第一篇：2號(hào)線TWC軌旁系統(tǒng)檢測(cè)裝置維修替代研究-成果小結(jié)

2號(hào)線TWC軌旁系統(tǒng)檢測(cè)裝置維修替代研究

主要研究單位：上海軌道交通維護(hù)保障中心

上海工程技術(shù)大學(xué)

主要研究人員：王 偉、馬偉杰、馬子彥、施 聰、陸鑫源、王 誠

一、研究背景

（一）項(xiàng)目背景

上海地鐵二號(hào)線TWC系統(tǒng)是美國US&S公司開發(fā)的基于數(shù)字軌道電路的地鐵信號(hào)系統(tǒng)的車地通信子系統(tǒng)，屬于信號(hào)專用系統(tǒng)。系統(tǒng)中TWC信息的傳輸是通過環(huán)線實(shí)現(xiàn)的，環(huán)線鋪設(shè)在站臺(tái)區(qū)域、折返線等處，它是ATS系統(tǒng)車地通信和程序定位停車的重要設(shè)備。目前，國內(nèi)外沒有此類信號(hào)檢測(cè)專用裝置。

上海地鐵二號(hào)線是上海軌道交通網(wǎng)絡(luò)中的一條重要線路。一期工程于2000年開通，并于2006年底西延伸段開通通車，目前最大客流已超過百萬人次，2010年，已延伸至浦東國際機(jī)場(chǎng)和虹橋國際機(jī)場(chǎng)，該系統(tǒng)在延伸線路中繼續(xù)使用。TWC系統(tǒng)作為信號(hào)系統(tǒng)的一部分，其技術(shù)和知識(shí)產(chǎn)權(quán)完全歸外方公司（US&S）所有。由于合同和技術(shù)保密的原因，系統(tǒng)供應(yīng)商US&S公司并不提供系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)參數(shù)，造成對(duì)系統(tǒng)故障的分析診斷、設(shè)備測(cè)試與維護(hù)的困難。由于沒有有效的技術(shù)手段，維護(hù)人員僅憑個(gè)人的經(jīng)驗(yàn)、想象進(jìn)行排故，造成系統(tǒng)的維護(hù)無標(biāo)準(zhǔn)、隨意性、效率低、水平低等問題。這些問題的存在，使得維護(hù)人員不能科學(xué)、有效的對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行維護(hù)，影響了系統(tǒng)的可靠性，乃至線路的正常運(yùn)營。

上海地鐵二號(hào)線投入運(yùn)行以來，隨著時(shí)間的推移，有些站臺(tái)的發(fā)車表示器時(shí)常發(fā)生不亮的現(xiàn)象，有些站臺(tái)每天會(huì)有十幾、二十次以上沒有通信，多次造成列車晚點(diǎn)、不停站或沖出站臺(tái)。經(jīng)過分析認(rèn)為，這些現(xiàn)象的發(fā)生，問題主要集中在車地通信系統(tǒng)（TWC）上。目前，TWC系統(tǒng)的檢測(cè)必須調(diào)用電客列車，費(fèi)時(shí)、費(fèi)錢、費(fèi)力。隨著二號(hào)線東延伸到浦東機(jī)場(chǎng)、西延伸到虹橋機(jī)場(chǎng)，運(yùn)營里程和客運(yùn)量大增，研發(fā)TWC軌旁系統(tǒng)檢測(cè)裝置，實(shí)現(xiàn)對(duì)軌旁信號(hào)的檢測(cè)，將為系統(tǒng)維護(hù)提供手段，提高工作效率，降低維護(hù)成本，減少TWC故障，提高二號(hào)線運(yùn)營質(zhì)量。

（二）立項(xiàng)依據(jù)及必要性 該課題為上海申通地鐵集團(tuán)有限公司2009年科研項(xiàng)目，2009年4月2日，申通地鐵集團(tuán)組織的專家評(píng)審，認(rèn)為上海地鐵二號(hào)線車地通信問題已經(jīng)給日常檢修工作帶來很大困難，維修效率低，并且采購成本高、周期長，以降低維護(hù)成本，為此開展本課題研究很有必要。

二、主要研究內(nèi)容

（一）項(xiàng)目目標(biāo)

