基于虚拟仪器的机车信号接收信息参数检测系统

基于虚拟仪器的机车信号接收信息参数检测系统赵林海1 邱宽民1 邓文坤2(1 北京交通大学电子信息工程学院,北京100044;2 广深铁路股份有限公司总工程师室,深圳518010)摘要:本文将虚拟仪器技术、数字信号处理DSP技术和计算机技术紧密结合起来,以计算机为硬件平台,通过软件编程,实现对机车信号接收信息参数的检测。

该方案突破了传统仪器在数据实时处理、数据交换、数据显示和数据存储等方面的诸多限制,检测方法灵活、快速,满足铁路现场的实际需要。

实验结果表明,将虚拟仪器技术应用于铁路信号的检测领域具有很强的现实意义和广阔的应用前景。

关键词:虚拟仪器;机车信号;移频自动闭塞Parameter Detection of Information Received by C ab S ignalingBased on VI TechniquesZhao Linhai Qiu Kuanmin Deng Wenkun(1 School of Electronic Information Engineerin g Beijing Jiao Tong University,Beijing100044,China)(2 General Engineer department of Guangshen Rail way Company Li mi ted Shenzhen518010)Abstract:By closely combining virtual instrument technique,digital signal processing technique and computer technique,with PC as the hardware platform,this paper realizes the detection of parame ters of the information received by cab signaling device through software progra mming.This scheme can break through many limitations of the method based on traditional instrument in such aspects as real time data processing,data exchange,data display,data storage and man machine interface and so on.This method is fle xible,fast and able to meet the practical require ment of railway site.The e xperiment results show that the application of virtual instrument technique in the detection of rail w ay dedicated signals has prac tical significance and wide application prospect.Keywords:virtual instrument(VI);cab signaling;frequency shift automatic block.1 问题的提出目前,随着铁路列车运行速度的提高,作为铁路 行车指挥三大件 之一的机车信号系统,其作用已由原来的辅助信号向 主体化 信号的方向转变,即机车的运行将以机车信号的显示作为行车凭证。

因此,机车信号在保障铁路行车安全和提高铁路运输效率等方面占有越来越重要的地位,而对机车信号显示的准确性和稳定性也就提出了更高的要求。

机车信号系统作为铁路车载列车控制系统的一个重要组成部分,其主要功能是复示列车运行前方地面通过信号机的显示,并为车载列车控制系统提供包括限速信息在内的多种列车运行信息。

从系统工作原理上看,地面轨道电路信号是通过一定的信号调制方式来携带大量的列车运行控制信息。

机车信号系统以地面轨道电路信号作为系统的接收信息,其相应的机车信号接收信息参数就是指轨道电路信号的信息特征,即轨道电路信号调制方式下的各项参数指标。

机车信号对其接收信息进行解调后得到相应的调制信息参数,再对调制信息参数的具体数值进行译解而得到相应的运行控制信息。

现阶段,在影响机车信号正常显示的诸多因素中,由于地面轨道电路信号的畸变而造成机车信号显示异常的情况占有相当大的比例,并且由于这种情况带有非常大的偶然性和随机性,给机车信号设第19卷 第5期电子测量与仪器学报Vol 19 No 5JOU RNAL OF E LEC TRO NIC2005年10月 MEASURE ME NT AND INSTRU MENT 95本文于2004年11月收到。

赵林海:讲师,硕士;邱宽民:副教授;邓文坤:工程师。

备的故障定位和设备维护带来很大困难,同时也影响到列车的行车安全和铁路的运输效率。

因此,必须要对机车信号接收的信息参数进行检测,这是一项非常重要的工作。

我国现有的检测方法主要是利用电务专用试验车来进行。

该方法虽然具有功能齐全、检测精度高等优点,但同时也存在着系统庞大、价格昂贵和操作复杂等不足,并需要铁路运输部门安排特定的运行交路才可进行检测,进而影响铁路正常的行车计划。

因此,利用电务测试车进行检测具有很大的局限性,很难满足铁路现场的要求。

而虚拟仪器技术是当今测控领域的一项新兴技术,本文提出了基于虚拟仪器技术构建机车信号接收信息参数检测系统(以下简称:虚拟检测系统)的具体方案,该方法具有功能齐全、检测精度高、检测速度快、携带方便、价格低廉和使用灵活等特点,能够满足铁路现场的实际需要。

2 虚拟仪器技术虚拟仪器技术[1],简单地说,就是利用计算机所提供的丰富的软、硬件资源,通过软件的方式来实现仪器的功能。

虚拟仪器中 虚拟 的概念主要体现在两个方面:首先,仪器操控和测量结果的显示是借助计算机显示器以虚拟仪器面板的方式来实现的,与传统仪器类似,用户可通过计算机的鼠标、键盘来操控虚拟仪器面板上的开关、按键和旋钮进而实现对虚拟仪器功能的控制;其次,数据的采集、分析处理和存储等仪器功能则是通过相应软件以编程的方式加以实现。

