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1、调研报告 一背景及意义现代化的运输方式有铁路、公路、水运、航空和管道等五种。与其他的运输方式相比，铁路运输具有运量大、成本低、速度快、安全可靠、能全天候运输等众多优势。铁路是国民经济的大动脉，它对于促进城乡物资交流，繁荣社会经济起着非常重要的作用，为了提高我国铁路运输能力， 实现铁路自动化，信号通信设备的改进和增加是必要的。铁路信号1设备是铁路运输的重要基础设施，也是保证行车安全、提高运输效率和改善劳动条件的重要技术设备。铁路信号技术在进入信息时代的今天，逐步与通信、计算机技术走向一体化。机车信号，狭义上指的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。它能自动地反映列车运行前方
2、地面信号机显示状态。发展高速是铁路现代化的显著标志之一，也是为了适应国家经济社会的发展和运输市场的需求。当列车速度大于200Km/h时，司机已无法看清和确认地面信号，因此，信号和列车运行控制成一体化是高速铁路发展的必经之路。我国机车信号识别技术上存在的问题主要来自电气化区段电力机车牵引电流及其谐波的干扰，特别是对移频机车信号的干扰。随着列车速度和密度的进一步提高，列车在行车区间的通过能力和安全运行对整个铁路网的高效和正常运行起着至关重要的作用。而如何准确、快捷并可靠地解调出轨道信号的特征信息直接影响到列车的正点率和安全率,也是当前机车信号识别的发展方向。二国内外发展情况日本FSK制式轨道电路载
3、频选用1700Hz、2300Hz、2900Hz和3500Hz。调制频率采用两种：一种是10个信息，频率为10Hz、13Hz、16Hz、19Hz、23Hz、26Hz、31Hz、34Hz、37Hz和41Hz，此时频偏采用40Hz;另一种是15个信息，其频率除上面10个外还增加了45Hz、55Hz、61Hz、67Hz和73Hz，而频偏为70Hz。法国UM-71无绝缘轨道电路，采用1700Hz，2000Hz，2300Hz，2700Hz为载频频率，采用多信息无绝缘移频轨道电路，对电力牵引区段电流谐波干扰具有较强的抑制作用。UM-71轨道电路在闭塞分区分界点（或轨道电流源分界点）处用电磁谐振原理构成电气绝
4、缘节取代传统的机械绝缘节，构成无绝缘轨道电路。UM-71型无绝缘轨道电路工作稳定可靠，具有抗电气化干扰能力强、防雷性能好、有断轨检查功能，能满足速差式自动闭塞和列车运行超速防护的需要。沈阳大石桥间有143Km的二元三位式交流自动闭塞；京广线郑武段电气化工程中引进了法国的UM-71和TVM300，引进后进行了二次开发，以适应我国铁路客货混运。我国铁路上的自动闭塞轨道电路的制式较多：1.交流计数25Hz，电气化区段；2.交流计数50Hz，非电气化区段；3.交流计数75Hz，电气化区段；4.电气化四信息移频；5.非电气化四信息移频；6.极频；7.国产18信息移频；8.法国UM71。三研究目标本课题的
5、研究目标，由于我国的铁路系统机车信号种类较多，针对常用的三种信号移频UM71信号、移频18信息和交流计数信号进行检测识别。四研究内容首先，了解本次研究的背景及意义，以及研究现状；然后，了解机车信号的主要种类及其时域频域特性，提出对交流计数信号和移频信号进行自动识别的方案，并用MATLAB进行仿真，验证方案可行性。五研究方法本课题主要研究三种机车信号的识别。因此，根据极频信号、交流计数信号和移频信号的特性通过时域、频域的比较，将接收到的信号通过滤波器进行滤波，再进行傅里叶变换，对这些信号进行解调，并通过使用MATLAB仿真验证，最终确定机车接收到的是哪种信号。5.1 机车信号种类5.1.1 极频
6、信号极频信号是采用直流脉冲，利用电容储存的电能向轨道放电构成脉冲源。脉冲分为两种：单频130-150次/min,双频230-275次/min，脉冲的极性分为正极性和负极性。极频信号由脉冲的频率和极性组成，构成自动闭塞的信息。极频信号与其他制式轨道电路信号相比有如下特点：（1）平均功率小，瞬间功率大；（2）信号频率准确性差，130-150次/min为合格单频，230-275次/min为合格双频；（3）极频信号脉冲的波形会因轨道电路长度、道床参数的变化而有较大的变化。因此，接收设备在信号识别时，很难对信号波形进行严格地限制。极频脉冲自动闭塞制式机车信号接收轨道电路信息与机车信号车载设备显示的对应关
7、系如下图1所示。信号显示字母意义如下：L表示绿灯信号；U表示黄灯信号；H表示红灯信号；B表示白灯信号；LU表示率黄灯信号；HU表示红黄灯信号；UU表示双黄灯信号；U2表示黄2信号；UUS表示双黄闪信号；U2S表示黄2闪信号。 表1 极频信息与机车信号车载设备显示的对应关系 信号显示频率特征脉冲间隔L双频正极220msU单频正极440msUU双频负极220msHU单频负极440ms5.1.2 交流信号交流信号2即交流计数电码信息，采用工频50Hz作为载频进行信息传送。自动闭塞区段交替使用两种不同发码周期。其中一种发码周期为1.6s(短码)，另一种发码周期为1.92s(长码)。采用将空脉冲的数目区
