基于行車安全的信號長發(fā)綜合診治技術研究

作者簡介：嵇靜嬋（1973—），碩士，副教授，工程師，研究方向：鐵路專用通信和數(shù)據網絡通信。

摘要：文章通過對無線調度通信設備機車臺存在的自激信號長發(fā)現(xiàn)象進行分析和鑒別，針對設備應用和危害管理的實際需要，提出長發(fā)信號綜合診治技術方案，為提高鐵路無線調度通信行車安全提供保障。

關鍵詞：信號長發(fā);信號鑒別;信號監(jiān)控

中國分類號：U284.95A461703

0 引言

南寧鐵路集團公司調度轄區(qū)2020年暑期運行開動車組及普速列車175趟次，加掛普速客車919輛次，重聯(lián)動車組903輛次，對于南寧東站、桂林北站、柳州站、防城港火車站、玉林站、桂林站、北海站、湛江站、南寧站、賀州站這些特點站和一等站來說，幾乎每5 min就需進行一趟機車的列檢，車站之間的區(qū)間運行多趟對發(fā)機車。如果機車電臺是在450 MHz工作模式下，同一線路轄區(qū)內的機車電臺多為同頻單工方式，機車電臺無法避免存在同頻干擾問題。機車電臺如果信號長發(fā)，則會對同區(qū)段所有的列車調度電臺，包括機車電臺、車站電臺及便攜臺造成干擾，影響到行車調度信息的正常發(fā)送和接收，造成行車設備故障和危及行車安全。

所謂機車電臺“長發(fā)”現(xiàn)象，是指機車電臺處于長時間持續(xù)或間歇性不受控發(fā)射狀態(tài)。這種信號長發(fā)多源于設備的設計缺陷，如發(fā)射機產生自激現(xiàn)象、外部零部件磨損，或運行區(qū)段的路況影響。且信號長發(fā)如由收發(fā)信機直接發(fā)射出去，未經過MMI（操作顯示終端），在出現(xiàn)故障時不容易被定位和確定，常延誤無線調度通信故障的處理流程和排障時效，造成在車站之間的區(qū)間線路運行的機車電臺受到影響而無法與車站及調度正常通信。

1 信號長發(fā)現(xiàn)象及影響

無線調度系統(tǒng)中出現(xiàn)機車電臺產生信號長發(fā)現(xiàn)象的情況，即在載波信號頻點上發(fā)送了無意義的信號，卻讓同頻道電臺在接收的同時阻隔了其他電臺的信號收發(fā)，即存在同頻干擾。目前與GSM-R同存的450 Mhz通信頻段的鐵路信道，當調度員與司機通話時，

由于沿線所有車站臺都用同一頻率F4接收機車臺的發(fā)射頻率，就使得那些區(qū)間的無線調度通信信號被干擾或被湮滅，常導致車站電臺接收到機車臺F4頻率無線信號卻無法正常解碼。只有當車站值班員收到上行信號有用電波大于干擾信號超過15 DB時，才能夠正常解碼。而鐵路通信信號由于遠途地形復雜，在彎道、隧道、路塹等地段受到障礙物的遮擋而形成弱場強區(qū)[1]，導致同區(qū)間范圍機車電臺的上行信號更加無法與車站電臺進行通信，系統(tǒng)不能實現(xiàn)數(shù)據采集和列控信息傳送等功能。

機車電臺因收發(fā)性能因素，有偶爾產生信號長發(fā)現(xiàn)象的，對系統(tǒng)影響性不大;而重復多次出現(xiàn)，以致影響到正常行車的信號長發(fā)現(xiàn)象主要體現(xiàn)在以下三種：

（1）持續(xù)短時間發(fā)送。機車電臺連續(xù)短時間發(fā)送是指機車電臺在發(fā)送無意義信號時間較短，且會較長時間停止發(fā)送，然后再重復。在該電臺發(fā)送信號時，其他同線路同頻機車電臺無法利用導頻信號F4與車站建立頻段鎖定;而在該機車電臺停止發(fā)送信號后，其他同頻機車仍能與車站通信。由于持續(xù)時間短，大多情況下無規(guī)律，有可能好幾個小時都不會發(fā)生，雖然極難排查故障，但由于持續(xù)時間短對系統(tǒng)的影響較小。

（2）間歇性發(fā)送。機車電臺間歇性發(fā)送是指機車電臺在發(fā)送了一段時間無意義信號之后，會有較短時間的停止，稍后又繼續(xù)發(fā)送。多數(shù)情況下，電臺的信號發(fā)送時間>12 s，而停止發(fā)送的時間遠遠小于發(fā)送時間，如為3 ms，所以雖有短時停頓，卻感覺隨時占滿信道使用周期。這種情況下，在查找出故障時由于間歇性停止的情況，常常在定位發(fā)送終端時需花費大量處理時間，造成故障等級升級，因而影響程度最大。

