1.本发明实施例涉及轨道交通技术领域，具体涉及一种站内轨道电路室外监测系统。


背景技术：

2.25hz相敏轨道电路是目前国内普速线站内的主要轨道电路制式，该系统结构简单、造价低、传输距离远，对复杂站场和低道床的适应能力强，通过极性交叉布置具备绝缘破损检查功能，目前大范围应用在普速线车站、动车所、大型高铁枢纽车站的道岔区段。
3.但在实际应用中25hz相敏轨道电路也逐渐暴露出一些问题，比如抗牵引电流冲击干扰能力不足，经常出现闪红光带现象；短区段的分路不良问题，出现占用丢失或者分路残压过高；由于信号频率低带来的第三轨迂回问题，导致断线、断轨后继电器不能可靠落下。目前25hz的监测手段有限，仅采集接收端电压和gj状态，如果出现故障后不能进行有效故障定位，甚至无法确定故障发生在室内还是室外，大多通过甩线方式进行故障定位，故障处理效率较低。
4.25hz相敏轨道电路只有占用检查的功能，只能检查本区段是否有车占用或空闲，不能向机车车载设备传递任何信息。如果站内轨道电路不进行电码化，列车在站内运行时机车车载设备信号将中断工作，无法保证行车安全。采用站内轨道电路电码化区段，目前采用开环方式，存在电码化信息完整性得不到检查问题。
5.目前高铁站内普遍采用zpw-2000一体化轨道电路，根据国铁集团标准《q/cr 489-2020zpw-2000系列无绝缘轨道电路设备系统结构》，目前站内机械节的zpw-2000系列轨道电路有两种应用场景，分别是有选频功能配置和无选频功能配置，目前均不具备室外监测及智能诊断功能。
6.伴随着列车的提速及运营模式的改变，站内轨道电路的一些不足对运输安全的影响逐渐凸现出来，如：分路不良、断线检查、绝缘破损检查、电码化信息完整性检查、侧线股道单端回流等，现有的各种制式轨道电路均不能解决目前站内出现的所有问题。


技术实现要素：

7.为此，本发明实施例提供一种站内轨道电路室外监测系统，以解决现有各种制式轨道电路均不能实时对车站各轨道电路区段进行监测和诊断，发现并定位故障的问题。
8.为了实现上述目的，本发明实施例提供如下技术方案：一种站内轨道电路室外监测系统，所述系统包括设置于站内轨道电路各区段的多个室外采集分机、载波通信分机、通信管理机以及诊断主机，所述室外采集分机连接载波通信分机，所述载波通信分机连接通信管理机，所述通信管理机连接诊断主机，所述室外采集分机用于将通过电流传感器采集的电流信息数据传输至载波通信分机，所述载波通信分机用于将获取的电流信息数据整合后发送给所述通信管理机，所述通信管理机用于按照设定格式对获取的数据处理后上传至诊断主机，所述诊断主机用于根据获取的数据对轨道电路各区段的运行状态进行分析，并
进行故障分析、定位、诊断和预警。
9.进一步地，所述电流传感器采集的电流信息包括轨道电路区段的信号发送端或信号接收端的轨道变压器电缆侧及钢轨引接线、扼流变压器钢轨引接线及吸上线的电流数据，所述电流传感器能同时采集25hz、50hz、1700hz、2000hz、2300hz及2600hz六种中心频段的电流信号，所述室外采集分机通过数字信号处理算法将电流传感器采集的六种频段信号进行分离并计算。
10.进一步地，所述室外采集分机包括传感器模块和主控模块，所述传感器模块包括多个电流传感器和环境温度传感器，所述传感器模块连接所述主控模块的ad采集接口，所述主控模块采集ad信号并进行运算处理后通过电力载波通信将数据发送给载波通信主机。
11.进一步地，所述载波通信分机包括多个隔离电源和多组载波通信模块，ac220v电源通过端子排接入多个隔离电源，分别为多组载波通信模块提供电源，每组载波通信模块通过电力载波线连接多组室外采集分机，多组载波通信模块采用can线通过db9接口连接诊断主机。
