張曉東，陳延春，陳 錚

（中國鐵路上海局集團(tuán)有限公司杭州電務(wù)段，杭州 310002）

CTCS-3 級(jí)（簡稱C3）列車控制系統(tǒng)是高速鐵路核心技術(shù)裝備和安全關(guān)鍵系統(tǒng)，負(fù)責(zé)指揮列車運(yùn)行、保證行車安全、提高鐵路運(yùn)輸效率，在車-地?zé)o線信息傳輸中時(shí)有發(fā)生無線通信超時(shí)（簡稱“無線超時(shí)”），無線超時(shí)后，ATP 車載設(shè)備將輸出常用制動(dòng)，待列車運(yùn)行速度降至CTCS-2 級(jí)（簡稱C2）允許速度時(shí)，提示司機(jī)確認(rèn)，系統(tǒng)將轉(zhuǎn)換為C2 控車，導(dǎo)致允許速度降低，影響運(yùn)輸效率。

目前，隨著C3 無線超時(shí)分析的不斷深入，車載空口、基站空口、接口監(jiān)測業(yè)務(wù)信令流程監(jiān)測的普及，針對(duì)網(wǎng)絡(luò)中信息交互造成的C3 無線超時(shí)已經(jīng)能夠準(zhǔn)確分析原因并準(zhǔn)確定位故障點(diǎn)。但是由于SIM 卡引起的瞬間脫網(wǎng)、注冊(cè)失敗等導(dǎo)致的問題，具體原因分析很困難，而且不是固有故障，事后檢測各項(xiàng)性能指標(biāo)均正常，對(duì)現(xiàn)場設(shè)備維護(hù)造成很大的困擾。本文就針對(duì)SIM 卡問題進(jìn)行全面分析,并提出解決措施。

1 SIM卡應(yīng)用分析

1.1 SIM卡作用

GSM-R SIM 卡作為GSM-R 專用移動(dòng)通信系統(tǒng)的重要組成部分，是基于GSM-R 進(jìn)行各類通信業(yè)務(wù)必不可少的設(shè)備，特別是用于與行車直接相關(guān)的通信業(yè)務(wù)，關(guān)系到整個(gè)鐵路列車行車安全和運(yùn)輸秩序。ATP 電臺(tái)使用的SIM 卡根據(jù)通信業(yè)務(wù)功能需求劃分屬于CSD 業(yè)務(wù)類，每套ATP 設(shè)備有2 個(gè)電臺(tái)模塊，SIM 卡安裝在電臺(tái)模塊中。高鐵列車運(yùn)行過程中，2個(gè)電臺(tái)模塊交替呼叫地面RBC 設(shè)備，建立CSD 呼叫。為確保行車過程中列控業(yè)務(wù)不受其他通信業(yè)務(wù)的干擾，其SIM 卡僅開啟語音業(yè)務(wù)的CSD 呼叫功能。SIM 卡目前采取維修方式是故障修，等發(fā)現(xiàn)故障時(shí)進(jìn)行檢查或者更換，未出現(xiàn)故障則一直維持使用。

1.2 SIM卡原理

SIM 卡是用戶身份模塊，存儲(chǔ)用戶有關(guān)的個(gè)人信息和網(wǎng)絡(luò)信息，主要完成數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、客戶身份鑒權(quán)和客戶信息加密算法等功能，ATP 電臺(tái)中的SIM卡負(fù)責(zé)實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)注冊(cè)及CSD 呼叫。

SIM 卡是一個(gè)裝有微處理器的芯片卡，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)有 5 個(gè)模塊，并且每個(gè)模塊都對(duì)應(yīng)一個(gè)功能：微處理器 CPU、程序存儲(chǔ)器 ROM、工作存儲(chǔ)器RAM、 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器 EEPROM 和串行通信單元。

