2号线TWC轨旁系统检测装置维修替代研究-成果小结

第一篇：2号线TWC轨旁系统检测装置维修替代研究-成果小结

2号线TWC轨旁系统检测装置维修替代研究

主要研究单位：上海轨道交通维护保障中心

上海工程技术大学

主要研究人员：王 伟、马伟杰、马子彦、施 聪、陆鑫源、王 诚

一、研究背景

（一）项目背景

上海地铁二号线TWC系统是美国US&S公司开发的基于数字轨道电路的地铁信号系统的车地通信子系统，属于信号专用系统。系统中TWC信息的传输是通过环线实现的，环线铺设在站台区域、折返线等处，它是ATS系统车地通信和程序定位停车的重要设备。目前，国内外没有此类信号检测专用装置。

上海地铁二号线是上海轨道交通网络中的一条重要线路。一期工程于2000年开通，并于2006年底西延伸段开通通车，目前最大客流已超过百万人次，2010年，已延伸至浦东国际机场和虹桥国际机场，该系统在延伸线路中继续使用。TWC系统作为信号系统的一部分，其技术和知识产权完全归外方公司（US&S）所有。由于合同和技术保密的原因，系统供应商US&S公司并不提供系统关键技术参数，造成对系统故障的分析诊断、设备测试与维护的困难。由于没有有效的技术手段，维护人员仅凭个人的经验、想象进行排故，造成系统的维护无标准、随意性、效率低、水平低等问题。这些问题的存在，使得维护人员不能科学、有效的对系统进行维护，影响了系统的可靠性，乃至线路的正常运营。

上海地铁二号线投入运行以来，随着时间的推移，有些站台的发车表示器时常发生不亮的现象，有些站台每天会有十几、二十次以上没有通信，多次造成列车晚点、不停站或冲出站台。经过分析认为，这些现象的发生，问题主要集中在车地通信系统（TWC）上。目前，TWC系统的检测必须调用电客列车，费时、费钱、费力。随着二号线东延伸到浦东机场、西延伸到虹桥机场，运营里程和客运量大增，研发TWC轨旁系统检测装置，实现对轨旁信号的检测，将为系统维护提供手段，提高工作效率，降低维护成本，减少TWC故障，提高二号线运营质量。

（二）立项依据及必要性 该课题为上海申通地铁集团有限公司2009年科研项目，2009年4月2日，申通地铁集团组织的专家评审，认为上海地铁二号线车地通信问题已经给日常检修工作带来很大困难，维修效率低，并且采购成本高、周期长，以降低维护成本，为此开展本课题研究很有必要。

二、主要研究内容

（一）项目目标

通过TWC轨旁系统检测装置的研发，为系统维护提供手段，提高工作效率，降低维护成本，减少TWC故障，提高二号线运营质量。提升维护的有效性，并减少由此引起的故障，使设备能够安全、可靠的运行，为二号线的正常运营提供有力的技术保障。

（二）研究内容

1、车地通信原理分析

根据目前掌握的US&S公司设备的使用和维护资料，以及项目一期所取得的成果，将车地通信检测的核心定位到轨旁以及车载信号的制式和技术参数方面。因二号线的车地通信采用感应环线通信，采用了FSK技术，其作用在轨旁的信号幅度达到20-100伏特，而车载感应环线取得的信号幅度仅有0.1-1.5伏特，其动态范围很大，频率在54kHz和64kHz，同时存在轨道电路工作时的信号干扰。因此，我们采用了美国NI公司的工业级信号采集处理设备，针对信号的动态范围大，干扰大的特点，有针对性研究信号的工作原理和技术参数，通过多次实验室验证，找到了车地通信的基本工作参数和通信过程要点，同时确定了相应的检测方法并进行了验证。在此基础上，进行了相应检测软件的验证，并形成了一整套检测方法。

2、技术方案确定及开发

根据前期研究的成果和实验室测试情况，确定了采用NI虚拟仪器系统进行深入开发，信息传输为半双工方式，为信息从轨旁传输到车载设备时的硬件组成和连接框图，耦合板这端的硬件模拟轨旁设备，连接到环线输入端，将信号发送到环线上，TWC天线端的硬件模拟车载设备，为信号接收端，天线接收信号并传输到车载设备中进行处理。为信息从车载设备传输到轨旁时的硬件组成和连接框图，TWC天线这端的硬件模拟车载设备，此时为信号发送端，信号通过天线发出，感应到环线上，耦合板这端的硬件模拟轨旁设备，此时为信号接收端，从环线接收信号后传输到轨旁设备进行处理。模拟车载的信号检测装置安装在轨道小车上，天线按照标准车辆装载高度进行放置，轨道小车可在轨道上前进后退，小车上设备采用UPS加电池的供电方式，安装在小车上的天线高度可通过调节杆进行调节，可测量天线不同高度时信号接收情况。模拟轨旁的信号检测设备放置在轨旁耦合板处，方便利用耦合板发送信号。

