Digital Demodulation Algorithm for Multi-Tone FM Signal in New Type Track Circuit

The multi-tone frequency modulation （FM） signal transferred through track circuit in automatic train control （ATC） system is analyzed. A digital filter with ideal sloping shape in frequency domain is designed for frequency discrimination. With this filter, the FM signal is converted into AM-FM signal by frequency-to-amplitude conversion. The modulating signal is finally extracted from the envelope of the AM-FM signal. Simulations show that the digital demodulation method could accurately recover the modulating signal in low signal noise ratio （SNR） circumstance, and has good performance in suppressing interference of harmonies of traction current frequency. The feasibility of the proposed method is proved in a hardware system based on SHARC DSP.

Life prediction of ZPW-2000A track circuit equipment based on SVDD and gray prediction

Evaluation of the health state and prediction of the remaining life of the track circuit are important for the safe operation of the equipment of railway signal system.Based on support vector data description(SVDD)and gray prediction,this paper illustrates a method of life prediction for ZPW-2000A track circuit,which combines entropy weight method,SVDD,Mahalanobis distance and negative conversion function to set up a health state assessment model.The model transforms multiple factors affecting the health state into a health index named H to reflect the health state of the equipment.According to H,the life prediction model of ZPW-2000A track circuit equipment is established by means of gray prediction so as to predict the trend of health state of the equipment.The certification of the example shows that the method can visually reflect the health state and effectively predict the remaining life of the equipment.It also provides a theoretical basis to further improve the maintenance and management for ZPW-2000A track circuit.

Fault diagnosis method of track circuit based on KPCA-SAE

At present,ZPW-2000 track circuit fault diagnosis is artificially analyzed and monitored.Its discrimination method not only is low efficient and takes a long period,but also requires highly experienced personnel to analyze the data.Therefore,we introduce kernel principal component analysis and stacked auto-encoder network(KPCA-SAD)into the fault diagnosis of ZPW-2000 track circuit.According to the working principle and fault characteristics of track circuit,a fault diagnosis model of KPCA-SAE network is established.The relevant parameters of key components recorded in the data collected by field staff are used as the fault feature parameters.The KPCA method is used to reduce the dimension and noise of fault document matrix to avoid information redundancy.The SAE network is trained by the processed fault data.The model parameters are optimized overall by using back propagation(BP)algorithm.The KPCA-SAE model is simulated in Matlab platform and is finally proved to be effective and feasible.Compared with the traditional method of artificially analyzing fault data and other intelligent algorithms,the KPCA-SAE based classifier has higher fault identification accuracy.

基于双通道的全电子相敏接收器研究与设计

为提高相敏接收器测量精度、分辨率,设计了一款基于全相位快速傅里叶变换(all phase Fast Fourier Transform,apFFT)算法的全电子相敏接收器。硬件上为二取二双通道设计,进程上双机同步,运算结果经比较输出。利用DDS发生器搭建测试平台,对该方案功能进行模拟验证,并接入现场轨道电路组合架进行现场测试。实验结果表明,该设计可准确检测轨道区段列车占用状态,能区分钢轨上的随机噪音与谐波信号,抗干扰能力强,相位差测量误差不大于0.3°。该方案是对既有的微电子相敏轨道电路接收器的电子化改进,电路简单,其相位差计算完全由软件完成,可靠性高,可用于使用50 Hz交流电牵引的25 Hz相敏轨道电路的电码化或非电码化区段。

Design and realization of synchronization circuit for GPS software receiver based on FPGA

With research on the carrier phase synchronization and symbol synchronization algorithm of demodulation module, a synchronization circuit system is designed for GPS software receiver based on field programmable gate array （FPGA）, and a series of experiment is done on the hardware platform. The result shows the all-digital synchronization and demodulation of GPS intermediate frequency （IF） signal can be realized and applied in embedded real-time GPS software receiver system. It is verified that the decision-directed joint tracking algorithm of carrier phase and symbol timing for received signals from GPS is reasonable. In addition, the loop works steadily and can be used for receiving GPS signals using synchronous demodulation. The synchronization circuit for GPS software receiver designed based on FPGA has the features of low cost, miniaturization, low power and real-time. Surely, it will become one of the development directions for GPS and even GNSS embedded real-time software receiver.

Computer Program Calculation for Distortion of Wide-Band Track and Hold Amplifier

Tow different computer calculation methods for distortion of the wide-band diode bridge track and hold amplifier (THA) are presented based on a high frequency Schottky diode model. One of the computer programs calculates the distortion of weekly nonlinear THA based on the KCL and the nonlinear-current method. The other calculates the weekly nonlinear distortion by using a Volterra series method and a nodal formulation. Comparative calculation results for the diode bridge THA have shown good agreement with these two computer program calculation methods, whereas the overall computational efficiency of the nonlinear-current method is better than that of the nodal formulation method in a special evaluation.