1.3 SIM卡結(jié)構(gòu)

SIM 卡表面的6 個(gè)觸點(diǎn)是其外部接口，根據(jù)其功能劃分為電源電壓（Vcc）、復(fù)位信號(hào)（RTS）、時(shí)鐘信號(hào)（CLK）、接地（GND）、可變電源電壓（VPP）、輸入/輸出（I/O）。

2 SIM卡故障分析

2.1 SIM卡故障分析

SIM 卡故障時(shí)，其相關(guān)特征如下。

1）DMI 界面無網(wǎng)絡(luò)注冊(cè)；

2）GSM-R 電臺(tái)狀態(tài)指示燈顯示異常；

3）途中瞬間脫網(wǎng)后自動(dòng)恢復(fù)網(wǎng)絡(luò)注冊(cè)；

4）斷電重啟后恢復(fù)網(wǎng)絡(luò)注冊(cè)；

5）重插SIM 卡后恢復(fù)網(wǎng)絡(luò)注冊(cè)。

根據(jù)以上信息，SIM 卡故障的可能原因是：

1）模塊軟件問題；

2）SIM 卡電路電性能臨界，造成間歇性讀取卡失?。?/p>

3) 卡座相關(guān)尺寸有問題，造成彈片與SIM 卡沒接觸上；

4) 卡座彈片氧化造成接觸阻抗變大，影響讀取SIM 卡；

5) SIM 卡觸片氧化造成接觸阻抗變大，影響讀取SIM 卡；

6) 卡座彈片與SIM 卡之間有異物，隔斷電路，影響讀取SIM 卡。

2.2 故障檢測

2.2.1 電臺(tái)模塊性能檢測

選取4 塊發(fā)生SIM 卡故障的300T 型ATP 設(shè)備電臺(tái)模塊進(jìn)行測試，模塊可正常識(shí)別SIM 卡，各參數(shù)均符合標(biāo)準(zhǔn)要求。

對(duì)杭州電務(wù)段2020 年3 月至2021 年3 月共8件SIM 卡故障造成的無線超時(shí)進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。

1）通過車載側(cè)記錄數(shù)據(jù)中Log 數(shù)據(jù)分析：Fewer modems registered than installed 1（單電臺(tái)）。該記錄說明只有一個(gè)電臺(tái)注冊(cè)到網(wǎng)絡(luò)，說明在電臺(tái)與網(wǎng)絡(luò)間出現(xiàn)問題，且數(shù)據(jù)沒有其他故障信息報(bào)警語句，基本可以判斷ATP 設(shè)備正常。

2）通過分析空口監(jiān)測數(shù)據(jù)顯示SIM 未插入或SIM 卡錯(cuò)誤。

3）通過分析通信側(cè)三接口數(shù)據(jù)能夠看到 IMSI DETACH INDICATIO（電臺(tái)網(wǎng)絡(luò)去附著）。

電臺(tái)網(wǎng)絡(luò)去附著的原因可能是電臺(tái)正常關(guān)機(jī)，也可能是 SIM 卡異常導(dǎo)致的，此類超時(shí)通常在車-地?cái)?shù)據(jù)正常交互的情況下。如果是電臺(tái)關(guān)機(jī)的話，后續(xù)RBC 交權(quán)區(qū)會(huì)出現(xiàn)單電臺(tái)情況，所以基本可以判定為SIM 卡異常。

2.2.2 SIM卡電路電氣性能檢測

按照3GPP 標(biāo)準(zhǔn)SIM 卡接口部分的要求，SIM卡電路有6 個(gè)PIN 腳，必需的是供電、復(fù)位、時(shí)鐘、數(shù)據(jù)和接地。選取4 張SIM 卡的供電、復(fù)位、時(shí)鐘和數(shù)據(jù)等電性能指標(biāo)，各項(xiàng)指標(biāo)符合標(biāo)準(zhǔn)要求，并不存在指標(biāo)臨界的情況，可排除電路電氣性能的原因。

對(duì)于學(xué)外語我覺得環(huán)境很重要，還有就是家長如果決定讓孩子學(xué)某一種語言或者某一種特長就一定要有耐心地去陪孩子一起學(xué)，一起練。

