鐵路信號(hào)應(yīng)答器的應(yīng)用分析

趙德生

（南京鐵道職業(yè)技術(shù)學(xué)院，講師 南京，210031）

1 概述

應(yīng)答器設(shè)備是基于電磁耦合原理的高速點(diǎn)式數(shù)據(jù)傳輸設(shè)備，是列車運(yùn)行控制系統(tǒng)中的關(guān)鍵組成部分，用于實(shí)現(xiàn)地—車間的數(shù)據(jù)傳輸，向列車提供所必需的各種點(diǎn)式信息。

各種點(diǎn)式信息包括線路基本參數(shù)、線路速度、臨時(shí)限速、車站進(jìn)路、大號(hào)碼道岔、特殊定位、橋梁隧道、固定障礙物、鏈接等信息，以保障列車安全運(yùn)行［1］。

應(yīng)答器安裝在兩根鋼軌中央，車載天線安裝在列車底部，其主要工作原理是當(dāng)列車通過(guò)應(yīng)答器上方時(shí)，應(yīng)答器接收到車載天線發(fā)射的頻率為27.095 MHz的電磁能量后，將其轉(zhuǎn)化為工作電源，使地面應(yīng)答器中的電子電路工作，以4.234 MHz的中心頻率及±282 kHz的上下邊頻進(jìn)行FSK調(diào)制，循環(huán)發(fā)送1023位數(shù)據(jù)報(bào)文，直至電能消失（即車載天線離去）。車載天線及應(yīng)答器傳輸模塊BTM接收應(yīng)答器發(fā)送的數(shù)據(jù)報(bào)文，經(jīng)過(guò)信號(hào)解調(diào)、報(bào)文解碼后向車載ATP傳輸。

2 應(yīng)答器的原理分析

2.1 無(wú)源應(yīng)答器原理 應(yīng)答器作為一種依靠車載設(shè)備提供電源的設(shè)備，就要求其耗電量低。無(wú)源應(yīng)答器采用低功耗器件，高效的天線結(jié)構(gòu)減少應(yīng)答器自身的功耗［1］。電路原理框圖如圖1所示。

圖1 無(wú)源應(yīng)答器原理框圖

應(yīng)答器要工作在高車速及傳輸速率一定的情況下，就要求其有快速的啟動(dòng)時(shí)間，標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定應(yīng)答器啟動(dòng)時(shí)間要小于150 μs。應(yīng)答器采用高速器件，并對(duì)電源作了特殊處理，使應(yīng)答器在小于150 μs內(nèi)能夠可靠工作。

無(wú)源應(yīng)答器采用雙工多頻共用天線，用于應(yīng)答器能量、信息接收、和信息發(fā)送，對(duì)27.095 MHz信號(hào)具備良好的能量獲取能力和AM及PM響應(yīng)能力；對(duì)中心頻率為4.234 MHz的移頻鍵控（FSK）信號(hào)具有良好的發(fā)送能力。該天線能夠同時(shí)或分別工作在能量接收、信息接收、信息發(fā)送狀態(tài)。

應(yīng)答器天線包括印制電路板上的兩個(gè)半環(huán)形銅箔天線體、諧振電容組、27.095 MHz頻率隔離諧振電路模塊、能量及接收信息提取模塊。能量提取模塊接收車載天線輻射的電磁能量，轉(zhuǎn)化為應(yīng)答器工作所需電源。

應(yīng)答器無(wú)源核心處理模塊得到電源后讀取報(bào)文存儲(chǔ)器內(nèi)的報(bào)文數(shù)據(jù)送給數(shù)據(jù)發(fā)送模塊，數(shù)據(jù)發(fā)送模塊將報(bào)文數(shù)據(jù)以FSK的方式經(jīng)天線發(fā)射出去。只要電源存在，無(wú)源核心處理模塊就不間斷地發(fā)送，這意味著車載天線一直在應(yīng)答器上方。

編程模式條件由9 MHz信號(hào)和天線協(xié)議命令決定。當(dāng)應(yīng)答器收到9 MHz信號(hào)，并且從應(yīng)答器天線接收到協(xié)議命令后，應(yīng)答器進(jìn)入編程模式，可以進(jìn)行應(yīng)答器報(bào)文讀寫(xiě)、應(yīng)答器ID號(hào)讀寫(xiě)等操作，這樣就保證了應(yīng)答器報(bào)文∕ID的安全。

