轨道电路传输信息采用原有的成熟技术，有成 功的应用经验，这种方式被证明是一种性能稳定的制式。 1 3 2d t c 2 4 数字轨道电路 d t c 2 4 数字轨道电路是意大利s a s i br a i l w a y 于九十年代中 期开发成功的全数字化轨道电路，它采用时序编码方式传递信息， 信息量较大，有1 0 0 b i t 的安全信息可供使用，可以传送较多、较为 细致的线路信息。 d t c 2 4 数字轨道电路由发送单元、接收单元、电缆及电缆平衡 网络、电气绝缘节、轨道、补偿电容及s 短路棒式电气绝缘节组成， 如图1 4 所示。 电气绝缘节f f l j r 3 接收 | f 5 接收 l li il l电缆il 电缆 j “h “ 上 上上 1 竖 i t f 。五电丁 i f l _ 一hh l 也缆 l b 揽 f ii li i f l 教逆 i 邝垃逆 l 图l - - 4d t c 2 4 数字轨道电路结构 列控系统地面控制中心信息处理机产生的编码信息经过并串转 垄主茎鎏查兰翌三= 篓三 篓= 至釜兰 换分送各个发送单元，发送器对收到的编码信息进行校验后，产生 一系列时序脉冲信号，利用高低电平来表示信息，利用这些脉冲信 号作为调制信号对载频信号进行调制，经放大后，由电缆传送到钢 轨。在轨道电路接收端，信号经电缆传至室内的接收器接收器对 其进行解调、识别，以确定轨道区段是否被占用并检查发送给车载 设备的信息是否正确。 这种轨道电路采用m s k 调制方式进行信息传输，传输速率为 4 0 0 b i t s ，报文长度为2 0 0 比特，其中有效安全位为1 0 0 比特。系统 带宽为4 0 0 h z 。 己调信号通过接收天线收入，经模数转换后，分送谱分析器和 带宽为4 0 0 h z 的f i r 数字滤波器，利用谱分析得出载频的中心频率， 以确定数字滤波的频率。在一秒钟内，列车可收到两帧数据，因此 信息传递的安全性和可靠性都有了保证。 d t c 2 4 数字轨道电路具有以下特点 具有车地双向通信功能，地面向列车提供控制信息，列车 向控制中心传递列车运行信息，有利于列车的调度控制。 能提供较多的安全信息。由于传输速率高，增加信息量时， 传输及设备反应时间延迟较小，为扩展信息量打下了基 础。 调制解调均采用成熟的通信技术，易于开发和研制。 由于信号载频较高，轨道电路需要增加补偿电容。 1 3 3 数字a t c 系统轨道电路 日本数字a t c 系统轨道电路采用时序编码方式传递信息，a t c 信号传递的信息包括轨道电路编号、前方空闲的区间数、到达发车 股道号、临时限速及其他信息。线路数据存储在车载设备中，车载 系统根据线路状态及列车所处位置将线路数据一一调出，计算出控 制曲线。 系统由发送设备、限流电阻、匹配变压器、电缆、谐振阻抗、 轨道、接收设备等组成。如图1 5 所示： 北方交通大学硕士论文 第一章综述 旺陀喹肛器i 坐堑fp c 肥蹙m 躲 匹配变踞器i 皇丝i 匹配变m 嚣 轨进 i 削较阻抗 图1 5 数字a t c 轨道电路结构 轨道电路平时发送列车占用检查信号( t d 信号) ，列车占用 后转换为发送a t c 信号，地面接收器随着发送信号的改变而改变接 收信号。 一般情况下，发送的a t c 信息长度为5 6 比特，要求紧急停车 时缩短为1 6 比特。系统带宽为2 5 h z 。 数字a t c 轨道电路具有以下特点： 频率低，不需要补偿电容就能达到要求的传输距离； 轨道电路的结构简单： 这种数字轨道电路的传输速率较低，传输信息量受到限 制，系统响应时间长。 表1 1 对上述的三种典型无绝缘数字轨道电路进行了比较比 较。 o ：! 