區(qū)間信號仿真系統(tǒng)中干擾仿真的建模研究

1、區(qū)間信號仿真系統(tǒng)中干擾仿真的建模研究 08-12-24 14:13:00 作者：王鴻吳芳美 編輯：studa0714摘要在討論鐵路和城市軌道交通中的行車區(qū)間內(nèi)信息傳輸過程中可能存在的干擾的基礎(chǔ)上,給出并分析了區(qū)間軌道傳輸信道干擾的仿真建模策略。在簡單介紹了系統(tǒng)仿真相關(guān)技術(shù)之后,著重闡述了電氣化區(qū)段軌道電路的傳導(dǎo)性加性干擾以及軌道電路同線干擾的數(shù)學(xué)模型。最終實現(xiàn)區(qū)間信號仿真系統(tǒng)中干擾的仿真,從而為鐵路區(qū)間以及軌道交通信號系統(tǒng)安全控制和防護(hù)設(shè)備的安全性測試評估平臺的研究開發(fā)創(chuàng)造了一定的條件。關(guān)鍵詞城市軌道交通,區(qū)間信號,系統(tǒng)仿真,面向?qū)ο?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

2、的區(qū)間(以下簡稱區(qū)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(guān)重要的作用。指揮行車的信號設(shè)備, 與線路設(shè)備、機(jī)車車輛并列為軌道交通運輸?shù)娜蠡A(chǔ)設(shè)備。信號設(shè)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(qū)間信號設(shè)備能確保列車在區(qū)間安全運行的前提下,盡可能地提高列車在區(qū)間的通過能力。在我國,隨著提速、重載戰(zhàn)略的實施和軌道交通科技的進(jìn)步,已有眾多的新型區(qū)間信號設(shè)備投入使用。在區(qū)間安全性控制和防護(hù)設(shè)備的研制、生產(chǎn)、運營過程中,如何運用現(xiàn)代技術(shù)手段,對其功能可靠性和安全性進(jìn)行科學(xué)、高效、全面、按標(biāo)準(zhǔn)的檢測和評估是十分迫切的。

3、 隨著我國城市軌道交通運輸設(shè)施和管理的日益現(xiàn)代化,目前在區(qū)間通過軌道傳輸?shù)男畔⒃絹碓蕉?也越來越復(fù)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(qū)間,自動閉塞的行車信息以鋼軌作為信道進(jìn)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(shè)備產(chǎn)生影響,甚至危及行車安全。因此,在研究干擾源及其干擾規(guī)律的基礎(chǔ)上,仿真軌道電路傳輸過程中所出現(xiàn)的干擾,在檢測系統(tǒng)中對受檢區(qū)間信號設(shè)備進(jìn)行抗干擾能力的檢測,有著重要的現(xiàn)實意義?；谝陨夏康?本文將對用于區(qū)間測試評估平臺的信號系統(tǒng)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(tǒng)仿真 系統(tǒng)仿真是以系統(tǒng)理論、形式化理論、隨機(jī)過程與統(tǒng)計學(xué)理

4、論以及優(yōu)化理論為基礎(chǔ),以計算機(jī)和仿真系統(tǒng)軟件為工具,對現(xiàn)實系統(tǒng)或未來系統(tǒng)進(jìn)行動態(tài)實驗研究的理論和方法 1 。 作為一種行之有效的認(rèn)知方法,系統(tǒng)仿真已在航空航天、經(jīng)濟(jì)管理、決策優(yōu)化、軍事演習(xí)、安全軟件測試評估等眾多領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。在過去的20 年中,系統(tǒng)仿真技術(shù)取得了令人矚目的進(jìn)展。概括來看,仿真領(lǐng)域的主要研究內(nèi)容包括:仿真建模、形式化描述方法、仿真實現(xiàn)及仿真驗證和確認(rèn)(V &V) 。雖然系統(tǒng)仿真研究取得了巨大的進(jìn)展,但相對而言,仿真在鐵路信號領(lǐng)域的應(yīng)用還不是很充分。尤其在國內(nèi),它還是一個有待于近一步開拓的領(lǐng)域。 面向?qū)ο?O -O) 的思想最早起源于仿真領(lǐng)域 2 。在(O -O) 設(shè)計方

5、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(lián)系;類(class) 和繼承(inheritance) 是適應(yīng)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(jī)科學(xué)中,“對象”是包含現(xiàn)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(xiàn)分開;通過繼承能體現(xiàn)類與類之間的關(guān)系,以及由此帶來的動態(tài)聚束(dynamic binding) 和實體的多態(tài)性(polymorphi

