交叉电缆回线型TWC系统技术研究20110830

I 交叉电缆回线型 TWC 系统技术研究 RESEARCH OF TECHNOLOGY FOR CROSSOVER-STYLE TWC SYSTEM 学科 (专业 ): 控制工程 作者姓名 : 指导教师姓名 : 答辩日期 : 年 月 II 交叉电缆回线型 TWC 系统技术研究 摘要 本文通过对车地通信 TWC系统的分析，确定 TWC系统的原理和采用的关键技术。并进一步确定相关系统技术参数，包括轨旁环线、车载天线发送信号和接收信号的频率 F、环线电阻值 R、电感 L、电容 C以及耦合单元电路元件电阻和电容 的参数；制定 TWC系统测试、维护技术方案，以规范 TWC维护流程，方便系统维护。提出 TWC系统维护建议，从而提高维护技术水平，提升系统的可靠性，减少交叉电缆回线型 TWC车地通信故障。 前期，对交叉电缆回线型 TWC系统进行技术分析，初步了解其所采用的关键技术、信息传输流程和系统实现原理。收集交叉电缆回线型 TWC故障及发生问题的记录，对其进行分类、归纳、分析。选择典型车站测试 TWC系统参数值，包括环线的几何值和电路参数。选择典型列车，对车载系统（天线）测量，包括物理参数。对现场检测到的数据，根据电磁感应原理、谐振 电路理论、传输线理论进行分析。其次，搭建实验室模拟环境进行实验，铺设 190米长的轨旁环线，设计制作检测车，模拟现场环境进行测试、实验。对模拟环境实验数据进行总结分析，得到参数和结论，并用于解释现场出现的问题和现象。将研究的结果，返回现场进行实验，验证其合理性。修正研究结果和参数。最后，通过分析系统采用的关键技术，编制行之有效的维护方案。 关键词： 车地通信，程序停车，连续传输模式，耦合单元 III RESEARCH OF TECHNOLOGY FOR CROSSOVER-STYLE TWC SYSTEM ABSTRACT Through the analysis of train-wayside communication TWC system in this article, determine the principles and key technologies of TWC systems. To further identify relevant system parameters, including wayside loop, carborne antennas send signals and receive signal of frequency, loop resistance, inductance, capacity C, resistance and capacitance of coupling unit and component parameters. Establish TWC systems test and maintenance project in order to standardize TWC maintenance procedure and convenient for system maintenance. This study make the suggestion of TWC system maintenance, thereby improve the level of maintenance technology, step up system reliability, reduce crossover loop style TWC communication fault. Prophase, technical analyze on the crossover cable line style back to TWC system, understand the key technology, information transfer process and system implement principle. Collect the record of crossover cable line style back to TWC faults and occurred issues, then classify, sum up, analyze. Select typical station test TWC system parameter values, including link geometry values and