交叉电缆回线型TWC系统技术研究20110830.doc
LW01-094@环线型TWC系统技术研究工硕毕业设计
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LW01-094@环线型TWC系统技术研究工硕毕业设计,机械毕业设计 论文
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交叉电缆回线型TWC系统技术研究硕士学位论文 学校代号:10255学号:G08094交叉电缆回线型TWC系统技术研究RESEARCH OF TECHNOLOGY FOR CROSSOVER-STYLE TWC SYSTEM学科(专业): 控制工程作者姓名:陆鑫源指导教师姓名:钱剑敏答辩日期: 年 月东华大学学位论文原创性声明本人郑重声明：我恪守学术道德，崇尚严谨学风。所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果。除文中已明确注明和引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品及成果的内容。论文为本人亲自撰写，我对所写的内容负责，并完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名： 日期： 年 月 日东华大学学位论文版权使用授权书学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅或借阅。本人授权东华大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 保密 ，在 年解密后适用本版权书。本学位论文属于 不保密 。学位论文作者签名： 指导教师签名：日期： 年 月 日 日期： 年 月 日III 交叉电缆回线型TWC系统技术研究交叉电缆回线型TWC系统技术研究摘要本文通过对车地通信TWC系统的分析，确定TWC系统的原理和采用的关键技术。并进一步确定相关系统技术参数，包括轨旁环线、车载天线发送信号和接收信号的频率F、环线电阻值R、电感L、电容C以及耦合单元电路元件电阻和电容的参数；制定TWC系统测试、维护技术方案，以规范TWC维护流程，方便系统维护。提出TWC系统维护建议，从而提高维护技术水平，提升系统的可靠性，减少交叉电缆回线型TWC车地通信故障。前期，对交叉电缆回线型TWC系统进行技术分析，初步了解其所采用的关键技术、信息传输流程和系统实现原理。收集交叉电缆回线型TWC故障及发生问题的记录，对其进行分类、归纳、分析。选择典型车站测试TWC系统参数值，包括环线的几何值和电路参数。选择典型列车，对车载系统（天线）测量，包括物理参数。对现场检测到的数据，根据电磁感应原理、谐振电路理论、传输线理论进行分析。其次，搭建实验室模拟环境进行实验，铺设190米长的轨旁环线，设计制作检测车，模拟现场环境进行测试、实验。对模拟环境实验数据进行总结分析，得到参数和结论，并用于解释现场出现的问题和现象。将研究的结果，返回现场进行实验，验证其合理性。修正研究结果和参数。最后，通过分析系统采用的关键技术，编制行之有效的维护方案。关键词：车地通信，程序停车，连续传输模式，耦合单元RESEARCH OF TECHNOLOGY FOR CROSSOVER-STYLE TWC SYSTEMABSTRACTThrough the analysis of train-wayside communication TWC system in this article, determine the principles and key technologies of TWC systems. To further identify relevant system parameters, including wayside loop, carborne antennas send signals and receive signal of frequency, loop resistance, inductance, capacity C, resistance and capacitance of coupling unit and component parameters. Establish TWC systems test and maintenance project in order to standardize TWC maintenance procedure and convenient for system maintenance. This study make the suggestion of TWC system maintenance, thereby improve the level of maintenance technology, step up system reliability, reduce crossover loop style TWC communication fault. Prophase, technical analyze on the crossover cable line style back to TWC system, understand the key technology, information transfer process and system implement principle. Collect the record of crossover cable line style back to TWC faults and occurred issues, then classify, sum up, analyze. Select typical station test TWC system parameter values, including link geometry values and circuit parameters. Select a typical train, measure on-vehicle system (antenna) including physical parameters. Analyze data which is detected on scene according to electromagnetic induction principle, resonant circuits theory and transmission line theory. Second, build a lab, do simulation environment test which lay 190 meters of track link, design inspection car, simulate live environment. Aim at experiment data, make a summary analysis, calculate parameter and make a conclusion. To validate the study result rationality, return scene and re-test. Correct the study results and parameters. Finally, draw up an effective plan for maintenance according to the key technology analysis system used.LuXinYuan(Control Engineering) Supervised by Jianmin QianKEYWORDS: Train-to-Wayside Communication, Programmed Station-stop, CTM, Coupling Unit68 1 前言12 TWC系统原理与问题分析22.1 TWC车地通信系统作用22.2 TWC车地通信系统组成32.3 信息传输流程82.4 系统原理112.5问题分析193 实验室模拟分析233.1实验环境与试验目的233.2轨旁环线发送试验253.4环线电感L3的测定293.5 电容C3、C1变化试验与分析323.6车载天线处于环线不同位置时对信号的影响354现场测试与分析364.1车站测试数据364.2 测试方法404.3测试结果与分析424.4 试车线实验数据与分析455 交叉电缆回线技术参数495.1环线铺设几何参数495.2 环线电气（物理）参数515.3耦合单元电容参数515.4环线电流/电压参数515.5 FSK信号频率525.6 环线磁场分布526 交叉电缆回线测试维护方案526.1 交叉电缆回线系统元器件测试方案：526.2 交叉电缆回线维护方案557结论与建议607.1 交叉电缆回线系统原理607.2 环线电感的测量607.3 轨旁耦合单元617.4 研究得到交叉电缆回线系统技术参数617.5建立维护档案627.6 成果应用627.7 若干建议62参考文献64攻读学位期间发表的学术论文情况66致谢671 前言上海地铁二号线是上海轨道交通网络中的一条重要线路。