2.2.3 SIM卡厚度檢測

根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)，SIM 卡的厚度要求為0.76±0.08 mm，測量4 個(gè)故障SIM 卡，厚度符合要求，如表1 所示。

表1 SIM卡厚度檢測結(jié)果Tab.1 SIM card thickness test result

2.2.4 SIM卡座彈片接觸電阻檢測

SIM 卡座各彈片的接觸電阻過大會(huì)影響模塊讀取SIM 卡。根據(jù)設(shè)備廠家經(jīng)驗(yàn)，一般卡座各接口的接觸電阻大于500 mΩ 時(shí)，才可能引起讀取SIM卡失敗。選取2 塊SIM 卡對(duì)卡座各彈片的接觸電阻進(jìn)行檢測，各彈片的接觸電阻遠(yuǎn)低于影響讀取卡的電阻值，彈片狀態(tài)良好，如表2 所示。

表2 卡座彈片接觸電阻檢測Tab.2 Contact resistance detection of SIM card holder clip

2.2.5 SIM卡功能檢查及外觀檢查

將4 塊故障SIM 卡樣品插入模塊中，均可以正常讀取SIM 卡。觀察SIM 卡觸片外觀，發(fā)現(xiàn)表面存在嚴(yán)重程度不一的劃痕，鍍金層被一層異物覆蓋，金屬反光較弱。在與卡座彈片對(duì)應(yīng)的位置，存在磨損小凹槽，證明振動(dòng)磨損的存在，也可以說明尺寸配合是沒有問題的。

2.2.6 SIM卡表面檢測

為確認(rèn)SIM 卡觸片的狀態(tài)，設(shè)備廠家委托相關(guān)試驗(yàn)室做了表面形貌分析（SEM）/成分分析（EDS），SEM 主要用于樣品表面的微觀形貌與結(jié)構(gòu)的表征、EDS 用于元素定性和半定量分析，如圖1所示。

圖1 SEM/EDS檢測Fig.1 SEM/EDS detection

將4 塊故障SIM 卡（使用時(shí)間5 年以上）的表面進(jìn)行SEM/EDS 檢測，檢測結(jié)果如下：彈片接觸部位有嚴(yán)重劃痕，劃痕周圍存在異物顆粒，為不導(dǎo)電異物。異物顆粒推測是有機(jī)物和氧化物混合組成，異物的主要含量為碳、氧、鎳、氯、銅、鈣等元素。

2.3 數(shù)據(jù)分析

通過以上檢測結(jié)果分析，基本排除了軟件問題，模塊和SIM 卡功能正常，模塊SIM 卡電路的電氣性能、SIM 卡座和SIM 卡的相關(guān)尺寸和SIM 卡座彈片的接觸電阻均正常。

發(fā)現(xiàn)使用時(shí)間長的卡座彈片和SIM 卡的接觸部位周圍有較多不導(dǎo)電異物。

觸片不是絕對(duì)平整的、金層的硬度很小，卡座彈片和SIM 卡觸片是通過若干個(gè)小微丘接觸導(dǎo)通的，如圖2 所示。

圖2 彈片微丘接觸示意Fig.2 Clip bulge contact diagram

推測電臺(tái)模塊長期工作在隨機(jī)振動(dòng)環(huán)境下，卡座彈片與SIM 卡觸片之間存在微動(dòng)摩擦，容易在接觸部位周圍產(chǎn)生有機(jī)物、氧化物和磨損粉末的堆積。如果異物堆積過高，可能會(huì)由于振動(dòng)原因?qū)⒂袡C(jī)物和氧化物等推至彈片接觸區(qū)域，從而隔斷電信號(hào)，造成不識(shí)卡故障，導(dǎo)致SIM 卡故障。此時(shí)若重裝SIM 卡，彈片將異物推開，恢復(fù)接觸，故障消失?；蛘呖赡芤蛭?dòng)摩擦將異物推開，即出現(xiàn)運(yùn)行中自動(dòng)恢復(fù)的情況。模塊或SIM 卡使用的時(shí)間越久，鍍層磨損越嚴(yán)重，表面產(chǎn)生的氧化物越多，出現(xiàn)故障的概率越大。

