车站数字化轨道电路关键技术探讨

李文涛

2020年8月，国铁集团印发了《新时代交通强国铁路先行规划纲要》［1］，明确提出：“提升基础设施技术装备水平；提升基础设施全生命周期发展水平，推进设施数字化、智能化升级；推进工电技术装备标准化、简统化。”

目前，我国普速铁路站内绝大部分采用25 Hz轨道电路，运用至今已超过40 年，虽然适应了电气化铁路和机车信号对叠加电码化的需求，但在运用中也逐渐暴露出一些问题，在运用、维护等方面距离装备数字化、标准化、简统化还有很大差距，因此急需研制一种全新制式的车站数字化轨道电路系统。为此，国铁集团设立了《车站数字化轨道电路关键技术研究》科研课题，支持开展相关研究工作。

1 存在问题

1）设备配置繁多。包括室内设备9 种、室外设备6 种，且以零散器材为主，各器材厂家只对某单一器材提供技术支持，缺乏系统性［2-4］。

2）调整难度大。由于隔离、调整和防护设备的规格多样，导致电路组成较为复杂，轨道电路的传输特性极易受到影响，不利于维修维护。

3）抗干扰性能有待提升。重载铁路、动车组运用区段抗电气化干扰能力较弱，分路不良和列车升弓导致的闪红光带问题比较常见。

4）缺乏系统性安全认证。目前站内的单一器材虽有产品认证，但对于完整系统尚缺乏SIL4 等级的安全认证。

5）基础装备数字化程度不高，升级换代困难。轨道电路装备开发年代较早，器材零散、元件分立，与铁路信号数字化、信息化的发展趋势极不相符。

2 研制目标

根据现存问题及数字化需求，梳理形成车站数字化轨道电路的10个研制目标。

1）同时具备轨道电路和电码化功能。通过室内唯一调整环节，实现轨道电路和电码化统一调整。

2）简统化板卡式设备。室内采用板卡式设备，以此达到设备种类比25 Hz叠加电码化和ZPW-2000轨道电路分别压减70%和50%以上的目的。

3）进一步提升安全可靠性。目前25 Hz 轨道电路和电码化无法进行系统级安全认证，而车站数字化轨道电路安全完整性等级可达到SIL4级。

4）数字化技术降低能耗。目前的ZPW-2000轨道电路和电码化设备能量转化效率较低，每区段功率达到180 W。车站数字化轨道电路是采用数字化模块，通过优化传输系统设计，能够提高能量转换效率，典型一送一受区段能耗可压减约60%。

5）股道区段无条件双端发码。普铁股道与高铁股道最明显的区别是无指定位置的停车标，任何位置列车均可折返运行。而当列车折返时，无法向地面设备传递信息。为此，提出在满足区段长度的条件下，不借助控制设备进行方向切换，无条件实现股道双端发码［5-6］。

6）短区段快速反应和分路性能提升。普铁车站短区段多，需要轨道电路快速实现占用反应，同时对于现有短区段分路不良多发的情况，应至少提升分路性能1倍以上。

给定观测值集合y后,一旦确定了概率密度p(y|f,θλ),对于有限高斯变量组成的向量f而言,其后验分布可以通过贝叶斯公式推导得出:

7）电码化信号闭环检查。现有电码化信号为开环发码，即地面设备不检查电码化信号发送的有效性。采用车站数字化轨道电路则可在区段空闲时，由地面设备实时检查电码化信号的幅值和频率，从而提高发码安全性，减少掉码故障发生。

8）易维护及预警诊断。轨旁仅设一台设备，内置数字化采集功能，通过对关键位置的数据采集，实现智能预警和分区域诊断定位功能［7］。

9）优化牵引电流回流网络。为防止轨道电路信号迂回出现“第三轨”，我国既有股道均为“一头堵”的单端回流方式，类似“梳子”形状，造成只有正线回流畅通，侧线完全中断。为此提出将车站横向连接线、牵引回流网络标准化，进一步改善绝缘烧损、牵引谐波干扰等回流问题［8］。

10）兼备数字化和继电接口。同时具备数字化通信接口和继电接口，与继电联锁车站、列控车站和列控联锁一体化车站无缝切换，通过一体化接头实现设备连接，适用于普铁和高铁。

3 关键技术

除数字化、功耗等通用技术指标外，车站轨道电路和区间轨道电路的应用场景差别较大。由于车站特殊的作业要求，需要面临和解决的问题更多，如：横向股道间的同频邻线干扰防护、复杂站场牵引回流网络的迂回、列车运行进路差异导致的分路不良、列车运行纵向绝缘破损的防护等。因此，车站轨道电路在安全性和可用性上比区间更为复杂，主要解决以下5项关键技术。

3.1 轨道电路、电码化集成技术

实现轨道电路和电码化合二为一的难点在于频率选择。在车站数字化轨道电路研制过程中，制定了频率选择的“五大原则”：①机车信号兼容性，全路约2.6 万辆机车需要动态地获取车地信息，兼容性问题非常突出；②信号传输性能，传输长度满足国铁车站长区段使用要求，系统传输信号越单一，曲线平滑度和干扰防护能力越好；③抗工频干扰性能，在电气化铁路中，需要选择牵引谐波含量少的频率范围；④通道完整性检查性能，防止信号迂回形成“第三轨”和改善电气化回流环境需要较高频率；⑤设备简统化，频率越高设备尺寸越小，频率种类越少设备集成度越高。