软件就是仪器 是虚拟仪器的核心概念,开放式的仪器结构使得用户可根据实际需要,通过编制不同的软件模块自行定义仪器功能,因此,虚拟仪器与传统仪器相比具有扩展性强、人机交互性好、技术更新快、价格低廉和维护费用低等诸多优点。

3 系统功能设计3 1 检测项目目前,我国铁路自动闭塞系统主要包括国产移频(即:4信息、8信息和18信息)自动闭塞系统和基于UM71信号的法国UT自动闭塞系统等两种。

这两种系统其地面发送的轨道电路信号,从其调制方式上看都属于相位连续的频移键控(FSK)信号,其信息特征主要包括:信号调制低频频率、信号上下边频频率和信号幅度三项。

由于地面轨道电路信号畸变而使机车信号译码异常的情况主要分两种:一种是由于某些原因,比如:发送设备老化,使得信号本身的信息特征在数值上发生改变,小于或超过机车信号的允许接收范围;再有一种是在信号的传输过程中,受外界干扰使信号产生畸变,使得信干比过小。

目前,对信号造成干扰最大的是在电气化牵引区段,工频50Hz牵引电流及其奇次谐波的干扰[2]。

因此,虚拟检测系统主要从以下四方面对机车信号接收信息参数进行检测:信号幅度:是否小于机车信号在该闭塞制式下要求的接收灵敏度。

信号调制低频频率:是否产生漂移,若产生漂移则漂移的频率范围是否超出了机车信号在该闭塞制式下的允许范围。

信号上下边频频率:是否产生漂移,若产生漂移则漂移的频率范围是否超出了机车信号在该闭塞制式下的允许范围。

若是电化区段,则检测机车信号所接收的信息中,工频50Hz牵引电流及其谐波干扰成分的强度大小。

3 2 系统功能根据铁路实际需求,虚拟检测系统的主要功能包括:数据采集、数据分析、人机交互、数据查询、数据显示和回放以及数据备份和打印等几部分。

数据采集:连续地、实时地采集机车信号接收信息,并将该信息由模拟量转换为数字量。

数据分析:对转换后的数字信息进行分析,按所指定的标准[3],对分析结果进行判决。

人机交互:对数据采集的参数进行设置,包括:采集通道、采样率和每次处理数据点数等;设置当前列车运行方向包括:上行和下行,运行区段包括:电气化区段和非电气化区段等;显示数据分析结果包括:调制低频信息、上下边频信息、信号幅度信息和工频干扰信息等。

合格信息以黑色字表示,异常信息以红色字表示并进行蜂鸣报警。

数据备份、打印:对所采集的数据提供备份和打印输出功能,便于日后的维护和检查。

数据查询:对记录数据和检测结果按照一定的条件进行检索,用户可按记录时间或按信号特征和报警情况进行查询。

数据网络交换:与其它计算机系统通过网络实现数据交换。

数据显示、回放:对采集的数据进行实时显示,96电子测量与仪器学报2005年并提供相应的数据回放功能,以利于故障的判断查找,要求回放时间可灵活设置且回放速度可调。

4 硬件构成如图1所示,虚拟检测系统的硬件构成主要包括基础硬件和外围硬件两部分。

从铁路现场的实际要求出发,采用便于携带的笔记本电脑作为系统的基础硬件。

对于虚拟检测系统来说,计算机是功能强大而价格低廉的硬件平台,其所提供的丰富的硬件资源构成了虚拟仪器强大的硬件基础。

图1 虚拟检测系统硬件结构图外围硬件是指能够实现A/D 转换功能的数据采集卡(DAQ),其主要作用是将机车信号感应线圈接收到的地面轨道电路模拟信号转换成能够被计算机识别和处理的高精度数字信号。

虚拟检测系统采用NI 公司的基于笔记本电脑PC MCI A 总线的NI DAQCard-6036E 数据采集卡,其硬件配置如表1所示,完全满足检测需要。

另外,外围硬件中还包括信号调理电路和安全隔离探头等部件。

其中,信号调理电路对输入的模拟信号进行隔离、放大和整形等操作便于数据采集卡的数据转换;而安全隔离探头采用高阻隔离和高压、短路保护等技术,因而不会对被测系统造成影响,并满足铁路系统所要求的 故障-安全 原则。

表1 NI DAQCard -6036E 硬件配置总线采样率输入精度输入范围模拟输入输入量程( V)PC MCIA 200kHz 16位 10V 24位定时器数字I/O 模拟输出输出精度2个8路2路16位16单端/8差分10、5、0 5、0 05由此可见,虚拟检测系统是在机车实际走行的情况下,通过计算机相应设备的驱动软件模块控制数据采集卡DAQCard-6036E,将机车信号感应线圈感应到的地面轨道电路模拟信号转换成相应的数字信号并输入到计算机中。