JT1-CZ2000一体化机车信号 车载系统设备原理 北京交大思诺科技有限公司 2007年8月

提纲 1 概述 2 系统总览 3 地面轨道电路简介 4 系统设计 5 主机工作原理 6 设备安全性与可靠性 7 主要技术指标

1 概述 JT1-CZ2000型一体化机车信号车载系统设备。该设备是按照铁道部2000年立项的“主体化机车信号设备的研制”项目，从提高机车信号车载设备系统可靠性、安全性，满足机车信号主体化的要求研制的新一代机车信号设备。该设备由北京交通大学研制，铁路信号专业工厂生产。设备采用了“2×二取二”的冗余容错安全结构，满足铁路信号设备的“故障－安全”要求。

1 概述 设备符合科技运函2006 [82]号《JT-C系列机车信号车载系统设备技术规范（暂行）》和运基信号2006 [243]号《JT-C系列机车信号车载系统设备安装规范（暂行）》。 设备适用于运行速度160km/h及以下的内燃机车、电力机车、动车组。

1 概述 标准号 标准名称 科技运函[2006]82号 JT-C系列机车信号车载系统设备技术规范（暂行） 运基信号[2006]243号 科技运函[2004]114号文件 主体机车信号系统技术条件（暂行） TB/T 3021-2001 铁道机车车辆电子装置 TB/T 3034-2002 机车车辆电气设备电磁兼容性试验及其限值 TB/T 3058-2002 铁路应用机车车辆设备冲击和振动试验 TB/T 3060-2002 机车信号信息定义及分配 TB/T 1484.1-2001 第1部分： 额定电压3kV及以下电缆 GJB 2889-1997 XC系列高可靠小圆形线簧孔电连接器规范 IEC 62278 铁路应用：可靠性、可用性、可维护性和安全性（RAMS）规范和说明 IEC 61508 电气/电子/可编程电子安全相关系统的功能安全

2 系统总览 2.1 功能 2.1.1 适用轨道电路制式 序号 适用地面制式 说 明 1 交流计数 25 Hz 50 Hz 2 移 频 说 明 1 交流计数 25 Hz 50 Hz 2 移 频 四信息 新标准（TB/T3060-2002《机车信号信息定义及分配》） 1.9模式 3 极 频 4 单轨条 显示结果同移频新标准TB/T3060-2002 5 ZPW2000/UM71 广深线模式 新标准（科技运函[2006]82号《JT-C系列机车信号车载系统设备技术规范（暂行）》） 6 UM2000 秦沈线引进TVM430信号

2 系统总览 2.1.2 信号输出 主机接收地面轨道电路信息，对应输出8个不同的灯位信息和3位速度等级信息，译码输出满足表2-2。 主机同时输出过绝缘节信息JY和制式信息ZS。

信号输入输出信息表 输 入 信 息 输 出 信 号 TB/T3060-2002 移频（DGT） "1.9"移频 交流计数/极频 输 入 信 息 输 出 信 号 TB/T3060-2002 移频（DGT） "1.9"移频 交流计数/极频 ZPW2000 广深UM71 信号显示 SD1 SD2 SD3 Hz Hz/代码 22.4 BS 白闪 1 无码 B 白 21.3/L5 L 绿 23.5/L4 9.5 10.3 / L3 11.4 8.5 12.5 / L2 12.5 13.6 11 绿码 11.4 / L 16.9 9 LU 绿黄 14.7 13.5 13.6 / LU 10.3 黄码 15.8 / LU2 U 黄 15 16.9 / U 18.5 15.8 17.5 20.2 / U2S U2S黄2闪 16.5 14.7 / U2 18 U2 黄2 双黄码 19.1 UU 双黄 22.5 21.5 19.1 / UUS UUS双黄闪 20.2 20 18 / UU 24.5 24.6 / HB HUS红黄闪 23.5 HU 红黄 24.6 26 红黄码 26.8 / HU 26.8 29 / H 29 H 红

2.2 构成 系统构成（双端安装）

机械室 机车II室 机车I室 机车信号主机 JTI型机车信号设备平面布置图

2.3 机械接口 设备的机械连接采用了符合“GJB2889-1997 XC系列高可靠小圆型线簧孔电连接器”标准的XC系列连接器和符合“TB/T 1484.1-2001 第1部分：额定电压3kV及以下电缆”相关要求的具有“阻燃/屏蔽”特性的电缆。 主机共有9个连接器，8个在机箱背面板，1个在机箱前面板。每个机车信号机有2个连接器，在机车信号机的下部。