12.进一步地，所述通信管理机用于ac220v电源经低通滤波电路滤波后接入ac/dc电源模块产生5v电压为can1～9接口电路供电，同时接入dc/dc电源模块为fpga和mcu供电，fpga控制can1～8通道的地址驿码，通信管理机负责接收can1～8通道的数据，并根据设定将数据重新排序后由can9接口送至诊断主机。
13.进一步地，所述诊断主机用于依据故障诊断算法进行故障分析、定位、诊断和预警，具体包括多制式站内轨道电路故障诊断、全站电力回流分析及诊断、绝缘破损分析及诊断、钢轨电气断离监测分析及诊断、邻线干扰分析及诊断。
14.进一步地，所述多制式站内轨道电路故障诊断，具体包括：
15.汇总获取的约定格式数据，当区段出现异常/故障红光带、电压/电流模拟量异常变化时触发诊断判断逻辑，进行故障定位和预/报警，再根据既定故障区域、故障设备特征进行判断和定位，并输出故障诊断信息以及故障区域；
16.所述约定格式数据包括站场布置、区段长度、相邻区段名称、扼流变压器是否连通、进路信息，集中监测既有的接收端轨道电压、局部电压、相位角信息，发送端分线盘电压，各gj状态信息等，发送端和接收端的新增电流采集数据，钢轨引接线、扼流中心连接板、电缆、轨道变压器和扼流连接线的电流信息，以及轨道变和扼流变的电压信息等。
17.进一步地，所述全站电力回流分析及诊断，具体包括：
18.通过对所有钢轨引接线增加电流采集，提取50hz工频回流信号，实时监测全站回流情况，通过采集电流及不平衡度计算公式，获得全站实时回流分布及不平衡度地图，为电务维修提供辅助定位，并通过提取出25hz、1700hz、2000hz、2300hz以及2600hz轨道电路带内分量，实现轨道电路曲线波动、闪红、爆红、列车干扰问题的实时故障定位和数据回放。
19.进一步地，所述绝缘破损分析及诊断，具体包括：
20.对于轨道电路相邻的两个区段均为zpw-2000轨道电路，机械绝缘节单破损时，两区段信号侵入对方区段的信号电流有i1～i6，i1～i6为变压钢丝绳不同位置的电流，i2和i4除采集到本区段的电流外，还能采集到对方区段的移频信号，其信号幅度满足：
21.i
1(f1700)
≈i
2(f1700)
+i
4(f1700)
22.i
3(f2300)
≈i
2(f2300)
+i
4(f2300)
23.其中，i
1(f1700)
为通过的变压钢丝绳i1位置的频率为1700hz信号的电流，i2(f1700)为通过的变压钢丝绳i2位置的频率为1700hz信号的电流，i4(f1700)为通过的变压钢丝绳i4位置的频率为1700hz信号的电流；
24.或者i5和i6存在对方频率的信号，判定依据为i5和i6，由于i1～i4可辅助用于判断，主要同样的逻辑实用双破区段；
25.对于轨道电路相邻的两个区段zpw-2000轨道电路+25hz相敏轨道电路单破损时，两区段信号侵入对方区段的信号电流有i1～i6，i2和i4除采集到本区段的电流外，还能采集到对方区段的移频信号，其信号幅度满足：
26.i
1(f1700)
≈i
2(f1700)
+i
4(f1700)
27.i
4(f25)
≈i
2(f25)
+i
3(f25)
28.其中，i1(f1700)为通过的变压钢丝绳i1位置的频率为1700hz信号的电流，i2(f1700)为通过的变压钢丝绳i2位置的频率为1700hz信号的电流，i4(f1700)为通过的变压钢丝绳i4位置的频率为1700hz信号的电流，i4(f25)为通过的变压钢丝绳i4位置的频率为25hz信号的电流，i2(f25)为通过的变压钢丝绳i2位置的频率为25hz信号的电流，i3(f25)为通过的变压钢丝绳i3位置的频率为25hz信号的电流；
29.或者i5和i6存在对方频率的信号，判定依据为i5和i6；
30.当轨道电路相邻的两个区段zpw-2000轨道电路+25hz相敏轨道电路双破损时，两区段信号侵入对方区段的信号电流有i1～i6，i1～i4除采集到本区段的电流外，还能采集到对方区段的移频信号，判断为双破损；
