轨道电路检测系统标定方法研究

谢保锋，吴晓晓，孙鲁钱

（中国铁道科学研究院 基础设施检测研究所，北京 100081）

轨道电路检测系统标定方法研究

谢保锋，吴晓晓，孙鲁钱

（中国铁道科学研究院 基础设施检测研究所，北京 100081）

根据轨道电路检测系统工作原理，通过对检测结果影响因素的分析，提出基于检测输入和输出进行对比的黑箱标定方法和测量结果不确定度的计算方法。根据实际测试数据的计算和分析，证明该标定方法实施简单、可行有效，为保证检测系统检测结果的准确性奠定基础。

轨道电路；检测系统；标定方法；不确定度

轨道电路检测系统（简称检测系统）是安装在电务检测车或综合检测列车上（简称检测车）的检测装备，能够实现对轨道电路（ZPW-2000制式、车站电码化）信号设备的检测功能，为了保证检测系统检测结果的准确性，需对检测系统按照一定时间周期进行标定[1-3]。在分析检测系统检测原理的基础上，提出基于检测输入和输出进行对比的黑箱标定方法，通过对标定结果不确定度的计算和分析，证明本方法可行有效。

1 概述

检测系统由机车信号感应线圈（TCR天线）、连接线缆、硬件处理单元和上位机显示单元等组成。检测车第一轮对分路轨道电路时，轨道电路分路电流信号被检测系统TCR天线接收生成感应信号，经过检测系统采集处理机等硬件处理单元进行电平转换、滤波处理后，生成主信号和邻线邻区段干扰信号的数字信号，利用频域分析技术进行数字信号处理，计算出主信号和干扰信号幅值大小，发送给检测系统显示单元进行显示。检测系统具备ZPW-2000制式、站内电码化轨道电路信号设备的检测功能，进行检测时，对应4个不同载频信号，硬件处理单元分别采用独立电路通道进行处理，同时，在上位机显示单元人机界面分别设置了4个不同窗口，用于输入调整系数，以对4个不同载频轨道电路信号的检测误差进行调整。检测系统运用一段时间后，TCR天线电气特性将会发生一定变化，检测系统车内连接电缆衰耗增加，检测系统硬件处理单元的信号处理结果也出现一定程度偏差，因此需要对检测系统进行周期性标定。

检测系统模型是对钢轨中轨道电路电流信号进行感应、处理、计算、显示的数学过程的描述，如果把检测系统看作一个黑箱，输入变量（检测输入）为轨道电路电流信号，输出变量（检测示值）为轨道电路感应电压幅值大小。标定时，不关心检测系统的具体计算过程，只需求解从输入到输出的直接转换、对比关系，称为黑箱对比标定法。

2 基于黑箱的现场对比标定法

标定时，在列车第一轮对前、检测系统TCR天线正下方，沿钢轨铺设测试环线电缆，长度为4.0 m，测试环线电缆闭合端距离TCR天线1.5 m，采用机车信号发码设备连接测试环线电缆，发送轨道电路电流信号，以此模拟轨道电路，检测系统设备布置及标定示意见图1。

图1 检测系统设备布置及标定示意图

根据TB/T 3287—2013《机车信号车载系统设备》要求，测试环线电流及TCR天线感应电压对应值见表1。将测试环线电流值计算转换为TCR天线感应电压值，将此电压值作为标准电压值，并作为检测输入基准值，与检测示值进行对比，通过检测系统上位机显示单元人机界面调整标定系数，使检测示值误差满足技术要求，实现检测示值的标定。因检测系统硬件处理单元采用4个独立电路通道对4个载频轨道电路信号分别进行处理，标定时按照表1分别选择一组电流值（电压值）进行。

表1 标准电流值、标准电压值对应值

3 检测示值误差不确定度评定

3.1 数学模型

检测系统检测示值误差E，可按式（1）进行计算。

式中：n分别为1 700、2 000、2 300、2 600，分别代表ZPW-2000制式（站内电码化）轨道电路4个不同载频，Hz；En为不同载频条件下检测示值误差；Von为不同载频条件下的检测示值；Vin为不同载频条件下的检测基准值[4]。

3.2 各输入量标准不确定度评定

根据式（1），检测系统检测示值误差测量结果的不确定度取决于输入量Von和Vin的不定度。

3.2.1 标准不确定度u（Von）评定

输入量Von的标准不确定度u（Von），表示检测系统检测示值显示读数分辨力引入的不确定度。

（1）检测示值读数分辨力引入的不确定度分量u1（Von）。u1（Von）来源于检测系统上位机显示软件的分辨力，采用B类方法评定。检测系统上位机软件对应4个载频，检测示值有效显示位数均为3位，可显示最小电压值为0.001 V，分辨力为0.001 V，分散区间为0.001 V，则分散区间的半宽a=0.000 5 V，在此区间服从均匀分布。