6、sm) ,從而構(gòu)成了O -O 的基本特征。 對象建模技術(shù)(OM T) 是當(dāng)今較為實用的面向?qū)ο蠼５姆椒ㄖ?。其方法論的基本思想? :從空間、時間及功能這三個既獨立又相互聯(lián)系的角度去分析和設(shè)計一個系統(tǒng)。OM T 的基本方法和過程是:首先從空間角度,直接面向應(yīng)用(即所要求解決的問題) 的自然存在,并依據(jù)應(yīng)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(guān)系或聯(lián)系,來構(gòu)成問題空間的靜態(tài)結(jié)構(gòu) 對象圖(或稱為待分析系統(tǒng)的對象模型);接下來,從時間角度,考察系統(tǒng)中對象(特別是那些有交互活動或并發(fā)操作的對象) 在不同時刻的狀態(tài)變化及對象

7、之間相互關(guān)系的變遷,從而構(gòu)成對象的控制結(jié)構(gòu)(或稱為系統(tǒng)的動態(tài)模型);最后,從功能的角度來描述系統(tǒng)中對象屬性值從輸入到輸出的變化過程及相關(guān)的操作,從而構(gòu)成數(shù)據(jù)計算或處理的邏輯結(jié)構(gòu) 數(shù)據(jù)流程圖(DFD) 或稱為系統(tǒng)的功能模型5 。鑒于此,在區(qū)間軌道電路干擾仿真模型中筆者采用面向?qū)ο蟮慕＜夹g(shù)。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(shù)據(jù)傳輸理論,一般的傳輸模型如圖1 所示。圖1 一般的數(shù)據(jù)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(zhuǎn)換、耦合等設(shè)備都?xì)w納在一起

8、,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(jié)構(gòu)如圖2 所示:在鋼軌線路的始端,通過匹配設(shè)備PP1 連接著發(fā)送器;在鋼軌線路的終端,通過匹配設(shè)備PP2 連接著接收器。圖2 軌道電路基本結(jié)構(gòu) 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(qū)段的鋼軌用作電路的一部分,由區(qū)段內(nèi)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(qū)段內(nèi)的列車用鋼軌作導(dǎo)體傳送信息的電路6 。 軌道線作為傳輸媒介,具有分布參數(shù)特征。對應(yīng)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(shè)備。考慮信道中的干擾后,軌道電路的輸入和輸出

9、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(fù)雜的函數(shù), 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(xiàn)在溫度、濕度等外界條件變化引起軌道電路的一次參數(shù)變化和軌道電路狀態(tài)( 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(chǎn)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

10、噪聲、電磁感應(yīng)干擾和輻射干擾。從統(tǒng)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(jìn)行模擬?？紤]到在區(qū)間信號仿真系統(tǒng)中電氣化軌道電路傳導(dǎo)加性干擾的重要性和突出性, 下面將主要討論電氣化區(qū)段軌道電路的傳導(dǎo)性加性干擾的建模問題。3. 2 電化區(qū)段軌道電路的傳導(dǎo)性加性干擾模型 在電氣化區(qū)段,鋼軌中所流經(jīng)的不僅有信號電流,還有牽引電流。電氣化區(qū)段軌道電路所傳輸?shù)男盘栔饕軤恳娏鞯母蓴_。國內(nèi)外有關(guān)部門對此進(jìn)行了廣泛的研究。前蘇聯(lián)、日本、美國在六、七十年代對直流牽引和交流牽引區(qū)段的軌道電路傳輸干擾進(jìn)行了研究,其它一些發(fā)達(dá)國家也對電氣化鐵路信號抗干擾的測試和分析系統(tǒng)進(jìn)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(tǒng),美國電磁兼容分析中心(ECAC) 為美國聯(lián)邦鐵路總署所作的電力機(jī)車干擾源的綜合分析系統(tǒng)等。在我國,由北方交通大學(xué)主持,在一些電氣化線路上,對“電力牽引電流對信號系統(tǒng)軌道電路的傳導(dǎo)性干擾”進(jìn)行了研究,并提出了一些防干擾措施。以往的文獻(xiàn)多涉及抗干擾內(nèi)容。本文則以建立干擾仿真的數(shù)學(xué)模型為研究重點。3.