2.2 有源應(yīng)答器原理 有源應(yīng)答器能量接收及數(shù)據(jù)發(fā)送與無(wú)源應(yīng)答器相同。其原理框圖如圖2所示。

圖2 有源應(yīng)答器原理框圖

來(lái)自LEU的信號(hào)經(jīng)過(guò)防護(hù)與隔離后，由帶通濾波器提取8.82kHz信號(hào)作為接口電路的工作電源、564kHz DBPL信號(hào)作為輸入數(shù)據(jù)。有源邏輯處理模塊監(jiān)控電源和數(shù)據(jù)是否正常。來(lái)自LEU的報(bào)文數(shù)據(jù)在應(yīng)答器內(nèi)部不進(jìn)行任何存儲(chǔ)，采取透明傳輸?shù)哪Ｊ剑ＷC報(bào)文數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)性和可靠性。

有源應(yīng)答器的數(shù)據(jù)時(shí)鐘還原自LEU送來(lái)的DBPL碼，由于LEU輸出C1接口輸出容差在±200ppm（即±0.02%），而上傳鏈路的容差在±2.5%，所以可以完全保證輸出信號(hào)精度。

當(dāng)車載天線經(jīng)過(guò)應(yīng)答器時(shí)，有源邏輯處理模塊將數(shù)據(jù)送給無(wú)源邏輯處理模塊。無(wú)源邏輯處理模塊判斷C接口的數(shù)據(jù)是否有效，決定發(fā)送有源部分?jǐn)?shù)據(jù)還是發(fā)送應(yīng)答器存儲(chǔ)的報(bào)文。同時(shí)無(wú)源邏輯處理模塊將過(guò)車信號(hào)送給有源邏輯處理模塊，有源邏輯處理模塊控制C4接口處理電路改變應(yīng)答器阻抗，為L(zhǎng)EU設(shè)備提供過(guò)車信號(hào)。

一旦無(wú)源邏輯處理模塊作出報(bào)文選擇(選擇存儲(chǔ)的報(bào)文還是C接口傳來(lái)的數(shù)據(jù))，在本次上電的工作周期內(nèi)，無(wú)論C接口數(shù)據(jù)有效與否，應(yīng)答器都不會(huì)發(fā)生變化。C接口工作電源僅用于該接口電路部分，不給無(wú)源部分供電。

3 應(yīng)答器的維護(hù)

3.1 調(diào)整X、Y、Z軸的角度誤差 如果應(yīng)答器安裝角度和安裝高度不達(dá)標(biāo)，會(huì)產(chǎn)生應(yīng)答器報(bào)文丟失現(xiàn)象，在集中檢修時(shí)需要達(dá)到指標(biāo)如下：要求繞X軸旋轉(zhuǎn)，與Y軸最大偏差角不大于±2°；要求繞Y軸旋轉(zhuǎn)，與X軸最大偏差角不大于±5°；要求繞Z軸旋轉(zhuǎn)，與X軸最大偏差角不大于±10°；應(yīng)答器Z基準(zhǔn)軸與Y基準(zhǔn)軸的中心面和軌道間中心的安裝誤差為±15 mm［2］。

3.2 檢查應(yīng)答器周邊干擾源 主要檢查應(yīng)答器周邊是否有金屬物，檢查應(yīng)答器與牽引回流地線之間的最小距離是否符合要求，避免干擾源對(duì)應(yīng)答器信息傳輸產(chǎn)生影響，具體要求如圖3所示。

圖3 應(yīng)答器距干擾源最小安全距離

3.3 應(yīng)答器報(bào)文核對(duì) 通過(guò)應(yīng)答器報(bào)文讀取工具校驗(yàn)無(wú)源應(yīng)答器報(bào)文和有源應(yīng)答器默認(rèn)報(bào)文的正確性，或通過(guò)電務(wù)檢測(cè)車接收應(yīng)答器報(bào)文，檢查應(yīng)答器的工作情況。

3.4 檢查有源應(yīng)答器的尾纜 防止尾纜損壞或絕緣降低導(dǎo)致應(yīng)答器發(fā)送默認(rèn)報(bào)文［3］。

3.5 應(yīng)答器機(jī)械固定的檢查 檢查應(yīng)答器外殼有無(wú)裂紋、化學(xué)錨栓有無(wú)松動(dòng)、位置有無(wú)偏移、支架有無(wú)機(jī)械損傷及銹蝕、安裝底板背面焊接的螺母有無(wú)脫落等［3］。

