基于电路仿真的轨道电路仿真技术研究

张 琦（北京全路通信信号研究设计院有限公司，北京 100073）

1 概述

轨道电路是铁路信号系统的重要组成部分，它能够提供轨道区段的空闲与占用信息，并作为地面设备与车载设备之间的信息传输通道，是关系到列车运行安全的基础设备，它能否正常工作直接决定了列车行车安全和行车效率。

轨道电路的良好设计是列车安全运行的重要保证，国内外的专家学者围绕着轨道电路及其研究方法开展了大量的工作。在实际线路上测试和验证轨道电路系统，由于成本过高且极限参数条件不易实现，无法满足科研和工程的需要；同时由于轨道电路的复杂性，用解析方法对其进行计算非常困难[1]。于是近年来国内外同行普遍采用了仿真的方法对轨道电路进行研究和分析[2-6]。仿真方法具有成本低、修改参数方便、重复性好的优点，被广泛应用于研究不同参数条件（如钢轨阻抗、道床电阻、补偿电容配置方式、轨道电路长度等）及各种工作状态（如调整状态、分路状态、故障状态等）情况下的轨道电路传输特性，为轨道电路的优化设计和故障诊断提供了有力的支撑[3]。

本文提出了一种基于电路仿真的轨道电路仿真技术，该方法把轨道电路设备及钢轨抽象成基本电路元件（电阻、电感、电容、变压器等）的集合。轨道电路传输通道上的每一个设备都被建模成电路模型，并连接起来构成轨道电路仿真电路模型。由于整个模型都是由基本的电路元件构成，所以可以方便的进行结构的修改和参数的变化，使得通过该方法对轨道电路进行仿真研究具有更高的灵活性，功能更为强大。

本文提出的轨道电路仿真模型通过M atlab/Sim u link平台实现电路计算。Simulink是一个用于对动态系统进行建模和仿真的平台，被广泛应用于电力[7]和电子电路[8]的仿真，并且支持用户建立并封装新的模块[9]。通过在Simu link平台上建立轨道电路仿真模型库，可方便的实现仿真模型的标准化和模块化，为仿真电路的搭建和仿真计算的控制提供了坚实的基础。

为了进一步提高仿真工作的效率，本文还提出了轨道电路仿真系统中人机交互模块和仿真控制模块的设计方法，并通过M a t lab和PH P语言进行了实现。人机交互模块从用户输入得到仿真配置，仿真控制模块则依据配置条件搭

张琦，男，毕业于中国科学技术大学，工程师。主要研究方向为轨道电路，曾参与ZPW-2000A站内轨道电路系统的研究项目。建所需的电路仿真模型，并调用M atlab/Sim u link进行计算，最后分析计算结果，提取所需要的数据，生成用户可读的Ex cel数据文件。通过这种方法，实现了仿真计算流程的自动化，大大提高了轨道电路仿真计算工作的效率。

2 轨道电路仿真相关研究

物理仿真是实现轨道电路仿真的一种传统方法，它通过在实验室内用轨道电路物理模拟装置与实物设备相结合的方法搭建轨道电路仿真环境，进行轨道电路试验。一般情况下，在物理仿真中只有钢轨和传输电缆部分使用物理模拟装置，其余所有的轨道电路电子设备和传输设备都使用实际产品。所以物理仿真中轨道电路实物设备可以方便地与模拟装置进行联合试验，试验数据的准确度和可信度高；但物理仿真方法投资较大，研制周期较长，用每种物理模拟装置只能对一定频率范围内的轨道电路特性进行试验和分析，当需要对其他频率信号进行分析时，必须进行模拟装置的结构修改或重建[10]。

四端口电路网络（四端网）模型是对轨道电路系统进行数学建模和仿真的一种典型方法[11-13]，运用均匀传输线和电路网络理论，可以把轨道电路的各个单元通过简化和线性化处理建立成理想的四端网模型，使用A参数来描述其传输特性[14]。整个轨道电路可看作是一系列四端网的级联，从而实现对轨道电路调整和分路状态的仿真计算。但是对于大多数的轨道电路故障状态，由于其不对称性和非确定性，很难使用四端口网络进行建模和仿真。

