區間信號仿真系統中干擾仿真的建模研究

摘　要　在討論鐵路和城市軌道交通中的行車區間內信息傳輸過程中可能存在的干擾的基礎上,給出并分析了區間軌道傳輸信道干擾的仿真建模策略。在簡單介紹了系統仿真相關技術之后,著重闡述了電氣化區段軌道電路的傳導性加性干擾以及軌道電路同線干擾的數學模型。最終實現區間信號仿真系統中干擾的仿真,從而為鐵路區間以及軌道交通信號系統安全控制和防護設備的安全性測試評估平臺的研究開發創造了一定的條件。
關鍵詞　城市軌道交通,區間信號,系統仿真,面向對象,干擾仿真,建模
1 　問題的提出
列車在鐵路以及城市軌道交通線的區間(以下簡稱區間,即軌道線路上車站間的鋼軌線路) 的通過能力和安全運行,對提高列車的通過能力與正常運營起著至關重要的作用。指揮行車的信號設備, 與線路設備、機車車輛并列為軌道交通運輸的三大基礎設備。信號設備的功能和可靠性對提高運輸效率、保證列車的安全運行等起著十分重要的作用。區間信號設備能確保列車在區間安全運行的前提下,盡可能地提高列車在區間的通過能力。在我國,隨著提速、重載戰略的實施和軌道交通科技的進步,已有眾多的新型區間信號設備投入使用。在區間安全性控制和防護設備的研制、生產、運營過程中,如何運用現代技術手段,對其功能可靠性和安全性進行科學、高效、全面、按標準的檢測和評估是十分迫切的。
隨著我國城市軌道交通運輸設施和管理的日益現代化,目前在區間通過軌道傳輸的信息越來越多,也越來越復雜,這樣,信息傳送的可靠性和安全性問題便顯得日益突出。在區間,自動閉塞的行車信息以鋼軌作為信道進行傳輸時,不可避免地疊加有各種外界干擾。這些干擾將會對信號設備產生影響,甚至危及行車安全。因此,在研究干擾源及其干擾規律的基礎上,仿真軌道電路傳輸過程中所出現的干擾,在檢測系統中對受檢區間信號設備進行抗干擾能力的檢測,有著重要的現實意義。基于以上目的,本文將對用于區間測試評估平臺的信號系統的信息傳輸仿真,重點是干擾仿真的建模方法展開討論。
2 　系統仿真
系統仿真是以系統理論、形式化理論、隨機過程與統計學理論以及優化理論為基礎,以計算機和仿真系統軟件為工具,對現實系統或未來系統進行動態實驗研究的理論和方法[ 1 ] 。
作為一種行之有效的認知方法,系統仿真已在航空航天、經濟管理、決策優化、軍事演習、安全軟件測試評估等眾多領域得到了廣泛的應用。在過去的20 年中,系統仿真技術取得了令人矚目的進展。概括來看,仿真領域的主要研究內容包括:仿真建模、形式化描述方法、仿真實現及仿真驗證和確認(V &V) 。
雖然系統仿真研究取得了巨大的進展,但相對而言,仿真在鐵路信號領域的應用還不是很充分。尤其在國內,它還是一個有待于近一步開拓的領域。　　　　　　　　
面向對象(O -O) 的思想最早起源于仿真領域[ 2 ] 。在(O -O) 設計方法中,對象(object) 和消息傳遞(message passing) 分別表示事物、事物間的相互聯系;類(class) 和繼承(inheritance) 是適應人們一般思維方式的描述范式;方法(method) 是允許作用于該類的各種操作。在計算機科學中,“對象”是包含現實世界物體特性的抽象實體,而“類”是對一個或幾個相似對象的描述[ 3 ] 。對象、類、消息和方法的基本點,在于對象的封裝性(encapsulation) 和繼承性。通過封裝,能將對象的定義和對象的實現分開;通過繼承能體現類與類之間的關系,以及由此帶來的動態聚束(dynamic binding) 和實體的多態性(polymorphism) ,從而構成了O -O 的基本特征。
對象建模技術(OM T) 是當今較為實用的面向對象建模的方法之一。其方法論的基本思想是[4 ] :從空間、時間及功能這三個既獨立又相互聯系的角度去分析和設計一個系統。OM T 的基本方法和過程是:首先從空間角度,直接面向應用(即所要求解決的問題) 的自然存在,并依據應用的目的把它劃分成若干個離散的有用對象(或抽象成類),并確定這些對象的屬性、操作(主動的和被動的) 以及這些對象間的關系或聯系,來構成問題空間的靜態結構 對象圖(或稱為待分析系統的對象模型);接下來,從時間角度,考察系統中對象(特別是那些有交互活動或并發操作的對象) 在不同時刻的狀態變化及對象之間相互關系的變遷,從而構成對象的控制結構(或稱為系統的動態模型);最后,從功能的角度來描述系統中對象屬性值從輸入到輸出的變化過程及相關的操作,從而構成數據計算或處理的邏輯結構— 數據流程圖(DFD) 或稱為系統的功能模型[5 ] 。鑒于此,在區間軌道電路干擾仿真模型中筆者采用面向對象的建模技術。　　　　　　　　
3 　軌道信息傳輸干擾仿真模型
3. 1 　軌道電路中的傳輸干擾
按照數據傳輸理論,一般的傳輸模型如圖1 所示。

