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原文传递轨道交通地面电子单元信息传输关键技术研究

论文题名：	轨道交通地面电子单元信息传输关键技术研究
关键词：	轨道交通;地面电子单元;信息传输
摘要：	应答器传输系统是中国列车运行控制系统中确保列车高速、可靠运行的重要组成部分，它作为一种点式信息传输系统，是列车与地面设备之间传输控车信息的主要通道之一。该系统由地面设备和车载设备组成，地面电子单元LEU作为该系统不可或缺的核心部件，负责从列控中心或计算机联锁系统获取重要的行车信息，包括线路参数、定位、临时限速、进路等安全相关的可变信息，并按照接口“C”的规定连续向有源应答器发送，当列车经过应答器上方时被车载设备接收。然而，在工程应用中经常会出现LEU与应答器之间通信异常现象，特别是因车站规模大、传输距离远而使应答器接收到的报文波形质量劣化，造成应答器向车载设备发送应答器默认报文信息，导致列车制动，严重影响列车运行效率。　　这一关键问题已有研究主要是从功能实现、试验测试、工程实践等方面展开，针对与LEU输出报文波形质量相关的“C”接口电路核心器件优化设计、信道传输特性及电磁干扰侵入机制方面的研究较少。因此，本论文将针对上述若干关键问题进行深入研究，主要工作如下：　　（1）LEU编码输出电路的优化设计。LEU耦合变压器是编码输出电路的核心器件，依据TB/T3485-2017规范标准中所提出的接口“C1”信号波形指标，建立LEU编码输出电路中耦合变压器输出脉冲上升时间、过冲量与变压器分布参数之间的关系等式，以确定该变压器分布参数设计值参考范围。通过在COMSOLMultihysics仿真软件中建立LEU耦合变压器分布参数计算模型，可利用上述结论实现对变压器制作工艺的快速调整和优化设计，该模型充分考虑了高频脉冲作用下的涡流效应和磁芯磁滞效应对变压器分布参数的影响，大大节省了变压器的设计成本。　　（2）建立LEU?BSYYP型双芯纽绞电缆的三维有限元计算模型，通过在电缆单纽绞节距模型两端设置旋转周期边界条件，可获得与目标长度电缆模型近似的分布参数计算结果。该建模方法显著减少了模拟具有周期性特征长距离电缆所需的时间，节约了计算成本，并充分考虑了集肤效应、邻近效应及双芯扭绞效应对导体电流密度分布的影响。利用上述分布参数计算模型的结果建立由有损T型电路级联的集总等效电路，实现对任意长度电缆传输特性的物理模拟。并根据该等效电路的特性阻抗与传输线的特性阻抗之间的误差系数及电缆激励信号的频率特性共同确定截取长度，与基于最大工作频率波长的传统经验值法相比，可参照实际工程设计要求选择误差值，实现对等效电路级联数目的灵活配置。上述模拟方法也可应用于具有铠装和护套等结构更为复杂的LEU?BSYL23、LEU?BSYA23型长距离电缆的传输特性分析，为各种类型的长距离电缆建模提供了思路。　　（3）当雷电流侵入贯通地线并沿贯通地线向大地泄放时，为实现对附近敷设的LEU?BSYYP型电缆上感应电压和感应电流的定量分析及土壤介质中雷电磁辐射强度影响因素的定性分析，建立了考虑土壤电气参数频变效应的雷电电磁场耦合模型。根据数值计算结果可获知以下结论：1）当雷击点与观测点距离较近时，土壤介质中雷电辐射电磁场强度受土壤电导率的频变特性影响不大，但空气-土壤分界面对该值影响显著；2）雷电辐射电磁场对附近埋地信号电缆上的电磁耦合强度与土壤电气参数的频变效应相关性较小，但受雷电电流波形参数、空气-土壤分界面与电缆之间的距离以及电缆与雷电流注入点之间的距离影响较大；3）电缆屏蔽层的双端接地设计可在0至106Hz频率范围内实现对雷电电磁场辐射的防护。上述结论表明，1）应尽可能的减小贯通地线的埋地深度并考虑将信号电缆埋置在贯通地线下方；2）鉴于实际施工中贯通地线与信号电缆铺设距离较近，土壤电导率的频变特性对雷电电磁场强度值的影响可以不予考虑；3）在对设备进行雷电防护时，应考察不同参数雷击波形的频谱特征，从而估算信号带宽范围内雷电冲击的幅度和能量。同时，在考察土壤介质中由不同参数雷击波形所激励的雷电电磁场对附近导体的耦合效应时，土壤的频变特性不能忽略。
作者：	乔亚琼
专业：	交通信息工程及控制
导师：	段武
授予学位：	博士
授予学位单位：	中国铁道科学研究院
学位年度：	2022