2.4 电气接口

3 地面轨道电路简介 轨道电路是为了检查列车或车辆占用钢轨线路状态，以铁路的两根钢轨作为导体，两端加以机械绝缘或电气分隔并接上送电设备和受电设备构成的电路。 轨道电路电码化是为了保持机车信号设备能连续不间断地接收到前方信号点传送的信息，保持机车信号设备不间断工作，在连续式轨道电路上，当列车接近或进入轨道电路区段时，向钢轨线路发送机车信号所需电码的方法。

3 地面轨道电路简介 自动闭塞区段的轨道电路一般都直接带有连续的机车信号信息。而不带机车信号信息的自动闭塞区间或车站，为了使机车信号设备能连续不断地接收到信息，都设置了电码化设备。当前实现轨道电路电码化的方式有切换式、叠加式和预叠加式3种。 国内常见的自动闭塞轨道电路制式有交流计数电码自动闭塞，国产移频自动闭塞，ZPW2000系列无绝缘轨道电路自动闭塞。另外还有少数区域应用极频自动闭塞，单轨条轨道电路，UM2000数字编码无绝缘轨道电路等轨道电路制式。

3.1 交流计数 交流计数电码轨道电路是以不同数目的交流电码作为信息电流向钢轨中传输的轨道电路。该种轨道电路制式是中国20世纪60年代开始应用的一种主要轨道电路制式。现在还在使用中的交流电流的频率有2种：25Hz，50Hz。25Hz交流计数电码轨道电路适用于交流电气化铁路区段；50Hz交流计数电码轨道电路适用于非交流电气化区段。

3.1 交流计数 交流计数电码示意图

3.2 国产移频 移频轨道电路是通过向钢轨线路传送移频特征的信息电流的轨道电路。移频是频率调制方式中的一种制式，移频轨道电路电流波形见图3-2。

3.2 国产移频 国产移频的载频中心频率f0有550Hz，650Hz，750Hz，850Hz 4种。f1和f2由频偏Δf决定。国产移频的Δf＝55Hz，所以f1=f0+55Hz称为上边频；f2=f0-55Hz称为下边频。

3.3 ZPW2000 系列 UM71是谐振式电气隔离无绝缘轨道电路，该轨道电路是中国从法国CSEE公司引进的。 UM71型无绝缘轨道电路是移频轨道电路的一种类型，它的载频中心频率f0分别为1700Hz，2000Hz，2300Hz，2600Hz 4种，上行线为2000Hz和2600Hz交替使用，下行线为1700Hz和2300Hz交替使用。频偏Δf＝11Hz，f0+Δf为上边频，f0-Δf为下边频。低频调制频率共18个，从10.3～29Hz按等差级数递增，每隔1.1Hz一个。

3.3 ZPW2000 系列 ZPW2000无绝缘轨道电路是中国在UM71轨道电路基础上自行研制的一种无绝缘多信息移频轨道电路。下行线路的载频中心频率是：1700-1 (1701.4Hz)，1700-2 (1698.7Hz)，2300-1 (2301.4Hz) 和2300-2 (2298.7Hz)，上行线路的载频中心频率是：2000-1 (2001.4Hz)，2000-2 (1998.7Hz)，2600-1 (2601.4Hz) 和2600-2 (2598.7Hz)。频偏为±11Hz。低频调制频率共18个，从10.3～29Hz按等差级数递增，每隔1.1Hz一个，不同于UM71只使用14个低频，ZPW2000 18个低频信息全部使用。

3.4 极频 极频轨道电路是在钢轨线路上传输脉冲的极性和频率特征信息电流的轨道电路，是极性频率脉冲轨道电路的简称。通过钢轨作为传输通道，可传输不同极性和频率脉冲的信息。

3.5 单轨条 单轨条轨道电路是利用一根轨条通过牵引电流时的轨道电路。由于轨道电路两端有钢轨绝缘，在电气化区段使用轨道电路时，必须让牵引电流的回流顺利地通过轨道电路。