circuit parameters. Select a typical train, measure on-vehicle system (antenna) including physical parameters. Analyze data which is detected on scene according to electromagnetic induction principle, resonant circuits theory and transmission line theory. Second, build a lab, do simulation environment test which lay 190 meters of track link, design inspection car, simulate live environment. Aim at experiment data, make a summary analysis, calculate parameter and make a conclusion. To validate the study result rationality, return scene and re-test. Correct the study results and parameters. Finally, draw up an effective plan for maintenance according to the key technology analysis system used. LuXinYuan (Control Engineering) Supervised by Jianmin Qian KEYWORDS: Train-to-Wayside Communication, Programmed Station-stop, CTM, Coupling Unit 1 1 前言 . 1 2 TWC 系统原理与问题分析 . 2 2.1 TWC 车地通信系统作用 . 2 2.2 TWC 车地通信系统组成 . 3 2.3 信息传输流程 . 8 2.4 系统原理 . 11 2.5 问题分析 . 19 3 实验室模拟分析 . 23 3.1 实验环境与试验目的 . 23 3.2 轨旁环线发送试验 . 25 3.4 环线电感 L3 的测定 . 29 3.5 电容 C3、 C1 变化试验与分析 . 32 3.6 车载天线处于环线不同位置时对信号的影响 . 35 4 现场 测试与分析 . 36 4.1 车站测试数据 . 36 4.2 测试方法 . 40 4.3 测试结果与分析 . 42 4.4 试车线实验数据与分析 . 45 5 交叉电缆回线技术参数 . 50 5.1 环线铺设几何参数 . 50 5.2 环线电气（物理）参数 . 52 5.3 耦合单元电容参数 . 52 5.4 环线电流 /电压参数 . 52 5.5 FSK 信号频率 . 53 5.6 环线磁场分布 . 53 6 交叉电缆回线测试维护方案 . 53 6.1 交叉电缆回线系统 元器件测试方案： . 53 6.2 交叉电缆回线维护方案 . 56 7 结论与建议 . 61 7.1 交叉电缆回线系统原理 . 61 7.2 环线电感的测量 . 61 7.3 轨旁耦合单元 . 62 7.4 研究得到交叉电缆回线系统技术参数 . 62 7.5 建立维护档案 . 63 7.6 成果应用 . 63 7.7 若干建议 . 63 参考文献 . 65 攻读学位期间发表的学术论文情况 . 67 致谢 . 68 2 1 1 前言 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 年底西延伸工程通车，目前的最大客流已达百万人次。到 2010年 4 月，已延伸至浦东国际机场和虹桥国际机场。二号线的信号系统（ ATC 系统）是基于数字轨道电路的准移动闭塞系统，该系统由美国 US&S 信号公司提供。系统中车地通讯子系统（ TWC）信息的传输是通过 交叉电缆回线来 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。同时， TWC 提供了列车曲线式停车功能，提高了乘客乘车舒适度。 二号线 ATC 系统投用以来，轨旁 ATC 与车载 ATC 子系统之间的密切性日益体现了出来，特别是车地通信系统 （ TWC）重要性进一步显现。