根据轨道电路的链形电路等效模型，陈永生等提出了有限元准对角线矩阵法[15]对轨道电路进行仿真计算。这种方法适用于均匀分布参数和非均匀分布参数轨道电路，并且可以分析电流、电压在整个电路中的分布规律。但随着轨道电路被划分段数的增加，描述轨道电路的矩阵规模随之增加，该方法的计算量会显著提高[11]。

3 基于电路仿真的轨道电路仿真系统

本文提出的基于电路仿真的轨道电路仿真系统是一个结构化的系统，系统的各个子模块既相互独立又互相联系，每个模块功能明确、接口清晰，组成一个有机的整体，共同实现轨道电路仿真计算。

3.1 轨道电路仿真系统结构

如图1所示，基于电路仿真的轨道电路仿真系统由电路仿真计算软件、轨道电路仿真模型库、仿真控制模块、人机交互模块4个部分组成。

电路仿真计算软件完成仿真电路模型的计算工作，在本文中采用了M atlab/Simulink软件；轨道电路仿真模型库建立在电路仿真软件中，存储着轨道电路设备/元件的电路模型；人机交互模块是仿真系统的对外输入输出接口，接收用户的输入并把仿真结果输出给用户；仿真控制模块则负责仿真电路模型的建立、仿真计算的控制等控制功能。

3.2 基于电路仿真的轨道电路仿真流程

一个完整的轨道电路仿真流程,如图2所示。首先人机交互模块接收用户输入数据生成场景配置表，场景配置表描述了用户的仿真需求，包括轨道电路的配置、参数、用户所需要的仿真结果项目等信息；仿真控制模块根据场景配置表，从仿真模型库中选取模型，并搭建成轨道电路的仿真电路模型；仿真计算软件对该电路模型进行计算，输出计算结果；人机交互模块对仿真软件的计算结果进行进一步的加工和提炼，生成用户可读的仿真结果。

4 轨道电路系统建模

轨道电路系统的电路建模是基于电路仿真进行轨道电路仿真计算的关键，本章将重点研究轨道电路系统模型和其中的关键模块模型。

4.1 轨道电路系统模型

通过对轨道电路设备以及钢轨等的分析研究，可以将其抽象成基本元器件构成的电路，进而连接成整个轨道电路系统的电路模型。如图3所示，在Sim u link中建立的ZPW-2000A无绝缘轨道电路系统的模型，其中各个设备都被建模为Simulink电路模块，并通过仿真控制模块连接为一个整体。

对于轨道电路设备，如发送器、接收器、电缆模拟网络、调谐单元、补偿电容等设备，因其本身就是由电子/电气器件组成的设备，所以可以直接使用设备的设计电路作为仿真电路模型。但对于钢轨和电缆，则需要进行研究和测量，以确定其电路模型。

4.2 钢轨仿真电路模型

在轨道电路系统建模中，一般把钢轨视为一段均匀传输线。轨道电路的两条钢轨固定在轨枕上并铺设在线路的道床上面，其传输特性是由钢轨线路的钢轨阻抗（包括钢轨电阻R和钢轨电感L）和道砟电阻Bed R、线间电容C等参数所决定[16]。轨道电路的电能在传输过程中，因为两根钢轨间有电位差存在，造成电流由一根钢轨经过轨枕和道砟向另一根钢轨漏泄，这样使在两根钢轨之间形成许多并联着的漏泄通路，这些通路的电阻就是道砟电阻[17]。道砟电阻是沿着钢轨线路均匀分布在各点上的，因此可认为钢轨属于均匀传输线。同时由于钢轨的线间电容相比于加在钢轨上的补偿电容在计算中可忽略不计[18]，因此钢轨模块仿真电路模型如图4所示。

图4描述了一个钢轨单元模块的仿真模型，在本仿真系统中一般选取10～50 m钢轨作为一个基本单元模块，由多个钢轨模块级联构成图3所示的轨道电路系统模型。

4.3 电缆仿真电路模型

传输电缆是连接轨道电路室内与室外设备的通道，通常采用内屏蔽数字信号电缆。电缆作为一条均匀传输线，其传输特性是由电缆芯线的阻抗（包括芯线电阻Cab le_R和芯线电感Cab le_L）和线间电容Cab le_C等参数所共同决定。因此电缆模块的仿真电路模型如图5所示。在本仿真系统中，选取100 m电缆作为一个基本模块。

