基于FFT算法的铁路机车信号故障检测研究

黄斌

（柳州铁道职业技术学院 广西壮族自治区柳州市 545616）

1 引言

机车信号是装在机车司机室里的机车色灯信号机及其附带的一些设备的总称。它能自动地把列车运行前方地面信号机显示搬移到驾驶室内，有效解决了司机在大雾、沙尘等恶劣天气下的列车驾驶。机车信号的基本原理是，通过接收天线从轨面上感应出轨道传输的移频信息，通过信息处理解调出移频信息中的低频信息，不同的低频信息代表不同的信号机显示状态。我国铁路干线目前普遍采用了ZPW-2000A型移频轨道电路作。

机车信号在工作过程中，难免出现一些故障，将会影响行车安全与效率，为了能够实时检测机车信号的参数，通过对机车信号进行处理、分析，从而监测机车信号参数状态，如机车信号接收到列车上的信号幅度、信号载频及低频信息等，如果某一个参数或某几个参数出现异常或故障，我们可以快速定位异常和故障原因，有效提高列车行车效率。

目前针对移频信号检测的研究有很多种算法，大体可以分为两类，一类为时域算法，即在时域下对信号进行分析与处理，如自适应滤波法、滤波法、盲分离法、自相关解调法等。自适应滤波法以信号中的其中一个边频作为自适应滤波器的期望信号，提取其中某一频率分量，进而得到调制信号的包络求解调制频率，对含有单个载频信号的效果较好，对含有多个载频信号的效果较差。直接滤波法通过硬件或软件直接对信号中的频率进行滤波，由于机车信号中的上下载频间隔小，对滤波器的要求非常苛刻，效果不佳。盲分离算法是在源信号和信号模型未知的情况下，仅从若干已观测到的混合信号中恢复出各个原始信号的过程，算法复杂且移定高不高。自相关解调法是利用原始信号与移位后的信号进行相乘，相乘后信号的包络即为低频信息，但原始信号的移位数确定较难，且需要采集大量数据。

第二类检测算法为频域算法，通过把原始信号变换至频域下进行分析处理，主要有小波变换、神经网络、傅里叶变换等。小波变换是空间（时间）和频率的局部变换，通过变换能够充分突出问题某些方面的特征，能对时间（空间）频率的局部化分析，最终达到高频处时间细分，低频处频率细分，因而能有效地从信号中提取信息，所以算法复杂，实时性低。神经网络的思想是先将信息化成概念，并用符号表示，然后根据符号运算按串行模式进行逻辑推理，这种思维方式的根本之点在于，一是信息是通过神经元上的兴奋模式分布存储在网络上，二是信息处理是通过神经元之间同时相互作用的动态过程来完成的，所以需要大量数据训练。

铁路机车信号在时域和频域各有特点，所以在时域与频域中各有检测方法，从总体来说，时域方法简单、检测时间短，但抗干扰能力差，频域检测方法抗干扰能力强，但算法复杂、运算量大，致使时效性不高。

为了发挥频域检测方法的优点，考虑计算处理的实时性与多载频检测的稳定性，本文是采用快速傅里叶变换（Fast Fourier Transformation，FFT）算法对机车信号进行检测，在保证数据精度的基础上，减少采集个数，进而降低采集时间，提高时效性，数据处理量小，可靠性高。

2 机车信号表达式

2.1 时域表达式

机车信号中的移频信号是相位连续的移频键控(frequency-shift keying, 简称FSK)信号。是通过频率调制的方式把低频信号搬移到较高频率（载频f0）上，从而形成振幅相同、频率随低频信号作周期性变化的调频信号。令低频调制信号为f(t)，周期为T。当调制信号输出低电位时，载频f0向下偏移∆f(称为频偏), 即为f0-∆f，叫做下边频（f1）；当调制信号输出高电位时，载频f0向上偏移∆f，即为f0+∆f，叫做上边频（f2），见图1所示，从图中可以知道。移频信号受低频信号的调制而作下边频和上边频交替变化，两者在频率切换处相位连续并且单位时间内变化的次数与低频调制信号的频率相同。

图1：机车移频信号波形

机车信号的信息来源为地面ZPW-2000系列无绝缘轨道电路，通过电磁感应原理，通过列车底部的轨道电路接收天线，从钢轨上感应轨道电路信息。ZPW-2000系列无绝缘轨道电路以钢轨作为导体，用来自动连续不断的检测线路中的移频信息，通过移频信息的检测可以判断该线路是否被列车占用的电路，同时也为列车车载信号设备提供行车许可信息。ZPW-2000A系列无绝缘轨道电路采用标准载频，载频有4种，每种载频有两系，1系为载频+1.4Hz，2系为载频-1.3Hz，频偏∆f为11Hz，如表1所示。低频调制信号频率为10.3+n×1.1Hz，n=0~17，即从10.3Hz至29Hz，每隔1.1Hz一个共18个，因此ZPW-2000系列无绝缘轨道电路可以向列车传输18种信息。

表1：轨道电路移频载频

其信号表达式为：

其中A为幅度，

式（1）中，∆ω=2πf为移频信号的频率偏移量。

2.2 快速傅里叶变换表达式

为了有效接收地面移频轨道电路信息，需要消除电力机车牵引回流、临线信号、电磁感应及脉冲信号的各种干扰，所以对机车信号的处理多采用先进的数字信号处理技术（DSP），对信号进行有效分析，保证分析信号的准确性与实效性。