之耋鎏奎兰竺圭兰苎 至= 至釜鎏 d t c 2 4 数字编码u m 7 1数字a t c 轨道屯路轨道屯路轨道电路 开发厂商意大利s a s i b法国c s e e 日本 自然衰耗 绝缘方式谐振式无绝缘谐振式无绝缘 式无绝缘 电气绝缘节形状s 型短路棒空心线圈 绝缘节长度 i8 6 2 7 m 2 0 m 在电气绝 死区段无无 缘节内有 a 线： t d ：4 1 5 h z 4 2 5 h z ，4 3 5 h z ， 6 15 h z ，6 2 5 h z ， 2 1 k h z 2 5 k h z 6 3 5 h z , a t c ： 1 7 k l - l z20 k h z5 2 5 h z 载频3 9 k h z 3 3 k h z 2 3 k h z2 6 k h zb 线： 3 7 k h z4 1 k h z t d ：4 6 5 h z , 4 7 5 h z ，4 8 5 h z ， 6 6 5 h z , 6 7 5 h z ， 6 8 5 h z a t c ： 5 7 5 h z 调制方式m s kf mm s k a t c ：4 - 6 2 5 h z 频偏+ 一1 0 0 h z+ 一4 0 h z t d ：4 - 0 5 h z 带宽4 0 0 h z8 0 h z 2 5 h z 传输数据量2 0 0 比特，帧2 7 比特帧 5 6 或1 6 比特帧 有效信息量1 0 0 比特p 喷2 i 比特 帧4 0 或4 比特帧 校验位及起始位1 0 0 比特，帧6 比特，帧 8 或4 比特帧 帧周期0 5 秒大于1 5 秒 大于2 秒 速率4 0 0 h i t s 2 5b i t s 最人分路电阻0 5 欧姆0 1 5 欧姆 0 ，2 欧姆 1 0 北方交通大学硕士论文 第一帝综述 轨道电路最大长 2 0 0 0 米2 0 0 0 来2 0 0 0 米 度 道床条件o 0 2 s ，i ( m0 卸1 2 5 s k mo 0 3 s k m 轨道电路最小长 1 0 0 ml5 0 m 度 电容安装间隔1 0 0 m6 0 m 不用安装屯弈 电容值2 5 微法 2 2 微法 断轨监测有 无未提供 1 4 研究内容及论文组织 1 4 1 研究内容 本论文主要研究分析国外基于轨道电路传输的列控系统，在给定 我国高速铁路列控系统方案( 采用一级连续速度控制模式，通过数 字轨道电路传输列控信息) 的前提下，对数字轨道电路的各种制式 进行分析比较；提出适用于我国高速铁路的一种数字轨道电路方 案，确定该轨道电路调制制式，重点研究该轨道电路的发送设备， 并对其进行仿真实现。 1 4 2 论文组织 全文共分五章，其中： 第一章介绍国外高速铁路列控系统的发展与现状，分析了我国 高速铁路列控系统计划采用的方案。对国外几种典型的高速铁路轨 道电路进行分析比较。 第二章提出一种新型的无绝缘数字轨道电路设计方案，确定该 轨道电路的传输信息蠡、编码方案、系统响应时间、绝缘节类型、 绝缘节参数、载频以及传输速率传输带宽等物理量。 第三章首先分析电气化牵引电流的干扰，然后分别介绍f m ， q p s k ，m s k 以及4d q p s k 调制与解调，并分析比较它们的性 能，最后采用仿真手段对h 4d q p s k 信号的调制与解调进行研究， 找出了适合轨道电路传输的调制制式一n 4d q p s k 。 l l 北方交通大学硕士论文第一帝综述 第四章介绍无绝缘数字轨道电路发送设备的系统硬件设计方案 以及实现方法。 第五章介绍了系统软件设计思路以及主要程序的设计思想及实 现流程。 结束语总结全篇论文，得出结论：4d q p s k 能够做为无绝 缘数字轨道电路的调制制式，它能够在较窄的频带内传输较多信息 量。 1 2 兰之銮翌茎兰翌：! ! 兰 竺三主耋竺垡兰：竺翌兰坠竺竺兰生 第二章 无绝缘数字轨道电路总体设计 根扔：上一章对国外高速铁路列控系统以及无绝缘数字轨道电路 的分析，结合我国目的准备修建高速铁路的现状提盼一种能够传 输大量信息的轨道电路方案，以满足我凼高迎铁路列控系统发艇， 县有重大的现实意义。 这晕只是从信扈、量、列控系统岫应时州、传输速率、传输带宽、 绝缘节类型等角度出发，提出本人的设计方案。 2 1 信息量需求分析 高速列车控制精度与地面所提供的信息密切相关，地面提供的参 数越多、越精确，控制精度也就越高，运输效率也随之提高。这样 轨道电路所需要传输的信息量也就越大，比普通线路多得多，不仅 需要地面设备提供各种限制速度值及目标速度值，还需要大量的线 路参数，如目标距离、线路坡道参数、可能还需要坡道长度、隧道 参数、曲线参数、闭塞分区编号、进路编号等，在将来可能还需要 其他方面的信息。