通過TWC軌旁系統(tǒng)檢測(cè)裝置的研發(fā)，為系統(tǒng)維護(hù)提供手段，提高工作效率，降低維護(hù)成本，減少TWC故障，提高二號(hào)線運(yùn)營質(zhì)量。提升維護(hù)的有效性，并減少由此引起的故障，使設(shè)備能夠安全、可靠的運(yùn)行，為二號(hào)線的正常運(yùn)營提供有力的技術(shù)保障。

（二）研究內(nèi)容

1、車地通信原理分析

根據(jù)目前掌握的US&S公司設(shè)備的使用和維護(hù)資料，以及項(xiàng)目一期所取得的成果，將車地通信檢測(cè)的核心定位到軌旁以及車載信號(hào)的制式和技術(shù)參數(shù)方面。因二號(hào)線的車地通信采用感應(yīng)環(huán)線通信，采用了FSK技術(shù)，其作用在軌旁的信號(hào)幅度達(dá)到20-100伏特，而車載感應(yīng)環(huán)線取得的信號(hào)幅度僅有0.1-1.5伏特，其動(dòng)態(tài)范圍很大，頻率在54kHz和64kHz，同時(shí)存在軌道電路工作時(shí)的信號(hào)干擾。因此，我們采用了美國NI公司的工業(yè)級(jí)信號(hào)采集處理設(shè)備，針對(duì)信號(hào)的動(dòng)態(tài)范圍大，干擾大的特點(diǎn)，有針對(duì)性研究信號(hào)的工作原理和技術(shù)參數(shù)，通過多次實(shí)驗(yàn)室驗(yàn)證，找到了車地通信的基本工作參數(shù)和通信過程要點(diǎn)，同時(shí)確定了相應(yīng)的檢測(cè)方法并進(jìn)行了驗(yàn)證。在此基礎(chǔ)上，進(jìn)行了相應(yīng)檢測(cè)軟件的驗(yàn)證，并形成了一整套檢測(cè)方法。

2、技術(shù)方案確定及開發(fā)

根據(jù)前期研究的成果和實(shí)驗(yàn)室測(cè)試情況，確定了采用NI虛擬儀器系統(tǒng)進(jìn)行深入開發(fā)，信息傳輸為半雙工方式，為信息從軌旁傳輸?shù)杰囕d設(shè)備時(shí)的硬件組成和連接框圖，耦合板這端的硬件模擬軌旁設(shè)備，連接到環(huán)線輸入端，將信號(hào)發(fā)送到環(huán)線上，TWC天線端的硬件模擬車載設(shè)備，為信號(hào)接收端，天線接收信號(hào)并傳輸?shù)杰囕d設(shè)備中進(jìn)行處理。為信息從車載設(shè)備傳輸?shù)杰壟詴r(shí)的硬件組成和連接框圖，TWC天線這端的硬件模擬車載設(shè)備，此時(shí)為信號(hào)發(fā)送端，信號(hào)通過天線發(fā)出，感應(yīng)到環(huán)線上，耦合板這端的硬件模擬軌旁設(shè)備，此時(shí)為信號(hào)接收端，從環(huán)線接收信號(hào)后傳輸?shù)杰壟栽O(shè)備進(jìn)行處理。模擬車載的信號(hào)檢測(cè)裝置安裝在軌道小車上，天線按照標(biāo)準(zhǔn)車輛裝載高度進(jìn)行放置，軌道小車可在軌道上前進(jìn)后退，小車上設(shè)備采用UPS加電池的供電方式，安裝在小車上的天線高度可通過調(diào)節(jié)桿進(jìn)行調(diào)節(jié)，可測(cè)量天線不同高度時(shí)信號(hào)接收情況。模擬軌旁的信號(hào)檢測(cè)設(shè)備放置在軌旁耦合板處，方便利用耦合板發(fā)送信號(hào)。

3、實(shí)驗(yàn)室系統(tǒng)搭建，實(shí)驗(yàn)室測(cè)試

檢測(cè)裝置樣機(jī)制作的同時(shí)，進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)室建設(shè)工作，在實(shí)驗(yàn)室搭建了標(biāo)準(zhǔn)的耦合環(huán)線，鋼軌，軌道電路以及車地通信裝置，同時(shí)制定了相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)方案，首先測(cè)試驗(yàn)證方法的可行性，然后檢測(cè)各種工程使用的參數(shù)等信息。利用檢測(cè)裝置測(cè)試功率放大器不同功率情況下模擬車載設(shè)備信號(hào)接收強(qiáng)度，測(cè)量了天線不同高度及發(fā)送信號(hào)不同電壓時(shí)，模擬車載設(shè)備接收信號(hào)的強(qiáng)度。