一期工程于2000年开通，并于2006年底西延伸工程通车，目前的最大客流已达百万人次。到2010年4月，已延伸至浦东国际机场和虹桥国际机场。二号线的信号系统（ATC系统）是基于数字轨道电路的准移动闭塞系统，该系统由美国US&S信号公司提供。系统中车地通讯子系统（TWC）信息的传输是通过交叉电缆回线来实现的，环线铺设在站台区域、折返线等处，它是ATS系统车地通信和程序定位停车的重要设备。同时，TWC提供了列车曲线式停车功能，提高了乘客乘车舒适度。二号线ATC系统投用以来，轨旁ATC与车载ATC子系统之间的密切性日益体现了出来，特别是车地通信系统（TWC）重要性进一步显现。二号线车地通信系统（TWC）是中央、轨旁和列车信息交换系统，也是列车ATO运行、中央时刻表调整的重要环节。因此，TWC子系统运行质量将直接影响到二号线整体运营质量。上海地铁二号线投入运行以来，随着时间的推移，出现一些问题和故障。例如，有些站台的发车表示器时常发生不亮的现象，司机不能及时发车，经常造成列车晚点，给正常运营制造了麻烦。其中最突出的是龙阳路下行、人民广场下行和静安寺上行等站台。通过回放和报警信息查询，发现以上几个站台每天大约有十几次，甚至二十次以上的通信丢失，导致发车表示器不亮，影响列车正点运营。经过分析认为，这些现象的发生，问题主要集中在车地通信系统（TWC）上。据统计，二号线整个信号系统发生的故障中，与车地通信有关的故障占30%左右。在2010年开始的二号线西西、东延伸工程，新列车调试中，TWC的调试出现了许多问题，车地通信不稳定，不可靠，为列车的调试造成了困难，严重影响了整个调试周期。TWC作为信号的一部分，其技术和知识产权完全归外方公司（US&S）所有。由于合同和技术保密的原因，系统供应商US&S公司并不提供系统关键技术参数，造成对系统故障的分析诊断、设备测试与维护的困难。由于没有有效的技术手段，使维护人员仅凭个人的经验、想象进行排故，造成系统的维护无标准、随意性、效率低、水平低等问题。这些问题的存在，使得维护人员不能科学、有效的对系统进行维护，影响了系统的可靠性，乃至线路的正常运营。作为上海地铁通号公司的技术人员，在2009年已经进行了摸底工作，对发生的问题认真观察并记录，如：有问题车站的具体站点、发生问题的次数。并对系统中的相关设备进行测试，取得了一些测试数据，如：轨旁耦合单元的检查，相关的环线电流、相位、耦合板的电路参数。随着设备服务期的延长，设备逐步老化，由此引起的问题和造成的故障也会随之增加。二号线东到浦东国际机场，西到虹桥机场的线路延伸工程项目调试正在进行中，目前，二号线贯穿全市，连接两大机场及虹桥综合交通枢纽，最高单日客流133万人次，其重要性不言而喻。所以，对二号线TWC系统进行研究，弄清关键技术，取得相关技术参数，为系统维护制定维护规程，为设备维修提供技术手段。提升维护的有效性，并减少由此引起的故障，使设备能够安全、可靠的运行，为二号线的正常运营提供有力的技术保障。2 TWC系统原理与问题分析2.1 TWC车地通信系统作用 TWC（Train-to-Wayside Communication）中文名称叫车-地通信，是列车运行自动控制（ATC）系统不可或缺的一部分。TWC顾名思义就是列车与轨旁设备之间的相互通信，车地通信系统主要功能是实现车与地之间非安全信息的传输，功能表现为列车在站台的指定位置定点停车，同时在列车运行过程中让中央控制室不间断地监督列车的运行状态，并发出不同指令调整列车的运行状态。一旦正线TWC不稳定将会造成列车晚点和停站精度产生偏差，也会使中央控制室无法及时掌握列车运行的参数，如列车追踪等，这将影响到地铁的快速、准点运营，给广大的乘客带来不便。2.2 TWC车地通信系统组成车载TWC PCB 二号线TWC系统由车载电路板、车载TWC天线、轨旁TWC交叉电缆回线，轨旁室外耦合单元以及轨旁室内电路板、传输线、本地工作站和中央控制室组成一个完整的链路。(如图1所示) ATCATOTWC 天线传输线轨旁CPU ATO 轨旁TWC PCB耦合单元环线图1 车地通信链路图 图2 车地通信系统框图图3 车地通信系统示意图图4 TWC现场照片 a.轨旁环线图4 TWC现场照片 b.六编组列车停站图4 TWC现场照片 c.八编组列车停站图4 TWC现场照片 d.车载天线图4 TWC现场照片 e.轨旁耦合单元（外）图4 TWC现场照片 f.轨旁耦合单元（内） a.轨旁PCB板 b.车载PCB板 c.车载天线 d.轨旁耦合单元图5轨旁和车载PCB板、车载天线和轨旁耦合单元2.3 信息传输流程2.3.1 TWC系统架构图TWC系统分成两大部分：轨旁和车载。系统架构图如图6所示。图6 TWC系统架构图TWC系统实现车地双向通信，信息传输通道有两个环节组成：有线电缆传输和无线电磁耦合。传输线传输的是RS485数字信号，车地无线通信信号是FSK（频移键控的模拟信号），上行和下行信道采用相同的频率。2.3.2 上行通信(轨旁车载)信息流程图：轨旁 计算机PCB板轨旁耦合单元485总线数字信号FSK信号双绞线轨旁环线车载天线(接收)磁场 耦合解调器串口板数字信号解调ATCATO数字信号接收滤波串联谐振放大 图7上行通信信息流程图2.3.3 下行通信(车载轨旁)信息流程图：ATCATO调制放大器数字信号FSK信号调制轨旁环线车载天线(发送)磁场 耦合滤波调制器PCB板数字信号解调轨旁 计算机485总线数字信号接收滤波放大FSK信号串口板图8下行通信信息流程图2.4 系统原理2.4.1 电磁感应原理 车载TWC/ PCB与轨旁TWC/PCB之间的进行双向数据传输。数据传输由两部分通道：有线传输通道和无线通道。无线传输通道，正是在TWC天线和轨旁环线之间通过电磁感应实现。电磁感应则是实现车地通信的关键。电磁感应是因磁通量变化产生感应电动势，在互感线圈中就会产生电流。感应电动势与线圈匝数，磁通量变化的关系：1)En/t法拉第电磁感应定律，E：感应电动势(V)，n：感应线圈匝数，/t:磁通量的变化率；2)磁通量BS :磁通量(Wb),B:匀强磁场的磁感应强度(T),S:有效面积(m2)。环线之间的面积与环线和钢轨之间的面积相等，但磁场方向相反，对车底而言（由轮对形成的回路）不会有感生电动势产生，也就不会产生感应电流。图9 轨旁环线示意图在列车进站过程中，经过轨旁环线时，由于轨旁环线相邻环的线圈磁场方向相反，车载天线线圈平移时则会感应到零磁通，并对其进行计数，用于定位停车。2.4.2 互感系数当地对车发送时，轨旁环线产生磁场，从而使车载线圈（天线）产生感应电动势；反之，当车对地发送时，车载线圈（天线）产生磁场，从而使轨旁环线产生感应电动势；他们之间是互感。互感电动势的大小与信号频率、面积、匝数、之间的距离有关，其互感系数量化关系：要想增大感应电流，可以增加线圈的匝数和面积，同时减小线圈之间的距离。从现场的情况看，这些几何参数受空间、高度等现场限制，是不会改变的。同时，地面对车载，车载对地面的互感系数是相等的，可以证明得到如下结论。 可证明： MI1=MI2 这就是说，发送和接收是互易的，发送时对方感应得好；接收时，同样得到好的结果，已从理论上证明了。同样做实验时，只要给出一个方向最佳参数，则另一个方向也是相同的。数据在车地之间传输是以FSK模拟信号进行的，其发送和接收是通过线圈的电磁感应实现数据传输。2.4.3 LC电路和谐振电路地铁内的电磁环境复杂，各种无线信号很多，如：公共移动电话，车载调度电话、列车牵引电机等。一般来讲，有线传输只要能保证衰减满足传输要求，干扰较小即可。而无线传输则与外界环境密切相关，电磁信号能否很好地耦合，很好地放大传输，则是非常关键的。谐振电路通过共振，可以有效提高电流和电压值，放大信号，并可以对谐振时的频率信号有效的耦合接收。对轨旁环线来讲，正是通过轨旁耦合单元中的谐振电路，实现提高发送电流和耦合车载信号的目的。图10 轨旁耦合单元元件位置图图11 轨旁耦合单元电路图2.4.3.1 LC电路电路中重要的是L、C元件，在交流电中，其阻抗（感抗、容抗）与信号的频率具有直接的关系：电感元件：感抗： ； ；电感特性：通直流，阻交流；通低频，阻高频。电压相位超前电流90度。电容元件： 容抗：=u/I ； 电容特性：通交流，阻直流；通高频，阻低频。电流相位超前电压90度。2.4.3.2串联谐振（RLC）在系统电路中，电容C3、电阻R、环线电感（记为L3）组成一个RLC串联电路，其目的是利用串联谐振特性，得到最大的电流，从而使环线产生最大的磁场，能够使车载天线产生较大的感应电动势，便于信号的接收。当轨旁环线作为接收端时，可以与发送端的信号产生共振，很好的耦合，得到较好的信号，向机房传送。