尽管有些线路参数可以固定地存储在车上，车载 设备根据地面设备发送的闭塞分区编号及进路号等信息，来获取这 些参数，但是有些临时性的参数不可能存储在车上，比如临时限速 区域范围等需要地面及时提供，因此，线路信息出地面设备提供， 具有更大的灵活性。这样一来，研制新型轨道电路应以提高信息量 作为追求指标，不能因为提供的信息不够而影响列车的精确控制。 经过专家多年的论证，目前我国高速铁路拟采用连续速度控制的 列控模式( 或称为一次制动模式) ，这种列控系统通过地面列控中 ，d 把列车至目标点的距离、线路坡度、线路允许速度，目标速度以 及其他一些基本的列控信息编码后，由数字无绝缘轨道电路连续向 列车传送。车载列控设备对其进行处理接收，并与列车的实际性能 ( 制动、车长、车重等) 综合计够，【如此生成们应的列控曲线，控 制i 迎驯刁i 安全运行。这种信，翅f 0 输方案的优点足，当局部参数发 j ! 之奎翌查兰2 2 ：笙兰 笙三翌 歪丝竺蝥：翌翌里坠璺! ：兰丑 生变化目，不需要修改车载系统，使用灵活方便。车数系统还可以 叫接地通过轨道电路编码信息获得一些固定的线路信息如桥梁、隧 道、涵洞、弯道等情况，这些数掘可以预先存储在车载系统中。 下面估算一次制动模式列控系统，为控制列车安全运行需要出地 面设备传输的信息量。 速度信窟、分成最高限速及目标速度两种，京沪高速铁路设计目标 是最高速度3 0 0 k m b ，但作为列车控制系统基础设备，需要保留有 点的发展余地，应考虑满足3 5 0 k m h 以上运行速度，因此h 标速度 最高按3 5 0 k m h 设计。 速度信息如果直接进行编码，3 5 0 k m h 需要9 b i t s ，表示目标速度 和最高速度信息则共需18 b i t s ，这个数据量是比较大的，为减少传输 数据量需对速度进行划分等级，实际把速度划分成8 个等级，已经 足够精确了，例如法国的t v m 4 3 0 列控系统的速度信息就是被划分 为8 个等级，为进一步提高列控系统的控制精度，我们把速度划分 成17 个等级进行设计，这样表示目标速度只需用5 b i t s 加上最高速 度信息5 b i t s ，共需1 0 b i t s ，比直接编码减少了8 b i t s 数据。这种编码 方案在不改变原来信息数据帧格式的情况下，速度等级可以扩展到 3 2 个等级，以最高速度3 5 0 k m h 计算，速度等级间隔可以小到11 k m h 以下。 当列车以3 0 0 k m h 速度运行时，理论计算的紧急制动距离为 4 i o o m ，国外的数据表明，列车以3 0 0 k n v h 的速度运行时，制动距离 均在6 k m 以上，因此轨道电路提供的目标距离应根据实际运用的需 要在制动距离范围( 不少于6 k m ) 以内保持较高的精度，而制动距 离范围以外则可以不需要很高的精度。 目标距离信息以最长的站间区间为限，要在6 0 0 0 m 的制动距离 内达到精度为l m 的距离信息，则距离信息至少需要1 3 b i t s 来表示， 精度为5 m 时，距离信息则需要1l b i t s 来表示。为了扩大表示的距离， 减少信息量，目标距离应该采用分段表示法，即增加距离段码，以 扩大表示距离，同时保证了在制动距离范围内达到比较高的距离精 度，而在制动距离以外，就可以根据具体情况来决定距离的表示精 度。 本文是以表2 1 的距离分段信息为依掘，计算距离信息所需传 北方交通大学硕士论文 第二奇无绝缘_ 数r 轨j 越t 乜龉总 4 设计 4 6 r j t ) , j 信息量。 距离范围( m )表示精度i m l o 6 0 0 0 6 0 0 0 1 2 0 0 0 12 0 0 0 2 4 0 0 0 o 2 4 0 0 0 5 5 0 0 0j ) 5 5 0 0 0 以上无差别 为达到表2 1 所示的距离范围与精度需用1 4 b i t s 来表示其中 3 b i t 用来表示分段信息，另外i l b i t s 来表示该分段内的距离。