圖1 　一般的數據傳輸模型
對于有線信道可以有兩種理解:一種是指信號的傳輸媒介,如架空明線、鋼軌、同軸電纜、光纖等, 稱此種類型的信道為狹義信道;另一種是將傳輸媒介和各種信號形式的轉換、耦合等設備都歸納在一起,稱之為廣義信道。
本文以鋼軌作為傳輸信道,即通過軌道電路傳輸信息。軌道電路的基本結構如圖2 所示:在鋼軌線路的始端,通過匹配設備PP1 連接著發送器;在鋼軌線路的終端,通過匹配設備PP2 連接著接收器。

圖2 　軌道電路基本結構
軌道電路是鋼軌線路和連接于其始端及終端的器械的總稱。它是將某一區段的鋼軌用作電路的一部分,由區段內的列車車軸將軌間分路,以檢查有無列車的電路,以及為向該區段內的列車用鋼軌作導體傳送信息的電路[6 ] 。
軌道線作為傳輸媒介,具有分布參數特征。對應于圖1 中的狹義信道,在研究傳輸干擾時,還需考慮廣義信道,包括扼流變壓器、軌道變壓器等設備。
考慮信道中的干擾后,軌道電路的輸入和輸出可表示為:
E(t) = k(t)e(t) + n(t) (1) 式中: E( t) 為信道的輸出;e( t) 為信道的輸入; k( t) 為信道的傳輸乘性干擾; n(t) 為加性干擾。
k( t) 是一個復雜的函數, 表示軌道電路傳輸特性因加性和乘性干擾而成的變化特性, 主要體現在溫度、濕度等外界條件變化引起軌道電路的一次參數變化和軌道電路狀態( 如分路、斷軌等) 的變化。k( t) 對輸入信號的影響可能造成線性和非線性畸變, 引起傳輸過程中的信號衰耗和延遲。n( t) 獨立于傳輸信號。在軌道電路的噪聲加性干擾模式中,產生軌道電路的噪聲干擾的干擾源很多, 又很分散。例如, 各種電子器件的固有噪聲、電磁感應干擾和輻射干擾。從統計的角度看, 它們類似于高斯白噪聲, 因此可以用高斯白噪聲進行模擬。考慮到在區間信號仿真系統中電氣化軌道電路傳導加性干擾的重要性和突出性, 下面將主要討論電氣化區段軌道電路的傳導性加性干擾的建模問題。
3. 2 　電化區段軌道電路的傳導性加性干擾模型
在電氣化區段,鋼軌中所流經的不僅有信號電流,還有牽引電流。電氣化區段軌道電路所傳輸的信號主要受牽引電流的干擾。國內外有關部門對此進行了廣泛的研究。前蘇聯、日本、美國在六、七十年代對直流牽引和交流牽引區段的軌道電路傳輸干擾進行了研究,其它一些發達國家也對電氣化鐵路信號抗干擾的測試和分析系統進行了研制。例如,德國慕尼黑實驗所研制的高速列車干擾源測試車系統,美國電磁兼容分析中心(ECAC) 為美國聯邦鐵路總署所作的電力機車干擾源的綜合分析系統等。在我國,由北方交通大學主持,在一些電氣化線路上,對“電力牽引電流對信號系統軌道電路的傳導性干擾”進行了研究,并提出了一些防干擾措施。以往的文獻多涉及抗干擾內容。本文則以建立干擾仿真的數學模型為研究重點。
3. 2. 1 　穩態傳導性加性干擾模型
如圖3 所示,在電氣化區段,牽引電流經鋼軌回到牽引變電所,當流經兩根鋼軌中的牽引電流大小相等時,在扼流變壓器初級線圈上形成的磁場大小相等、方向相反,因而相互抵消不會影響接收端。但在實際條件下,兩根鋼軌對地漏泄電導不完全相其中: IS1 為第一根鋼軌中的牽引電流; IS2 為第二根鋼軌中的牽引電流。
牽引電流產生的干擾電壓, 與牽引電流的大小、不平衡系數以及軌道電路接收端對牽引電流的輸入阻抗成正比。不平衡系數較大時,列車牽引噸數越大,牽引電流也越大,對信號設備的干擾也越大。在自動閉塞各閉塞分區中,同時運行的列車數越多,牽引電流也越大。為了仿真牽引電流對軌道電路的影響,首先應該掌握和分析牽引電流所包含的頻率成分,然后建立該類干擾的仿真模型。以鐵路區間為例, 牽引電流基波的頻率為50 Hz , 但由于牽引電流是通過機車主變壓器,經整流器整流后供給直流牽引電機的,因此,牽引電流的波形并不是正弦波,而是包含豐富諧波的非正弦周期函數。牽引機車類型和牽引級數不同,牽引電流的諧波成分也不同。實用中,一般在各種機車多種牽引級數下,對供電臂送端總電流的諧波含有率進行實測統計,得到具有代表性的統計值作為諧波計算的依據。我國區間自動閉塞所用信號頻帶為25 ～ 2 611 Hz ,因此應重點考察牽引電流在這個頻帶的分布。
基于以上討論,當將不平衡牽引電流視為干擾源時,其干擾模型為:
N
q( t) =m
0. 5 nIS KIZS
∑
sin (2πmf 0 t) (4)
同,因此在兩根鋼軌中的牽引電流值也不相等,從
m = S
而在接收端產生干擾電壓。這種干擾的幅度和相位
相對于時間變化緩慢,可視為穩態干擾。