二号线车地通信系统（ TWC）是中央、轨旁和列车信息交换系统，也是列车 ATO 运行、中央时刻表调整的重要环节。因此， TWC 子 系统运行质量将直接影响到二号线整体运营质量。 上海地铁二号线投入运行以来，随着时间的推移，出现一些问题和故障。例如，有些站台的发车表示器时常发生不亮的现象， 司机不能及时发车，经常 造成列车晚点，给正常运营制造了麻烦。其中最突出的是龙阳路下行、人民广场下行和静安 寺上行等站台。通过回放和报警信息查询，发现以上几个站台每天大约 有十几次，甚至二十次以上的通信丢失，导致发车 表示器不亮，影响列车正点运营。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。据统计，二号线 整个 信号系统发生的故障中，与车地通信有关的故障占 30%左右。 在 2010 年 开始的 二号线 西西、东 延伸工程， 新 列车调试中， TWC 的调试出现了许多问题，车地通信不稳定，不可靠，为列车的调试造成了困难，严重影响了整个调试周期。 TWC 作为信号的一部分，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，使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 2 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。 作为上海地铁通号公司的 技术人员， 在 2009 年 已经进行了摸底工作，对发生的问题认真观察并记录，如：有问题车站的具体站点、发生问题的次数。并对系统中的相关设备进行测试，取得了一些测试数据，如：轨旁耦合单元的检查，相关的环线电流、相位、耦合板的电路参数。 随着设备服务期的延长，设备逐 步老化，由此引起的问题和造成的故障也会随之增加。二号线东到浦东国际机场，西到虹桥机场的线路延伸工程 项目调试 正在进行中，目前，二号线贯穿全市，连接两大机场及虹桥综合交通枢纽，最高单日客流 133 万人次，其重要性不言而喻。所以，对二号线 TWC 系统进行研究，弄清关键技术，取得相关技术参数，为系统维护制定维护规程，为设备维修提供技术手段。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。 2 TWC 系统原理与问题分析 2.1 TWC 车地通信系统作用 TWC（ Train-to-Wayside Communication）中文名称叫车 -地通信，是列车运行自动控制（ ATC）系统不可或缺的一部分。 TWC 顾名思义就是列车与轨旁设备之间的相互通信，车地通信系统主要功能是实现车与地之间非安全信息的传输， 功能 表现为列车在站台的指定位置定点停车，同时在列车运行过程中让中央控制室不间断地监督列车的运行状态，并发出不同指令调整列车的运行状态。一旦正线 TWC 不稳定将会造成列车晚点和停站精度产生偏差，也会使中央控制室无法及时掌握列车运行的参数，如列车追踪等，这将影响到地铁的快速、准点 运营，给广大的乘客带来不便。 3 2.2 TWC 车地通信系统组成 二号线 TWC 系统由车载电路板、车载 TWC 天线、轨旁 TWC 交叉电缆回线 ，轨旁室外耦合单元以及轨旁室内电路板、传输线、本地工作站和中央控制室组成一个完整的链路。 (如图 1 所示 ) 图 1 车地通信链路图 图 2 车地通信系统框图 车载 TWC PCB TWC 天线 轨旁 TWC PCB 耦合单元 环线 ATC ATO 轨旁 CPU ATO 传输线 C E N T R A L /N V L EW a y s i d eT W C( L o o p )V e h i c l eT W CW a y s i d eT W C( L o o p )W a y s i d eT W C( L o o p )O t h e r u n i t s t h a t a r e l o o p a d d r e s s e dI n d u c t i v e l y c o u p l e d( o n l y a t s t a t i o n s a n d s p e c i a l l o c a t i o n s )C o n t r o l sI n d i c a t i o n s 4 图 3 车地通信系统示意图 图 4 TWC 现场照片 a.轨旁环线 5 图 4 TWC 现场照片 b.六编组列车停站 图 4 TWC 现场照片 c.