3.6 應(yīng)答器清掃及電纜絕緣測(cè)試 冬季冰雪天氣對(duì)應(yīng)答器進(jìn)行清掃、每年開(kāi)終端盒檢查是否進(jìn)水、進(jìn)灰等、每季度應(yīng)進(jìn)行應(yīng)答器電纜對(duì)地絕緣測(cè)試并做好記錄。

4 應(yīng)答器典型故障分析

4.1 線路數(shù)據(jù)和報(bào)文錯(cuò)誤 由于施工過(guò)程中變更了設(shè)計(jì)，而在應(yīng)答器報(bào)文寫(xiě)入過(guò)程中，沒(méi)有全面修改應(yīng)答器數(shù)據(jù)，從而造成線路數(shù)據(jù)錯(cuò)誤，此類故障在聯(lián)調(diào)聯(lián)試期間較為普遍［4］。

案例一：如圖4所示，某站排列X→IG接車進(jìn)路時(shí)，列車越過(guò)進(jìn)站信號(hào)機(jī)后，機(jī)車信號(hào)由黃碼→紅黃碼，列車運(yùn)行了653 m時(shí)，車載ATP輸出制動(dòng)，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)讀取報(bào)文分析，X進(jìn)站口的有源應(yīng)答器接車進(jìn)路長(zhǎng)度為30+870 m，而無(wú)源應(yīng)答器接車進(jìn)路長(zhǎng)度則為30+1468 m，沒(méi)有符合《CTCS-2級(jí)列控系統(tǒng)應(yīng)答器應(yīng)用原則》中應(yīng)答器的使用規(guī)定，由于缺少相關(guān)信息，使列車只運(yùn)行了653 m便輸出制動(dòng)，沒(méi)有到達(dá)規(guī)定停車位置；

圖4 某車站平面簡(jiǎn)圖

案例二：如圖4所示，在某站聯(lián)調(diào)聯(lián)試期間，由于列控中心軟件進(jìn)行升級(jí)，列控中心通過(guò)LEU發(fā)送到進(jìn)站口有源應(yīng)答器的報(bào)文錯(cuò)誤，車載ATP設(shè)備除了接收正常的臨時(shí)限速信息包之外，還收到標(biāo)識(shí)碼為“1”的未知信息包，按照故障-安全原則，車載將該信息包棄之不用。

列車經(jīng)過(guò)進(jìn)站口有源應(yīng)答器組時(shí)，DMI顯示“應(yīng)答器組信息缺失”，ATP進(jìn)入無(wú)臨時(shí)限速信息的完全模式，按照軌道電路低頻碼生成NBP速度為50 km∕h的控車模式曲線，監(jiān)控動(dòng)車組運(yùn)行。

4.2 外界電磁干擾 應(yīng)答器周圍有金屬物、強(qiáng)電磁效應(yīng)等造成報(bào)文失真［4］。

案例一：聯(lián)調(diào)聯(lián)試期間，某部門(mén)將施工用拉管機(jī)的臨時(shí)電源線綁扎在應(yīng)答器尾纜上，臨時(shí)電源線產(chǎn)生的磁場(chǎng)諧波與應(yīng)答器報(bào)文不一致，導(dǎo)致動(dòng)車ATP輸出制動(dòng)。

案例二：聯(lián)調(diào)聯(lián)試期間，列車運(yùn)行到分相區(qū)之前，部分司機(jī)會(huì)提前斷開(kāi)VCB，導(dǎo)致列車牽引回路瞬間產(chǎn)生的強(qiáng)磁場(chǎng)諧波分量與應(yīng)答器報(bào)文傳輸頻譜不一致，從而造成應(yīng)答器報(bào)文接收、解調(diào)異常，ATP系統(tǒng)輸出緊急制動(dòng)。

4.3 有源應(yīng)答器發(fā)送默認(rèn)報(bào)文 應(yīng)答器除了在聯(lián)調(diào)聯(lián)試期間的故障外，在開(kāi)通后，還會(huì)出現(xiàn)有源應(yīng)答器發(fā)送默認(rèn)報(bào)文的故障。