这种编 码方案还可以在不改变信息格式的情况下进行扩展，分段范围可以 扩展到8 段，当制动距离缩短后，表示精度还会提高。 虽然京沪高速铁路设计坡道为一1 2 + 1 1 ，但目前国外的现 有运行线路最大坡道可达3 0 o 以上。另外，从长远考虑，数字轨道 电路不能只适用于京沪线，也应适应其他线路的条件，因此提供的 坡道信息应比- - 3 0 + 3 0 范围有所扩大，以1 为坡道精度，需 用6 b i t s 以上信息表示坡道，若表示精度再提高或表示范围再扩大， 则所需的信息量亦增多。例如要表示- - 4 0 + 4 0 的坡道范围、 精度为1 ，或者精度提高到0 5 ，坡道范围还是- - 3 0 4 - 3 0 时，则需用7 b i t s 表示。一般说来，坡道信息用7 b i t s 来表示就足够 了，以1 为精度时，实际的表示范围能达到- - 6 4 o + 6 4 。本文 设计的数字轨道电路采用7 b i t s 信息位来表示坡道信息。 以上三类是控制列车所需要的最基本的信息，除此之外，根据运 营安全的需要还应增加一些必要的信息。轨道电路对相邻及其临近 区段会产生干扰，采用无绝缘轨道电路时，相邻区段的干扰更加突 出。在区间，相邻线路采用不同的载频组，相邻区段采用不同的载 频，这种串扰不会引起车载设备的错误动作。在站内，串扰问题显 得突出，由于相邻的股道可能是丽一方向的到发线，不可能采用频 率来区分控制命令，控制信息可以同时给不同的列车。解决这种问 题的方法有两种途径：一是给不同的列车发不同的命令信窟、，例如 在命令控制字中提供进路编号及轨道电路编号，从而可以方他地解 决串扰问题，此外，轨道电路编号还可以为车裁系统粗略的提供位 北方交通大学硕士论文 饥二章无绝缘数字轨道电路总佛设计 兄坐标，给列车运行已录提供参考信息；另一种方法是隔离，例如 在可能出现串扰并且有危险的相邻轨道电路之间，设冕一段特殊的 轨道电路。根扭：不d f f , j i i j 况发送不刚的信息来控制不同的列车，以 防止来自刁i 同的线路( 进路) 列车冲交这科，方式并不是完全可稚 的安全措施。因此，新型数字轨道电路应提供进路编号及轨道电路 编号信息以区分控制信息和干扰。 高速铁路车站结构一般比较简单，中川站大约4 6 股道，道前 也不多，因此进路比较少而些大站( 如上海站、北京站) 把既 有车站作为高速站，站场非常复杂，除正常的列车进路外，还有调 车进路，因此进路数量较多，比较复杂的枢纽站，可能的迸路数量 能达几十条甚至上百条，本文以1 5 0 条进路，每条进路有8 个轨道 电路进行设计，共需1l b i t s 的信息来表示轨道电路进路编号及轨道 电路编号。 通过上面分析得到：地面列控中心需要向列车传送4 2 b i t s 的信息 量，考虑将来的扩展，预留4 b i t s 信息位，所以信息量以4 6 b i t s 进行 设计。 地面所要传送给车载设备的码序列中，不仅要包括信息码，还需 传送一些冗余码。这些冗余码用来进行差错控制，包括同步码、校 验码及避免与同步码相同而在信息码中必要的插0 。因此所有要 传输的码元数应为： c = 同步码位数+ 信息位+ 校验位+ 插0 的比特数 这里4 6 b i t s 的信息码采用b c h 编码方案，码组为( 7 3 ，4 6 1 ，码 生产多项式为： 2 ( x 1 = x 2 7 + x2 6 + x 二5 + x2 4 + x 2 1 + x ：o + x 。+ x 18 十x + x 6 + x 1 5 + 工14 + x 1 3 + 工12 + x o + x 9 + x8 + 工。十x4 + 工3 十z2 + 工+ 1 这种编码方案可以纠正4 个随机错误码，同时又能检测出4 个错 误码。 同步码采用的码字为 0 1 ，1 ，1 ，1 ，1 ，1 ，0 ) ，为避免信息码 或捡验码与同步码相同，保证同步码的唯一性，在信息码中必要时 需要进行插零，解码时，按插零的规律把插的零剔出。采用上面的 同步码，其插零方案为：若遇到5 个连续的二进制1 ，即插入一个0 ， 在接收信息时，如果检测出连续5 个“1 ”之后的数据为“0 ”，则 j ! 