车地通信轨旁盒信号接收能力的改进

文 星

目前,广州地铁2、8号线采用西门子LZB700M信号系统［1］,正线车站的车地通信轨旁接收设备（轨旁盒）［2］型号为S25448-M2-A2,用于接收由列车下发的开/关站台门命令,其可靠接收范围集中在60 cm（信号覆盖区域以车地通信轨旁盒中心点为零点,前后各30 cm）以内。随着设备在线使用年限的增长,个别设备的接收性能会有所下降,外加列车本身停车精度欠佳,导致列车车门与站台门［3］不能联动的情况时有发生,为此需对轨旁盒进行改进,以提高其信号接收能力。

1 设备?简介

轨旁盒由盒体、电路板、感应线圈、接线端子等组成,见图1,用于接收列车信号的感应线圈被设计封装在轨旁盒内部（图1中红色线条表示隐藏在盒体内部的感应线圈）。轨旁盒安装在站台区域的地面上,位于轨道正中央,其一端引出一根电缆与室内设备相连接。列车在站台对标停稳后,轨旁盒处在主驾驶室发送天线［4］的正下方,当列车发送开/关车门及站台门控制命令时,轨旁盒接收信号并输送到车站室,实现对站台门与列车车门的同步开/关（或联动开/关）［5］控制。

图1 车地通信轨旁盒内部结构示意

2 测试分析

在广州地铁2号线试车线［7］上,选取某个站台上的轨旁盒进行测试,调用列车在该设备区域发送的开/关门信号,模拟列车在正线车站站台上对标停车及开/关门作业,并使列车信号发送天线处于轨旁盒中心点,在前、后2个方向各200 cm范围内移动列车,且每次移动距离保持在10～20 cm,操作开/关列车车门；在室内采用示波器［8］监测轨旁盒传来的信号,并记录车门与站台门的联动情况,将采集到的数据描绘成一张数据分布图,以掌握轨旁盒有效信号的分布及接收能力［9］。

经现场测试,发现轨旁盒接收到的信号数据所描绘出来的波形较窄,其有效联动信号主要集中在60 cm的区域内,且有效信号存在发散的情况,即在前后60～90 cm的范围内也有联动的可能性。而广州地铁2、8号线列车ATP的整个停车窗范围为120 cm（以轨旁盒中心点为零点,前后各60 cm）,与现场站台门联动范围的测试数据对比,轨旁盒的有效接收范围远不及列车车门允许打开的范围。为此,分别对轨旁盒内部感应线圈的形状、材质、绕圈倍数、尺寸等进行分类测试,以确定改进方案。

2.1 感应线圈的形状

在不改变线圈周长的情况下,将轨旁盒内的感应线圈由原来的长方形（跟轨旁盒形状一致）改为正方形、圆形、椭圆形、三角形等形状分别进行测试,结果表明,不论是哪种几何形状,有效信号只集中在全包围结构的线圈范围内,若超出线圈围成的图形,则信号明显减弱并消失,即有效信号的覆盖范围无明显扩大或增强。

2.2 感应线圈的材质

将封装在轨旁盒壁内感应线圈电缆的材质［10］,由原来的多股铜导线更改为铁丝、铜包钢线、镀锡铜线,分别测试上述材料接收信号的强度,其中导电性越好、线缆内阻越小,有效信号相对越强,发现设备既有的多股铜导线最好。

2.3 感应线圈的倍数（匝数）

原设备的感应线圈为单线圈,通过增加圈数（2圈、3圈、5圈）,进行相关测试。发现相同位置的信号强度与线圈匝数成正比,但随着感应线圈圈数的增加,信号强度的增大,波形失真程度越发严重,影响设备工作的稳定性；而且随着信号强度的增加,有效信号区域虽有所增加,但增加的范围有限。

2.4 感应线圈的大小

受到盒体的限制,盒内的感应线圈尺寸无法改变,故将感应线圈外置,材料仍使用导电性较好的多股铜导线,尺寸（长×宽）分别设置为100 cm×30 cm、200 cm×30 cm、300 cm×30 cm。测试结果显示,有效信号的覆盖范围与感应线圈围成的长方形尺寸成正比,且有效信号集中在感应线圈内,无发散情况。但在车地通信设备功率一定的情况下,随着感应线圈的周长增加,其感应线圈总内阻也会随之增大,而内阻的增大会减弱信号强度。因此,感应线圈的整体尺寸不能无限放大,应选择合理的尺寸。

通过现场测试发现,封装在盒体内部的感应线圈是影响信号接收范围的关键。在感应线圈材质保持不变的基础上,增加感应线圈尺寸可得到明显效果。

3 改造方案

设计要求广州地铁2、8号线列车允许开车门的停车窗范围为120 cm,将封装在车地通信轨旁盒体内部原有的长方形感应线圈移到盒外,且感应线圈的长边由原来接近30 cm的长度改造为120 cm,宽边由原来接近15 cm的长度适当增加至35 cm,使得长方形感应线圈的长度与列车开车门允许打开的停车范围条件相对一致。即使列车出现对标停车的精度+60 cm或-60 cm的极端情况,站台门与车门打开后的最小重合部分,即乘客上、下列车的最小有效空间也为70 cm（广州地铁2、8号线单侧站台共有30个站台门,其中站台前端第一个站台门宽度为165 cm,其余29个站台门为200 cm,列车单扇车门宽度为70 cm）,不会给乘客上、下列车造成较大影响,且当列车对标停车的精度超出停车窗（120 cm）范围时,列车ATP系统经过检测后,判断此时列车已超出停车窗,而出于安全保护不会给出允许开关的指令,因此,车门与站台门都不会被打开,这与允许开门的设计标准相符。现场实际设备改造原理见图2（红色线条表示为改造后的感应线圈）。

图2 车地通信轨旁盒改造后的结构示意

改造后对设备进行测试,在不同的时间、不同的列车,同一个测试点累计测试超过10次,结果表明将轨旁盒感应线圈改造后,可有效控制站台门信号的分布范围,与被改造的感应线圈所围成的长方形区域基本一致,且有效信号不存在发散情况。

4 结束语

通过试验结果表明,将原封装隐藏在轨旁盒内部的感应线圈进行合理改造后,有效提升了其接收能力,可以将其接收范围由原来的60 cm扩大到120 cm（以改造后感应线圈长度为120 cm为例）。该项目在2020年5月已成功获得国家实用新型专利（专利号：ZL 2019 2 0594580.X）。广州地铁根据现场运营需要,分别在2号线、8号线推广应用超过10个站点,解决了列车车门与站台门不能联动的问题。