3.6 UM2000 UM2000型无绝缘轨道电路，是法国CSEE公司生产的一种无绝缘数字编码轨道电路。与相应的车载部分一起构成了TVM430列车控制系统。目前在我国秦沈客运专线上使用。

4 系统设计 4.1 方案设计 设备系统设计从整个系统的安全性、可靠性、可用性、可维护性出发，确定以下方案： (1) 为了进一步提高设备的安全性，采用国际铁路信号系统成熟的结构方案之一的双机比较结构，即“二取二”的安全结构。

4.1 方案设计 (2) 设备研制必须从系统的角度提高其可靠性，包括电源、主机、接收线圈、机车信号机、以及电缆和电连接器等部分。设备研制时增加机车信号记录器以及系统测试设计，来提高整个车载系统的可靠性、可用性。 (3) 采用先进的32位浮点DSP技术实现信号时域和频域相结合的处理方法，提高信号处理速度和接收可靠性。

4.1 方案设计 (4) 开发功能完善的机车信号记录器，记录器可记录设备工作状态信息、环境信息，同时可记录设备接收的原始波形信号。记录器与机车信号主机一体化设计，避免在机车信号主机的输入输出线上增加外部连接，克服由此产生的对安全性、可靠性不利的因素。

4.1 方案设计 (5) 开发完善的测试系统，包括研发时使用的VXI总线自动抗干扰测试系统，以及生产、维护时使用的地面测试台、车载便携式自动测试仪等。 (6) 机车信号远程监测开发，利用日益发展的无线手段，将机车信号数据实时发回地面中心，为设备的使用监测，故障及时分析处理，设备的维护管理创造条件。

4.2 主机 主机是设备的核心部分。主机将接收线圈接收到的地面轨道电路信息进行分析处理，输出译码结果，控制机车信号机显示，并将输出结果提供给列车运行监控记录装置作为控制基础信息。 省去了主机和接线盒之间的所有连接电缆与连接器，简化了设计，提高了可靠性

4.2 主机 主机内部配线采用WAGO端子，不再使用原来的焊接工艺，提高了配线速度，改善了连接的可靠性。 取消了原来安装在机箱上的保险管座，代替的是电路板上安装的保险座，比原来的连接更可靠。 机箱采用电磁兼容设计，提高了设备抗干扰能力，减少了设备对外干扰。

主机前面板布置图

4.2.1 主机板 一个主机中有2块主机板，构成双机热备冗余结构。 主机板是主机的核心部件，负责实现对接收到的地面轨道电路信息进行处理，并完成向后级设备的并口和串口输出控制。 主机板采用“二取二”故障安全结构。 主机板采用底板上插CPU板的形式，方便了软件升级、故障定位。 信号输入部分采用隔离放大器，以减少传统分立元件的离散性，并提高可靠性。

4.2.1 主机板 输出采用继电器控制灯位信号输出，用光电耦合器件控制其它信号的输出。输入采用光电耦合器件隔离输入。 主机板输入供电为DC 48V，电源模块将电源板提供的DC 48V转换为DC 5V电源，供主机板上各个器件工作。 主机输出点灯电源为受主机输出动态控制的48V电源。 主机内使用了高安全性的3路相互独立的动态监督电路

4.2.2 电源板 主机中有2块电源板，构成热备冗余。 每块电源板上有一个DC 110V变48V电源模块，输出一路常有的DC 48V电源供主机板和记录器板工作，另外输出一路受主机板输出的动态信号控制的DC 48V动态点灯电源。动态信号消失时点灯电源关闭，动态电源满足故障安全。 两块电源板常有的DC 48V经过二极管并联到一起，共同向主机板、记录板和其它辅助电路供电，而动态电源只供给各自受到控制的主机板。

4.2.2 电源板 电源块的主要技术指标为： (1) 输入电压范围：77～138V； (2) 输出电压48±2.4V，噪声电压（Vp-p）不大于480mV； (3) 主路额定功率18W，动态受控路额定功率10W。 电源板1面板上设置有“运行/测试”开关、“I端”和“II端”按钮、LX30测试插头。