八编组列车停站 6 图 4 TWC 现场照片 d.车载天线 图 4 TWC 现场照片 e.轨旁耦合单元（外） 7 图 4 TWC 现场照片 f.轨旁耦合单元（内） a.轨旁 PCB 板 b.车载 PCB 板 8 c.车载天线 d.轨旁耦合单元 图 5 轨旁和车载 PCB 板、车载天线和轨旁耦合单元 2.3 信息传输流程 2.3.1 TWC 系统架构图 TWC 系统分成两大部分：轨旁和车载。系统架构图如图 6 所示。 9 图 6 TWC 系统架构图 TWC 系统实现车地双向通信，信息传输通道有两个环节组成：有线电缆传输和无线电磁耦合。传输线传输的是 RS485 数字信号，车地无线通信信号是 FSK（频移键控的模拟信号），上行和下行信道采用相同的频率。 10 2.3.2 上行通信 (轨旁 车载 )信息流程图： 图 7 上行通信信息流程图 轨旁 计算机 PCB 板 轨旁耦合单元 485 总线数字信号 FSK 信号 双绞线 轨旁环线 车载天线 (接收 ) 磁场 耦合 解调器 串口 板 数字信号 解调 ATC ATO 数字信号 接收滤波 串联谐振放大 11 2.3.3 下行通信 (车载 轨旁 )信息流程图： 图 8 下行通信信息流程图 2.4 系统原理 2.4.1 电磁感应原理 车载 TWC/ PCB 与轨旁 TWC/PCB 之间的进行双向数据传输。数据传输由两部分通道：有线传输通道和无线通道。无线传输通道，正是在 TWC 天线和轨旁环线之间通过电磁感应实现。电磁感应则是实现车地通信的关键。电磁感应是 因磁通量变化产生感应电动势 ，在互感线圈 中就会产生电流 。 感应电动势 与 线圈匝数，磁通量变化 的关系： 1)E n/t法拉第电磁感应定律， E：感应电动势 (V)， n：感应线圈匝数，/t:磁通量的变化率 ； 2)磁通量 BS :磁通量 (Wb),B:匀强磁场的磁感应强度 (T),S:有效 面积ATC ATO 调制放大器 数字信号 FSK 信号 调制 轨旁环线 车载天线 (发送 ) 磁场 耦合 滤 波调制器 PCB 板 数字信号 解调 轨旁 计算机 485 总线数字信号 接收滤波 放大 FSK 信号 串口 板 12 (m2)。 环线之间的面积与环线和钢轨之间的面积相等，但磁场方向相反，对车底而言（由轮对形成的回路）不会有感生电动势产生，也就不会产生感应电流。 图 9 轨旁环线示意图 在列车进站过程中，经过轨旁环线时，由于轨旁环线相邻环的线圈磁场方向相反，车载天线线圈 平移时则会感应到零磁通 ， 并 对其进行计数，用于定位停车。 2.4.2 互感系数 当地对车发送时，轨旁环线产生磁场，从而使车载 线圈（天线）产生感应电动势；反之，当车对地发送时，车载线圈（天线）产生磁场，从而使轨旁环线产生感应电动势；他们之间是互感。互感电动势的大小与信号频率、面积、匝数、之间的距离有关，其互感系数量化关系： l SNNslnnIM 2121 要想增大感应电流，可以增加线圈的匝数和面积，同时减小线圈之间的距离。从现场的情况看，这些几何参数受空间、高度等现场限制，是不会改变的。同时，地面对车载，车载对地面的互感系数是相等的，可以证明得到如下结论。 111 IM II 222 IM II tI 11 tI 22 可证明： MI1=MI2 这就是说，发送和接收是互易的，发送时对方感应得好；接收时，同样得到好的结果 ，已从理论上证明了。同样 做实验时，只要给出一个方向最佳参数，则另一个方向也是相同的。数据在车地之间传输是以 FSK 模拟信号进行的，其发0 . 3 0 4 5 m m inim u ms e p a r t a t ion f r o m r a il& b o n d c a b lesa p p r o x . 0 . 6 mis b e s t 13 送和接收是通过线圈的电磁感应实现数据传输。 2.4.3 LC 电路和谐振电路 地铁内的电磁环境复杂，各种无线信号很多，如：公共移动电话，车载调度电话、列车牵引电机等。一般来讲，有线传输只要能保证衰减满足传输要求，干扰较小即可。而无线传输则与外界环境密切相关，电磁信号能否很好地耦合，很好地放大传输，则是非常关键的。 谐振电路通过共振，可以有效提高电流和电压值，放大信号，并可以对谐振时的频率信号有效的耦合接收。对轨旁环线来讲，正是通过轨旁耦合单元中的谐振电路，实现提高发送电流和耦合车载信号的目的。 