31.对于25hz相敏轨道电路+25hz相敏轨道电路破损时，将引起信号接收端相位的变化，以此判断破损。
32.进一步地，所述钢轨电气断离监测分析及诊断，具体包括：
33.利用钢轨引接线电流特征来检查断轨，通过增加室外电流采集i1～i4实现，i1～i2为断轨位置一侧流入和流出扼流变压器的电流，i3～i4为断轨位置另一侧流入和流出扼流变压器的电流；
34.通过分析调整状态、分路状态、断轨状态下4个电流监测点电流差异，获得断轨检查算法如下：
35.|i1-i2|《0.1a且|i3-i4|《0.1a，属于正常状态，无报警输出；
36.|i1-i2|》0.3a且|i3-i4|》0.3a，或者|i1-i2|/|i1+i2|》40％，符合断轨特征，进行报警输出。
37.进一步地，所述邻线干扰分析及诊断，具体包括：
38.利用采集电流中1700hz、2000hz、2300hz和2600hz的4个频率分量进行判定，当调整状态下邻线干扰超标后，进行实时预警，具体包括：
39.如果本区段是1700hz信号，但检测到有2300hz的信号超过一定幅度，判定为超标；如果本区段是2000hz信号，但检测到有2600hz的信号超过一定幅度，判定为超标；如果本区段是2300hz信号，但检测到有1700hz的信号超过一定幅度，判定为超标；如果本区段是2600hz信号，但检测到有2000hz的信号超过一定幅度，判定为超标。
40.本发明实施例具有如下优点：
41.本发明实施例提出的一种站内轨道电路室外监测系统，所述系统包括设置于站内
轨道电路各区段的多个室外采集分机、载波通信分机、通信管理机以及诊断主机。通过对站内轨道电路室外部分各处电流实时监测，掌握室外设备运行状态，可实现对室外设备的状态分析，及时预防设备故障的发生，当发生设备故障，可实现故障点快速定位、缩短故障维修时间，配置简单、易于操作、集成度高。
附图说明
42.为了更清楚地说明本发明的实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是示例性的，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图引伸获得其它的实施附图。
43.图1为本发明实施例1提供的一种站内轨道电路室外监测系统的结构示意图；
44.图2为本发明实施例1提供的一种站内轨道电路室外监测系统中25hz轨道电路区段运用电流传感器安装示意图；
45.图3为本发明实施例1提供的一种站内轨道电路室外监测系统中zpw-2000轨道电路区段运用电流传感器安装示意图；
46.图4为本发明实施例1提供的一种站内轨道电路室外监测系统中室外采集分机的结构示意图；
47.图5为本发明实施例1提供的一种站内轨道电路室外监测系统中载波通信分机的结构示意图；
48.图6为本发明实施例1提供的一种站内轨道电路室外监测系统中电力载波通信载波通信模块结构示意图；
49.图7为本发明实施例1提供的一种站内轨道电路室外监测系统中通信管理机结构示意图；
50.图8为本发明实施例1提供的一种站内轨道电路室外监测系统中25hz轨道电路故障区域划分示意图；
51.图9为本发明实施例1提供的一种站内轨道电路室外监测系统中zpw-2000一体化轨道电路故障区域划分示意图；
52.图10为本发明实施例1提供的一种站内轨道电路室外监测系统中两个zpw-2000轨道电路机械绝缘节单破损示意图；
53.图11为本发明实施例1提供的一种站内轨道电路室外监测系统中两个zpw-2000轨道电路机械绝缘节双破损示意图；
54.图12为本发明实施例1提供的一种站内轨道电路室外监测系统中zpw-2000轨道电路+25hz相敏轨道电路机械绝缘节单破损示意图；