基于DCS-惯性权重组合的柔性机械臂运动轨迹控制系统研究

为了有效调控机械臂运动幅度,避免柔性机械臂实际运动轨迹与目标轨迹发生较大的偏差,设计一种基于分散控制系统(DCS)-惯性权重组合的柔性机械臂运动轨迹控制系统,它是一个集合了计算机、通信、显示和控制的计算机系统,该系统由过程控制和过程监控。通过DCS算法控制监测对象行为幅度并计算柔性机械臂惯性权重,利用DCS-惯性权重组合求解素数控制指标的具体数值,实现了对柔性机械臂运动轨迹控制系统的软件设计。实验结果表明,DCS-惯性权重组合算法作用下的机械臂末端坐标在横轴、纵轴、空间轴方向上的运动幅值均可以被控制在10个单位长度之内,并且在0.52 s内进入机械臂运动轨迹最佳控制状态,运动轨迹差值最大仅为0.01 rad,验证了该系统具备可行性和有效性。

面向光伏能量收集应用的实时MPPT预估算法研究

对于环境中存在的各种类型能量源,其往往具有不同的阻抗特性以及输出功率范围。为了提高能量收集系统的能量萃取能力,合理的接口电路设计是关键。基于此,通过对环境中光伏(Photovoltaic,PV)能量源微弱直流特性以及高效率收集和转化的研究,在传统开路电压法(Open-Circuit Voltage,OCV)的基础上,结合输入电压纹波控制,提出了一种可实时最大功率点追踪(Maximum Power Point Tracking,MPPT)的预估算法。该预估算法根据能量源的输出特性,采用了分数开路电压法(Fractional Open-Circuit Voltage,FOCV),并根据纹波大小动态调节变换器的工作模式,实现阻抗匹配。为了尽可能减小因采样带来的能量损失,采用可片上全集成的较小的采样电容,并逐周期的进行开路电压采样和计算,实现了对源功率变化的高精度追踪。仿真结果表明,所提出的追踪算法能够实时监测能量源的状态,具有高的追踪速度和追踪精度,且采样时间仅需100 ns。能量源功率在1μW~10 mW范围内变化时,最短的追踪时间仅需4.37μs,追踪精度可达99.7%。

基于分数阶传输线模型的轨道电路暂态分析

为了准确分析暂态信号对ZPW-2000A型轨道电路的影响,考虑传输线中由集肤效应引起的频变损耗问题,建立轨道电路分数阶多导体传输线(Multi-conductor Transmission Line,MTL)模型,针对ZPW-2000A轨道电路高频损耗下暂态响应分析,提出在时域内对轨道电路接收端电压的求解方法.基于传输线理论建立轨道电路传输线系统模型,根据得到的模型建立分数阶传输线方程并对其进行求解.首先,在空间域上利用紧凑有限差分法(Compact Finite Difference Method,CFD)将轨道电路分数阶传输线模型的偏微分方程组离散为常微分方程组;其次,利用G-L分数阶定义将以上方程组转化为整数阶常微分方程组;最后,利用精细积分与递归卷积相结合的方法,得到传输线上每点的电压与电流响应.在双指数信号激励下,通过与状态变量法对比验证了该方法的准确性,两种求解方法的误差在7%以内,且本文方法耗时较短.分析了不同暂态信号输入下轨面过电压变化规律,发现信号频率越大,轨面过电压幅值越小;道床电阻越大,轨面过电压幅值越大且信号从衰减到稳定的时间越长.本文方法可以准确、高效地分析高频损耗下ZPW-2000A型轨道电路暂态响应.

多线并行轨道电路电容耦合干扰机理研究

高速铁路车站并行股道多,应用场景复杂,在三线并行情况下,中间股道易受两旁线路的电磁干扰影响。当2条线路均与中间股道同向时,中间股道所受电容耦合干扰为2条线路干扰之和,且邻线耦合电容越大,干扰亦越强。为减少多线并行邻线间的电容耦合干扰,可采取改变线路相对布局、采用屏蔽等设计措施,确保高速铁路车站轨道电路工作的稳定性和可靠性。