图12 串联谐振电路图在RLC串联电路中，限制电流的因素为电路阻抗： 电压与电流的相位差： 产生谐振的频率条件： 特点：发生串联谐振时，阻抗最小Z=R ，电流最大，整个电路成纯电阻性。 也称电压谐振： 此时， 。 品质因数： 发送时，得到最大的电流；接收时，此电路调谐以便能够选择到系统的信号频率。当电路内发生谐振时，由于感抗和容抗相等，即与大小相等，方向相反，彼此正好抵消，所以这时电阻上的电压与外加总电压相等，即=。此时电路中的电流大小仅与电阻有关，而与电感和电容无关。2.4.3.3并联谐振（RLC）图13 并联谐振电路图在耦合单元电路中，可以把C1与变压器（称为L1）看作LC并联电路。当电路发生谐振时，复导纳最小。电路阻抗最大： 回路总电流最小，支路电流为其Q倍： 产生谐振的频率条件：特点：电流谐振，接收信号时，放大电流，提高变压器初级端电压，向机房传送。2.4.3.4用于系统计算的几个公式有效值： 变压器： 波长： 用于计算波长2.4.3.5串联谐振电路的通频带和选择性串联电路的通频带：实际信号常由多种频率及不同相位关系分量组合而成的，当占有一定频带的信号在串联谐振电路传输时，由于信号的各个频率分量与谐振频率不尽相同，因此电路谐振曲线的不均匀性和相位特性曲线的弯曲，必将改变原各个频率分量的幅值和相位关系。为了减少失真，必须使电路的谐振曲线在被传输的信号频带内变化比较均匀，使得电路对各个频率分量的响应也比较均匀，因而减少了失真，同时使相位曲线比较接近直线。这样，谐振电路对每个频率分量的传输速度大体相同。因而也减少了相位失真。当频率偏离谐振点不远时，曲线降落不太大的一段可看作基本上是平坦，也就是说对各个频率分量的响应基本一致，把这一段频带叫作“通频带”。在无线电技术规定中，当电路的电压幅值保持不变时，在谐振处前后电流或电压跌落的程度不小于谐振值的倍频率范围，定义为电路的通频带。图14 通频带示意图电路通频带的绝对值为 式中、分别称为电路通频带的上限频率和下限频率，分别对应上图中的B、A两点。选择的原因是的平方是，如果来代表电流或电压的变化，则电功率的变化就是，此时功率降成谐振点的一半。所以常常也把这种降成0.707的频宽叫“半功率频宽或称3分贝频宽”。上图所示的为矩形谐振曲线，在谐振频率左右一段范围内形成一段平顶，频率在平顶范围以内时，电路中的电流最大，且恒定不变的；超出平顶范围外电流就跌为零。这只是理想的谐振曲线，实际上难以得到的。根据通频带的概念，可计算电路的通频带和电路的参数的关系为： 上式说明，谐振电路的通频带随电路的谐振频率的升高而变宽。随着电路品质因素的增加而变窄。在无线电技术中，有时则因电路的Q值太大，以致使电路的通频带小于传输的通频带。为避免这种情况，人们在电路中加接一个适当大小的电阻，以减小电路的Q值，使电路的通频带符合传输信号的要求。串联谐振电路的选择性：通常，在作用于电路的信号源中，除了有需要传输的有用信号外，还有干扰信号。电路从输入的信号中选出有用信号的本领，称为电路的选择性。因为串联谐振电路具有频率谐振特性。所以该电路具有选择信号的能力。谐振电路的谐振曲线愈尖锐，对无用信号的衰减愈强，它的选择性愈好，同时，要求准确度也高。否则，一旦中心点偏移，所需信号便很难进入。2.4.4 FSK信号传输在轨旁PCB板和车载PCB板之间的信号传输是采用FSK调制信号。FSK是将数字信号调制成模拟信号。用两组不同的频率f0和f1，分别表示“0”和“1”。在发送端将数字信号“0”和“1”调制为两组不同的频率f0和f1，用模拟信号传输；在接收端将频率f0和f1，解调为数字信号“0”和“1”。根据现场测量，发送和接收使用同一组信道，“1”使用的FSK中心频率是54KHz，“0”使用的FSK中心频率是64KHz。两者相差10KHz，信道带宽超过4KHz的国际标准，具有很大的富余量。由于信号的中心频率在60KHz，计算波长（）在5000米左右，频率很低，信号机房到轨旁的传输线上的辐射是很小的，几乎可不考虑。2.4.5传输线理论在传输线中，由于信号波长特点和相位的变化，造成沿线U、I及Z的变化具有一定的特性和规律。其表达式为：图15 传输线中电压.电流与波长的关系图在示意图中，由于传输线具有/4阻抗变换特性，距短路终端/4的等效阻抗，这恰好就是开路线的情况。2.5问题分析TWC主要是实现车载TWC-PCB与轨旁TWC-PCB之间的双向数据传输。其中在车载TWC-PCB和轨旁TWC-PCB之前是数字信号，经过调制转换成FSK的模拟信号通过有线传输线分别到达车载天线和轨旁环线。在TWC天线和轨旁环线之间通过电磁感应实现车地数据传输。在地铁线路上存在着电磁干扰的问题，地铁内的电磁环境复杂，各种无线信号很多，如：公共移动电话，车载调度电话、列车牵引电机等等。一般来讲，有线传输只要能保证衰减满足传输要求，干扰较小。而无线传输则与外界环境密切相关，电磁信号能否很好的耦合，很好的放大传输，则是非常关键的。在2008年下半年的二号线西延伸工程，及2009年2号线列车东西延伸线调试中，也发生了一些问题，直接影响了调试进度。问题主要表现在：发车表示器不亮，影响列车正点运营；停车定位不准确，造成列车停站移位；系统的不稳定性，造成不同车、不同站台时好时坏。2.5.1关于发车表示器不亮，说明车地通信不畅，没有收到控制中心送出的信号。多个列车，多个车站，同一列车同一车站，同一列车不同车站，同一车站不同列车发生问题。这些情况说明，没有一套设备（系统）是彻底坏的，主要是系统不稳定，系统是双向通信，任何一方向发生故障，都会造成通信不畅。2.5.1.1 轨旁环线作用：发送信号，把轨旁信号FSK（54KHz，64KHz）通过环线电磁感应，由车载天线接收。该信号只要信号强度足够，通常情况下，应该不会发生问题。在系统调试完成后，车载系统一般情况下是一致的、稳定的，谐振点不会飘移，车载的接收性能不会降低。接收信号，耦合接收车载天线发送的信号。车载天线送出的信号FSK（54KHz，64KHz）能否被轨旁环线很好地耦合，很好地放大传输，则是非常关键的。如果环线电路的谐振点不在信号中心频率附近，那该信号就不能很好地被环线耦合。所以电路L、C、R参数是否满足谐振条件，是至关重要的。系统本身具有很大的富余量，之所以出现问题，是因为谐振点偏移较大。使得信号的接收变得困难，出现了不稳定现象。 2.5.1.2 车载天线作用：发送信号，把车载信号FSK（54KHz，64KHz）通过车载天线发送，轨旁环线电磁感应接收。该信号只要信号强度足够，通常情况下，应该没有问题。关键是轨旁环线能否很好接收，而它的接收性能决定于环线的谐振点是否准确。接收信号，耦合接收轨旁环线发送的信号。环线送出的信号FSK（54KHz，64KHz）通过电磁感应由车载天线接收。2.5.2 个别车站、个别列车停站不准个别车站、个别列车停站不准是由于环线交叉计数不准确造成。轨旁环线发送信号较弱，或者是由于突发干扰造成计数出错。基于以上分析，确定轨旁耦合单元的谐振电路参数是解决此问题的关键。2.5.3 轨旁数据不一致下面图表为实测轨旁环线及耦合单元数据和参数，从图16和17中可以看出，数据没有如预期分布在一定的范围内，有的甚至相差很大。图16 不同车站环线电流 图17 不同车站C3 标称图18 各车站轨旁耦合板上IN端电压和C1电压图19各车站轨旁耦合板上OUT端电压和C3电压2.5.4 关键原因 图20 轨旁耦合板电路图上图所示是轨旁耦合单元电路板的电路图，首先对耦合单元的电路进行分析。在电路中，环线起到一个电感线圈的作用，从系统的功能和电路图来看，电路中的元件有变压器、电容C1、电容C3、电阻R、环线电感L。在现场中可以看到，变压器、电阻R、环线电感L是不可变的，其中，变压器、电阻R（标称3欧姆）是确定的，并且全线都是一样的，环线电感L可能由于不同批次的电缆，现场环境的不同有所差别。电容C1、电容C3是可变的。所以，研究要确定的是：电容C1、电容C3与什么有关系？是什么样关系，其值又如何设定？3 实验室模拟分析3.1实验环境与试验目的3.1.1实验环境在实验室模拟搭建车地通信环境，按照现场轨旁环线的规格，铺设环线，该环线铺设两次，其一，铺设在一个大房间，中间来回折返；其二，铺设在楼道的长通道上，以避免环线折返时造成参数的不准确，见照片。制作小推车，底下装轮子，以便沿着环线推行，车上安装车载天线，该天线可以上下移动，可以测量车载天线高度变化时对信号的影响。这样小车位置可以变化，以模拟车载天线在不同环线位置时的情况。见测试推车照片。图21 设计制作的测试推车与铺设的室内环线图22 展开铺设的环线图23 展开铺设的环线3.1.2实验目的车载天线在环线不同位置（交叉点处）时信号的变化；环线电感；耦合单元电路的作用；C1，C3的作用，以及其变化影响；对现场的问题进行模拟，并找出解决方案。3.2轨旁环线发送试验200cm61cm11cm小车运行方向图24 小车试验示意图3.2.1铺设环线首先，将TWC环线铺设在实验室中，但由于实验室场地有限，所以采用了曲折铺设的方法。