对式（1）作FFT变换后，其频谱为：

A为移频振幅，f为载频的中心频率，m为移频指数，m=∆f/f, f为调制频率，式中，

由铁路移频信号的傅里叶级数，可以分析出其频谱。铁路移频信号为相位连续的信号，为非线性调制，所以频谱分析相对复杂。根据频谱表达式可以看出，铁路移频信号的平均功率谱密度是随频率f偏离f（低频调制信号），理想无干扰的移频信号是由若干个单一的正弦波信号交替出现而组成的，由上下边频按周期变化来完成。即铁路移频信号频谱是以载频为中心，以调制信号f为间隔向两边展开，调制频率越高，其频谱就越分散，能量越分散。

由于连续相位移频信号的频率由低频调制信号控制周期变化，由快速傅里叶变换（FFT）分析后，便可计算出移频信号的谱结构，得到移频信号的中心频率f和低频调制信号f等参数信息，然后通过计算便可得出上下边频信号。

3 欠采样技术与检测环境

3.1 欠采样技术

由奈奎期特采样定理可知，采样频率必须大于信号最高频率的2倍才能保证采样后信号频谱不会发生混叠，才可以无失真的恢复原始信号。而对于带通信号，只需要采样频率是被采样信号带宽的2倍以上即可，此类采样被称为欠采样。欠采样需要满足条件为：

式中，f为采样频率，k为选择采样频率时对应值，且取大于1的整数。根据以上理论，对于不同的载频则取不同的k值，载频的中心频率为：

3.2 实时检测环境

借助学校高铁信号实训基地室外线路，由区间移频轨道发送器向线路送相应移频信息，在钢轨上方210mm处安装轨道电路接收天线，真实实现从地面接收移频信号。为保证载频与低频误差低于0.25Hz，考虑运算速度， FFT运算点数取N=2048，为减少采样时间，提高检测实时性，取采样频率为320Hz，采样点数为320点，其余点用零来补充。对于载频1700Hz时k=10，此时载频中心频率为：

对于载频2000Hz时k=12，载频中心频率为：

对于载频2300Hz时k=14，载频中心频率为：

对于载频2600Hz时k=16。载频中心频率为：

具体检测环境如下：

（1）测试地点在学院高铁信号实训基地；

（2）区间移频轨道电路4个区段，发送器额定输出功率70W（400Ω负载），轨面电压1.8V；

（3）真实轨道电路接收天线，接收到电压0.6V；

（4）处理器采用STM32F4系列，时钟168MHz；

（5）利用串口输出采集数据与FFT变换数据，在Excel中生成图形显示。

4 检测与分析

4.1 单载频检测与分析

单载频为信号中只有一个载频的机车信号，以下行线载频为例，由于低频信息最低为10.3Hz、最高为29Hz，共18种，故选取10.3Hz、20.2Hz、29Hz三种典型低频为例进行实际采集。

先以载频为1700-1系（1701.4Hz）、低频为10.3Hz为例。其采集的时域信号波形如图2所示。

图2所示波形的疏密与幅度变化相对均匀，进行FFT变换后的波形如图3所示。

图2：时域信号波形

图3：1700-1系（低频10.3Hz）FFT后波形

图4：2300-2系（低频20.2Hz）FFT后波形

图5：2300-1系（低频29Hz）FFT后波形

4.2 多载频检测与分析

为了减少车轮对钢轨的撞击与旅客乘坐的舒适性，采用了无绝缘轨道电路， 该系统无须切割钢轨。同时，为了保证两个相邻轨道区段中信息不相互干扰，在轨道电路区段分界处安装有调谐单元。当列车经过轨道电路区段时，将会接收到2个区段的移频信号。对于下行线路，轨道区段的载频分别以1700-1、2300-2、1700-2、2300-1、1700-1…交替配置，所以在轨道电路分界处接收到的移频信号中，含有2种载频与2种低频信息。下面以相邻区段载频分别为1700-1与2300-2为例，低频按照码序逻辑设为11.4Hz与13.6Hz、16.9Hz与26.8Hz两种情况进行采集、处理与分析。

先以低频为11.4Hz与13.6Hz时为例。采集的时域信号如图6所示。

图6所示波形与图2所示波形相比，疏密程度与幅度变化严重畸形，这是因为两种频率信号进行了叠加，此时在时域处理已相当困难。经过FFT变换、处理后的波形如图7所示。

图6：载频为1700-1与2300-2时的采集波形

图7：载频为1700-1与2300-2时FFT波形低频为11.4Hz与13.6Hz

图8：载频为1700-1与2300-2时FFT波形低频为16.9Hz与26.8Hz

通过以上分析可知，当两种移频信息叠加后，该方法能够有效的检测出中心频率与低频信息，其频率最大误差为0.16Hz，而由于信号的叠加，使两种信号的幅度被削弱。

5 小结

铁路机车信号在早期处理过程中，是通过设置4种带通滤波进行解调的，最后用低频译码，完成地面轨道信号的接收，这种方法适用在时速较低的线路与列车上。随着我国高速铁路发展，铁路系统对列车自动控制的要求越来越高。铁路机车信号是从地面接收到的轨道移频信号，起着对列车精确控制作用。该信号以低频调制信号为周期，两种较高频率交替出现，幅度相同且相位是连续的。

文中采用快速傅里叶变换（FFT）对铁路机车信号进行分析处理，通过对机车信号的载频与18种低频信息进行反复实验分析，载频与低频FFT检测结果的误差为1-2个分辨率，检测精度较高。由于对信号采集320点，而FFT变换点为2048点，因此频率分辨率为0.15625Hz。由于采集频率为320Hz，采集320点，FFT运算时间相对采集时间较少，因此采集与运算时间在1.05s左右。而文献等采集运算时间均在2s以上，相比之下，本系统的实时性有所提升。

当机车信号系统正常工作时，通过FFT算法进行检测，结果在信号载频、信号低频及幅度均正常，当机车信号系统出现故障时，检测结果可快速查到是信号载频、信号低频及幅度中哪一项或多项出现故障，快速定位故障原因。