5 仿真试验数据

本文基于电路仿真建立了ZPW-2000A轨道电路的仿真系统，对ZPW-2000A轨道电路进行了仿真计算，并与相同轨道电路配置的调整表数据进行对比。

ZPW-2000A轨道电路调整表分为1 700 H z、2 000 H z、2 300 H z、2 600 H z四个频率，区段长度为300～1 500 m，共计204种仿真配置。对于每个仿真配置本试验均采集功出电压、功出电流、送端轨面电压、受端轨面电压、主轨入电压、轨出电压6个仿真结果数据，共计1 224个仿真数据，与调整表数据进行对比，计算每个数据的误差d，统计结果如图6所示。

如图6所示，1 224个仿真结果数据中，55%的仿真计算结果与调整表的误差小于1%，90%的仿真计算结果与调整表的误差小于3%，误差最大为6%。

6 结论及展望

本文对轨道电路仿真技术进行了研究，提出了一种基于电路仿真的轨道电路仿真技术，并应用该方法实现了一套基于电路仿真的ZPW-2000A轨道电路仿真系统。基于电路仿真的轨道电路仿真技术具有灵活性好、仿真效率高、易于实现故障仿真等优点，同时仿真试验结果也表明该仿真技术具有很高的准确性，可广泛应用于轨道电路的传输计算和故障分析等研究工作。

[1] 刘鹏宇. 轨道电路电气特性仿真方法研究[J]. 城市轨道交通研究，2011，14(12)：23-27.

[2] 薛红岩. ZPW-2000A型无绝缘移频轨道电路传输衰耗的研究[J]. 铁道通信信号，2011，47(2)：43-45.

[3] 张永贤，余江松，甘方成. ZPW-2000无绝缘轨道电路分路电流仿真研究[J]. 华东交通大学学报，2007，24(5)：67-69.

[4] 王鸿，吴芳美. 区间信号仿真系统中干扰仿真的建模研究[J]. 城市轨道交通研究，2003（1）：42-45.

[5] 周克雄，王莉，鲁五一. 铁路轨道电路补偿电容故障定位的仿真研究[J]. 计算机仿真，2011，28(12)：338-342.

[6] 阮阳，高仕斌，侯震宇. 无砟轨道条件下轨道电路传输长度建模与仿真[J]. 电气化铁道，2008（6）：41-43.

[7] 褚晓锐，胡可. 基于MATLAB/Simulink的客运专线牵引供电系统建模[J]. 铁路计算机应用，2008，17(10)：12-14.

[8] 林轶然，王志维. 脉冲轨道电路脉冲源的研究与仿真[J]. 铁路通信信号工程技术，2012，9(1)：62-63.

[9] 毛广智，解学书. 无绝缘轨道电路系统的图形建模[J]. 计算机工程，2004，30(15)：146-148.

[10] 赵会兵. 高速铁路轨道电路数字仿真系统的研究[J]. 北方交通大学学报，1999，23(5)：69-72.

[11] 毛广智，解学书. 轨道电路的建模与仿真[J]. 机车电传动，2004（1）：41-43.

[12] 张永贤，徐雪松，余江松. ZPW-2000A型无绝缘轨道电路建模与仿真研究[J]. 华东交通大学学报，2009，26(3)：64-68.

[13] 张玲. 基于Matlab的轨道电路仿真与应用[J]. 甘肃科技，2006，22(4)：50-52.

[14] 李烨，徐中伟. 电气化铁路移频自动闭塞信号传输仿真的研究及应用[J]. 铁道学报，2003，25(6)：66-70.

[15] 陈永生，陈凌安，吴汶麒. 计算轨道电路的有限元准对角线矩阵法[J]. 铁道学报，1999，21(6)：54-57.

[16] 田宝华，高克军，蔡小培，等. 无碴轨道无绝缘轨道电路传输性能研究[J]. 铁道建筑技术，2005（4）：65-68.

[17] 孟彬，赵怀东. WG-21A无绝缘轨道电路传输特性的改进[J]. 铁道通信信号，2005（4）：24-27.

[18] 李宜生，傅世善. 无碴轨道对信号轨道电路的影响[J]. 中国铁路，2005（3）：37-40.