TWC环线的长度和环线交叉点处的数量与实际情况一致。3.2.2实验小车实验室测量时，采用了小车推行的方式：（小车规格如下）小车上车载天线与轨旁环线的垂直距离为403mm；小车外沿与车载天线外沿的距离为11cm；小车规格为：长200cm、宽61cm。车载天线规格为：正方形，外层铁架边长38.5cm，内部天线边长29.7cm。在实验室测试时，内容如下：a)分别将车载天线放在与轨旁环线不同的高度进行测量，将信号加载在耦合板上，测量天线的接收信号。B)使用不同的电容参数，以模拟串联电路不同的谐振频率，将信号加载在耦合板上，测量天线的接收信号。C）将信号加载在车载天线的发送线圈上，测量耦合板上变压器的输出波形。3.2.3安装车载天线实验室小车上的车载天线：通过测试，车载天线内有两组线圈，即发送和接收线圈。线圈1：航空插头标记号为a和b；线圈2：航空插头标记号为c和e，该线圈内串有电容约为100nf。经过现场实装车载天线对比，确认线圈2（即线圈内串有电容的线圈）为接收线圈。3.2.4实验数据与结论3.2.4.1环线内长线交叉测试数据 + -采样性质CH1(mv)CH2(mv)距小车(cm)距天线中心(cm)车载天线位置中部采样8.427-78-108.25的右边临界点10.434-10- 40.25的右边零值点014+26.5-3.75的左边零值点4.40+354.75的左边临界点1132+6938.75的左边中部采样721+200169.75的左边注：表中“临界点”线圈接收波形开始明显变化的点。表中“CH1”、“CH2”表示：示波器CH1、CH2通道采集的波形电压峰-峰值。表中“距小车”表示：以环线交叉点作为距离0点，小车前方的外沿到该交叉点的距离。设：环线交叉点右边的采样点到环线交叉点的距离为负，环线交叉点左边的采样点到环线交叉点的距离为正。“距天线中心(cm)”表示：环线交叉点到车载天线中心点的距离。(38.5 / 2)+11 = 30.5。以上所指的环线交叉点都为同一个交叉点，即正在测试的长线交叉点。3.2.4.2环线内短线交叉测试数据+ - + - + -采样性质CH1(mv)CH2(mv)距小车(cm)距天线中心(cm)车载天线位置临界点8.428-15-45.25的左边零值点013+20.5-9.75的右边零值点4.20+29-1.25的右边中部采样1446+81+50.75的右边零值点018+29-1.25的右边零值点4.20+36.5+6.25的右边中部采样1446+83+52.75的右边零值点015+29-1.25的右边零值点4.40+38.5+8.25的右边临界点1028+70+39.75的右边注：表中“临界点”线圈接收波形开始明显变化的点。表中“CH1”、“CH2”表示：示波器CH1、CH2通道采集的波形电压PP值。表中“距小车”表示：以环线交叉点作为距离0点，小车前方的外沿到该交叉点的距离。设：环线交叉点右边的采样点到环线交叉点的距离为负，环线交叉点左边的采样点到环线交叉点的距离为正。“距天线中心(cm)”表示：环线交叉点到车载天线中心点的距离。(38.5 / 2)+11 = 30.5。以上所指的环线交叉点都为同一个交叉点，即正在测试的短线交叉点。 3.2.4.3天线在环线远端（折返处）信号最强天线高度对信号发送和接收影响较大，天线在交叉点上方没有信号;交叉点附近20厘米时是信号的盲区。表3 环线交叉电处电压分布3.3车载天线发送试验 实验测试原理图：61cm11cm小车运行方向INOUTU1U2URC3信号源200cm信号：车上 地面3.4环线电感L3的测定环线作为地面信号发送和接收的线圈，它呈现出的是电感特性，与耦合单元形成回路，并与电容C3共同构成串联谐振电路。为研究电路特性和参数，首先要取得环线特性，其中，最重要的是电感值。由于环线并非一个电感元件，而是分布式的，并且处于复杂的电磁环境中，要得到其电感值，也并非容易。在实际研究中，尝试了多种方法测量计算环线的电感，以下是其中的几种：3.4.1 方法一、电感表测量LCR图25 方法一测量示意图使用设备：电桥（TH2821LCRMETER）、TWC环线步骤：1）将电桥的探针与TWC环线的两端连接。 2）将电桥的功能设置为测电感档。 3）将电桥的测量档位为1KHz。 4）从电桥读数，得到L3值。3.4.2 方法二、谐振测量测算函数发生器电阻箱示波器电容箱图26 方法二测量示意图使用设备：电阻箱、电容箱、TWC环线、函数发生器（YB161634）、示波器步骤：1）将电阻箱、电容箱、TWC环线、函数发生器串联连接。2）将示波器探针接在电阻箱两端。3）设置电容箱的电容值。4）设置电阻箱的电阻值。5）调节函数发生器的频率值，同时观察示波器显示的波形。6）由公式，所以可知道，当电压最大时，电路中的电流也最大。7）使示波器中的波形的幅值为最大时，记录下函数发生器发送的频率值。（此时电路处于谐振状态）8）由公式，可到L3电感值。3.4.3 方法三、简易（信号频率、电流、电压）测算电阻箱万用表A示波器函数发生器图27 方法三测量示意图使用设备：万用表（FLUKE179）、TWC环线、函数发生器（YB161634）、电阻箱、示波器步骤：1）将万用表、TWC环线、函数发生器、电阻箱串联连接。2）将示波器跨接在函数发生器两端。3）将万用表调整到电流档。4）设置电阻箱的电阻值，R3。5）从函数发生器中，读出频率值。6）从示波器中，读出电压值。7）从万用表读出电流值。8）由公式Z=6.28FL； Z=U/I，可计算得到L=U/I（6.28F）电感值。3.4.4 方法四、电阻法测量函数发生器万用表V电阻箱 图28 方法四测量示意图使用设备：电阻箱、函数发生器（YB161634）、TWC环线串联、万用表（FLUKE179）步骤：1）将电阻箱、函数发生器、TWC环线串联连接。2）将万用表跨接在TWC环线两端，并调到电压档。3）将函数发生器的频率设置为64KHz。4）将电阻箱的值设置为0。5）读出万用表所显示的值。6）调节电阻箱的值，使数字万用表的读数为原先读数的一半。7）读出电阻箱的值R。8）由公式L= R / (6.28)(64000)，得到环线电感L3的值。原理：U=1/2U U=2*3.14*F*L*I=2*3.14*F*L*U/(R+Z) U=2*3.14*F*L*I=2*3.14*F*L*U/(R+R+Z) U=1/2U U/(2(R+Z)=U/(R+R+Z) 2R+2Z=R+R+Z R=3 忽略不计 2Z=R+Z 即R=Z Z=6.28*F*L L=R/(6.28*F) 3.4.5结论：系统的可调参数，基本上只有耦合单元电路中的二个电容元件，其他部分基本上是不可动的。据该系统的原理可知，只有得到环线和传输线的电感特性值，才能根据谐振公式计算得到与之配合形成共振的电容值。所以环线和传输线的电感特性值的获取是十分重要的。由于环线和传输线并非一个电感原件，再加上现场的电磁环境复杂，直接用电感表不易测得其表现在电感方面的特性，通过间接方法测量、计算是比较合适的。上述方法在本项目中，都进行过逐个使用。在实验室环境中，由于电磁干扰小，测量计算结果基本是在一个数量级的范围内。在现场中，由于电磁干扰大，测量计算结果也相差较大。方法一电感表测量，是一个电桥设备进行，简单方便，但在现场中使用，很不准确。方法二谐振测量测算，电路复杂，测试过程繁琐，结果比较准确，但在现场中，由于电磁环境复杂，谐振点较难找准。方法三简易（信号频率、电流、电压）测算，根据电感与频率关系的特性测算，方法简单，但结果出入较大。方法四电阻法测量，方法简单，受外界环境影响较小，测量结果可靠，推荐使用。3.5 电容C3、C1变化试验与分析3.5.1测量环境 轨旁环线（在实验室楼道，展开铺设）、车载天线、耦合单元。 利用电阻法测环线电感：调节电阻箱的值，使数字万用表的读数为原先读数的一半。表4 电阻法测得环线电感次数1234567C1(uf)0.0220.0220.0220.0110.0330.005U(V)6.24.22.0066.0476.276.04U(V)3.052.0691.0173.0023.143.02XL360360350351343330计算L=0.87mH 当L=0.87mH，F=64kHz时，计算C=0.0071uf3.5.2轨旁环线发送，车载天线接收没有C1时，C3变化，测量车载天线接收信号强度。In端加信号64kHz，测OUT端电压(环线两端电压大,则电流强,产生的磁场也就强)。实验数据：表5A 没有C1情况下改变C3时Uout 的电压（C1开路）次数12345678910C3(uf)0.0010.0030.0050.0070.0090.010.0130.0150.020.025Uout(V)xx0.8v2.06v4.27v8.036.394.112.50.9表5B（增加信号发生器输出强度）次数12345678910C3(uf)0.0050.0070.010.0110.0120.0130.0150.0180.0200.022Uout(V)3.88.145513324.21611.410.29.3次数12345678910C3(uf)0.0250.0280.030.040.060.080.10.20.3Uout(V)8.47.76.96.425.785.55.35.04.92 测量OUT端电压V，数据随C3变化而变化,并且变化很明显。