趙德生

（南京鐵道職業(yè)技術(shù)學院，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式數(shù)據(jù)傳輸設(shè)備，是列車運行控制系統(tǒng)中的關(guān)鍵組成部分，用于實現(xiàn)地—車間的數(shù)據(jù)傳輸，向列車提供所必需的各種點式信息。

各種點式信息包括線路基本參數(shù)、線路速度、臨時限速、車站進路、大號碼道岔、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列車通過應(yīng)答器上方時，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的上下邊頻進行FSK調(diào)制，循環(huán)發(fā)送1023位數(shù)據(jù)報文，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)報文，經(jīng)過信號解調(diào)、報文解碼后向車載ATP傳輸。

2 應(yīng)答器的原理分析

2.1 無源應(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時間，標準規(guī)定應(yīng)答器啟動時間要小于150 μs。應(yīng)答器采用高速器件，并對電源作了特殊處理，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27.095 MHz信號具備良好的能量獲取能力和AM及PM響應(yīng)能力；對中心頻率為4.234 MHz的移頻鍵控（FSK）信號具有良好的發(fā)送能力。該天線能夠同時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)答器無源核心處理模塊得到電源后讀取報文存儲器內(nèi)的報文數(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信號和天線協(xié)議命令決定。當應(yīng)答器收到9 MHz信號，并且從應(yīng)答器天線接收到協(xié)議命令后，應(yīng)答器進入編程模式，可以進行應(yīng)答器報文讀寫、應(yīng)答器ID號讀寫等操作，這樣就保證了應(yīng)答器報文∕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

來自LEU的信號經(jīng)過防護與隔離后，由帶通濾波器提取8.82kHz信號作為接口電路的工作電源、564kHz DBPL信號作為輸入數(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。來自LEU的報文數(shù)據(jù)在應(yīng)答器內(nèi)部不進行任何存儲，采取透明傳輸?shù)哪Ｊ?，保證報文數(shù)據(jù)的實時性和可靠性。

有源應(yīng)答器的數(shù)據(jù)時鐘還原自LEU送來的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精度。

當車載天線經(jīng)過應(yīng)答器時，有源邏輯處理模塊將數(shù)據(jù)送給無源邏輯處理模塊。無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)送有源部分數(shù)據(jù)還是發(fā)送應(yīng)答器存儲的報文。同時無源邏輯處理模塊將過車信號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LEU設(shè)備提供過車信號。

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

3 應(yīng)答器的維護

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標，會產(chǎn)生應(yīng)答器報文丟失現(xiàn)象，在集中檢修時需要達到指標如下：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基準軸與Y基準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)答器報文核對 通過應(yīng)答器報文讀取工具校驗無源應(yīng)答器報文和有源應(yīng)答器默認報文的正確性，或通過電務(wù)檢測車接收應(yīng)答器報文，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致應(yīng)答器發(fā)送默認報文［3］。

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

3.6 應(yīng)答器清掃及電纜絕緣測試 冬季冰雪天氣對應(yīng)答器進行清掃、每年開終端盒檢查是否進水、進灰等、每季度應(yīng)進行應(yīng)答器電纜對地絕緣測試并做好記錄。

4 應(yīng)答器典型故障分析

4.1 線路數(shù)據(jù)和報文錯誤 由于施工過程中變更了設(shè)計，而在應(yīng)答器報文寫入過程中，沒有全面修改應(yīng)答器數(shù)據(jù)，從而造成線路數(shù)據(jù)錯誤，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接車進路時，列車越過進站信號機后，機車信號由黃碼→紅黃碼，列車運行了653 m時，車載ATP輸出制動，根據(jù)現(xiàn)場讀取報文分析，X進站口的有源應(yīng)答器接車進路長度為30+870 m，而無源應(yīng)答器接車進路長度則為30+1468 m，沒有符合《CTCS-2級列控系統(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，使列車只運行了653 m便輸出制動，沒有到達規(guī)定停車位置；

圖4 某車站平面簡圖

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行升級，列控中心通過LEU發(fā)送到進站口有源應(yīng)答器的報文錯誤，車載ATP設(shè)備除了接收正常的臨時限速信息包之外，還收到標識碼為“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)過進站口有源應(yīng)答器組時，DMI顯示“應(yīng)答器組信息缺失”，ATP進入無臨時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)控動車組運行。

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

案例一：聯(lián)調(diào)聯(lián)試期間，某部門將施工用拉管機的臨時電源線綁扎在應(yīng)答器尾纜上，臨時電源線產(chǎn)生的磁場諧波與應(yīng)答器報文不一致，導致動車ATP輸出制動。

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

4.3 有源應(yīng)答器發(fā)送默認報文 應(yīng)答器除了在聯(lián)調(diào)聯(lián)試期間的故障外，在開通后，還會出現(xiàn)有源應(yīng)答器發(fā)送默認報文的故障。

典型故障案例分析見圖5所示：

應(yīng)答器整個信息傳送通道的關(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。其中任意一個環(huán)節(jié)出現(xiàn)問題，都會導致有源應(yīng)答器發(fā)送默認報文［5-6］。