55.图13为本发明实施例1提供的一种站内轨道电路室外监测系统中zpw-2000轨道电路+25hz相敏轨道电路机械绝缘节双破损示意图；
56.图14为本发明实施例1提供的一种站内轨道电路室外监测系统中断轨监测示意图。
具体实施方式
57.以下由特定的具体实施例说明本发明的实施方式，熟悉此技术的人士可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点及功效，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
58.实施例1
59.如图1所示，本实施例提出了一种站内轨道电路室外监测系统，该系统包括设置于站内轨道电路各区段的多个室外采集分机、载波通信分机、通信管理机以及诊断主机，室外采集分机连接载波通信分机，载波通信分机连接通信管理机，通信管理机连接诊断主机。
60.室外采集分机用于将通过电流传感器采集的电流信息数据传输至载波通信分机，载波通信分机用于将获取的电流信息数据整合后发送给通信管理机，通信管理机用于按照设定格式对获取的数据处理后上传至诊断主机，诊断主机用于根据获取的数据对轨道电路各区段的运行状态进行分析，并进行故障分析、定位、诊断和预警。
61.我国铁路采用轨道电路解决列车占用检查，即车载铁路线路上的位置，这些位置通过轨道电路划分为区段，轨道电路是铁路专用的一种设备，在钢轨上有信号的发送端和接收端。
62.电流传感器采集的电流信息包括轨道电路区段的发送端或接收端的轨道变压器电缆侧及钢轨引接线、扼流变压器钢轨引接线及吸上线的电流数据，电流传感器能同时采集25hz、50hz、1700hz、2000hz、2300hz及2600hz六种中心频段的电流信号，室外采集分机通过数字信号处理算法将电流传感器采集的六种频段信号进行分离并计算。
63.25hz轨道电路区段运用电流传感器安装示意图如图2所示，zpw-2000轨道电路区段运用电流传感器安装示意图如图3所示。
64.室外采集分机具有采集室外移频(25hz；50hz；1700hz；2000hz；2300hz；2600hz)信号，它能同时对发送端(或接收端)电缆侧电流、钢轨引接线电流等进行实时采集，且具有环境温度监测功能。室外采集单元采用电力载波载波通信方式发送采集到的数据与接收远程配置参数。
65.如图4所示，室外采集分机包括传感器模块和主控模块，传感器模块包括多个电流传感器和环境温度传感器，传感器模块连接主控模块的ad采集接口，主控模块采集ad信号并进行运算处理后通过电力载波通信将数据发送给载波通信主机。
66.载波通信分机通过电力载波线接收室外采集单元的传输数据与远程配置室外采集单元的参数，周期性通过can线传输至通信管理机。
67.如图5所示，载波通信分机包括4个隔离电源和4组载波通信模块，ac220v电源通过端子排接入多个隔离电源，分别为4组载波通信模块提供电源，每组载波通信模块通过电力载波线连接多组室外采集分机，最大连接20组室外采集设备，4组载波通信模块采用can线通过db9接口连接诊断主机。
68.plc载波通信分机模块原理示意如图6，ac220v电源接入模块后经低通滤波电路滤波后接入ac/dc电源模块，同时向外引出用于室外采集单元的供电。plc载波通信主机模块的核心部分为plc&cpu主控模块。该模块具备plc通信的功能、逻辑运算功能、can通信功能以及模拟信号采集与处理功能。电力载波通信信号经过高通滤波器和隔离变压器最终与
ac220v并联输出与轨旁移频采集单元连接。
69.通信管理机负责将各个载波通信分采集数据按设定规则排序后发给诊断主机。每台通讯处理机最大可以接8路数据输入can，一路数据输出can。
70.如图7所示，通信管理机用于ac220v电源经低通滤波电路滤波后接入ac/dc电源模块产生5v电压为can1～9接口电路供电，同时接入dc/dc电源模块为fpga和mcu供电，fpga控制can1～8通道的地址驿码，通信管理机负责接收can1～8通道的数据，并根据设定将数据重新排序后由can9接口送至诊断主机。