典型故障案例分析見(jiàn)圖5所示：

應(yīng)答器整個(gè)信息傳送通道的關(guān)鍵環(huán)節(jié)包括：通信接口P或Q、通信接口S、LEU、ECI、切換單元、防雷單元、電纜、應(yīng)答器。其中任意一個(gè)環(huán)節(jié)出現(xiàn)問(wèn)題，都會(huì)導(dǎo)致有源應(yīng)答器發(fā)送默認(rèn)報(bào)文［5-6］。

圖5 設(shè)備接口示意圖

1）通信接口S故障：某次列車運(yùn)行在XX南-XX西區(qū)間，由于列控中心機(jī)柜的TIU板故障，使列控中心與LEU的通信中斷，應(yīng)答器發(fā)送來(lái)自LEU存儲(chǔ)的默認(rèn)報(bào)文，更換已故障的TIU板后，故障解決。

2)室內(nèi)防雷單元故障：根據(jù)工程設(shè)計(jì)和系統(tǒng)應(yīng)用的要求，LEU的每個(gè)輸出通道必須配置防雷單元，用于防護(hù)LEU設(shè)備［6］，圖6為防雷單元電氣簡(jiǎn)圖。

圖6 防雷單元電氣簡(jiǎn)圖

案例：由于某站電纜屏蔽線在分線盤(pán)處接地不良，導(dǎo)致有源應(yīng)答器發(fā)送自身的默認(rèn)報(bào)文。

原因分析：防雷模塊的標(biāo)稱電壓為24 V，當(dāng)引入室內(nèi)的干線電纜鋼帶和鋁護(hù)套接地不良、電纜屏蔽線在分線盤(pán)處接地不良或防雷單元接地不良時(shí)，外界干擾信號(hào)無(wú)法有效快速泄入防雷地，如圖6所示，就疊加在防雷單元輸入端上。當(dāng)疊加信號(hào)的電壓大于防雷單元的標(biāo)稱電壓時(shí)，防雷單元立刻動(dòng)作，瞬態(tài)二極管D導(dǎo)通，此時(shí)該通道被瞬時(shí)短路，有源應(yīng)答器發(fā)送自身的默認(rèn)報(bào)文。

3）應(yīng)答器C接口故障：有源應(yīng)答器C接口電路簡(jiǎn)圖如圖7所示。

案例：由于受雷擊影響，某站有源應(yīng)答器C接口的2支TVS管呈現(xiàn)短路狀態(tài)，有源應(yīng)答器發(fā)送默認(rèn)報(bào)文［6］。

原因分析：在輸入端口有2支TVS管防護(hù)，當(dāng)輸入電壓、電流和時(shí)間超過(guò)其限值時(shí)，TVS管的故障模型有兩種狀態(tài)，開(kāi)路狀態(tài)和短路狀態(tài)。

圖7 有源應(yīng)答器C接口電路簡(jiǎn)圖

如果2個(gè)TVS管均呈短路狀態(tài)時(shí)，傳輸通道被故障的應(yīng)答器短路，該應(yīng)答器將不能接收來(lái)自LEU的數(shù)據(jù)，當(dāng)車載天線經(jīng)過(guò)時(shí)，應(yīng)答器發(fā)送默認(rèn)報(bào)文。

如果其中一個(gè)TVS管呈開(kāi)路狀態(tài)時(shí)，不會(huì)影響應(yīng)答器的數(shù)據(jù)傳輸功能，但是，該應(yīng)答器將不再具備抗沖擊的能力。如果通道上出現(xiàn)浪涌干擾時(shí)，應(yīng)答器C接口內(nèi)部電路可能會(huì)被損壞。

對(duì)于防雷單元故障、應(yīng)答器C接口故障、電纜開(kāi)路、電纜短路等故障，可以通過(guò)ECI（電纜檢測(cè)盒）檢測(cè)到，并將故障狀態(tài)反饋給LEU，同時(shí)記錄在內(nèi)存中。但在現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用中，出現(xiàn)過(guò)電纜短路故障未被ECI檢測(cè)到的情況。

4）電纜短路和開(kāi)路故障（ECI未檢測(cè)到）案例：列車經(jīng)過(guò)有源應(yīng)答器時(shí)，車載設(shè)備接收252默認(rèn)報(bào)文，報(bào)LEU故障，停車3 min。