4、現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試及樣機(jī)改進(jìn)試制

經(jīng)過現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，找到了檢測(cè)裝置工作點(diǎn)，同時(shí)根據(jù)軌道電路工作時(shí)對(duì)其造成的干擾，確定了后期改進(jìn)目標(biāo)，通過增加放大器以及調(diào)整算法，圓滿解決了樣機(jī)的性能指標(biāo)的問題。為了實(shí)現(xiàn)在線對(duì)車地通信FSK信號(hào)參數(shù)的檢測(cè)，根據(jù)系統(tǒng)測(cè)試要求的速度、信號(hào)接收方式等其他一些綜合情況考慮，設(shè)計(jì)了輕型手推軌道車以及工程樣機(jī)，用于實(shí)驗(yàn)室及現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試。

（三）關(guān)鍵技術(shù)、難點(diǎn)及創(chuàng)新點(diǎn)

1)技術(shù)難點(diǎn)

（1）TWC技術(shù)參數(shù)的獲取。包括：數(shù)據(jù)包的格式，發(fā)送速率、環(huán)線電感，耦合單元電容等技術(shù)參數(shù)，需要進(jìn)行技術(shù)解密，分析通信鏈路，分析設(shè)計(jì)原理，找出理論依據(jù)。必須通過研究和現(xiàn)場(chǎng)的測(cè)試、獲取。（2）檢測(cè)裝置設(shè)計(jì)和研制。包括：等效電路，補(bǔ)償電路等參數(shù)的設(shè)定及設(shè)計(jì)是關(guān)鍵，包括電路對(duì)現(xiàn)場(chǎng)電磁兼容性的性能要求等。

（2）創(chuàng)新點(diǎn)

填補(bǔ)國內(nèi)地鐵環(huán)線車地通信檢測(cè)裝置空白。該裝置研發(fā)地鐵環(huán)線車地通信檢測(cè)裝置，為國內(nèi)首創(chuàng)。該裝置的研發(fā)為此類線路運(yùn)營提供信號(hào)系統(tǒng)維護(hù)手段，同時(shí)為信號(hào)系統(tǒng)的國產(chǎn)化奠定基礎(chǔ)。

實(shí)現(xiàn)TWC軌旁檢測(cè)設(shè)備的一體化、檢測(cè)結(jié)果的可視化及數(shù)據(jù)傳輸性能指標(biāo)的定量分析。該裝置的研發(fā)，解決了TWC軌旁檢測(cè)無專用設(shè)備的難題。并能夠?qū)崿F(xiàn)檢測(cè)結(jié)果的直觀性及技術(shù)指標(biāo)的定量分析。

三、主要研究成果

通過對(duì)各種調(diào)研測(cè)試及模擬分析結(jié)果的深入分析研究，本項(xiàng)目形成研究總報(bào)告《2號(hào)線TWC軌旁系統(tǒng)檢測(cè)裝置維修替代研究報(bào)告》一份，《2號(hào)線TWC軌旁系統(tǒng)檢測(cè)裝置維修替代研究工作報(bào)告》一份，“TWC檢測(cè)裝置樣機(jī)”兩臺(tái)，發(fā)表論文兩篇：《基于LabVIEW軌道交通車地通信系統(tǒng)FSK信號(hào)檢測(cè)裝置》已發(fā)表于《上海工程技術(shù)大學(xué)學(xué)報(bào)》2010，24；《基于LabVIEW的FSK軌道通信信號(hào)檢測(cè)裝置的研究》已發(fā)表于《城市軌道交通研究》2011年第3期。專利三項(xiàng)，“一種地鐵軌旁環(huán)線信號(hào)智能檢測(cè)設(shè)備”發(fā)明專利，時(shí)間：2010.8.4授權(quán)專利號(hào)：20100244619.9?！耙环N車地通信系統(tǒng)裝置”，實(shí)用新型，授權(quán)時(shí)間：2010.8.4，授權(quán)專利號(hào)：2010020280510.6?！盎贚abVIEW的車地通信(TWC)檢測(cè)軟件”，軟件著作權(quán)，申請(qǐng)時(shí)間：2010.06.24，授權(quán)號(hào)：02173925。