（3）持續(xù)長時間發(fā)送。機車電臺持續(xù)長時間發(fā)送是指機車電臺一直處于無意義信號的發(fā)送狀態(tài)，則與該機車臺處于同一線路的所有同頻機車都將無法與車站通信，且該線路區(qū)間的車站無法呼叫任何機車。不過該情況容易進行故障排查定位，一般來說影響不大。

2 信號長發(fā)原因分析

機車電臺主機由收發(fā)信機、CPU控制單元、GPS接收單元、電源單元和主/副控制盒單元等組成。電源單元為電臺主機各功能單元提供穩(wěn)定直流電源;CPU控制單元根據GPS接收信號確定運行線路的工作模式和通信制式;操作顯示單元傳遞PTT控發(fā)信號到控制單元，確定收發(fā)信機的信號收發(fā);收發(fā)信機根據控制單元的失鎖電路決定信號的收發(fā)。如圖1所示。

外部器械原因。機車司機通過話筒的PTT控發(fā)按鍵實現(xiàn)信號的收發(fā)，如話筒PTT按鍵發(fā)生故障，按鍵會一直處于發(fā)射狀態(tài)或間歇性發(fā)射狀態(tài)，包括其他外部器械原因造成的控發(fā)信號持續(xù)不停。該故障現(xiàn)象多出現(xiàn)在一次通話結束之后，不易被機車司機發(fā)現(xiàn)，而又造成車站值班員無法呼入。在進行故障排測中，一般都會第一時間對外部器械進行測試，故障易定位。

內部電路原因。收發(fā)信機功放增益變化、隔離度改變、無線參數(shù)改變等內部因素也會引起信號自激，造成信號長發(fā)[2]。如列車無線調度通信過程中，在遇到弱場強區(qū)的時候，往往是上行信號較弱，因此會調高收發(fā)信機增益[3]。輸出信號經延時后反饋到輸入端，致使電臺輸出信號出現(xiàn)嚴重失真產生自激。另收發(fā)信機內部控制電路異常也會造成信號長發(fā)。如行駛過程中機車電壓不穩(wěn)定，會造成機車電臺電源單元保護關機又啟動，機車電臺開啟時會發(fā)生0.5 s回鈴音，或機車負載電壓過低，電臺電源單元保護關機又啟動后又發(fā)生0.5 s回鈴音，如此造成惡性循環(huán)的長發(fā)現(xiàn)象。

3 信號監(jiān)控防范

根據電臺信號長發(fā)原因分析包括了內部和外部兩個方面，其表現(xiàn)現(xiàn)象又分為持續(xù)長發(fā)和間歇長發(fā)兩種。由此，可以采取技術措施以防止和排除電臺信號長發(fā)，如優(yōu)化話筒PTT按鍵設計，強化使用頻次對由外部導致的原因進行防范;增大收發(fā)隔離度，穩(wěn)定電臺電源保護電路，避免電臺內部自激。同時，還可以從系統(tǒng)上進行信號長發(fā)的監(jiān)控與防范。

控制單元中的CPU直接監(jiān)控收發(fā)信機頻率合成器部分的鎖相環(huán)電路的失鎖控制電壓LD，當發(fā)射時，一旦鎖相環(huán)電路失鎖，鎖相環(huán)電路的失鎖控制電壓LD為低電平。CPU檢測到此信號并使8TC變?yōu)榈碗娖?，?TC為低電平時，不向發(fā)射機提供電源電壓，因此發(fā)射機無輸出（如下頁圖2所示）。因此，要進行發(fā)射信號的監(jiān)控防范，可以通過控制失鎖電路的控制電平進行防范。

3.1 設置電臺長發(fā)限時功能

對于話筒PTT控發(fā)按鍵失靈或其他外部器械原因造成的持續(xù)性信號長發(fā)故障，體現(xiàn)在控制單元一直收到控發(fā)信號，因此8TC一直處于高電平，信道機處于發(fā)射狀態(tài)，這時機車電臺無法接收車站電臺發(fā)送的調度信號。防范措施是可以在控制電路與收發(fā)信機之間增加設置一個計數(shù)器，實施電臺的信號長發(fā)限時聯(lián)合觸發(fā)機制（如圖3所示）。根據調度通信收發(fā)習慣，設置保護啟動時間T為30～60 s，控制單元在收到TD或PTT的控發(fā)信號連續(xù)有效超過保護啟動時間T后，則設置鎖相環(huán)電路失鎖，觸發(fā)保護以中斷控發(fā)信號發(fā)送，即設置8TC為低電平，斷開發(fā)射機輸出。當控制單元重新收到RD信號之后再將控發(fā)時間清零重新計時。對于話筒PTT按鍵失靈或外部器械造成的發(fā)送信號時長t大于保護時長T情況下的“持續(xù)長時間發(fā)送”，設置電臺的提示“信號超時”錯誤功能，進行長發(fā)限時功能具有一定的防范作用。