圖3 　牽引電流流通示意圖
兩根鋼軌中的牽引電流值不相等時,其差值為不平衡牽引電流。對不平衡牽引電流進行分析時, 可將其視為等效流過接收端扼流變壓器初級線圈的半邊線圈。其干擾電壓為:
U= 0. 5 n KIISZS (2) 式中: IS 為牽引電流; ZS 為接收設備輸入阻抗; n 為接收端扼流變壓器初、次級線圈變壓之比; KI 為牽引電流不平衡系數,其值為KI=| IS1 -IS2 |/IS (3)
αm式中:為基波頻率(50 Hz); S 為干擾源所包含諧波次數的下限且為正整數; N 為干擾源所包含諧波次數的上限且為正整數;其余同前。
對于不同的接收設備,其所能接收的信號頻帶范圍各不相同。為了更好地仿真在信號頻帶內的干擾, S 和N 的取值要保證干擾源所包含的信號頻率在接收設備的信號頻帶范圍內。
3. 2. 2 　瞬態傳導性干擾模型
在電氣化區段,信號設備除了受穩態干擾外, 還經常受到瞬態干擾的影響。瞬態干擾的起因很多,如:列車在鋼軌上運行時,車輪和鋼軌間的接觸電阻變化引起牽引電流的瞬態變化;由電力機車受電弓和接觸網之間接觸位置的變化而引起的脈沖干擾;電力機車啟動和加速造成的牽引電流突發性脈沖干擾等。這類瞬態干擾的特點是干擾電流的峰值大、時間短且幅值和相位變化快,從而可以用隨機性的尖脈沖加以模擬。由于這部分內容涉及的范圍較廣,作者在繼續深入研究的同時將另辟專文闡為述。
3.3 　軌道電路的同線干擾模型
由于鋼軌中傳輸的是交流信號,因此相鄰軌道電路間存在著感應干擾。但這種干擾對有絕緣軌道電路接收設備的影響比較小,可以忽略不計。但對于無絕緣軌道來說,由于不設置機械絕緣,無絕緣軌道電路接收設備受同線干擾的影響要大一些。下面重點討論無絕緣軌道電路的同線干擾問題。
圖4 為區間無絕緣軌道電路的示意圖。可見, 對應n個閉塞分區有n段軌道電路,接收設備JS1 能接受到FS2 ～ FSn 的信息,J S2 能接受到FS1 、FS3 、?FSn 的信息,即各區段間相互干擾。此干擾同樣為加性干擾,若干擾強度足夠大,則容易引起被干擾區段接收設備的誤動。