71.诊断主机为本诊断系统核心，结合多年轨道电路维修经验积累与先进的软件算法，给出具体的、实时的、准确的故障诊断结论，以指导现场故障维修恢复。该主机接收统筹既有室内采集信息、室外电流/温度信息，建立设备及传输系统模型，完成25hz相敏轨道电路、电码化轨道电路、zpw-2000轨道电路、工频回流等各环节的故障诊断功能。故障诊断主机具备数据采集、处理、存储、统计、界面显示、历史回放和故障诊断定位、下发配置等功能，并将采集数据以及报警数据通过以太网接口传送给信号集中监测站机。
72.诊断主机用于依据故障诊断算法进行故障分析、定位、诊断和预警，具体包括多制式站内轨道电路故障诊断、全站电力回流分析及诊断、绝缘破损分析及诊断、钢轨电气断离监测分析及诊断、邻线干扰分析及诊断。
73.诊断算法原理是基于对25hz相敏轨道电路和zpw-2000一体化轨道电路理论分析和仿真计算，利用室内外采集数据，并结合现场人员运用经验，实现对25hz相敏轨道电路和zpw-2000一体化轨道电路设备和通道的快速精准故障定位。
74.(1)多制式站内轨道电路故障诊断，具体包括：
75.数据输入：汇总获取的约定格式数据，约定格式数据包括站场布置、区段长度、相邻区段名称、扼流变压器是否连通、进路信息，集中监测既有的接收端轨道电压、局部电压、相位角信息，发送端分线盘电压，各gj状态信息等，发送端和接收端的新增电流采集数据，钢轨引接线、扼流中心连接板、电缆、轨道变压器和扼流连接线的电流信息，以及轨道变和扼流变的电压信息等。
76.诊断触发：当区段出现异常/故障红光带、电压/电流模拟量异常变化时触发诊断判断逻辑，进行故障定位和预/报警。
77.故障定位：再根据既定故障区域、故障设备特征进行判断和定位。
78.诊断结果输出：最后输出故障诊断信息以及故障区域，输出故障区域不多于2个。
79.25hz轨道电路故障区域划分如图8，zpw-2000一体化轨道电路故障区域划分如图9。
80.25hz相敏轨道电路可分为12个故障区域、31个故障类型。
81.[0082][0083]
zpw-2000轨道电路可分为13个故障区域、31个故障类型，根据数据维度进行故障
区域合并或细化。
[0084]
[0085][0086]
(2)全站电力回流分析及诊断，具体包括：
[0087]
通过对所有钢轨引接线增加电流采集，提取50hz工频回流信号，实时监测全站回流情况，通过采集电流及不平衡度计算公式获得全站实时回流分布及不平衡度地图，为电务维修提供辅助定位，并通过提取出25hz、1700hz、2000hz、2300hz以及2600hz轨道电路带内分量，实现轨道电路曲线波动、闪红、爆红、列车干扰问题的实时故障定位和数据回放。
[0088]
(3)绝缘破损分析及诊断，具体包括：
[0089]
钢轨两侧正常是不联通的，当钢轨的铁屑或其他导电物连接了钢轨两侧时，则会发生电气连接，称之为“破损”。
[0090]
1、zpw-2000轨道电路+zpw-2000轨道电路破损
[0091]
对于轨道电路相邻的两个区段均为zpw-2000轨道电路，机械绝缘节单破损时，两区段信号侵入对方区段的信号电流如图10所示，i1～i6为变压钢丝绳不同位置的电流，i2和i4除采集到本区段的电流外，还能采集到对方区段的移频信号，其信号幅度满足：
[0092]i1(f1700)
≈i
2(f1700)
+i
4(f1700)
[0093]i3(f2300)
≈i
2(f2300)
+i
4(f2300)
[0094]
其中，i
1(f1700)
为通过的变压钢丝绳i1位置的频率为1700hz信号的电流，i2(f1700)为通过的变压钢丝绳i2位置的频率为1700hz信号的电流，i4(f1700)为通过的变压钢丝绳i4位置的频率为1700hz信号的电流；