经过频率比选，最终形成4 种轨道电路备选频率方案。各类方案雷达图见图1。

图1 各类轨道电路方案雷达图

1）24.5 Hz、25.5 Hz、26.5 Hz频率方案：电气化区段迂回信号超过动作门限，隔离设备体积较大。

2）425 Hz 频率方案：电气化区段迂回信号接近动作门限，隔离设备数量较多。

4）1 700~2 600 Hz 频率方案：更为均衡，从我国铁路使用情况和发展需要看，选用1 700~2 600 Hz进行发码和占用空闲检查是最佳选择。

因此，适用于车站的数字化轨道电路频率宜采用1 700~2 600 Hz 信号进行发码和占用空闲检查，即采用和普铁区间、高铁站内区间相同的“轨道电路转发机车信号”方式实现电码化。

当车站数字化轨道电路应用于普铁时，其发码方式与普铁既有发码方式保持一致，即仅正线和侧线股道发码。车站数字化轨道电路发码方式见图2，其中红框区域为股道区段，双端发码、双频切换；黄框区域为正线道岔及无岔区段，发码、切方向、双频切换；蓝框区域为其他道岔区段，不发码、不切方向，默认发检测码。

图2 车站数字化轨道电路发码方式

当车站数字化轨道电路应用于高铁时，其发码方式与高铁既有发码方式保持一致，同样采用分支并联方式实现全进路发码［9］。

3.2 股道双端发码技术

列车在股道折返时，有地面信号机点红灯、轨道电路邻线干扰值控制、双端发码大压小共3 种防冒进方式。其中高铁由于地面信号机灭灯，因此采用轨道电路邻线干扰值控制、双端发码大压小2 种方式；而普铁由于电码化信号波动大，无法精准控制，因此采用地面信号机点红灯和双端发码大压小2种方式，并同时辅以调低功率，尽量控制干扰值。

在车站数字化轨道电路方案中，为使3 种方式同时有效，股道设计采用“两端发送、中间接收”结构，在不依赖于方向电路、不进行绝缘切割的条件下实现双端发码。如图3 所示，接收端两侧任意一侧有车占用，则ⅠG 股道占用，SⅠ和XⅠ侧机车信号均能够满足完整股道的传输，与传统预叠加发码方式相同。

图3 股道区段双端发码方式

股道“两端发送、中间接收”的发码方式和传统预叠加发码方式相比，有以下特点。

1）股道两侧载频维持现状，不需要修改。

2）侧线股道编码电路各自独立，变化不大。

3）无需切换发码通道。

4）正线使用单套编码电路。

5）室外需要增设一对股道中心范围内的电缆。

车站数字化轨道电路的股道区段系统结构见图4，采用“两端发送、中间接收”的双送一受结构，每一个发送设备负责半个区段的占用检查、整个区段的电码化发码，股道中间的接收端同时解调2 路发送信号，在接收端分别调整解调后进行逻辑“与”处理，每条股道设置1台轨道继电器即可。

图4 双送一受系统结构

3.3 双向回流技术

为防止轨道电路信号迂回出现“第三轨”，自20 世纪60 年代开始，我国铁路股道均采用“一头堵”的单端回流方式。这就造成了规模越大的车站，牵引回流越不畅通，结合部问题越多，出现越来越多的烧绝缘、电压波动等问题［10］。

适用于车站内的数字化轨道电路一方面频率为1 700~2 600 Hz，远大于25 Hz，迂回电路的阻抗大幅增加；另一方面通过在设备和系统层面保证钢轨电气断离检查功能，侧线股道两侧不设回流中断点，直接将回流设备中心点连通，即可实现股道双向回流，优化牵引回流网络，解决60多年来站内存在的绝缘烧损、回流不畅、干扰问题频发的现状［10-11］。

3.4 智能诊断技术

目前大多数车站轨道电路均采用人工判断故障的方式，时效性较差，不能及时检测出故障点，且因人员技术水平的差异，易造成维护不当，影响行车效率，会造成严重的经济损失［12-13］。

适用于车站内的数字化轨道电路配有一体化监测诊断系统，见图5，用于实现轨道电路系统和设备工作状态参数的在线监测、设备和传输通道的故障诊断定位，并给出报警、预警信息及维修建议，可全面提升铁路装备智能化水平，提高现场对轨道电路的维修效率。

图5 监测诊断系统界面

3.5 设备简统化技术

车站数字化轨道电路中，室内采用板卡式设备，轨旁仅设一台设备，实现了设备简统化。设备种类和25 Hz 相敏轨道电路叠加电码化、ZPW-2000 一体化轨道电路相比，数量大幅压减，轨道电路室内机柜的布置和连接方式对比见图6，同时能够节省机房占地面积，以34 个区段的中等车站为例，采用继电编码设备占地面积较传统设计减少43%，采用通信编码设备占地面积较传统设计减少68%，设备数量和机柜宽度对比见表1。

表1 设备数量和机柜宽度对比

图6 机柜布置和连接方式对比

4 结束语

车站数字化轨道电路以用户需求为导向，确定十大研制目标，突破五大关键技术，采用简统化结构和板卡式设备设计方案，集成程度、安全性和可靠性高，兼容多模式接口，具备控制、接口、运维数字化等特点。目前，已完成样机研制，并通过了课题验收。本项研究成果对推进我国铁路轨道电路技术进步，提升基础装备数字化、智能化水平具有重要意义。