基于DCNN的ZPW-2000A无绝缘轨道电路故障诊断研究

针对ZPW-2000A无绝缘轨道电路故障发生的多样性和不确定性导致的故障诊断效率低的问题,从故障特征提取和故障分类的角度出发,提出一种基于深度卷积神经网络(DCNN)的轨道电路故障诊断方法。通过故障分析总结出12种轨道电路故障状态,并将不同故障状态下的轨道电路监测数据进行标准化处理,作为DCNN模型的输入。模型采用卷积-池化结构提取轨道电路的关键特征并滤除冗余特征。BP神经网络作为模型的全连接层,并结合Softmax函数进行故障分类。通过k折交叉验证法优化模型结构,确定最佳模型。实验结果表明,采用4层卷积-池化层结构的轨道电路故障诊断模型在诊断准确率方面达到了98.48%,较同为最优模型的长短期记忆网络(LSTM)模型、深度前馈网络(DFN)模型、双向长短时记忆网络模型(BiLSTM)与CNN-LSTM组合模型分别提升了6.06%,6.06%,3.33%与2.27%,训练收敛速度分别快了大约1250、4250、1250与1450次,且训练时的损失波动更小。本研究提升了轨道电路故障诊断效率,为轨道电路的故障诊断任务提供了一种新的有效方法。

温差电源阵列电路建模与MPPT策略研究

通过测试温差电源模型特性,提出了一种温差电源阵列的电路模型,模型考虑了等效电路内阻受温度的影响和内部实际温差影响,进而建立了温差电源阵列电路模型。分析了温差电源阵列模型的温度、参数不匹配等问题导致的局部最大功率点问题,进而提出了改进的粒子群跟踪策略,提升了电源输出功率。采用Matlab/Simulink建立仿真模型,验证模型和算法的可行性。最后,以某大型冷区系统的温差发电为例,验证了所提模型和策略的有效性。

短区间特殊信号显示关系及点灯电路设计方案优化研究

针对短区间列车反向追踪运行的特殊需求,深入研究信号显示关系及其配套点灯电路设计方案。首先,分析车站正线与到发线列车行车组织方式和允许速度的差异性,提出基于实际允许速度设计短区间信号显示关系,取消侧线红灯重复显示,以提升到发线的行车组织效率和车站的通过能力;其次,根据信号“故障-安全”原则及点灯电路技术条件,在兼容现有四显示出站信号机点灯电路的基础上,通过增加灯丝监督继电器,优化反向发车信号显示,以适应短区间反向按四显示追踪运行的需求。经仿真测试和实际应用验证,结果表明该方案能够保障行车安全,提高短区间列车运行效率,为铁路枢纽和繁忙干线短区间特殊信号显示关系优化及点灯电路设计提供参考和借鉴。

基于谱聚类的轨道电路故障文本主题聚类研究

轨道电路故障日志是现场日常运维工作中的重要数据记录。针对轨道电路故障日志在现场工作中未能充分挖掘利用且人工分析效率较低的问题,提出基于谱聚类算法的轨道电路故障文本主题聚类挖掘分析方法。首先,分析轨道电路故障文本数据特征并进行文本预处理,采用Word2vec模型训练获取字符级特征向量,实现在语义空间上的轨道电路故障文本数据特征表示;然后,依据Laplacian矩阵的图谱聚类特性,将高维故障文本特征数据聚类转换为谱图切分问题,分别对电务、工务及供电故障因素文本数据求解规范化后Laplacian矩阵的特征向量,并构建低维故障文本特征矩阵,再通过K-Means聚类算法实现3种故障因素文本数据集下故障文本主题聚类分析,获取电务、工务及供电故障因素文本数据中蕴含的轨道电路故障主题类型及频率信息,并基于t分布随机邻域嵌入算法实现聚类结果的可视化分析;最后,采用不同聚类模型在3种故障因素文本数据集上进行对比实验。实验结果表明:基于谱聚类算法的聚类模型在保证故障文本聚类准确率的情况下,其收敛性能更优;聚类可视化分析结果验证了获取的不同故障主题类别具有较高的语义区分度。通过该方法对轨道电路故障文本数据进行自动化聚类挖掘及统计分析,可为现场轨道电路综合维修及故障预防提供辅助支持。

基于智能优化深度网络的轨道电路故障诊断研究

针对无绝缘轨道电路故障的随机性和复杂性,采用单一诊断模型存在提取特征片面,且模型结构经验设计不合理的问题,提出一种智能优化深度网络的故障诊断方法。首先以轨道电路信号集中监测系统的6个电压检测量建立故障特征集,使用卷积神经网络(CNN)提取特征空间信息,长短期记忆网络(LSTM)提取时间特征信息,从而让轨道电路故障诊断所提取的特征兼具时空信息;同时,引入遗传算法(GA)优化上述深度神经网络的结构及参数,并结合强化学习中的Q-learning方法对两个组合网络特征级的输出权重进一步优化;最后,使用多层感知器(MLP)对深度网络的分类误差进行拟合修正,提高模型对轨道电路的故障诊断精度。仿真结果表明,利用智能优化的深度网络模型对轨道电路的故障诊断相较于单一模型、精炼设计的组合模型识别率可达99.28%,评价指标等均有所提升,具有更高的故障诊断准确度,证明了智能优化深度网络能进一步提高轨道电路的故障诊断性能。