互奎鎏銮兰堡圭笙兰 兰三耋 歪丝垡鍪兰竺篓里兰璺堡兰立一 删除该位，若为1 i ，再检测下一位，若为“o ”，则表示为是同 步序列，意味着该帧的结束，若为“1 “，则表示出错- 接收端放弃该 帧数抓。因为信息码和铰验码共7 3 b i t s ，所以插零他数址多一i9 比 特。 通过上面的计算，轨道电路共需向列车传送8 l 9 0 b i t s 的数据c 因此，轨道电路所需传送的数据帧格式如图2 1 所示： ( j j( ：j 7 ： ( qj( ij“ 】 ( ? )( h 、 图2 一】轨道电路传输数掘的帧格式 ( 1 )同步码 f 2 )线路允许速度 ( 3 )目标速度 f 4 )目标距离 f 5 1坡度 ( 6 )进路编号及轨道电路编号 ( 7 )保留位 ( 8 )检验码 2 2 高速铁路列控系统响应时间分析 高速铁路的列控系统对设备的反应时间有定的要求。当列车以 3 0 0 砌砌的速度运行时，采用设备制动时，设备反应时间每延长】 秒，空走距离将增加8 3 3 m 。因此，设备反应时间的增加，闭塞分区 长度也将做相应的增加，运营效率也就会降低。 列控系统响应时间包括信息变化时间，车载设备信息接收系统的 处理时间。其中根本因素在于完整的一帧信息的持续时间，即信息 的周期。 一般地，车载设备收到一帧完整的信息并能正确解码的时间至少 以信息周期的三倍来计算。这是因为在较为不利的情况下。车载设 备在接收的前一帧的最后一个码元信息发生变化( 可能是地面的载 频发生变化或是前方列车移动而使本区段信息内容有所变动等 等) 前一删期接收到的码字校验计算出错成为无效码，这时需要 t 新7 f ：始接收新的一帧码字才能解出正确的信息。若遇到地丽载频 j ；之奎翌查兰2 主兰兰 釜三主至丝竺蝥兰垫翌：竺：生竺：i l 信号发生变化，紧接着一个信息码又发生变化，则车载设备接收信 息的时问将又延长一个信息周期，因此，最长的解码时间为3 t 。 车载设备的响应时问直接影响轨道f u 路的戤小长度。轨道电路的 最小长度为： ，。= 1 0 ，十， 【二一1j 其中，、一列车速度 ，一车载接收设得的反应时问包括确认轨道电路信息 时| 1 _ j j ，一附加距离，如电气绝缘节长度等。 意大利高速铁路信号响应时间为15 j ，法国t v m - - 4 3 0 系统采 用调频方式，地面传输速率很高，列控系统的应变时间主要决定设 备译码时间。日本的数字a t c 响应时间比较长，为6 6 s 我国移频 信号的应变时间为1 5 4 s 通过比较，以及考虑传输频带的限制， 本文把列控系统响应时间选为23 j 进行系统设计。 因此轨道电路的最小长度f 。= 8 3 3x 2 3 = 2 1 2 m 。 2 3 传输速率及传输带宽设计 据前述，在最不利的情况下，车载设备能完整接收信息的时间是 信息周期的3 倍，也就是说在列控系统响应时间内必须能完整地接 收3 帧数据，因为已经选定列控系统的响应时间为2 3 j ，因此轨道 电路传输的列控信息的帧周期r = 2 3 3 = 0 7 6 7 s 。又因为一帧信息的 最大长度为9 0 b i t s ，所以轨道电路的传输速率最低为r = c t = 9 0 0 7 6 7 = 1i7 6 4 b i t s 才能满足信息传输的需要。因此传输速率以 1 2 0 b i t s 设计为宣。 当数字轨道电路的传信率为1 2 0 b i t s 时，如果采用二进制基带 传输方式，在理想情况下，需要6 0 - _ - 的带宽。但是由于电气绝缘节 频率特性都为带通型，因此，列控信息不能采用基带传输方式，只 能采用调制后的频带传输方式。频带传输的带宽是基带传输的2 倍 即为1 2 0 h z ，实际上还会更宽一些。这个带宽对电气隔离式绝缘节 来说，是比较宽的这使得绝缘节的成本增高。因此，我们从调制 制式入手选择一种频带利用率商的调制制式来调制列控信息，从 而放宽了系统对传输带宽的要求这样我们可以把传输带宽定为 北方交通大学硕士论文 氪二章无绝缘数字 九逆i 乜路总体设计 8 0 - 来进行系统设计。带宽为8 0 h ：的绝缘节，技术比较成熟，成 本较低，便于物理实现。 因为系