圖5 設(shè)備接口示意圖

1）通信接口S故障：某次列車運行在XX南-XX西區(qū)間，由于列控中心機柜的TIU板故障，使列控中心與LEU的通信中斷，應(yīng)答器發(fā)送來自LEU存儲的默認報文，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)計和系統(tǒng)應(yīng)用的要求，LEU的每個輸出通道必須配置防雷單元，用于防護LEU設(shè)備［6］，圖6為防雷單元電氣簡圖。

圖6 防雷單元電氣簡圖

案例：由于某站電纜屏蔽線在分線盤處接地不良，導致有源應(yīng)答器發(fā)送自身的默認報文。

原因分析：防雷模塊的標稱電壓為24 V，當引入室內(nèi)的干線電纜鋼帶和鋁護套接地不良、電纜屏蔽線在分線盤處接地不良或防雷單元接地不良時，外界干擾信號無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。當疊加信號的電壓大于防雷單元的標稱電壓時，防雷單元立刻動作，瞬態(tài)二極管D導通，此時該通道被瞬時短路，有源應(yīng)答器發(fā)送自身的默認報文。

3）應(yīng)答器C接口故障：有源應(yīng)答器C接口電路簡圖如圖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)送默認報文［6］。

原因分析：在輸入端口有2支TVS管防護，當輸入電壓、電流和時間超過其限值時，TVS管的故障模型有兩種狀態(tài)，開路狀態(tài)和短路狀態(tài)。

圖7 有源應(yīng)答器C接口電路簡圖

如果2個TVS管均呈短路狀態(tài)時，傳輸通道被故障的應(yīng)答器短路，該應(yīng)答器將不能接收來自LEU的數(shù)據(jù)，當車載天線經(jīng)過時，應(yīng)答器發(fā)送默認報文。

如果其中一個TVS管呈開路狀態(tài)時，不會影響應(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，應(yīng)答器C接口內(nèi)部電路可能會被損壞。

對于防雷單元故障、應(yīng)答器C接口故障、電纜開路、電纜短路等故障，可以通過ECI（電纜檢測盒）檢測到，并將故障狀態(tài)反饋給LEU，同時記錄在內(nèi)存中。但在現(xiàn)場應(yīng)用中，出現(xiàn)過電纜短路故障未被ECI檢測到的情況。

4）電纜短路和開路故障（ECI未檢測到）案例：列車經(jīng)過有源應(yīng)答器時，車載設(shè)備接收252默認報文，報LEU故障，停車3 min。

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

因為此故障應(yīng)答器的連接電纜較長，從有線傳輸理論可知，長線路的特性阻抗與線路終端的開、短路無關(guān)，因此ECI沒有檢測到故障，即列控中心電務(wù)維修機無故障報警提示。對這種方式安裝的LEU，現(xiàn)場維修人員要加強對列控中心LEU輸出電壓的測試，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)。再進行甩線判斷直至找到具體故障點為止［5］。

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

原因分析：經(jīng)過常溫和低溫條件下的有源應(yīng)答器有源功能測試、I∕O測試、應(yīng)答器啟動測試、XRAY掃描測試，以及解剖后的詳細測試，發(fā)現(xiàn)低溫條件下電源芯片啟動延遲超過了其器件手冊給出的指標要求，導致應(yīng)答器啟動特性不滿足要求，進而導致有源應(yīng)答器偶爾出現(xiàn)發(fā)送默認報文的現(xiàn)象。

典型故障分析方法：

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

1）M_MCOUNT=0，列控中心發(fā)送默認報文，可能原因為：a，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)送默認報文，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)送默認報文，可能原因：a.LEU故障；b.傳輸通道短路或開路；c.應(yīng)答器C接口故障。

4）M_MCOUNT=255間歇，有源應(yīng)答器時而發(fā)送默認報文，時而發(fā)送正常報文，可能原因為：a.傳輸通道特性變化，導致ECI判斷通道短路或開路；b.應(yīng)答器C接口特性變化，導致ECI判斷通道短路或開路；c.列防雷或接地不良，外界干擾導致防雷單元動作，通道短路。

5 結(jié)束語

通過多次現(xiàn)場實地調(diào)研，搜集多個應(yīng)答器故障案例并進行詳細分析，最后提出了應(yīng)答器典型故障的處理方法，對應(yīng)答器的現(xiàn)場維護有一定的借鑒作用。

［1］林瑜筠.高速鐵路信號技術(shù)［M］.北京：中國鐵道出版社.2012：121-125.

［2］楊建福.高速鐵路列控系統(tǒng)中應(yīng)答器維護［J］.鐵路通信信號工技術(shù).2012,9(3)：66-67.

［3］戚明.京滬高鐵應(yīng)答器設(shè)備存在問題及改進措施［J］.鐵道通信信號，2015(9)：27-28.

［4］趙振鋒，張輝，王鑫.應(yīng)答器傳輸系統(tǒng)常見故障及解決措施［J］.鐵道通信信號，2014(8)：70-72.

［5］劉國軍.應(yīng)答器傳輸電纜的維護及故障處理建議［J］．鐵道通信信號，2010(2)：28-29.

［6］王威.有源應(yīng)答器發(fā)送默認報文的原因分析［J］.鐵路通信信號工技術(shù).2011，8（5）：48-50.