4.2.3 连接板 连接板上利用两个继电器实现双套主机的主备切换控制，该继电器加有缓放保持电容，防止信号闪灯输出时，主备机由于闪灯断电引起的错误切机。 连接板实现原来接线盒中I、II端接收线圈选择切换控制功能，使用了2个双极保持型继电器，防止使用单个多组接点继电器故障引起无法切换问题。 连接板使用1个双极保持型继电器实现I、II端开关（上下行开关、模式开关）工作电源控制选择。

4.2.3 连接板 接收线圈匹配负载电阻设计在连接板上，方便主机配合单线圈使用时更改设置。 连接板前面板上设置6个指示灯用于指示A、B主机板工作状态，另外增加了2个指示灯用来指示上下行信号输入。 连接板前面板上A、B按钮用于实现强制A、B主机板成为工作主机。 主机板A、B的电源输入保险管座设置在连接板上。

4.2.4 记录器板 记录器可以记录机车信号运行中的状态信息，以及机车信号接收的原始地面波形信号 记录器以独立插板形式插在主机箱内，实现对设备运行情况的记录。 记录器故障后不影响设备其它部件的正常工作。 记录器板电源输入为DC48V，第一级电源模块输出5V给记录器板作为主电源。CPU板上开关电源转换出3.3V、1.9V供给处理部分使用。

4.2.4 记录器板 记录器板采用隔离方式接收并记录主机或者外部设备的串口信息， 采用隔离放大器采集接收线圈信号。 记录器板内另外贴装了温度传感器测量主机箱内温度。 记录器板以大容量CF卡作为存储介质 无压缩地记录地面信号波形信息。 可以采用U盘作为转储，也可以采用拔CF卡的方式转储记录的全部信息。

4.2.4 记录器板 对原始波形信号的记录可以选择数种模式 CF卡中文件记录采用循环覆盖方式 记录器板还集成了DTU的控制功能 记录器主要记录以下状态信息： (1) 条件输入信息： 机车载频切换装置状态、机车运行方向等； (2) 机车信号输出信息： 灯位、速度等级、制式、绝缘节、工作主机、主机工作状态等；

4.2.4 记录器板 (3) 主机信息： 信号载频、信号低频、信号幅度、故障代码、应答器信息、430信息、条件设置线、载频切换状态信息等； (4) 运用环境信息： 主机箱内温度、110V供电状态； (5) 辅助信息： 记录器内时刻，来自TAX2箱的线路公里标、机车号、速度、时刻、信号机类型和编号、车站号、司机号等。

4.3 信号机及开关 设备使用双面八LED显示信号机 信号机下部设置有载频选择开关（上下行）和模式选择开关（可选）

4.4 接收线圈 双录接收线圈 双线双出，隐蔽出线，金属保护管

4.5 远程监测装置 机车信号远程监测装置DTU是本设备的组成部分。

4.5 远程监测装置 无线远程监测系统的特点有以下几点： 及时性强，在地面客户端可及时了解机车信号 信息； (2)覆盖面广，中国移动GPRS业务覆盖地区均可使用； (3)双向传输，车载终端可接收用户发出的查询命 令，系统可实现车载和地面信息的双向传输； (4)信息丰富，包含机车信号点灯信息、设备状态 信息、地面轨道电路信息、机车定位信息； (5)事件揭示机制，可有选择地关注不同事件，不至于被海量信息淹没。

5 主机工作原理 主机采用“2×二取二”的热备冗余的容错安全结构，保证设备的可靠性和安全性。主机采用频域与时域相结合的译码方式，提高了译码准确性和可靠性。 5.1 二取二原理 每块主机板采用二取二容错安全结构，其含义是每块主机板中有2路独立接收译码通道，2路的译码输出进行比较，比较一致才有有效输出。

5.1 二取二原理

5.1 二取二原理 串口输出控制

5.2 双机热备原理 双机热备是指由主机内双套主机板、两块电源板、双路接收线圈共同组成的双套热备。 主机的双套切换继承了传统机车信号成熟的双套切换电路：主机上电后随机由双套主机板中的一套占据输出位置，即处于工作状态，另外一套为备用状态。当占据输出位置的主机（包括前级输入通路）故障时将自动关断点灯电源，从而失去输出位置状态，如果备机点灯电路正常，它会获得输出位置状态，从而实现双机的自动切换。

5.2 双机热备原理

6 设备安全性与可靠性 6.1 安全性 主机采用“二取二”的安全结构，采用经原JT1-A/B设备验证的故障安全措施，增加了由动态信号控制的点灯电源，多项措施来保证安全性。