说明C3与环线发送电流密切相关。两组数据得c1在0.01时，效果最好。没有C3时，C1变化，测量Uout 的电压。实验数据：C3=0短路表6 没有C3情况下改变C1时Uout 的电压次数12345678910C1(uf)0.0050.010.0150.0170.0190.020.0250.0280.030.05Uout(V)1.1031.1081.111.121.12v1.121.1291.1341.1351.16次数111213141516171819C1(uf)0.080.10.150.20.250.30.350.40.5Uout(V)1.211.241.341.441.481.751.9612.212.78测量OUT端电压V，数据随C1变化不大，对环线输出影响不大。分析：C1的变化对天线感应电压变化影响不大，C3的变化对天线感应电压变化影响大。轨旁环线作为发送时，C3是重要的，这是由于C3在发送串联谐振电路中起作用，发生串联谐振时，呈纯电阻状态，得到最大电流，电流的大小决定了磁场的大小，因此能产生最大的磁场，电流决定磁场而产生最大的磁场，使得车载线圈产生大的感应电动势，能得到较好的信号。此时，C3是关键。3.5.3车载天线发送，轨旁环线接收没有C1时，C3变化，测量耦合板IN端电压（接收信号强度）。实验数据：C1开路表7 没有C1情况下改变C3时Uin 的电压次数12345678910C3(uf)0.0010.0030.0040.00420.00450.0050.0060.0070.0080.009Uinx350mv2.06v3.5v2.3v966m488m353m320m243m次数12345678910C3(uf)0.010.020.030.060.080.10.20.30.4Uin220m166m150m140m134m153m133m126m106m可见C3变化时，IN端变化不大。没有C3时，C1变化，信号加到车载天线输入端，测量耦合板IN端电压（接收信号强度）。实验数据：C3短路，调整C1表8 没有C3情况下改变C1时Uin 的电压次数12345678910C1(uf)0.00050.0010.0040.0060.0080.0090.010.02Uin（mv）131.5133201224225265278235次数12345678910C1(uf)0.030.040.050.070.090.10.20.30.40.5Uin（mv）194v9871493222xxxx在C1不合适时，根本得不到信号，数据随C1变化，波动很大。分析：C1的变化对轨旁环线接收性能影响很大，C3的变化对接收电压变化影响不大。轨旁环线作为接收时，C1是重要的，这是由于C1在接收并联谐振电路中起作用，像收音机调谐电路一样，其调谐作用在发生并联谐振时，谐振信号进入电路，经变压器放大传送。非谐振频率信号则被滤掉。此时，C1是关键。3.5.4 结论耦合单元作为地面接收和发送的电路，电路中有C3和C1两个电容。发送时，C3是关键；接收时C1是关键。具有两个变量，要确定其值，在可能的范围内，有几万种组合。如何确定其值至关重要；首先确定范围。发送时，确定C3；接收时，确定C1。3.6车载天线处于环线不同位置时对信号的影响3.6.1环线长度:190米*2+38*2*0.6=380米+46=426米3.6.2波长：频率按f=60kHz= 300000*k/60k=5000米近端环线电流相位差：426/5000*360=30.7度电磁场强度：cos(31度)Imax=0.85Imax即在近端信号的强度是远端的85%3.6.3实验室测量用车载天线测感应电动势：实验室测：F=59kHz U远=136mv U近=90mv试车线测：F=64kHz U远=218mv U近=95mv U中=158mv3.6.4结论根据传输线理论，可以证明，远端（折返端）电流由于没有相位差，磁场最强，信号最强；近端（近耦合单元）电流有相位差，磁场变弱，当传输距离达到/2时（环线长度达到/4）时，电流相位相差180度，相当于反相，磁场强度为0。本系统相差15%，即近端为远端的85%。4现场测试与分析4.1车站测试数据研究小组利用晚间运营间隙，对全线的TWC单向（发送）数据进行了检测，结果如表8，表9。图29 现场测试图30 现场测试表9A 各车站TWC轨旁耦合板元件电压及环线电流表车站名C1标称C3标称C1电压C3电压R1电压In端电压Out端电压环线电流RMSP-PRMSP-PRMSP-PRMSP-PRMSP-PRMSP-P张江下0.320.02213.26521.3580.5231.7747.316941.91220.1840.6张江上0.220.02232.49232.41370.8282.641.615966.11830.2790.89龙阳路下0.280.022247626.4741.0552.958.819255.41550.2340.73龙阳路上0.270.02230.8#62.42751.163.5174.926370.92130.3251.04世纪公园下0.30.013516.54887.22851.484.821.49475.62110.3410.97世纪公园上0.30.01311.937802900.8793.0524.28551.82140.3161.04杨高路下0.310.02121.96923650.581.6433.917047.21350.220.62杨高路上0.2640.02223.77534.9980.3160.8834.114943.41390.1980.68静安寺下0.2340.012528.1891223402.16663.62431564400.6141.72静安寺上0.011529.99356.61582.186.168.3731936100.7061.98南京西路下0.150.012512.1471032900.9972.8254.116085.93130.3911.1南京西路上0.20.01344.2#53.31580.7011.9544.8132722720.3170.9陆家嘴下0.7040.01126.37735.41011.243.548.319482.62990.4041.14陆家嘴上0.350.0139.3#69.12020.7472.2739.215772.72720.3411.07东昌路下0.30.013513.64753.91520.8932.6859.617470.41990.4121.31东昌路上0.01216.34947.11421.173.2250.51751334100.2520.71世纪大道下0.0130.000517.94965.41831.022.943127105.83500.3490.99世纪大道上0.20.01326.27265.41831.354.442.612681.42280.3220.93人民广场下0.022308534972.085.340.520954.81530.260.74人民广场上0.30.02232.2#45.41280.8022.2873.322767.91930.2890.82南京东路下0.2640.012513.240411190.6051.7727.89452.31470.2060.59南京东路上0.30.012277856.51580.8152.2938.912283.52710.2690.76中山公园下0.01228.8811995601.85.1461711504200.5641.58中山公园上0.315.3451363801.043.8359.5240101.63220.4321.5江苏路上0.20.01213.44159.91890.712.5151.714996.62740.2780.85江苏路下0.170.012545.5#89.22491.965.170.12062277000.4921.43凇虹路下0.120.0240.2#812300.9772.9116400103.42780.2250.64凇虹路上0.150.02239.7#39.11370.5591.5262.719246.91300.2040.67北新泾上0.220.0224.47141.21170.952.855.314849.11390.2160.71北新泾下0.220.0231#41.51350.993.284.424273.42090.2020.65娄山关上0.170.0244.3#50.81571.133.0568.520455.51580.2490.71娄山关下0.150.013320.86853.41510.5471.725.8101461310.1830.56威宁路上0.220.02254.1#48.21541.344.4116400100.72870.2890.82威宁路下0.150.0330.88216.9590.571.677.730246.31220.1380.36表9B