主要研究成果如下：

1）目前二號(hào)線車地通信不暢，影響列車行車效率，因沒有專用檢測(cè)裝備，無法對(duì)車地通信質(zhì)量進(jìn)行定量化的檢測(cè)和有針對(duì)的調(diào)試和維護(hù)，因而在設(shè)備發(fā)生故障特別是瞬間出現(xiàn)的故障時(shí)，維護(hù)人員找不到故障的原因和設(shè)備參數(shù)調(diào)整目標(biāo)，造成故障分析和解決的困難，因而研發(fā)專用設(shè)備對(duì)軌旁信號(hào)的進(jìn)行檢測(cè)，將為系統(tǒng)維護(hù)提供量化的分析手段，提高工作效率，降低維護(hù)成本，減少TWC故障，提高二號(hào)線運(yùn)營質(zhì)量是十分及時(shí)與必要的。

2）項(xiàng)目所開發(fā)的車地通信檢測(cè)裝置，可以在不影響現(xiàn)有軌旁設(shè)備技術(shù)參數(shù)的情況下實(shí)現(xiàn)信號(hào)質(zhì)量的檢測(cè)和記錄，檢測(cè)范圍符合要求，方法簡(jiǎn)便易行，符合運(yùn)營維護(hù)的要求。

3）項(xiàng)目開發(fā)的檢測(cè)、分析軟件可分析車地通信的誤碼率、FSK信號(hào)頻率偏移，可以對(duì)檢測(cè)過程采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行圖形化分析和顯示，能夠?yàn)檐壟栽O(shè)備調(diào)試提供數(shù)據(jù)，并可以通過調(diào)試和實(shí)時(shí)測(cè)試的組合，實(shí)現(xiàn)設(shè)備參數(shù)調(diào)試的反饋控制。4）車地通信裝置有助于軌旁設(shè)備維護(hù)由“故障修”向“狀態(tài)修”轉(zhuǎn)變，采用了數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、誤碼計(jì)算和基于圖形的回放功能，在國內(nèi)屬首創(chuàng)，國際上也是沒有的，成果的技術(shù)水平達(dá)到國際先進(jìn)水平。

四、應(yīng)用前景與效益預(yù)測(cè)

車地通信檢測(cè)裝置研制成功后，將使上海地鐵二號(hào)線車地通信維護(hù)手段有明顯提升，對(duì)未來上海地鐵信號(hào)設(shè)備工作狀態(tài)的檢測(cè)和維護(hù)尋找了另一條出路，可以通過不出車檢測(cè)，明顯提高運(yùn)營維護(hù)的工作效率，降低維護(hù)成本。

國內(nèi)除了上海地鐵二號(hào)線，還有天津地鐵、武漢地鐵采用環(huán)線作為車地通信的載體，其運(yùn)營維護(hù)也存在上述問題，該項(xiàng)目的成功研制可以有效推廣至這幾家單位，形成很好的平臺(tái)效應(yīng)。

另外，此檢測(cè)裝置的研發(fā)成功，為后續(xù)繼續(xù)研究車地通信在線監(jiān)測(cè)提供了很好的前期基礎(chǔ)，通過項(xiàng)目試車線測(cè)試的進(jìn)一步深入，項(xiàng)目組對(duì)后續(xù)將檢測(cè)系統(tǒng)改造成為聯(lián)網(wǎng)監(jiān)測(cè)的系統(tǒng)更加有信心。可以預(yù)期，通過上述技術(shù)的不斷提升和深化，檢測(cè)裝置以及監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的規(guī)模應(yīng)用，形成車地通信監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)車地通信信號(hào)的動(dòng)態(tài)范圍，根據(jù)情況進(jìn)行報(bào)警或者預(yù)警，這將大大降低維護(hù)工作量，有效提供工作效率，真正改變現(xiàn)有維修模式，由“故障修”轉(zhuǎn)變?yōu)椤盃顟B(tài)修”。

本項(xiàng)目成果可大規(guī)模運(yùn)用到現(xiàn)有上海地鐵二號(hào)線，同時(shí)其技術(shù)也可運(yùn)用到天津、武漢等采用相同車地通信技術(shù)的線路，可有效降低維護(hù)成本，提高運(yùn)行保障能力，項(xiàng)目的潛在的經(jīng)濟(jì)意義與應(yīng)用前景將會(huì)是很大的。