原因分析：經(jīng)檢查L(zhǎng)EU至應(yīng)答器尾纜終端盒時(shí)，發(fā)現(xiàn)電纜芯線絕緣不良，更換備用芯線后解決。

因?yàn)榇斯收蠎?yīng)答器的連接電纜較長(zhǎng)，從有線傳輸理論可知，長(zhǎng)線路的特性阻抗與線路終端的開(kāi)、短路無(wú)關(guān)，因此ECI沒(méi)有檢測(cè)到故障，即列控中心電務(wù)維修機(jī)無(wú)故障報(bào)警提示。對(duì)這種方式安裝的LEU，現(xiàn)場(chǎng)維修人員要加強(qiáng)對(duì)列控中心LEU輸出電壓的測(cè)試，如高于或低于正常值，則數(shù)據(jù)傳輸電纜或尾纜有可能斷線、短路(或虛斷)。再進(jìn)行甩線判斷直至找到具體故障點(diǎn)為止［5］。

5）應(yīng)答器本身故障案例：某次列車在某客專運(yùn)行中，連續(xù)3次出現(xiàn)有源應(yīng)答器發(fā)送默認(rèn)報(bào)文。

原因分析：經(jīng)過(guò)常溫和低溫條件下的有源應(yīng)答器有源功能測(cè)試、I∕O測(cè)試、應(yīng)答器啟動(dòng)測(cè)試、XRAY掃描測(cè)試，以及解剖后的詳細(xì)測(cè)試，發(fā)現(xiàn)低溫條件下電源芯片啟動(dòng)延遲超過(guò)了其器件手冊(cè)給出的指標(biāo)要求，導(dǎo)致應(yīng)答器啟動(dòng)特性不滿足要求，進(jìn)而導(dǎo)致有源應(yīng)答器偶爾出現(xiàn)發(fā)送默認(rèn)報(bào)文的現(xiàn)象。

典型故障分析方法：

應(yīng)答器以報(bào)文的形式發(fā)送信息，每條應(yīng)答器報(bào)文內(nèi)容：報(bào)文幀頭（50位）+信息包1、信息包2…信息包n+結(jié)束包(8位)，共計(jì)830位。其中在報(bào)文幀頭中含有一個(gè)8位的變量M_MCOUNT，定義為報(bào)文計(jì)數(shù)器，無(wú)源應(yīng)答器的M_MCOUNT為255，有源應(yīng)答器默認(rèn)報(bào)文的M_MCOUNT為252，LEU默認(rèn)報(bào)文的M_MCOUNT為0，列控中心默認(rèn)報(bào)文的M_MCOUNT為253。報(bào)文計(jì)數(shù)器與故障的對(duì)應(yīng)關(guān)系［6］：

1）M_MCOUNT=0，列控中心發(fā)送默認(rèn)報(bào)文，可能原因?yàn)椋篴，列控中心部分故障；b.列控中心與聯(lián)鎖通信中斷或故障；c.列控中心與CTC通信中斷或故障。

2）M_MCOUNT=252穩(wěn)態(tài)，LEU發(fā)送默認(rèn)報(bào)文，可能原因：a.列控中心與LEU的通信中斷或故障；b.LEU部分故障。

3）M_MCOUNT=253，有源應(yīng)答器一直發(fā)送默認(rèn)報(bào)文，可能原因：a.LEU故障；b.傳輸通道短路或開(kāi)路；c.應(yīng)答器C接口故障。

4）M_MCOUNT=255間歇，有源應(yīng)答器時(shí)而發(fā)送默認(rèn)報(bào)文，時(shí)而發(fā)送正常報(bào)文，可能原因?yàn)椋篴.傳輸通道特性變化，導(dǎo)致ECI判斷通道短路或開(kāi)路；b.應(yīng)答器C接口特性變化，導(dǎo)致ECI判斷通道短路或開(kāi)路；c.列防雷或接地不良，外界干擾導(dǎo)致防雷單元?jiǎng)幼?，通道短路?/p>

5 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)多次現(xiàn)場(chǎng)實(shí)地調(diào)研，搜集多個(gè)應(yīng)答器故障案例并進(jìn)行詳細(xì)分析，最后提出了應(yīng)答器典型故障的處理方法，對(duì)應(yīng)答器的現(xiàn)場(chǎng)維護(hù)有一定的借鑒作用。

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