C3=.022C 4C 1 调 谐 电 容C2变 压 器R1=3ohmO U TI N图 10 轨旁耦合单元元件位置图 图 11 轨旁耦合单元电路图 2.4.3.1 LC 电路 电路中重要的是 L、 C 元件，在交流电中，其阻抗（感抗、容抗）与信号的 14 频率具有直接的关系： 电感元件： 感抗： fLZ L 2 ； ZLIUZmmL ； 2 in电感特性：通直流，阻交流；通低频，阻高频。电压相位超前电流 90 度。 电容元件： 容抗：fcZ C 2 1=u/I ； ZcZ C 12 in电容特性：通交流，阻直流；通高频，阻低频。电流相位超前电压 90 度。 2.4.3.2 串联谐振（ RLC） 在系统电路中，电容 C3、电阻 R、环线电感（记为 L3）组成一个 RLC 串联电路，其目的是利用串联谐振特性，得到最大的电流，从而使环线产生最大的磁场，能够使车载天线产生较大的感应电动势，便于信号的接收。当轨旁环线作为接收端时，可以与发送端的信号产生共振，很好的耦合，得到较好的信号，向机房传送。 图 12 串联谐振电路图 在 RLC 串联电路中，限制电流的因素为电路阻抗 ： 15 电压与电流的相位差： )( P IIa r c t g CLin 产生谐振的频率 条件： LCf 210特点：发生串联谐振时，阻抗最小 Z=R ，电流最大，整个电路成纯电阻性。 也称电压谐 振：UQUU CmLm 此时， CL ZZ 。 品质因数： CLKQ1 fffffQ 0 00发送时，得到最大的电流 ； 接收时，此电路调谐以便能够选择到系统的信号频率。当电路内发生谐振时，由于感抗 LX 和容抗 CX 相等，即 LU 与 CU 大小相等，方向相反，彼此正好抵消，所以这时电阻上的电压与外加总电压相等，即SU = RU = RI 。此时电路中的电流大小仅与电阻有关，而与电感和电容无关。 2.4.3.3 并联谐振（ RLC） 图 13 并联谐振电路图 在耦合单元电路中，可以把 C1 与变压器（称为 L1）看作 LC 并联 电路。 当电路发生谐振时，复导纳最小 。 16 电路阻抗最大： R LRZ202 )(回路总电流最小，支路电流为其 Q 倍： eLC QIII 产生谐振的频率条件 ： LCf 210特点：电流谐振，接收信号时， 放大电流，提高变压器初级端电压，向机房传送。 2.4.3.4 用于系统计算的几个公式 有效值： em UU 2mme UUU 7 0 7.021 PPm UU 21变压器：2121 NNUUll 1221 NNIIll 221 )( NNZZLL 21 PP 波长：fc用于计算波长 2.4.3.5 串联谐振电路的通频带和选择性 串联电路的通频带：实际信号常由多种频率及不同相位关系分量组合而成的，当占有一定频带的信号在串联谐振电路传输时，由于信号的各个频率分量与谐振频率不尽相同，因此电路谐振曲线的不均匀性和相位特性曲线的弯曲，必将改变原各个频率分量的幅值和相位关系。为了减少失真，必须使电路的谐振曲线在被传输的信号频带内变化比较均匀，使得电路对各个频率分量的响应也比较均匀，因而减少了失真，同时使相位曲线比较接近直线。这样，谐振电路对每个频率分量的传输 速度大体相同。因而也减少了相位失真。当频率偏离谐振点不远时， 17 曲线降落不太大的一段可看作基本上是平坦，也就是说对各个频率分量的响应基本一致，把这一段频带叫作“通频带”。在无线电技术规定中，当电路的电压幅值保持不变时，在谐振处前后电流或电压跌落的程度不小于谐振值的 707.021 倍频率范围，定义为电路的通频带。 图 14 通频带示意图 电路通频带的绝对值为 lh ffB 式中 hf 、 Lf 分别称为电路通频带的上限频率和下限频率，分别对应上图中的 B、 A 两点。选择 21的原因是 21 的平方是 21 ，如果 21 来代表电流或电压的变化，则电功率的变化就是 21 ，此时功率降成谐振点的一半。所以常常也把这种降成 0.707 的频宽叫“半功率频宽或称 3 分贝频宽”。上图所示的为矩形谐振曲线，在谐振频率左右一段范围 内形成一段平顶，频率在平顶范围以内时，电路中的电流最大，且恒定不变的；超出平顶范围外电流就跌为零。这只是理想的谐振曲线，实际上难以得到的。 根据通频带的概念，可计算电路的通频带和电路的参数的关系为： QfB 0 上式说明，谐振电路的通频带随电路的谐振频率的升高而变宽。随着电路品质因素的增加而变 窄 。在无线电技术中，有时则因电路的 Q 值太大，以致使电路的通频带小于传输的通频带。为避免这种情况，人们在电路中加接一个适当大小的电阻，以减小电路的 Q 值，使电路的通频带符合传输信号的要 求。 串联谐振电路的选择性：通常，在作用于电路的信号源中，除了有需要传输 18 的有用信号外，还有干扰信号。