基于400M+400K感应通信的电气化铁路隧道作业设备

基于400M+400K感应通信的电气化铁路隧道作业设备

的应用研究

郭威

（中国铁路呼和浩特局集团有限公司科研所  内蒙古呼和浩特市  010050）

摘 要：感应通信应用于铁路无线通信中，可以克服山区电气化铁路因地势和隧道等因素造成的通信死区及通信不畅。有着其他无线方式无法比拟的特点及优点。本文从工务段现场施工中存在问题入手，提出了隧道作业施工手持台弱场区补强的可行性方案，为解决隧道内通信不畅的问题，设计出一种400KHz+400MHz感应中继台通过载波方式，进行高速的信号传输，可以有效解决隧道等弱场区通信不畅的问题。

关键词：感应通信；场强分布；电气化铁路

1 引言

山区电气化铁路工务段施工、抢险、防洪、维修工作和区间移动施工人员的安全防护通信，因山体阻隔和隧道吸收形成无线通信的弱电场区，不能实施或不能可靠实施无线通信联络，一直是困扰工务的难题。

既有区间施工防护联络通信的方式是在车站运转室设防护员（驻站联络员），通过工务专用有线对与施工点附近通话柱处设的电话防护员联络，电话防护员再用便携无线电话机与工地防护员联络，由此来实现工务施工防护联络。这种防护联络方式不仅因增加了电话防护员的中转环节而延误时间，而且还增加了出现差错的可能。在隧道内一般没有电话柱，需要时则在中间增加联络防护员或从外面电话柱拉线，长距离的拉线不但带来许多不便。而且在电气化区段，由于接触网导线27.5kv电压感应，会在电话线上产生较高的感应电压，这不仅对人身安全造成威胁，也造成通话质量下降。更主要的在于受地形及设备条件的限制，使电话防护员与工地防护员间，在相当多的地点不能实施或不能可靠实施无线通信联络。

为解决隧道内通信不畅的问题，呼铁局科研所项目组设计出一种感应中继台，利用电力载波通信技术，并利用现有的电力线即接触网，将手持台发出的信号通过感应中继台耦合到接触网上，通过载波方式，进行高速的信号传输，可以有效解决通信不畅的问题。

2感应通信在铁路中应用现状

无线中继在科技飞速发展的今天，信息通信是人们快速获取、发布和传递信息的重要渠道，在人们政治、经济、生活等各个方面发挥着重要的作用。当今的通信技术是先进的数字技术、计算机技术、微电子技术与光电子技术的有机结合体，它将向着数字化、宽带化、智能化、高速化及个人化的方向发展。未来的通信要彻底克服时间与空间的限制，能够使用户在任何时间、任何地点与任何人进行包括语音、数据和视频等信息的交流，因而无线通信在铁路通信中起着举足轻重的作用。虽然新的通信手段功能多、质量好，但造价大、所需维护水平要求高，这对我国的铁路目前现状来说也是不现实的。在山区电气化铁路地区，由于地质和隧道等的因素，造成一般无线电台通信死区多，不可靠，而山区铁路险情多，条件差，为了安全运输，迫切需要无线列车调度通信。同时区间的施工、抢险、维修等移动地点也需要无线防护。感应通信的出现，解决了这些地区的移动通信。

从感应通信的传播过程来说，它既具有移动无线通信的灵活性，又具有有线传输的特性，通过选择适当的频率和糊合空间，减少耦合衰耗，经波导线的引导传输，解决了山区、隧道内、井下等弱电场现象，保证了在这些地区建立可靠的移动通信。感应通信虽然不是最先进的移动通信技术，但有它具有独特的优点。

3 系统原理

从电磁场理论我们知道，不仅电荷能产生电场，电流也能产生磁场，而且变化的电场也能产生磁场，变化的磁场又能产生电场这样就产生了电磁波，电磁波传播的速度是c=3x10米/秒。根据场的定义，场在-个周期内传播的距离称为波长。即周期和传播速度C的乘积相当于波长λ=c/f。

频率从几十赫(Hz)到3000千兆赫(GHz)左右范围内的电础波，通常称为无线电波。不同频率范围的电磁波，它的产生方式，传播方式、性能造和用途都有很大不同，一般所说“电波”，就是指无线电波。