TWC轨旁计算值表车站名C1标称C3标称环线电流RMSP-PICLCCuc1/uinuout/uc1张江下0.320.0220.1840.62280.170.021720.641.1E-050.279073.174242张江上0.220.0220.2790.892370.280.022610.641.11E-050.7788462.040123龙阳路下0.280.0220.2340.732370.350.035350.421.68E-050.4081632.308333龙阳路上0.270.0220.3251.042180.390.016450.491.45E-050.4112152.301948世纪园下0.30.01350.3410.972220.490.015010.411.73E-050.7710284.581818世纪园上0.30.0130.3161.041640.290.009720.471.5E-050.4917364.352941杨高路下0.310.0210.220.622150.190.022310.651.09E-050.6460182.155251杨高路上0.2640.0220.1980.682190.110.008011.096.44E-060.6950151.831224静安寺下0.23390.01250.6141.722540.720.015660.581.22E-050.4418245.551601静安寺上0.01150.7061.982730.730.034070.79.99E-060.4377756.454849南京西路下0.150.01250.3911.12200.330.008560.691.03E-050.223667.099174南京西路上0.20.0130.3170.92270.230.011630.828.61E-060.9866071.628959陆家嘴下0.7040.0110.4041.142040.410.030990.531.33E-050.5445133.140684陆家嘴上0.350.010.3411.072130.250.009560.779.09E-061.0025511.849873东昌路下0.30.01350.4121.311710.30.014660.631.12E-050.2281885.176471东昌路上0.0120.2520.715280.390.021980.917.78E-060.3227728.159509世纪大道下0.0130.00050.3490.993030.340.01380.838.53E-060.4162795.910615世纪大道上0.20.0130.3220.932530.450.018260.481.47E-050.6150233.10687人民广场下0.0220.260.742110.690.054120.213.36E-050.7407411.826667人民广场上0.30.0220.2890.822350.270.015630.671.04E-050.4392912.108696南京东路下0.2640.01250.2060.592540.20.013050.691.02E-050.474823.962121南京东路上0.30.0120.2690.763100.270.012760.828.63E-060.6940873.092593中山公园下0.0120.5641.582660.60.0080.661.06E-050.6260875.208333中山公园上0.30.4321.52350.350.006760.789.06E-060.2571436.640523江苏路上0.20.0120.2780.853470.240.010491.086.5E-060.2591887.208955江苏路下0.170.01250.4921.434610.650.019440.927.64E-060.6490734.989011凇虹路下0.120.020.2250.644600.330.010670.848.36E-060.3465522.572139凇虹路上0.150.0220.2040.672300.190.012650.671.05E-050.6331741.18136北新泾上0.220.020.2160.712270.320.02040.411.71E-050.441232.012295北新泾下0.220.020.2020.653630.330.02110.591.19E-050.3672992.367742娄山关上0.170.020.2490.712230.380.019680.391.8E-050.6467151.252822娄山关下0.150.01330.1830.562510.180.009060.671.05E-050.8062022.211538威宁路上0.220.0220.2890.823480.450.024590.61.18E-050.4663791.861368威宁路下0.150.030.1380.363360.190.029840.651.09E-050.3963961.503247表10 各车站传输电缆长度表集中站邻站电缆长度淞虹路130威宁路130北新泾1392娄山关路1607中山公园130江苏路1596静安寺130南京西路1588人民广场130南京东路1525陆家嘴130东昌路1314世纪大道2558科技馆130龙阳路130世纪公园1299张江93试车线6114.1.1 采集数据分析从表8可以看出，电容、电压、电流等数据的差别很大，说明轨旁系统的参数和性能不一致，有的相差甚远。从实际测得的数据可以计算得出：（1） 环线电流I=Ur/R与表格中通过钳型表测得的电流比较，80%是一致的，见表中的I列。对结果一致的车站，说明测得的数据是准确的，具有参考价值（由于测量时间、现场环境的限制，有些数据不准确，也可跟据电容的电压，电流，计算电容与实际比较，决定哪些数据是准确的）。找出这些一致的车站，进行分析。如张江上下行站台、南京东路上下行站台等。（2） 环线电感，感抗Z=Uout/I.计算得到大约250欧姆；电感L=Z/（2*3.14*f）,计算出大约为0.7mH。（3） 电容C3，根据谐振公式，（2*3.14*F）2=L*C. 计算出C3与表格中现场的标称比较，大部分是接近的，如：张江上下站、南京东路上下站等。差距比较大的有两种情况：现场的电容有问题或者数据测量不准确。这些点可以进一步分析。如：静安寺站上行等（4） 电压比Uout/Uc1,计算它，判断C3是否起到放大的作用。可以看出，计算出的电容与实际的相近，则放大倍数大；计算出的电容与实际的相差远，则放大倍数小。如：（5） 电压比Uc1/Uin,计算它，判断C1是否起到放大的作用。可以看出，c1影响不是很大。分析认为，C1关键是起接收时的作用4.2 测试方法研究小组利用晚间运营间隙，申请工作点，对二号线17个车站中的淞虹路、威宁路、娄山关路、中山公园、江苏路、静安寺、南京东路、陆家嘴、东昌路、世纪大道、龙阳路等大部分车站进行了1到3次的现场测试。同时，还借助信号动车调试进行测试和试验。在龙阳路试车线也做了3次测试和试验。1）通过对龙阳路基地试车线、车库测试，以及在静安寺车站进行动车测试， 明确了地面和车载用两个频率64KHz和54KHz分别代表0和1进行通信，这样做虽然浪费了频带资源，但能够使电路可靠工作。轨道上的环线和车载天线所使用的频率范围要能覆盖住这两个频段。经过几次的现场动车调试，发现静安寺站的TWC的存在电容漂移。2）集中站内信号发送的距离是300米，而由该站将信号送到2公里外的邻站就必需要考虑电缆的阻容。为了模拟信号在邻站的接收效果，要对原来300米的电缆进行补长。并且，认识到了不同生产厂商生产的电缆阻容特性的区别（因为不同电缆厂商生产的电缆存在粗细、保护层、屏蔽层等因素的差异）。3）现场测试时，把来自室内的信号电缆断开，不使用现场信号，使用外部信号源作为输入（由信号发生器产生信号，以模拟出真实环线的工作情况）。在环线的不同部位，测出环线发送信号的规律。测试点分别在机房和轨旁。4）在没有干扰的情况下，使天线之间的信号接受与发送调整到最佳状态（可以在实验室中实现），以获得基本数据。此外，由于现场干扰情况很复杂，所以先暂时不去跟踪干扰源。龙阳路试车线是现场进行实验的一个折中的方案，龙阳路试车线的电磁环境相对较简单，干扰较小，测试环境介于实验室与现场之间。5）列车实际运行过程中，环线和钢轨之间存在相互作用，相互影响。钢轨由于被轮轴短路，因此钢轨组成了大线圈，而线圈的多个交叉组成了小线圈。