广州地铁13号线计轴轮轴脉冲畸变故障分析及解决方案

任鹏超

（广州地铁集团有限公司，广东 广州 510000）

0 引言

广州地铁十三号线已于2017年12月28日开通运营，本条线计轴采用的是科安达-提芬巴赫TAZⅡ/S295计轴设备，由室外车轮传感器和室内主机两大部分组成，通过对轨道区段两端驶入与驶出计轴点的列车轴数的计数与比较, 来完成轨道区段空闲与占用状态的自动检查。计轴作为信号系统后备模式下使用的设备，理论上，计轴故障不应会对CBTC模式运营列车产生影响，但由于信号厂家系统设计原因，某类计轴故障仍会导致道岔无法操动，列车进路无法排列，对地铁正常运营产生较大影响。因此本文针对轮轴脉冲畸变导致的计轴干扰故障进行了分析，同时提出应对措施，提高了十三号线计轴设备运行的稳定性[2]。

1 TAZⅡ/S295计轴

1.1 科安达-提芬巴赫TAZⅡ/S295计轴车轮传感器工作原理

车轮传感器作为TAZⅡ/S295计轴的唯一室外电子单元，它由两个相互独立的传感器单元SⅠ和SⅡ组成，车轮传感器的内部电路由一个高频有源振荡器和相应的一系列附属电路构成。当车轮接近传感器时，电路输出端端电压升高，产生轮轴信号，即轮轴脉冲[3]。

图1 车轮传感器工作示意图Fig.1 Wheel Sensor Operation Diagram

图2 TAZⅡ/S295计轴系统的结构原理框图Fig.2 Structural block diagram of TAZⅡ/S295 axle counting system

车轮跨越车轮传感器DSS，两个相互独立、电路分离的传感器单元分别感应出车轮脉冲信号。两路脉冲信号必须满足有先后有重叠的特征，才被认为是有效的车轮信号，系统才会计入或计出一轴，如图1所示。两路轮轴信号的相位关系代表车轮的运动方向，计轴系统以此来识别列车运行方向。

1.2 TAZⅡ/S295 计轴系统工作过程

TAZⅡ/S295 计轴系统分室内室外设备，室外设备主要是车轮传感器，室内设备包括放大板、计轴板、输出板、复零板和电源板等单元。其中车轮传感器与放大板组成车轴检测单元，计轴板与输出板等组成计轴运算单元，计轴系统结构原理图如图2所示[4]。

车轮驶过车轮传感器作用区域时，车轮传感器产生的轮轴信号经电缆传输到室内的放大板，由放大板AB将轮轴信号放大整形，整形后的信号如图1所示，并传送到计轴板。计轴板进行列车运行方向判别及轴数统计。计轴板的运算单元比较区段计入和计出的轴数，确定区段占用或空闲状态，为输出板提供输入条件。输出板根据计轴板和放大板提供的输入条件，输出区段空闲或占用信息。

2 TAZⅡ/S295计轴脉冲畸变故障分析

2.1 故障产生

广州地铁13号线在2017年11月22日-27日动车调试期间，官湖联锁区T4011、T4013区段多次出现计轴干扰现象，厂家人员通过使用GL900波形记录仪对AC4011计轴点（T4011、T4013区段的公共计轴点）计轴传感器的轮轴信号进行采集，最终捕捉到了畸变波形如图3。当列车第9轴经过计轴点AC4011时，由于轮轴信号畸变，导致计轴系统判别该信号失效，从而少计一轴，由于区段的计入与计出数量不一致，所以导致区段干扰[5]。

2.2 原因分析

当车轮轮对压过计轴传感器，则产生轮轴脉冲信号，脉冲信号经过放大板的整形处理，然后输出给计轴板进行识别计数，放大板可识别的有效脉冲长度为2ms，即脉冲信号持续时间只要大于2ms，放大板均可跟随输出脉冲信号。目前在线使用的放大板的脉冲拓展时长参数为8ms，在正常情况下，该放大板对轴脉冲的处理方式如图4所示，有以下三种情况。