基于优化变分模态分解的轨道电路信号分析方法

针对轨道电路设备应用场景多样且复杂电磁骚扰源影响轨道电路信号传输的问题,提出一种基于麻雀搜索算法(Sparrow Search Algorithm,SSA)的优化变分模态分解方法 (Variational Modal Decomposition,VMD),实现轨道电路信号分析处理。首先,通过基于平均包络熵适应度函数的麻雀搜索算法,实现VMD关键参数的优化选取;其次,采用优化参数的VMD方法,分离深度耦合的轨道电路信号和随机骚扰,实现强噪声背景下轨道电路信号的检测以及骚扰成分的提取和降维;最后,基于Matlab生成仿真混叠信号进行验证,对比提出的SSA-VMD轨道电路信号处理方法与现有信号自适应分解方法的处理效果。结果表明:SSA-VMD方法较现有方法在准确性上有较大优势,处理后信号的信噪比提升可达30 dB;同时,使用现场实测含噪数据验证也表明,SSA-VMD方法对于轨道电路信号的分析处理能达到预期的应用效果。

检修接地不平衡传输条件对轨道电路的影响研究

为分析在接触网检修接地时,由单根轨条和回流线短接产生的不平衡条件对25 Hz相敏轨道电路的影响,在六端网络的基础上建立轨道电路不平衡传输模型,通过仿真计算和对比,得到在不平衡传输条件下,信号接收端轨面电压的衰减和扼流变压器上不平衡牵引电流,随道床泄漏导纳、单轨条接地位置、吸上与横向连接设置变化的关系,并利用实验数据和现象验证计算结果。结合实际案例中检修接地的不平衡传输条件导致轨道电路“红光带”问题,给出其产生原因,并验证上述理论。给出减少不平衡传输条件对轨道电路造成影响的方法,尽可能避免该类型“红光带”问题的出现。

用于激光无线能量传输的分布式最大功率点追踪系统研究(内封面文章)

在激光无线能量传输中,由于瞄准系统误差和物体遮挡的影响,光电池阵列接收到的激光辐照分布不均匀,导致光电池阵列组串内的电池间出现电流失配,输出功率下降。针对该问题,采用分布式最大功率点追踪(Distributed Maximum Power Point Tracking,DMPPT)技术,减少光电池阵列组串内的电池间电流失配,并用并联型Boost(PT-Boost)电路替代传统Boost电路,降低DC/DC转换器的输入电流纹波,使DMPPT系统获得高追踪效率。实验结果表明,相较于传统Boost电路,PT-Boost电路的追踪效率提高3.6%,达到93.5%。在上述研究的基础上,设置了遮光率分别为0%、25%和50%的激光无线能量传输场景,DMPPT系统整体效率分别达到了93%、92.6%和90.3%。该研究结果对激光辐照不均匀场景下激光无线能量传输的最大功率点追踪指导意义。

25 Hz相敏轨道电路与ZPW-2000A结合处的逻辑检查故障分析

25 Hz相敏轨道电路与ZPW-2000A轨道电路特性不同,但在自动闭塞及站内电码化改造过程中两种制式轨道电路常结合应用。不同的特性会导致结合处的逻辑检查失效。针对场联进路无法正常解锁、三接近闭塞分区遗留失去分路故障进行分析,介绍故障发生的场景及原因,并讨论计算机联锁、列控中心、区间综合监控系统以及继电逻辑检查电路对于此类故障的解决方案,为后续工程设计及故障处理提供参考。

基于协同优化策略和人工蜂群算法的轨道电路邻线干扰防护研究

高速铁路车站运营场景复杂,易引发轨道电路邻线干扰,造成信号误解码和误显示,影响列车安全高效运行。基于空间耦合和传导耦合原理,根据高速铁路轨道电路特点和结构,分别建立传输线路阻抗平衡和不平衡条件下的复杂场景邻线干扰计算模型;考虑机车动态运行条件,完成最不利情况下邻线干扰量值的定量计算,并利用ANSYS平台完成计算结果的有限元仿真验证;针对邻线干扰还受到发送电平等级、补偿电容数量和容值、线路并行长度、道床电阻、分路电阻、线路间距等参数叠加和相互制约的影响,采用人工蜂群(Artificial Bee Colony,ABC)智能算法,提出基于多参数协同优化策略的邻线干扰防护对策,给出各参数相应最优取值及其对信干比(Signal-to-Interference Ratio,SIR)影响重要度。结果表明:邻线干扰量值超过车载机车信号灵敏度将导致解码错误;应用提出的防护对策对现场邻线干扰工程案例中线路并行长度和发送电平等参数进行优化,SIR可提升14.6 dB。研究结论可用于高速铁路轨道电路配置及优化实践,为防护邻线干扰提供工程参考和分析验证。