电路从输入的信号中选出有用信号的本领，称为电路的选择性。因为串联谐振电路具有频率谐振特性。所以该电路具有选择信号的能力。谐振电路的谐振曲线愈尖锐，对无用信号的衰减愈强，它的选择性愈好，同时，要求准确度也高。否则，一旦中心点偏移，所需信号便很难进入。 2.4.4 FSK 信号传输 在轨旁 PCB 板和车载 PCB 板之间的信号传输是采用 FSK 调制 信号。 FSK 是将数字信号调制成模拟信号。用两组不同的频率 f0 和 f1，分别表示 “ 0”和“ 1”。在发送端将数字信号“ 0”和“ 1”调制为两组不同的频率 f0 和 f1，用模拟信号传输；在接收端将频率 f0 和 f1，解调为数字信号“ 0”和“ 1”。 根据现场测量，发送和接收使用同一组信道，“ 1”使用的 FSK 中心频率是54KHz，“ 0”使用的 FSK 中心频率是 64KHz。两者相差 10KHz，信道带宽超过4KHz 的国际标准，具有很大的富余量。 由于信号的中心频率在 60KHz，计算波长（ fc ）在 5000 米左右，频率很低，信号机房到轨旁的传输线上的辐射是很小的，几乎可不考 虑。 2.4.5 传输线理论 在传输线中，由于信号波长特点和相位的变化，造成沿线 U、 I 及 Z 的变化具有一定的特性和规律。其表达式为： 19 图 15 传输线中电压 .电流与波长的关系图 在示意图中，由于传输线具有 /4 阻抗变换特性，距短路终端 /4 的等效阻抗，这恰好就是开路线的情况。 2.5 问题分析 TWC 主要是实现车载 TWC-PCB 与轨旁 TWC-PCB 之间的双向数据传输。其中在车载 TWC-PCB 和轨旁 TWC-PCB 之前是数字信号，经过调制转换成 FSK的模拟信号通过有线传输线分别到达车载天线和轨旁环线。在 TWC 天线和轨旁环线之间通过电磁感应实现车地数据传输。 在地铁线路上存在着电磁干扰的问题，地铁内的电磁环境复杂，各种无线信号很多，如：公共移动电话，车载调度电话、列车牵引电机等等。一般来讲，有线传输只要能保证衰减满足传输要求，干扰较小。而无线传输则与外界环境密切相关，电磁信号能否很好的耦合，很好的放大传输，则是非常关键的。 在 2008 年下半年的二号线西延伸工程 ， 及 2009 年 2 号线列车 东西延伸线 调试中，也发生了一些问题，直接影响了调试进度。问题主要表现在：发车表示器不亮，影响列车正点运营；停车定位不准确，造成列 车停站移位；系统的不稳定性，造成不同车、不同站台时好时坏。 2.5.1 关于发车表示器不亮，说明车地通信不畅，没有收到控制中心送出的信号。 多个列车，多个车站，同一列车同一车站，同一列车不同车站，同一车站不同列车发生问题。这些情况说明，没有一套设备（系统）是彻底坏的，主要是系 20 统不稳定，系统是双向通信，任何一方向发生故障，都会造成通信不畅。 2.5.1.1 轨旁环线作用： 发送信号，把轨旁信号 FSK（ 54KHz， 64KHz）通过环线电磁感应，由车载天线接收。该信号只要信号强度足够，通常情况下，应该不会发生问题。 在系统调试完成后，车载系统一般情况下是一致的、稳定的，谐振点不会飘移，车载的接收性能不会降低。 接收信号，耦合接收车载天线发送的信号。车载天线送出的信号 FSK（ 54KHz， 64KHz）能否被轨旁环线很好地耦合，很好地放大传输，则是非常关键的。如果环线电路的谐振点不在信号中心频率附近，那该信号就不能很好地被环线耦合。所以电路 L、 C、 R 参数是否满足谐振条件，是至关重要的。 系统本身具有很大的富余量，之所以出现问题，是因为谐振点偏移较大。使得信号的接收变得困难，出现了不稳定现象。 2.5.1.2 车载天线作用： 发送信号，把车载信号 FSK（ 54KHz， 64KHz）通过车载天线发送，轨旁环线电磁感应接收。该信号只要信号强度足够，通常情况下，应该没有问题。关键是轨旁环线能否很好接收，而它的接收性能决定于环线的谐振点是否准确。 接收信号，耦合接收轨旁环线发送的信号。环线送出的信号 FSK（ 54KHz，64KHz）通过电磁感应由车载天线接收。 2.5.2 个别车站、个别列车停站不准 个别车站、个别列车停站不准 是由于环线交叉计数不准确造成。轨旁环线发送信号较弱，或者是由于突发干扰造成计数出错。基于以上分析，确定轨旁耦合单元的 谐振电路参数是解决此问题的关键。 2.5.3 轨旁数据不一致 下面图表为实测轨旁环线及耦合单元数据和参数，从图 16 和 17 中 可以看出， 21 数据没有如预期分布在一定的范围内，有的甚至相差很大。 