8、分电码信号：一个周期内3个脉冲为绿码，2个脉冲为黄码，一个脉冲为红黄码。码型图如图1（短码为例）。当前较为成熟的解调方法是用FIR带通滤波器，半波整形，FIR低通滤波器，电平跌落判别，信号码型判别，绝缘节判别来解调3。0.32 0.16 0.24 0.16 0.24 0.80.36 0.12 0.24 0.12 0.24 0.840.24 0.16 0.36 0.16 0.24 0.76L2L4L9图1 码型图5.1.3 移频信号移频信号4有UM-71信号，国产的ZPW-2000系列信号。UM-71信号共有18种信息,同时通过地面特殊地点的发送环线还可以向机车发送14种点式信息。UM-71轨道
9、电路的载频选为四种，即1700Hz、2000Hz、2300Hz、 2600Hz。其中上行线使用2000Hz和2600Hz交替排列，下行线使用1700Hz和2300Hz交替排列，主要是利用其频率差别构成电气调谐区，实现电气绝缘。在电气化区段的抗干扰能力强。UM-71信号轨道电路频偏为11Hz，由于频偏小，信号集中在中心频率附近，远离邻近线和邻近区段的干扰。UM-71低频调制信号FC(低频信息)从10.3Hz至29Hz按1.1Hz递增共18种。ZPW-2000系列无绝缘轨道电路使用与电气化牵引区段和非电气化牵引区段的区间及车站轨道电路区段，也可以用于轨道电路区段。ZPW-2000系列充分吸收UM-
10、71的技术优势，并实现了重大技术的改进和创新。克服了UM-71在传输安全性和传输长度上存在的问题。表2 移频UM-71及ZPW-2000信息与机车信号车载设备显示关系序号12345678910低频频率10.311.412.513.614.715.816.91819.120.2信号显示LLLLUU2UUUUUUSU2SSD 输出110001101001101010001101101序号1112131415161718低频频率21.322.423.524.625.726.827.929无码无码信号显示HUULUHUSHUHHBSD输出1100011101010011001000015.2 识别方法
11、5.2.1 极频信号的识别方法对于极频信号的解调，先对接收的信号进行低通采样，通过低通滤波器，对低通信号进行脉冲整形，根据信号的特点识别是正极还是负极的极频信号，判断是220ms还是440ms的信号，判断出正负极性和单双频之后可以进行两两组合，进行点灯显示。识别完毕。5.2.2 交流计数信号的识别方法小波奇异性信号的突变时刻就称为信号的奇异点。交流计数信号的调制方式属于调幅（ASK）,是以在一定时间周期内的脉冲和间隔的数目和锁持续的时间为信息特征的，信号本身在脉冲和间隔的变换点处出现了不连续，产生了突变（奇异点），其属于第一类间断点。利用二进制离散小波变换，理论上在选择合适的尺度上可以判断出奇
12、异点的具体位置，从而实现交流计数的解调。数学上信号奇异性用Lipschitz指数来描述函数的局部奇异性。定义为：, 对,小波满足连续可微，且具有阶消失矩（为正整数），若有(为正整数)则成为点的Lip指数。由此可见，当0时，小波系数的模极大值随尺度因子增大而增大；当0时，小波系数的模极大值随尺度因子的增大而减小；当=0时，小波系数模极大值与尺度因子无关。5.2.3 移频信号检测方法因为国产移频轨道电路与UM-71轨道电路的控制信息均为移频键控信号，所以移频轨道电路信号FSK的检测过程就是对FSK信号的解调。从原理上可以分为相干和非相干解调两种方法。相干解调有最佳抗干扰性能，但相关解调要求接收端恢
13、复出具有准确频率和相位的相干载波信号，在移频检测系统中很难实现。所以在检测移频信号时往往采用非相干解调，即在接收端不需要相干信号，根据移频信号本身的特点进行解调。非相干解调方法分模拟法和数字法两种。模拟法常用限幅鉴频法和零交点法，数字法采用微型计算机运用FFT快速傅里叶变换，求出信号的主要边频分量，解出低频信息5。限幅鉴频法的实质是限幅把移频信号中的寄生调幅削去，成为纯粹的移频信号；鉴频是将移频信号的频率变换转化为幅度变化，然后像调幅一样通过幅度检波而得到低频信息。带通滤波器限幅器鉴频器幅度鉴波整流低通整形图2 限幅鉴频器原理方框图六进度安排根据学校的毕业设计时间安排，安排进度如下：第1周 接
14、受任务书，明确课题所要完成的任务和内容，并开始课题调研；第2周 查阅资料明确课题的意义，根据课题任务安排进度，书写进度计划表；第3周 完成调研报告并查阅与课题相关的外文资料，进行翻译；第4周 整理并完成外文翻译工作；第5周 查阅相关资料，学习机车信号的种类及其特性；第6周 搜集与傅里叶变换有关的资料,学习MATLAB的编程知识并编写程序 ； 第 7-9 周 编写交流技术信号和移频信号识别程序和低通滤波器的程序；第10周 进行实例分析并处理有关数据，编写论文提纲；第11周 整理材料完成论文初稿；第12周 修改论文，完成毕业论文；第13周 制作论文PPT，接受指导教师对毕业论文的评阅，毕业答辩；第14周 对毕业论文进一步的修改，装订毕业论文。参考文献1 王瑞峰.铁路信号运营基础M.北京：中国铁道出版社，2010.2 李茁.机车信号自动识别与解调算法研究.哈尔滨工程大学，2007. 3 沈言锦，刘海雄.轨道电路交流计数信号的解调.株洲职业技术学校.4 林瑜筠.区间信号自动控制M.北京：中国铁道出版社,2010. 5 李孝评.基于滤波包络和小波脊算法的轨道移频信号提取.武汉科技大学.6 赵林海.一种基于竞争神经网络的铁路UM-71信号频谱识别方法.北京交通大学,轨道交通控制与安全国家重点实验室.
