音频轨道电路工作原理（音频模拟轨道电路)

轨道空闲状态检测是闭塞技术的核心组成部分，通过对轨道状态占用与否的检测，对信号机发送相对应的指令，提醒追踪列车，从而避免列车在闭塞分区内相撞的事故发生。常见的轨道空闲状态检测方式包括：轨道电路和计轴器，轨道电路中有一种音频轨道电路的技术路线，音频轨道电路又分为音频模拟轨道电路和音频数字轨道电路。

有关音频轨道电路工作原理的问题困扰我已久，在国内网站上尝试过多次搜索都未见清晰详细的解释，在编辑硕士论文的过程中，在德国网站看到一篇有关2009年华盛顿地铁事故分析的文章（德国信号楼技术网站），当时的地铁系统使用了音频轨道电路技术，该系统的失效导致了列车追撞事故的发生。为了清晰分析事故原因，文章作者非常详细的介绍了音频轨道电路的工作原理（佩服德国人），我特意翻译并整理成中文，留作备份和各位同仁的学习参考。

三种常见的轨道空闲检测方式，图片取自常年处在生死线的“危机”百科

2009年6月22号发生在华盛顿特区Metrorail的列车追撞事故是由于音频轨道电路的失效导致的，而然这种失效模式之前从未被人注意过。美国国家运输安全委员会NTSB在2010年出具了一份150页的报告对此次事故进行说明。（NTSB国家运输安全委员会，150页报告原文）

接下来，闲话少叙，直接上干货。

我会借助几张简图对音频轨道电路的工作原理进行描述，先看图1。

图1

图片中两条粗线表示铁轨（在下一个张图片中将会有一列列车驶过）。黄色加粗的箭头表示电流的流动方向，下面让我们按照顺序一点点梳理。

• 右下角由两条波浪线和正方形边框表示的装置称为“振荡器”，用来产生正弦电压。在华盛顿的地铁系统中，交流电电压的频率大约在2kHz~4kHz之间，这一频率的电压将会在扬声器中生成一个人耳（人类的听力范围在20Hz到10kHz之间）可以听到的声音。这也就是为什么这一装置被称为“音频”轨道电路的原因，也就是说，人可以听得到。输出的电压使用一条位于“振荡器下方”的黄色曲线（正弦曲线）来表示。
• 之后通过两极线缆（用斜线和数字2表示的连线，貌似表示有两根导线的线缆，具体含义不知，望高手解答）将产生的正弦电压传递到下一个装置中。
• 下一个装置被称为“放大器”（用＞号和正方形边框表示的装置），该放大器可以用于增强输入的电压，从而使其可以在钢轨中有效传导。右下方振幅明显变大的橘黄色曲线表示被放大的正弦电压。
• 放大后的正弦电压通过轨道变压器“耦合”到轨道中。轨道变压器位于图1右上方，两个螺旋线圈和两条竖线表示的装置。该变压器仅作为“电流去耦”的功能来使用，也就是说避免轨道中的直流电（列车电机输出的牵引回流）干扰、影响甚至是破坏音频轨道电路中的电子设备。

以上的描述介绍了轨道电路供应端的原理的工作情况。

• 变压器接收端的正弦电压接下来会通过钢轨进一步传递（可以说成是“开放式的两极线缆”）。这也正是轨道电路其本来的目的。至于列车驶过这一区段的钢轨时会发生什么，将在随后进一步说明。

轨道电路的另一端是接收端，下面将对这一端进行说明：

• 钢轨中的正弦电压流经另一个轨道变压器并感应出一个电压，该电压将会被传导至接下来的过滤器（用字母F和方框表示）。过滤器接收到的电压用橘黄色的正弦曲线来表示，观察后可以发现，该橘黄色曲线的振幅要稍小于右下角放大器产生的橘黄色曲线（两处曲线均表示电压的大致波动特性）。电压的降低是由于轨道的纵向电阻和经过横向道床时流失掉的电流导致的。
• 交流电压随后被过滤器捕捉。在此处例子中，流过过滤器（或者称之为滤波器）的正弦电压几乎不发生改变。至于过滤器的作用将会稍后进行解释。
• 之后的交流电将会通过二极管符号表示的装置被整流。
• 流出整流装置的直流电最终流入轨道继电器（斜线和矩形边框表示的装置），并最终向安全装置传递：“轨道区段净空”指令。

那么当列车经过轨道区段时会发生什么呢？在图2，将会对该种状态进行阐述。去分析列车是怎样将轨道电路短路的。

图2

由于蓝色的列车车轴（相当于导线）将轨道电路从中短路，将不会再有正弦波流向左侧的轨道变压器，因此过滤器和轨道继电器也不会有电流经过。继电器接触点落下，安全装置将此状态评定为“轨道被占用”。与此同时，闭塞区段开端处的信号机显示停止信号。

这种使用静态电流原理（Ruhestromprinzip）的轨道电路有如下优点：

• 当电源供应端失效时（由于断电、线缆损伤、电子设备零部件失效或者其他原因），供应端同样无法接收到电流，轨道继电器在这种情况下会落下。安装装置将会把这些所有可能出现的错误评价为轨道被占用，也就是说，危险的状态发生时，先对应闭塞区段的信号机显示停止信号。
• 当轨道断裂或者是输电线路出现损伤（导线断裂和短路同时发生）也会导致轨道继电器接触点落下，从而安全装置将状态定义为“轨道被占用”。

这一系统安全设计原理被人们称之为"Fail Safe，故障导向安全"。当出现故障Fail时，系统应自动导向Safe安全。这是铁路系统设计中非常重要的基本原理。对于一个技术的系统来说更像是一种非传统的行为，因为大多数的失效都会导致一个有问题的事件，该问题事件进而衍生出风险。然而轨道电路的Fail-Safe特性使其避免了这种常见问题的发生。