环线电流00.511.522.50 5 10 15 20 25 30 35 40环线电流图 16 不同车站环线电流 C3标称00.0050.010.0150.020.0250.030.0351 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34C 3 标称图 17 不同车站 C3 标称 22 050100150200250300350400450张江下 张江上龙阳路下 龙阳路上世纪公园下 世纪公园上杨高路下 杨高路上 静安寺下 静安寺上南京西路下 南京西路上陆家嘴下 陆家嘴上 东昌路下 东昌路上世纪大道下 世纪大道上 人民广场下 人民广场上 南京东路下 南京东路上 中山公园下 中山公园上江苏路上 江苏路下 凇虹路下 凇虹路上 北新泾上 北新泾下 娄山关上 娄山关下 威宁路上 威宁路下C 1 电压I n 端电压图 18 各车站轨旁耦合板上 IN 端电压和 C1 电压 020040060080010001200张江下 张江上龙阳路下 龙阳路上世纪公园下 世纪公园上杨高路下 杨高路上 静安寺下 静安寺上南京西路下 南京西路上陆家嘴下 陆家嘴上 东昌路下 东昌路上世纪大道下 世纪大道上 人民广场下 人民广场上 南京东路下 南京东路上 中山公园下 中山公园上江苏路上 江苏路下 凇虹路下 凇虹路上 北新泾上 北新泾下 娄山关上 娄山关下 威宁路上 威宁路下O u t 端电压C 3 电压图 19 各车站轨旁耦合板上 OUT 端电压和 C3 电压 23 2.5.4 关键原因 图 20 轨旁耦合板电路图 上图所示是轨旁耦合单元电路板的电路图，首先对耦合单元 的电路进行分析。在电路中，环线起到一个电感线圈的作用，从系统的功能和电路图来看，电路中的元件有变压器、电容 C1、电容 C3、电阻 R、环线电感 L。在现场中可以看到，变压器、电阻 R、环线电感 L 是不可变的，其中，变压器、电阻 R（标称3 欧姆）是确定的，并且全线都是一样的，环线电感 L 可能由于不同批次的电缆，现场环境的不同有所差别。电容 C1、电容 C3 是可变的。所以，研究要确定的是：电容 C1、电容 C3 与什么有关系？是什么样关系，其值又如何设定？ 3 实验室模拟分析 3.1 实验环境与试验目的 3.1.1 实验环境 在实验室模拟 搭建车地通信环境，按照现场轨旁环线的规格，铺设环线，该环线铺设两次，其一，铺设在一个大房间，中间来回折返；其二，铺设在楼道的长通道上，以避免环线折返时造成参数的不准确，见照片。制作小推车，底下装轮子，以便沿着环线推行，车上安装车载天线，该天线可以上下移动，可以测量车载天线高度变化时对信号的影响。这样小车位置可以变化，以模拟车载天线在不同环线位置时的情况。见测试推车照片。 24 图 21 设计制作的测试推车与铺设的室内环线 图 22 展开铺设的环线 25 图 23 展开铺设的环线 3.1.2 实验目的 车载天 线在环线不同位置（交叉点处）时信号的变化；环线电感；耦合单元电路的作用； C1， C3 的作用，以及其变化影响；对现场的问题进行模拟，并找出解决方案。 3.2 轨旁环线发送试验 图 24 小车试验示意图 200cm 61cm 11cm 小车运行方向 26 3.2.1 铺设环线 首先，将 TWC 环线铺设在实验室中，但由于实验室场地有限，所以采用了曲折铺设的方法。 TWC 环线的长度和环线交叉点处的数量与实际情况一致。 3.2.2 实验小车 实验室测量时，采用了小车推行的方式：（小车规格如下）小车上车载天线与轨旁环线的垂直 距离为 403mm；小车外沿与车载天线外沿的距离为 11cm；小车规格为：长 200cm、宽 61cm。车载天线规格为：正方形，外层铁架边长 38.5cm，内部天线边长 29.7cm。 在实验室测试时，内容如下： a)分别将车载天线放在与轨旁环线不同的高度进行测量，将信号加载在耦合板上，测量天线的接收信号。 B)使用不同的电容参数，以模拟串联电路不同的谐振频率，将信号加载在耦合板上，测量天线的接收信号。 C）将信号加载在车载天线的发送线圈上，测量耦合板上变压器的输出波形。 3.2.3 安装车载天线 实验室小车上的车载天线：通过 测试，车载天线内有两组线圈，即发送和接收线圈。线圈 1：航空插头标记号为 a 和 b；线圈 2：航空插头标记号为 c 和 e，该线圈内串有电容约为 100nf。经过现场实装车载天线对比，确认线圈 2（即线圈内串有电容的线圈）为接收线圈。 27 3.2.4 实验数据与结论