钢轨上会通过牵引强电流，环线上通过的是低电流，从而在钢轨和线圈之间会产生互感。所以钢轨与环线之间应保持距离，不宜太近，以减小互感带来的影响。6）通过现场测试，提出了 “轨旁一致”的目标。通过不同站点的测试和实验，对轨旁频率、幅值、电容值的参数，制定了全线一致的调整标准。并且建议车站的环线铺设高度，应保持与轨面距离一致。通过实地比对，确定了列车在站台的标准停车位置。并划出明显的标准停车位置线。确定了列车车载天线的位置。（确定方式是：天线的安装位置到第一根车轴的距离，该距离每辆车都应保持一致）7）从控制板可以互换角度来推断，地面和列车上发出的工作频率是一样的，频率为54KHz和64KHz，而且车载天线的线圈有2个，所以推断TWC通信模式很可能是半双工模式。明确了列车信号的发送频率是54KHz和64KHz，8）在实际测试过程中，既然列车接收信号、发送信号都为64/54KHz，那么如果大致将谐振频率定在59KHz，那么从理论上讲，地面和列车可以获得一个较好的接收情况。但在实际情况下却不是这样。我们曾经尝试将轨旁信号的发生情况调整在该谐振点附近，发生信号强度最大时，列车一旦到达环线上方，仍然无法收到信号。所以由此判断，列车在环线上方时，可能会使列车和地面的发送和接收的频率谐振点偏移。根据设备的固有特性，猜测当列车到达环线上方时，轨旁和列车的收/发谐振点定在59KHz应该会使车地通信质量得到较好的改善。但实际测试后，发现谐振点并未受太大影响。9）通过全反射工作状态下，传输终端的驻波性质。可以知道环线上各段电流及电压的相位变化。通过该性质判断环线远端信号较强、环线始端信号较弱。通过实验室里的多次测量和龙阳路车线的实地试验，证实了该推断的准确性。所以，这也给地铁信号建设方面提供了方案：天线始端的位置应该放车尾，保证车头在环线远端，以获得较强信号。或者将环线始端放在中间，以在环线两边都能兼顾获得较好的信号接收。10）考虑到8编组车车载天线停留的位置，正好位于回流排的附近。考虑到该回流排的电流相当大，会影响到车载天线与环线的信号收发。所以建议，二号线延伸段的施工应考虑到该因素，而将回流排安装在离环线适宜的距离外。4.3测试结果与分析下面为其中的一组数据：东昌路(下行)机房 内接线柱工作频率PP值有效值图片编号KHzVV63.917858.84#00653.217051.77#007#006 #007 东昌路(上行)机房 内接线柱工作频率PP值有效值图片编号KHzVV63.915845.53#00853.515340.29#009008 009 东昌路(下行) 接线柱工作频率PP值有效值图#010偶合板IN63.914147.06黄色偶合板IN63.959.419.93绿色、4.3.1分析地对车通信分析：中央控制室数据信号经放大由控制室机柜向轨旁环线发送，在耦合板上经过3：1的变压器到达R,L,C串联电路，当该串联电路的参数满足谐振条件时，通过该电路的电流最大，此时车载接收天线所耦合得到的信号最强，列车接收状态为最佳。按照FSK的情况，频率分别为64kHz和54kHz,为兼顾2个频率，实验小组认为中心频率应该为59kHz，如果偏离这个频率太多，就会不能兼顾上下2个频率的接收状态。而由我们在现场试验的结果也证实，如果C3调整得不好，地对车通讯就会发生问题。 图31 TWC环线电路图车对地通信分析：车载设备将通讯信号放大后通过车载天线中的发送线圈向地面发送，同样经过处于谐振状态的轨旁环线得到信号，但是由于设备的限制，车载发送的信号相对较弱。因此由变压器和C1组成的并联谐振网络在这里起了检波和放大的作用。因为在相对封闭的车站内存在有各种电磁信号，如轨道电路的，移动通讯的，对讲机等，这些信号对TWC系统来说就是干扰信号，不能被系统接收。因此并联谐振网络的谐振频率也调整到59kHz,使来自车载的信号得以通过并且通过变压器放大3倍，传送到控制机房。从车对地的通讯中，并联谐振网络的参数比较重要，因为变压器是固定的，因此其电感参数也是不变的，只有C1的参数是可以改变的，也就是说C1的选择决定车对地的通讯质量，但是C1的参数同时也会改变串联电路的参数和串联电路的谐振频率，因而C1也同时会改变地对车的通讯效果。下面就是具体分析：1）当C1没有时，由C3,R,环线电感L和变压器电感组成一个RLC串联电路，但是此时该电路的等效电感为环线电感L和变压器电感合成，总电感增加，为使原来的串联电路谐振频率不变，C3必须减小。该状态下，对于地对车的通讯不会产生影响，但是车对地的通讯，由于缺少了并联谐振网络的选频，因此对频率的选择性降低。各种频率的信号都能通过回路送到控制机房。该状态下TWC系统能够工作，如龙阳路试车线。图32 TWC串联谐振电路图2）当C1太小时，并联单元的容抗大于感抗XC=1/2fC, XL=2fL,并联单元呈容性，而对整个耦合电路来讲，相当于等效的C1串联于电路中，整个电路的电容为C1等效和C3串联，其合成电容值取决于比较小的电容C合C1等效3/（C1等效+C3），如果要使C3在电路中起主要作用，C3的值要比C1小得多，该情况在世纪大道站得到验证。图33 C1太小时耦合电路等效图3）当C1太大时，并联单元的感抗大于容抗，并联单元呈感性，而对整个耦合电路来讲，相当于等效的L1串联于电路中，整个电路的电感为L1等效和L3串联,L合L1等效+L3，串联电路中电感增加，要使谐振频率不变，C3必须减小。图34 C1太大时耦合电路等效图4.4 试车线实验数据与分析4.4.1 实际耦合单元上元器件分布： 图35 试车线实验电路图 IN端连室内分线盘；C1、C2 电容悬空；C3 电容0.022uf；R1 电阻 3；Out端连接TWC天线4.4.2 TWC天线测算天线可以看成电阻和电感元件串联电路，电路中的电流相同，通过测试天线上的电压、电流和电阻，可推算出电感值。发送/接收板的R65电位器从最小调到最大，分成5个测试电平。以下是测试数据：天线电阻RL=0.5频率 f=63.6KHz。表11 天线电压、电流有效值第一次调整第二次调整第三次调整第四次调整第五次调整OUTPUT18.6V68mA23.3V6933.5V11043.6V14048.17V158图36 天线电流图37 天线电压天线的电压电流有效值之比为该电路的阻抗模，由该公式可以计算出电感值。计算其中一个过程： 计算每个测试电平，共得到5个结果：平均值为：L=0.767mH4.4.3 耦合单元特性：把计算得出的电感值，测试出的天线电阻、R1电阻，C3电容代入到耦合单元电路模型中再计算： 图38 RLC串联电路阻抗模和频率的关系图上图为RLC串联电路在电源频率30kHz70kHz的情况；可以得出阻抗模最小时，电路的谐振频率为38.7KHz。电源电压和电流之间的相位差，由容抗、感抗公式得出： 得出相位差大于0，因此整个耦合单元电路呈现电感性。4.4.4 测试数据表12 龙阳路试车线测试数据Uin(v)4044638088Uout(v)1823334348Uc1(v)9101419214.4.5 分析在龙阳路试车线上，耦合单元中，没有C1。(与正线不同之处)。输出电压比（Uout/Uin=0.5），明显低于正线（Uout/Uin=2）,这是由于没有并联谐振电路，电压只是变压器的降压，而没有并联谐振的电压放大。同样道理，在接收信号时，也起不到选频作用。也就是说，环线上感应的信号，均能到传输线。厂家之所以这样设计，是考虑到试车线的系统性能要低于正线，如果列车在此处能够调试通过，则在正线一定可以通过。5 交叉电缆回线技术参数5.1环线铺设几何参数图39 交叉电缆回线尺寸及车站站台示意图5.1.1纵向铺设参数纵向沿站台中心向两端对称铺设，总长度为190米，共有37个交叉，环的长度有四种：11米、7米、6米和1米。从一端到另一端的次序分别为：7-6-1-1-6-6-6-6-1-1-6-6-6-6-6-6-6-11-1-1-11-6-6-6-6-6-6-6-1-1-6-6-6-6-1-1-6-7环线纵向长度：11米*2+7米*2+6米*24+1米*10=190米5.1.2横向铺设参数铺设在轨道中央，横向跨度为0.6米，两边距钢轨均为0.3045米。5.1.3环线电缆长度轨道内交叉感应部分长度： 190米*2+0.6米*38*2=426米5.2 环线电气（物理）参数电缆批次不同、车站电磁环境不同，环线的物理参数也不完全相同，根据现场测试，实验室实验，综合分析得到区间值。环线电阻值：0.60.8；环线电感值：0.60.9mH；辐射电阻：210-250。5.3耦合单元电容参数轨旁耦合单元电路中，有两组电容，分别为串联电容C3和并联电容C1。根据现场测试，实验室实验，综合分析得到区间值。串联电容C3值：0.008-0.015uF；并联电容C1值：0.015-0.027uF。5.4环线电流/电压参数环线主要作用发送轨旁信号和接收车载信号。作发送时，环线电流是决定磁场强度即信号强度的重要因素。根据现场测试，实验室实验，综合分析得到环线电流（电压：指耦合板OUT端）区间值。