3、实验室系统搭建，实验室测试

检测装置样机制作的同时，进行了实验室建设工作，在实验室搭建了标准的耦合环线，钢轨，轨道电路以及车地通信装置，同时制定了相应的实验方案，首先测试验证方法的可行性，然后检测各种工程使用的参数等信息。利用检测装置测试功率放大器不同功率情况下模拟车载设备信号接收强度，测量了天线不同高度及发送信号不同电压时，模拟车载设备接收信号的强度。

4、现场测试及样机改进试制

经过现场测试，找到了检测装置工作点，同时根据轨道电路工作时对其造成的干扰，确定了后期改进目标，通过增加放大器以及调整算法，圆满解决了样机的性能指标的问题。为了实现在线对车地通信FSK信号参数的检测，根据系统测试要求的速度、信号接收方式等其他一些综合情况考虑，设计了轻型手推轨道车以及工程样机，用于实验室及现场测试。

（三）关键技术、难点及创新点

1)技术难点

（1）TWC技术参数的获取。包括：数据包的格式，发送速率、环线电感，耦合单元电容等技术参数，需要进行技术解密，分析通信链路，分析设计原理，找出理论依据。必须通过研究和现场的测试、获取。（2）检测装置设计和研制。包括：等效电路，补偿电路等参数的设定及设计是关键，包括电路对现场电磁兼容性的性能要求等。

（2）创新点

填补国内地铁环线车地通信检测装置空白。该装置研发地铁环线车地通信检测装置，为国内首创。该装置的研发为此类线路运营提供信号系统维护手段，同时为信号系统的国产化奠定基础。

实现TWC轨旁检测设备的一体化、检测结果的可视化及数据传输性能指标的定量分析。该装置的研发，解决了TWC轨旁检测无专用设备的难题。并能够实现检测结果的直观性及技术指标的定量分析。

三、主要研究成果

通过对各种调研测试及模拟分析结果的深入分析研究，本项目形成研究总报告《2号线TWC轨旁系统检测装置维修替代研究报告》一份，《2号线TWC轨旁系统检测装置维修替代研究工作报告》一份，“TWC检测装置样机”两台，发表论文两篇：《基于LabVIEW轨道交通车地通信系统FSK信号检测装置》已发表于《上海工程技术大学学报》2010，24；《基于LabVIEW的FSK轨道通信信号检测装置的研究》已发表于《城市轨道交通研究》2011年第3期。专利三项，“一种地铁轨旁环线信号智能检测设备”发明专利，时间：2010.8.4授权专利号：20100244619.9。“一种车地通信系统装置”，实用新型，授权时间：2010.8.4，授权专利号：2010020280510.6。“基于LabVIEW的车地通信(TWC)检测软件”，软件著作权，申请时间：2010.06.24，授权号：02173925。

主要研究成果如下：

1）目前二号线车地通信不畅，影响列车行车效率，因没有专用检测装备，无法对车地通信质量进行定量化的检测和有针对的调试和维护，因而在设备发生故障特别是瞬间出现的故障时，维护人员找不到故障的原因和设备参数调整目标，造成故障分析和解决的困难，因而研发专用设备对轨旁信号的进行检测，将为系统维护提供量化的分析手段，提高工作效率，降低维护成本，减少TWC故障，提高二号线运营质量是十分及时与必要的。

2）项目所开发的车地通信检测装置，可以在不影响现有轨旁设备技术参数的情况下实现信号质量的检测和记录，检测范围符合要求，方法简便易行，符合运营维护的要求。

3）项目开发的检测、分析软件可分析车地通信的误码率、FSK信号频率偏移，可以对检测过程采集的数据进行图形化分析和显示，能够为轨旁设备调试提供数据，并可以通过调试和实时测试的组合，实现设备参数调试的反馈控制。4）车地通信装置有助于轨旁设备维护由“故障修”向“状态修”转变，采用了数据存储、误码计算和基于图形的回放功能，在国内属首创，国际上也是没有的，成果的技术水平达到国际先进水平。

四、应用前景与效益预测

车地通信检测装置研制成功后，将使上海地铁二号线车地通信维护手段有明显提升，对未来上海地铁信号设备工作状态的检测和维护寻找了另一条出路，可以通过不出车检测，明显提高运营维护的工作效率，降低维护成本。

国内除了上海地铁二号线，还有天津地铁、武汉地铁采用环线作为车地通信的载体，其运营维护也存在上述问题，该项目的成功研制可以有效推广至这几家单位，形成很好的平台效应。

另外，此检测装置的研发成功，为后续继续研究车地通信在线监测提供了很好的前期基础，通过项目试车线测试的进一步深入，项目组对后续将检测系统改造成为联网监测的系统更加有信心。可以预期，通过上述技术的不断提升和深化，检测装置以及监测系统的规模应用，形成车地通信监测系统，实时监测车地通信信号的动态范围，根据情况进行报警或者预警，这将大大降低维护工作量，有效提供工作效率，真正改变现有维修模式，由“故障修”转变为“状态修”。

本项目成果可大规模运用到现有上海地铁二号线，同时其技术也可运用到天津、武汉等采用相同车地通信技术的线路，可有效降低维护成本，提高运行保障能力，项目的潜在的经济意义与应用前景将会是很大的。