圖4 　無絕緣軌道電路同線干擾示意圖
對無絕緣軌道電路同線干擾進行分析時,根據加性干擾的獨立性,可以首先假定區間某一區段軌道電路的發送端(如FS1) 為干擾源, 發送設備工作,而其它各被干擾區段的發送端電壓為零,各被干擾區段接收和發送端均可視為此軌道電路中的中間分界點。采用與傳輸特性分析相同的方法,在各分界點建立邊界條件,求解出積分常數,即可得出各被干擾區段各點處干擾量的大小。接著,分別將FS2 ～ FSn 視為干擾源,重復此過程,求出干擾量。再將接收設備上受到的各干擾量疊加,得到總的干擾量。對于有絕緣軌道電路,若絕緣節破損,可按照相同的方法進行分析。具體模型如下:
設FS1 為干擾源,其它各被干擾區段的發送端電壓為零, 中間分界點為χ;U1 L(χ),U2 L(χ), I1 L(χ),I2 L(χ) 分別表示分界點χ 左側第一軌對地電壓、第二軌對地電壓、第一軌中的電流和第二軌中的電流,U1 R(χ),U2 R(χ),I1 R(χ),I2 R(χ) 分別表示分界點χ右側第一軌對地電壓、第二軌對地電壓、第一軌中的電流和第二軌中的電流。規定電壓方向為由鋼軌到地,電流方向為從左到右,則可得到分界點χ處的邊界條件:
U1 L(χ) = U1 R(χ)
U2 L(χ) = U2 R(χ)
I2 L(χ) + I1 L(χ) = I2 R(χ) + I1 R(χ)
2 (U1 L(χ) U2 R(χ)) = (I1 L(χ) I2 L(χ) I1 R(χ) + I2 R(χ)) Zχ(5)

式中,Zχ 表示分界點χ處鋼軌線路間的阻抗。
假設鋼軌線路的一次參數呈對稱分布,即兩根鋼軌的單位阻抗和對地漏導完全相同。滿足此條件的鋼軌線路稱為對稱鋼軌線路。由于鋼軌線路對稱,因此可得出對稱鋼軌線路各點的電壓與電流:
U1χ = A1chγ1χ +A2shγ1χ + A3chγχ + A4shγχ
U2χ = (A1chγ1χ + A2shγ1χ)-(A3chγχ + A4shγχ)
I1χ = y11 (A1shγ1χ + A2chγ1χ)+2 (A3shγχ + A4chγχ)/ ZC
I2χ = y11 (A1shγ1χ + A2chγ1χ)-2 (A3shγχ + A4chγχ)/ ZC (6)
由式(5) 的邊界條件方程組即可求出積分常數A1 、A2 、A3 、A4 ,代入式(6),從而可得出各被干擾區段FS2 ～ FSn 各點處干擾量大小。同理, 將FS2 ～ FSn 視為干擾源,重復此過程,求出干擾量大小,再將接收設備上受到的各干擾量疊加,便可得到總的干擾量。
4 　結語
區間信號仿真系統干擾仿真的建模研究,對于建立基于測試評估的城市軌道交通區間信號仿真系統極為重要,是仿真理論的重要應用領域。本文討論了區間軌道信息傳輸干擾仿真模型,并著重闡述了傳輸干擾的仿真建模理論,這將有助于正在開發的區間計算機控制信號系統測試評估平臺的生成。當然,仿真理論是一種不斷發展和創新的理論,干擾更有其復雜性和多樣性,區間信號仿真系統干擾仿真的建模研究仍是一個需要不斷深入研究的課題。

參　考　文　獻
1 　馮允成,鄒志紅,周泓. 離散系統仿真. 北京:機械工業出版社,1998
2 　熊光楞,彭毅. 先進仿真技術與仿真環境. 北京:國防工業出版社,1997
3 　吳芳美. 鐵路安全軟件測試評估. 北京:中國鐵道出版社,2001
4 　崔智社. 對象建模技術在分布交互仿真系統中的應用研究. 系統仿真學報,2000 ,12 (1)
5 　張小林. 面向對象的鐵路區間信號仿真系統研究和實現[學位論文]. 上海:同濟大學信息與控制工程系,2002
6 　肖雅君,吳汶麒. 用于軌道交通列車自動控制系統的通信技術. 城市軌道交通研究,2002 , (2) :59
7 　板倉榮治. 信號軌道電路. 北京:人民交通出版社,1974