（2）检测重复性引入的标准不确定度分量u2（Von）。u2（Von）是由检测系统测量的重复性引起的，采用A类方法评定。4个不同载频条件下，分别采用多次测量样本标准差Si进行计算。在重复性条件下，发码设备分别发送标准电流值0.465 A、0.413 A、0.383 A、0.353 A，对应标准电压值均为0.150 V，重复测量10次，测量数据见表3。

表2 不确定度评定计算结果 V

采用式（3）计算得出每个标准电压下样本标准差，也是检测重复性引入的标准不确定度分量u2（Von）大小，计算结果见表2（第3列）。

3.2.2 标准不确定度u（Vin）评定

输入量Vin的不确定度主要是由发码设备（即标准表）的最大允许测量误差引入的。标准表的示值最大允许测量误差引入的不确定度分量u1（Vin），包括短期稳定性引入的不确定度和标定环境对其影响引入的不确定度。

标定环境条件：气温0～40℃，相对湿度≤95%RH，海拔高度≤2 500 m。该环境条件符合标定的环境要求，环境条件对包括发码设备和检测设备在内的整个系统标定影响不大，可忽略不计。

标准表经溯源合格，在检定周期内，其示值最大允许测量误差通过式（4）进行计算。

当Vin=0.150 V时，分散区间半宽值a=0.003 V，在此区间服从均匀分布。

式中：k为包含因子，取值√3。根据式（5）进行计算，对应4个不同载频，标准不确定度u1（Vin）相同，计算结果见表2（第4列）。

3.3 合成标准不确定度评定

根据式（1）和上述不确定度影响因素分析，灵敏系数一般设置为：con=1、cin=1。

输入量Von与Vin彼此独立不相关，合成标准不确定度可按式（6）计算得到。

根据式（6）进行计算，合成标准不确定度计算结果见表2（第5列）。

3.4 扩展不确定度评定

综上所述，检测系统检测示值不确定度共有3个不确定度分量，检测系统检测示值测量结果分布认为满足正态分布。

式中：k为包含因子，取值2。根据式（7）进行计算，扩展不确定度计算结果见表2（第6列）。

4 结束语

通过对轨道电路检测系统标定方法和检测结果不确定度的研究，明确了影响检测结果的因素，提出了测量结果不确定度的计算方法。轨道电路检测系统相关技术规范规定，检测系统检测结果的误差范围为±（2 mV+标准电压值×2%），在标准电压值为150 mV时，检测系统测量的允许误差为±5 mV。采用上述标定方法，对检测系统进行标定，根据实际测试数据进行计算，对应4个不同载频，检测系统测量的扩展不确定度为：3.58 mV、3.58 mV、3.60 mV、3.58 mV，在检测系统检测结果的允许误差范围内，证明该标定方法可靠有效，能够保证检测系统检测结果的准确性。

表3 重复测量数据记录

[1] 孟景辉，于宝庆，杨树忠，等．信号设备动静态检测数据融合分析方法[J]．中国铁路，2015(10)：19-21．

[2] 李胜，杨扬，陈光，等．ZPW2000A/K型轨道电路设备配置软件系统设计[J]．中国铁路，2016(4)：71-74．

[3] 黄达志．轨道电路一次参数及维护管理[J]．中国铁路，2015(2)：35-37．

[4] 林洪桦．测量误差与不确定度评估[M]．北京：机械工业出版社，2010．

责任编辑 高红义

On Methods of Calibrating Track Circuit Inspection System

XIE Baofeng，WU Xiaoxiao，SUN Luqian
（Infrastructure Inspection Research Institute，China Academy of Railway Sciences，Beijing 100081，China）

According to the working principle of the track circuit inspection system, this paper analyzes the influence factors of inspection results, puts forward the black box calibration method and the method of calculating the measurement result uncertainty based on the comparison of inspection input and output. According to the calculation and analysis of the actual test data, it is proved that the calibration method is simple and feasible, and it lays the foundation for ensuring the accuracy of the inspection system.

track circuit；inspection system；calibration method；uncertainty

U284.28

：A

：1001-683X（2017）07-0060-04DOI：10.19549/j.issn.1001-683x.2017.07.060

2016-12-27

中国铁路总公司技术标准计划项目（15CR073）

谢保锋（1971—），男，副研究员。

E-mail：xiebaofeng@rails.cn