[0095]
或者i5和i6存在对方频率的信号，判定依据为i5和i6，由于i1～i4可辅助用于判断，主要同样的逻辑实用双破区段，如图11所示。
[0096]
2、zpw-2000轨道电路+25hz相敏轨道电路破损
[0097]
对于轨道电路相邻的两个区段，一个是zpw-2000轨道电路，另一个是25hz相敏轨道电路，单破损时，两区段信号侵入对方区段的信号电流如图12所示，图中i2和i4除采集到本区段的电流外，还能采集到对方区段的移频信号，其信号幅度满足：
[0098]i1(f1700)
≈i
2(f1700)
+i
4(f1700)
[0099]i4(f25)
≈i
2(f25)
+i
3(f25)
[0100]
其中，i1(f1700)为通过的变压钢丝绳i1位置的频率为1700hz信号的电流，i2(f1700)为通过的变压钢丝绳i2位置的频率为1700hz信号的电流，i4(f1700)为通过的变压钢丝绳i4位置的频率为1700hz信号的电流，i4(f25)为通过的变压钢丝绳i4位置的频率为25hz信号的电流，i2(f25)为通过的变压钢丝绳i2位置的频率为25hz信号的电流，i3(f25)为通过的变压钢丝绳i3位置的频率为25hz信号的电流；
[0101]
或者i5和i6存在对方频率的信号，判定依据为i5和i6；
[0102]
当轨道电路相邻的两个区段，一个是zpw-2000轨道电路，另一个是25hz相敏轨道电路，双破损时，两区段信号侵入对方区段的信号电流如图13所示，i1～i4除采集到本区段的电流外，还能采集到对方区段的移频信号，可判断为双破损。
[0103]
3、25hz相敏轨道电路+25hz相敏轨道电路破损
[0104]
对于轨道电路相邻的两个区段，一个是25hz相敏轨道电路，另一个也是25hz相敏轨道电路，破损时，将引起接收端相位的变化，以此判断破损。
[0105]
(4)钢轨电气断离监测分析及诊断，具体包括：
[0106]
利用钢轨引接线电流特征来检查断轨，通过增加室外电流采集i1～i4实现，i1～i2为断轨位置一侧流入和流出扼流变压器的电流，i3～i4为断轨位置另一侧流入和流出扼流变压器的电流，如图13所示；
[0107]
通过分析调整状态、分路状态、断轨状态下4个电流监测点电流差异，获得断轨检查算法如下：
[0108]
|i1-i2|《0.1a且|i3-i4|《0.1a，属于正常状态，无报警输出；
[0109]
|i1-i2|》0.3a且|i3-i4|》0.3a，或者|i1-i2|/|i1+i2|》40％，符合断轨特征，进行报警输出。
[0110]
(5)邻线干扰分析及诊断，具体包括：
[0111]
利用采集电流中1700hz、2000hz、2300hz和2600hz的4个频率分量进行判定，当调整状态邻线干扰超标后，进行实时预警，具体包括：
[0112]
如果本区段是1700hz信号，但检测到有2300hz的信号超过一定幅度，判定为超标；如果本区段是2000hz信号，但检测到有2600hz的信号超过一定幅度，判定为超标；如果本区段是2300hz信号，但检测到有1700hz的信号超过一定幅度，判定为超标；如果本区段是2600hz信号，但检测到有2000hz的信号超过一定幅度，判定为超标。
[0113]
轨道电路区段分为调整和占用两种状态，调整即无车占用，占用：有列车占用。只有在无车占用时，才能检测，因为占用时，列车将钢轨电气短路，轨道电路受端无信号。
[0114]
虽然，上文中已经用一般性说明及具体实施例对本发明作了详尽的描述，但在本发明基础上，可以对之作一些修改或改进，这对本领域技术人员而言是显而易见的。因此，在不偏离本发明精神的基础上所做的这些修改或改进，均属于本发明要求保护的范围。