图3 轮轴脉冲畸变波形图Fig.3 Axis pulse distortion waveform

（a）当轮轴脉冲信号长度小于2ms时，放大板输出轴脉冲信号；

（b）当轮轴脉冲信号长度大于8ms时，放大板输出轴脉冲长度等于输入脉冲长度；

（c）当轮轴脉冲信号长度大于2ms小于8ms时，放大板输出标准的8ms轴脉冲。

经过对畸变的轮轴脉冲进行分析，发现在当前运营条件下，列车通过该计轴车轮传感器时，产生的轮轴脉冲信号（取波形上升SL与下降SL之间）宽度约为25ms，若产生畸变，信号会延迟5ms，该脉冲信号长度达到30ms。由于此时轮对经过车轮传感器两个传感器单元SⅠ和SⅡ的时间差△T约为5ms，就会导致DSS_SⅠ与DSS_SⅡ的轮轴脉冲信号同时结束，如图5所示，不满足信号有先有后的特征条件，计轴系统会将该信号判别为无效信号，从而少计一轴，此时就会出现如AC4011计轴点丢轴的情况，最终导致计轴干扰故障发生[6]。

图4 放大板处理轮轴脉冲示意图Fig.4 Enlarged plate processing wheel shaft pulse diagram

图5 放大板对畸变脉冲处理示意图Fig.5 Schematic diagram of distortion plate processing

2.3 解决方案

如何应对由于脉冲信号畸变延迟结束产生的影响，现考虑将放大板的脉冲拓展时长参数由8ms调整为32ms。调整后放大板的脉冲处理方式较调整前有如图6所示变化。

通过上述调整，由于放大板的脉冲处理方式发生变化，无论轮轴脉冲信号是正常的25ms还是异常延迟后的30ms，放大板的输出脉冲均为标准的32ms，如图7所示，虽然两路脉冲信号同时结束，但放大板输出了两个具有先后顺序的有效脉冲，计轴系统还是会正常计数，避免了故障的发生[7]。

图6 两种参数放大板对轮轴脉冲处理对比Fig.6 Comparison of Pulse Axis Processing of Two Parameter Amplification Plates

2.4 适应性分析

车轮传感器的脉冲长度受列车运行速度的影响，当列车运行速度越快时，脉冲长度越小。以AC4011计轴点为例，在当前运营计划下，轮对经过该点的速度约为90km/h，列车经过时产生的轮轴脉冲长度约为20ms。现对其它速度情况下的计轴脉冲进行分析。

（a)当列车运行速度不小于90km/h时，产生的轮轴脉冲长度将不大于25ms，脉冲延迟5ms后小于32ms，参数调整后的放大板将输出标准的32ms脉冲。因此，当速度不小于90km/h时，调整放大板脉冲拓展时长参数的方法能有效解决脉冲异常延长的问题。（b)当列车运行速度小于90km/h时，输入脉冲长度将大于25ms。由于速度降低，理论上也存在出现AC4011计轴故障的可能，但在实际监测过程中发现，由于速度降低，轮对经过车轮传感器DSS的两个传感单元SⅠ和SⅡ时的时间差△T亦同时增大，大于脉冲畸变产生的5ms延迟时长，因此，当出现如AC4011计轴的脉冲畸变时，放大板输出的脉冲信号依然可以保证有△T-5＞0的时间差，如图8所示，满足计轴系统判定条件，计为有效[8]。

图7 两种参数放大板对畸变脉冲处理对比Fig.7 Comparison of distortion pulse processing with two kinds of parameter amplification board

由此可见，通过调整计轴放大板的脉冲拓展时长参数，可有效减少计轴丢轴故障的发生[9]。

图8 正常脉冲与畸变脉冲处理对比Fig.8 Comparison of Normal Pulse and Distortion Pulse Processing

3 结论

本文简述了科安达-提芬巴赫TAZⅡ/S295计轴系统的工作原理，同时针对车轮传感器轮轴脉冲畸变引起的计轴故障进行了分析，并提出了有效的应对措施，目前经过对广州地铁13号线部分易发生丢轴的计轴，进行放大板脉冲拓展时长参数的调整之后，有效减少了计轴故障的发生，提高了系统稳定性。对于使用该计轴系统的其他城市地铁，可作为同类型故障处理参考[10]。