6.2 可靠性 (1) 设备采用双路接收线圈，当一路线圈、线圈电缆、接插件、前后端接收线圈切换电路等发生故障时，另一路接收线圈仍可维持系统工作，从而提高系统可靠性。 (2) 采用双路冗余的110V变50V的供电电源给接收主机和机车信号机供电。 (3) 改进的双机热备切换结构，保证双机热备可靠切换。 (4) 改进电源保护电路，提高电源系统的可靠性。

6.2 可靠性 (5) 采用双面八显示LED机车信号机。每个LED为双路并联显示，单路故障后只是亮度减半，并不直接影响使用。而且从三年来的使用经验上看，LED基本不故障。 (6) 改进JT1-A/B变压器隔离输入电路为隔离放大器电路，减小了原变压器磁性材料电气特性离散性，减少了引线断线等问题。 (7) 改善电磁兼容特性，做到任意抽取一套设备都能通过铁道部电磁兼容标准试验检验。

7 主要技术指标 7.1 输入输出信息 主机直流输出信息的指标： (1) 直流电压：35V～60V为高电平（“1”），低于10V为低电平（“0”）； (2) 输出信息驱动能力：12～20mA，内阻不大于200Ω，杂音电压小于5％。

7.2 机车信号灵敏度 载频Hz 550 650 750 850 电化 区段 钢轨最小短路电流mA 150 120 92 66 机车信号灵敏度（移频） 载频Hz 550 650 750 850 电化 区段 钢轨最小短路电流mA 150 120 92 66 机车信号灵敏度 钢轨短路电流值mA 113±11 90±9 69±7 50±5 非电 化区 段 50 40 33 27 40±4 32±4 26±3 22±3

7.2 机车信号灵敏度 机车信号灵敏度（ZPW2000系列） 载频Hz 1700 2000 2300 2600 钢轨最小短路电流值mA 500 450 机车信号灵敏度 钢轨短路电流值mA 310±31 275±28 255±26 235±24

7.2 机车信号灵敏度 机车信号灵敏度（交流计数） 信号频率（Hz） 25 50 75 机车信号 灵敏度指标 短路电流值（连续电流值A） 1.05±0.1 0.75±0.15 ——

7.3 应变时间 (1) 设备接收ZPW-2000系列信息时，应变时间应不大于下表所规定的时间 ZPW-2000系列应变时间表 低频信 Hz 10.3 11.4 12.5 13.6 14.7 15.8 16.9 18 19.1 应变时间 s 2.0 1.9 1.7 1.6 1.5 1.4 1.3 1.2 低频信息 20.2 21.3 22.4 23.5 24.6 26.8 29 有信息到无信息 1.0 0.9 0.8 4

7.3 应变时间 (2) 设备接收移频信息时，其应变时间为：转换为L、LU时的应变时间不大于2s，其他不大于1.5s；从有信息到无信息的应变时间不大于4s； (3) 设备接收交流计数信息时，应变时间不大于7s，从L、U、UU信息到无信息的应变时间不大于9s，从HU信息到无信息的应变时间不大于7s； (4) 接收信息从其他制式转为移频或ZPW-2000系列时，信号显示的应变时间不大于2s；接收信息从其他制式转为交流计数时，信号显示的应变时间符合(3)里的应变时间。

7.4 ZPW2000载频切换 7.4.1 地面设备的要求 车站开放侧向接车进路时，在车载设备接收股道信息前地面设备应发送载频切换信息码； 车站开放侧向发车进路时，在列车到达区间前应发送载频切换信息码； 其他需要实现车载设备载频自动切换时，应发送载频切换信息码。 发送载频切换信息码的时间应不小于2s，载频切换信息码的频率、功能应符合下表

7.4.1 地面设备的要求 标号 载频及低频 功能 D1 1700-1, 25.7Hz 车载设备锁定接收1700Hz D2 S1 1700-2, 25.7Hz 车载设备切换到接收1700/2300Hz S2 2000-2, 25.7Hz 车载设备切换到接收2000/2600Hz S3 2300-2, 25.7Hz S4 2600-2, 25.7Hz