环线电流（RMS）值：基准值：0.30A；范围：0.25A0.35A。电压参数（RMS）值：基准值：70v；范围：50v85v。5.5 FSK信号频率车载天线与环线之间的信号，采用FSK频移键控，通过模拟载波信号传输数字信号。TWC系统采用半双工通信，车载发送和地面发送采用同一组频率。中心频率分别为：F0：64kHz(space表示0) 属于低频频段；F1：54kHz(mark表示1)；波长（近似）=5000米；属于千米波波段。5.6 环线磁场分布从环线折返端（远端）到轨旁耦合单元端（近端），磁场由强到弱。近端信号强度是远端信号强度的85%。6 交叉电缆回线测试维护方案对交叉电缆回线系统的测试和维护重点是轨旁系统，包括两部分内容：TWC轨旁系统的检测和调整操作。系统的检测主要是通过测试，检查系统是否在正常的工作，以及时发现系统存在的问题，将故障消灭在萌芽状态；调整操作则是对系统的物理元件等进行更换和调整，消除故障，保障系统的正常运行。6.1 交叉电缆回线系统元器件测试方案：6.1.1 环线电阻检测测试设备：螺丝刀，万用表测试步骤：关闭轨旁控制柜电源，打开柜旁控制盒，将TWC轨旁环线从耦合板上卸下，用万用表测量轨旁环线的电阻，将数据记录下来。将记录下的电阻值和标准环线电阻值比较（0.60.8）。将记录下的电阻值和原来该环线电阻值比较（也即是正常情况下电值）。如果上面2个比较结果有较大误差，轨旁环线就有问题，就要对环线进行仔细检查。6.1.2 环线电压参数测试测试设备：示波器测试步骤：打开轨旁控制柜电源，使其发送正常信号，用示波器连接在机房发送板的输出端测试点，观察示波器的波形，记录下其电压PP值或RMS值。1）将记录下的电压值和标准电压值比较（pp值150v260v；RMS值：50v85v）。2）将记录下的电压值和原来该电压值比较（也即是正常情况下的电压值）。如果上面2个比较结果有较大误差，该电压就有问题，就要进行调整。6.1.3 环线电流测试测试设备：钳型表测试步骤：打开轨旁控制柜电源，并使其常发64KHz信号，将钳型表卡在轨旁环线上，记录下轨旁环线的电流。1）将记录下的电流值和标准电流值比较（0.25A0.35A）。2）将记录下的电流值和原来该电流值比较（也即是正常情况下的电流值）。如果上面2个比较结果有较大误差，该电流就有问题，就要进行调整。6.1.4 测环线感抗并计算环线电感测试环境：轨旁无车，控制机房发送信号测试设备：示波器或数字电压表（工作频率大于100KHz），十进制电阻盒，TWC轨旁耦合单元（可以用备用板），烙铁。测试步骤： 1)关闭控制机房发射机电源。2)打开轨旁控制盒，用导线将C3两端短路，用烙铁将C1从耦合单元卸下，将轨旁环线一端从TWC轨旁耦合单元卸下，在卸下的环线一端和TWC轨旁耦合单元的OUT端与空端之间串联一个十进制电阻盒，其他器件都不动。3)将示波器或数字电压表接在环线的两端。（如图40）4)将十进制电阻盒调到0，合上控制机房发射机电源，设置TWC 接收/发送板，并传送稳定的64KHz载频，记录下示波器或数字电压表的读数。5)不要把电阻盒移走，调节十进制电阻盒的旋钮，使表的读数为原来的一半（比如原来读数为5.6伏，现在读数为2.8伏），记录现在十进制电阻盒上的数字。6)此时十进制电阻盒上电压等于环线上的电压，即UR=UL。 图40 电阻法测Z1的电路图从上面UR=UL 可以得到电阻盒的电阻值即为TWC环线的阻抗值，该阻抗主要为电感的感抗，即为XL。已知频率为64KHz, 则R = XL, L=XL / (6.28)(64000)将记录下的电感值和标准环线电感值比较（0.60.9mH）。将记录下的电感值和原来该环线电感值比较（即是正常情况下电（感）值）。如果上面2个比较结果有较大误差，轨旁环线就有问题，就要对环线进行仔细检查。6.1.5 电容C1检测测试设备：螺丝刀，电容表，烙铁测试步骤：关闭轨旁控制柜电源，打开柜旁控制盒，将C1的一端用烙铁焊下，用电容表测量C1的容量，将数据记录下来。1）将记录下的C1电容值和标准C1电容值比较（0.015-0.027uF）。2）将记录下的C1电容值和原来该C1电容值比较（正常情况下C1电容值）。如果上面2个比较结果有较大误差，C1就有问题，就要进行调整。6.1.6 电容C3检测测试设备：螺丝刀，电容表，烙铁测试步骤：关闭轨旁控制柜电源，打开柜旁控制盒，将C3的一端用烙铁焊下，用电容表测量C3的容量，将数据记录下来。1）将记录下的C3电容值和标准C3电容值比较（0.008-0.015uF）。2）将记录下的C3电容值和原来该C3电容值比较（正常情况下C3电容值）。如果上面2个比较结果有较大误差，C3就有问题，就要进行调整。6.2 交叉电缆回线维护方案6.2.1用电阻法，测量环线阻抗Zl测试环境：轨旁无车，控制机房发送信号测试设备：示波器或数字电压表（工作频率大于100KHz），十进制电阻盒，TWC轨旁耦合单元（可以用备用板），烙铁所需人员：34人测试步骤： 关闭控制机房发射机电源。打开轨旁控制盒，用导线将C3两端短路，用烙铁将C1从耦合单元卸下，将轨旁环线一端从TWC轨旁耦合单元卸下，在卸下的环线一端和TWC轨旁耦合单元的OUT端与空端之间串联一个十进制电阻盒，其他器件都不动。将示波器或数字电压表接在环线的两端。（如图40）将十进制电阻盒调到0，合上控制机房发射机电源，设置TWC 接收/发送板，并传送稳定的64KHz载频，记录下示波器或数字电压表的读数。不要把电阻盒移走，调节十进制电阻盒的旋钮，使表的读数为原来的一半（比如原来读数为5.6伏，现在读数为2.8伏），记录现在十进制电阻盒上的数字。此时十进制电阻盒上电压等于环线上的电压，即UR=UL图40 电阻法测Z1的电路图6.2.2 计算环线电感L，并计算电容C3（参考值）从上面UR=UL 可以得到电阻盒的电阻值即为TWC环线的阻抗值，该阻抗主要为电感的感抗，即为XL。已知频率为64KHz, 我们可用以下公式计算出环线的电感： R = XL, L=XL / (6.28)(64000)根据谐振原理我们可以计算出电容C3的参考值如下： C=1/(6.28*59*1000)2*L6.2.3 微调C3，确定其值测试环境：轨旁无车，信号发生器发送信号测试设备：信号发生器，TWC轨旁耦合单元（可以用备用板），十进制电容盒测试人员：3人测试步骤：将环线连接在TWC轨旁耦合单元的OUT端,用十进制电容盒连接在电路板的C3位置。将电容盒的容量调整到上面计算得到的大小，将信号发生器和示波器连接在C3和环线两端，注意示波器和信号发生器的正负端必须对应连接，（红对红，黑对黑）见图41。信号发生器的波形选择正弦波,将信号发生器频率调到59KHz。微调电容盒容量，同时观察示波器波形,使该波形接近不失真时最小幅值,记录此时的C。得到正确的C3。 图41 调整C3时的电路图6.2.4 调节C1，确定其值测试环境：轨旁无车，信号发生器发送信号测试设备：信号发生器，TWC轨旁耦合单元（可以用备用板），十进制电容盒测试人员：3人测试步骤：在按图42连接电路，将轨旁环线从OUT端上卸下，C3按上面测试得到的值连接在TWC轨旁耦合单元上，将十进制电容盒接在C1位置（初始值调到0.22Uf），将信号发生器接在TWC轨旁耦合单元的OUT端。在IN端连接示波器。信号发生器波形选择正弦波，调节电容盒的容量大小，同时观察示波器上的波形，使其波形为不失真时的最大。记录此时电容盒的容量大小，即C1的大小。 图42 调整C1时的电路图6.2.5 调节机房发送板电位器，确定输出电压用示波器连接在机房发送板的输出端测试端，轻微调节机房发送单元的电位器，观察示波器的波形，使其的PP值在210v左右，或RMS值在70v左右。(根据现场情况，干扰强的车站，PP值可在250v左右，或RMS值在80v左右)6.2.6 地面接收试验测试环境：轨旁无车，信号发生器发送信号测试设备：信号发生器，TWC轨旁耦合单元，车载天线，十进制电容盒测试人员：4人测试步骤： 按图43连接电路，用十进制电容盒连接在C1和C3的位置，将电容盒的初试容量调整到上面测试得到的数值。将示波器连接在TWC轨旁耦合单元的IN端。把车载天线放在轨旁环线的最远端（内侧地面），将信号发生器输出连在车载天线的发送线圈的引出端，信号发生器波形选择正弦波，频率调整到59KHz，信号发生器的输出用功率输出端。慢慢调节输出功率的大小，直到输出刚过载保护。关掉信号发生器电源，然后稍微回调一点功率输出，再打开信号发生器电源。测量轨旁环线接收信号的大小，如果接收效果不理想，略微调节C1及C3，应能接收到较为理想的信号。图43 地面接收试验电路图6.2.7 动车试验测试环境：电动列车实时运行，轨旁控制机房发送正常信号测试设备：列车上发车表示器，示波器测试人员：45人（列车驾驶员不包含）测试步骤：按上面第六项测试调整好的电
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