经分析我们知道感应电台天线周围存在着感应场和辐射场，对于几何尺寸小于波长λ的天线，其辐射能量较低，而储存的不向外辐射的无功能量在总能量中占相当大的比例，当导线接近于天线时，根据电磁感应原理，导线吸收了辐射场的辐射能量和感应场的储存能量，这些能量在波导线上将产生较高的感应电动势，并沿波导线传输。这就是感应通信的传播过程，也是感应通信的名称由来。

当导线切割了天线辐射出交变的电磁波时，在导线上产生了感应电动势，因而产生了感应电流。由于导线的引导，电磁波就不会扩散到漫无边际的空间去，被引导的电磁波称为电磁波导或定向电磁波，用来引导电磁波的导线称为波导线，我们将感应天线置于波导线下(成附近)，感应天线与波导线的距离远小于工作频率的波长，在天线电磁场(辐射场和感应场)作用下，产生的感应电流沿着波导线流动，流动的电流又在波导线周围产生电磁场，形成第二次辐射，在一定远的距离上，波导线附近的天线将通过感应方式接收到信号。

我们知道，感应是相互的，发射机天线将信号感应到波导线上，同时波导线上感应的各种扰信号反过来也可感应到接收机天线上，所以波导线尤为重要，往往很多干状源来自波导线。由于接触网导线上有两万多伏高压，本身就存在较强的电磁场。电气化铁路的所有电气谐波干扰和较低的工频谐波干扰将直接影红响感应通信的通信质景，同时接触网导线的衰耗及干扰与接触网导线通电和不通电不-样，通过机车、通过机车多少与不通过机车也不一样，一且产生干扰信号，通过接触网导线即波导线，干扰信号反过来也可以经天线感应到接收机上，造成通信质量下降，甚至不能通话。感应中继台，使用400K感应通信技术，利用电力线信号传输，采用400K到400MHz转发的方式，解决电力区段弱场通信问题。系统由400M+400K 感应电台及过相装置构成。组网时按常规方式设置手持台，并在接触网分相处设置过相装置。

4 系统实现

在理念上使用了模块化设计，根据不同的功能、类别、功耗等分类方法，将设备分模块设计。并充分利用既有设计，减少重复开发，减少设计风险。

主要体现在这几方面：

（1）独立的电源单元，分离高功耗的、高发热量的电源部分。电源管理、电池充放电控制使用独立的电源控制板，减少大功率器件对主控板的干扰。

（2）USB数据下载接口，采用LPC1766单片机自带的嵌入式USB主机控制器，该主机控制器遵循OHCI规范，利用该主机控制器既可以和具有USB从机控制器的嵌入式设备进行点对点的通信，即可以通过U盘将数据拷贝至PC电脑进行分析处理。

（3）以太网接口，LPC1766单片机包含一个功能齐全的10/100Mbps以太网媒体接入控制器(MAC)，可以通过RMII接口与物理接口收发器(PHY)组成一个完整的以太网控制器，PHY器件选用DP83848器件。DP83848器件是美国国家半导体公司生产的一款鲁棒性好、功能全、功耗低的10/100Mbps单路物理层(PHY)器件。它支持MII(介质无关接口)和RMII(精简的介质无关接口)，使设计更简单灵活，同时支持10BASE-T和100BASE-TX以太网外设，对其他标准以太网解决方案有良好的兼容性和通用性。

（4）通过在无线收/发单元与400M天线之间串接一个射频信号监测单元，通过能量耦合的方式，获取到一部分无线收/发单元发射的无线射频信号和天线反射回来的无线射频信号，并通过信号处理和分析，实现了设备发送信号质量和功能的全过程检测，对设备的发射功率、天线驻波比等关键性能参数指标的检测和监测功能，提高了设备的安全性和可靠性。体方案参照简化OSI七层体系结构，自下而上分别为：物理层(PL)，数据链路层(DLL)，呼叫控制层(CCL)。物理层主要实现比特同步、帧同步、接收和发送数据等。呼叫控制层主要功能是对链路层的转发进行控制。而数据链路层是实现链路层的编解码与转发。定时器则提供各个模块时间信息。

5结论及展望

呼铁局很多线路具有山区电气化铁路明显特征，地形地貌复杂，自然条件恶劣，隧道内、沟壑中、弯道处存在大量无线列调400M信号传输盲区。使用400KHz+400MHz感应中继电台双频段合一无线通信系统，既保证了区间隧道信号弱场区信息传输，又保证了站内和平坦地区的接收，满足山区电气化铁路感应无线通话要求。

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