7.4.2 《主体机车信号系统技术条件（暂行）》规定的载频自动切换 A. 任何信息掉码大于10s，只接收载频切换信息码（25.7Hz），其他信息停止接收。 B. 收到UU/UUS码后如果接收不到信息，在点白灯前，只接收HU/HUS码；在点白灯后，只接收载频切换信息码。 车载设备应设置载频切换装置，切换装置应设载频指示灯，指示切换后的载频组（1700Hz和2300Hz为1组载频，2000Hz和2600Hz为2组载频）。

7.4.2 《主体机车信号系统技术条件（暂行）》规定的载频自动切换 在下述条件下需要操作载频切换装置进行人工介入： 1) 主机上电后或故障复位后； 2) 机车连挂后始发； 3) 接收载频切换信息码失效后； 4) 非主体机车信号区段。 载频指示灯在主机上电或故障复位后显示灭灯；人工操作后用稳定灯光指示载频组切换结果，自动切换载频后用闪烁灯光指示载频切换结果。

7.4.3 载频自动切换过渡模式 (1) 设备在开机后按照载频选择(上下行)开关设定状态工作。 (2) 地面提供载频切换信息码时（信息码的时间应不小于2s），设备应自动实现载频锁定或切换，其功能应符合表7-7规定。 (3) 收到UU/UUS码，可以接收载频切换信息码，并进行相应载频锁定；如果没有接收到载频切换信息码，按照载频选择(上下行)开关进行信息接收。

7.4.3 载频自动切换过渡模式 (4) 在接收ZPW-2000系列信息时，如果设备处于载频锁定或自动切换状态，机车信号掉码大于10s后，恢复按照载频选择(上下行)开关进行信息接收。 (5) 载频切换开关应设载频切换结果指示灯，指示切换后的载频组（1700Hz和2300Hz为1组载频，2000Hz和2600Hz为2组载频），用稳定灯光指示人工操作后的载频切换结果，用闪烁灯光指示自动载频切换后的结果。

7.5 记录器技术指标 (1) 记录器以独立插板的形式嵌入主机箱，记录器故障后不影响设备其他部件的正常工作； (2) 记录器可记录的信息有： A. 从接收线圈收到的机车信号信息的信号波形； B. 机车载频切换装置状态、机车运行方向信息； C. 机车信号输出信息； D. 主机工作状态；

7.5 记录器技术指标 E. 设备输入电源电压状态、机箱内工作温度 F. 来自TAX箱通信接口的时刻、线路公里标、车站编号、信号机编号等定位信息； G. 机车信号主机的故障信息； H. UM71译码模式选择开关状态。 (3) 采集并记录来自机车信号接收线圈的信号波形，采用无压缩方式存储。 (4) 记录器数据可采用2种方式转储：U盘转储和CF卡转储

7.5 记录器技术指标 (5) 记录器对CF卡有识别功能，通电后会对CF卡进行识别，如果CF卡取出后内部数据改变或更换CF卡，记录器则将会自动对CF卡进行格式化。 (6) 记录器预留CAN总线通信功能。 (7) 记录器具备完善的地面数据处理软件，可实现数据转储、数据浏览、数据检索、数据分析、统计报表、权限管理等功能。 (8) 其它技术参数：

7.5 记录器技术指标 A. 状态信息数据中时间记录的精度为1s； B. 主机箱内温度测量误差不大于3℃； C. 数据在掉电后保持时间为1年； D. 信号波形采集的ADC为14位，采样频率为8KHz；采集信号分析的频率分辨率为0.1Hz；在10～2000mv范围内，电压有效值测量的相对误差不大于±5%； E. 开关量隔离采集电路输入阻抗不小于30KΩ； F. 接收线圈信号采集电路输入阻抗不小于200KΩ。

7.6 接收线圈技术指标 在表7-8所示的钢轨短路电流和频率下，串联后每路接收线圈应达到规定的电压。当一路接收线圈开路时，另一路的接收电压变化不大于15%。 单个接收线圈的每路电感应不小于60mH；直流电阻应不大于8Ω；品质因数应不小于5.5。 频率（Hz） 25 550 650 750 850 1700 2000 2300 2600 钢轨短路电流 mA 1050 113 90 69 50 310 275 255 235 接收电压mV 9.3± 7.5% 15.9± 14.6± 12.4± 10.0± 100 ±