3 整治措施及效果

3.1 新增維護(hù)手段

通過分析基本確認(rèn)SIM 故障是由于異物隔斷造成電臺(tái)不識(shí)卡，針對(duì)性采取SIM 卡清潔、SIM 卡固定、卡托固定及密封3 種措施。

通常的表面清潔方式有3 種：酒精、橡皮擦、電子清潔劑。為了對(duì)比3 種方式的效果，選取3 塊表面異物較多的SIM 卡，清潔后做表面形貌分析（SEM），發(fā)現(xiàn)橡皮擦清潔效果較差，電子清潔劑效果一般，酒精清潔效果較好，清潔后，盡量不觸碰SIM 卡。

采用耐高溫布基雙面膠將SIM 卡與卡托粘貼，雙面膠厚度控制在0.1 mm 之內(nèi)，避免厚度太大。

卡托固定及密封。采用銅箔膠帶對(duì)卡托表面和電臺(tái)表面粘貼，達(dá)到固定卡托和SIM 卡密封效果。如圖3 所示。

圖3 卡托固定及密封Fig.3 SIM card tray fixture and sealing

3.2 整改效果

杭州電務(wù)段共配屬60 套300T 型ATP 設(shè)備120 個(gè)電臺(tái)及SIM 卡，使用年限均超過10 年。2020 年3 月 至2021 年3 月 共 發(fā) 現(xiàn)8 件SIM 故 障造成的無線超時(shí)，后采取SIM 卡清潔、SIM 卡固定、卡托固定及密封3 種措施，2021 年3 月至2022 年3 月未發(fā)生SIM 故障造成的無線超時(shí)。

拿棉簽蘸酒精后擦拭SIM 卡觸片，擦拭10 個(gè)來回之后，SIM 卡觸片可以看到明顯的金屬反光。在SEM 下看，也可以看到顆粒異物基本被清除，如圖4、5 所示。

圖4 SIM清洗前的狀態(tài)Fig.4 SIM status before cleaning

圖5 SIM清洗后的狀態(tài)Fig.5 SIM status after cleaning

4 拓展及建議

目前ATP 設(shè)備的修程有一級(jí)修、二級(jí)修、高級(jí)修、更新改造，確保了設(shè)備能夠正常運(yùn)用，而SIM卡沒有明確的修程及檢修要求，建議結(jié)合ATP 設(shè)備修程同步施修，結(jié)合高級(jí)修對(duì)SIM 卡進(jìn)行清潔，結(jié)合ATP 設(shè)備更新改造更換SIM 卡。

根據(jù)《GSM-R 數(shù)字移動(dòng)通信網(wǎng)設(shè)備技術(shù)規(guī)范》（科技運(yùn)[2008]172 號(hào)）第四部分SIM 卡要求，SIM 卡每個(gè)觸點(diǎn)壓力要大于0.5 N，保證SIM 卡與卡槽可靠和連續(xù)接觸，并能夠克服氧化物和振動(dòng)所引起的中斷。根據(jù)該項(xiàng)要求，設(shè)備廠家要持續(xù)做好技術(shù)改進(jìn)，一是要開發(fā)相關(guān)卡槽和SIM 卡的相關(guān)技術(shù)指標(biāo)的檢測工具；二是改進(jìn)結(jié)構(gòu)工藝，確保SIM卡與卡托不產(chǎn)生微振動(dòng)，卡托與電臺(tái)不產(chǎn)生微振動(dòng)。三是加強(qiáng)材料研究，針對(duì)鐵路行車安全的需求，對(duì)SIM 卡的電路設(shè)計(jì)、觸片工藝開展針對(duì)性設(shè)計(jì)、制造。

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