3.2 設置發(fā)射電源監(jiān)控裝置防范電臺異常發(fā)射

如果是收發(fā)信機由于電路異常產生的信號發(fā)射，如自激長發(fā)等，不會經由CPU控制單元發(fā)送控發(fā)信號，而是直接由收發(fā)信機單元發(fā)送出去。如果隔離度不好或者負反饋太深，輸出信號經接收端進入反饋電路產生自激，這時CPU控制單元無音頻信號發(fā)射，8TC處于低電平，但此時HNC處于高電平導通狀態(tài)，電源監(jiān)控裝置檢測到收發(fā)信機有發(fā)射電流，即可認定為無效發(fā)射。采取的防范措施為設置HNC和8TC同電位的判決電路（如圖3所示），切斷發(fā)射導通電源，控制單元的HNC接口變?yōu)榈碗娖剑拱l(fā)射，并提示故障現(xiàn)象。對于持續(xù)性或間歇性信號長發(fā)有很好的管控作用。

3.3 設置發(fā)送功率監(jiān)控裝置防范電臺異常發(fā)射

機車電臺正常發(fā)射功率為5 W，上下浮動0.75 W左右[4]。電臺的正向輸出信號由于隔離度不夠等原因通過麥克風又進入到正反饋電路，產生的信號功率往往大于正常發(fā)射功率。在發(fā)射端經過自動功率控制電路時，將部分功率信號檢波為直流信號，加到電壓比較電路輸入端，如果大于門限電壓，則控制單元上設置功率監(jiān)控告警。如圖3所示設置門限發(fā)射功率為6 W，一旦發(fā)現(xiàn)超過設定閥值立即告警提示，可以快速發(fā)現(xiàn)并定位機車電臺是否存在信號自激現(xiàn)象。

對于CPU控制單元加裝信號監(jiān)控模塊，可以從多角度預防和監(jiān)控機車電臺信號長發(fā)對于鐵路無線調度通信系統(tǒng)的危害和影響，有助于對機車電臺長發(fā)干擾的及時發(fā)現(xiàn)，準確定位和快速排查，盡早消除行車隱患。

4 結語

在鐵路運輸指揮系統(tǒng)中，列車調度員、車站值班員、機車司機、運轉車長需要信息傳遞和溝通，如果機車在區(qū)間運行的時候出現(xiàn)信號長發(fā)故障，會導致列車調度員或者車站值班員呼叫機車司機無法收到應答。為保障行車安全，會通過列控信息通知該列車停止行進，在列調通信暢通之后才能恢復。因此，鐵路列車無線調度通信的應用直接關系到鐵路運輸?shù)陌踩托省?/p>

目前系統(tǒng)中存在的信號長發(fā)現(xiàn)象大多由于硬件缺陷造成，在鐵路無線通信網絡進行5G升級改造之前，系統(tǒng)既有設備不能直接淘汰，且無法完成消除自激現(xiàn)象。因此，應利用檢測、監(jiān)控裝置迅速準確地判斷并排除故障，保證無線調度通信暢通，確保鐵路行車正點、安全。對列車無線調度通信系統(tǒng)中的機車電臺設備采取信號長發(fā)現(xiàn)象的鑒別和監(jiān)控防范，從而縮短故障處理時間，可以為當前鐵路無線通信的日常維修提供處理方向，為階段性的設備重點整治提供數(shù)據參考，為設備的升級完善提供技術方向。

參考文獻：

[1]黃欣萍，蔣笑冰.列車無線調度通信（第二版）[M].北京：中國鐵道出版社，2017.

[2]周麗蓉.CT-3超短波電臺發(fā)射機的寄生振蕩（自激）故障分析[J].科技與創(chuàng)新，2015（22）：142，145.

[3]TG/TX 106-2014，鐵路通信維護規(guī)則-設備維護[S].

[4]鐵道部勞動和衛(wèi)生司，鐵道部運輸局.高速鐵路通信綜合維修崗位[M].北京：中國鐵道出版社，2012.

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