鐵路信號應答器的應用分析

趙德生

（南京鐵道職業技術學院，講師 南京，210031）

1 概述

應答器設備是基于電磁耦合原理的高速點式數據傳輸設備，是列車運行控制系統中的關鍵組成部分，用于實現地—車間的數據傳輸，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、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答器上方時，應答器接收到車載天線發射的頻率為27.095 MHz的電磁能量后，將其轉化為工作電源，使地面應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調制，循環發送1023位數據報文，直至電能消失（即車載天線離去）。車載天線及應答器傳輸模塊BTM接收應答器發送的數據報文，經過信號解調、報文解碼后向車載ATP傳輸。

2 應答器的原理分析

2.1 無源應答器原理 應答器作為一種依靠車載設備提供電源的設備，就要求其耗電量低。無源應答器采用低功耗器件，高效的天線結構減少應答器自身的功耗［1］。電路原理框圖如圖1所示。

圖1 無源應答器原理框圖

應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，標準規定應答器啟動時間要小于150 μs。應答器采用高速器件，并對電源作了特殊處理，使應答器在小于150 μs內能夠可靠工作。

無源應答器采用雙工多頻共用天線，用于應答器能量、信息接收、和信息發送，對27.095 MHz信號具備良好的能量獲取能力和AM及PM響應能力；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、信息發送狀態。

應答器天線包括印制電路板上的兩個半環形銅箔天線體、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，轉化為應答器工作所需電源。

應答器無源核心處理模塊得到電源后讀取報文存儲器內的報文數據送給數據發送模塊，數據發送模塊將報文數據以FSK的方式經天線發射出去。只要電源存在，無源核心處理模塊就不間斷地發送，這意味著車載天線一直在應答器上方。

編程模式條件由9 MHz信號和天線協議命令決定。當應答器收到9 MHz信號，并且從應答器天線接收到協議命令后，應答器進入編程模式，可以進行應答器報文讀寫、應答器ID號讀寫等操作，這樣就保證了應答器報文∕ID的安全。

2.2 有源應答器原理 有源應答器能量接收及數據發送與無源應答器相同。其原理框圖如圖2所示。

圖2 有源應答器原理框圖

來自LEU的信號經過防護與隔離后，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信號作為輸入數據。有源邏輯處理模塊監控電源和數據是否正常。來自LEU的報文數據在應答器內部不進行任何存儲，采取透明傳輸的模式，保證報文數據的實時性和可靠性。

有源應答器的數據時鐘還原自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。

當車載天線經過應答器時，有源邏輯處理模塊將數據送給無源邏輯處理模塊。無源邏輯處理模塊判斷C接口的數據是否有效，決定發送有源部分數據還是發送應答器存儲的報文。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答器阻抗，為LEU設備提供過車信號。

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接口傳來的數據)，在本次上電的工作周期內，無論C接口數據有效與否，應答器都不會發生變化。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 應答器的維護

3.1 調整X、Y、Z軸的角度誤差 如果應答器安裝角度和安裝高度不達標，會產生應答器報文丟失現象，在集中檢修時需要達到指標如下：要求繞X軸旋轉，與Y軸最大偏差角不大于±2°；要求繞Y軸旋轉，與X軸最大偏差角不大于±5°；要求繞Z軸旋轉，與X軸最大偏差角不大于±10°；應答器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 檢查應答器周邊干擾源 主要檢查應答器周邊是否有金屬物，檢查應答器與牽引回流地線之間的最小距離是否符合要求，避免干擾源對應答器信息傳輸產生影響，具體要求如圖3所示。

圖3 應答器距干擾源最小安全距離

3.3 應答器報文核對 通過應答器報文讀取工具校驗無源應答器報文和有源應答器默認報文的正確性，或通過電務檢測車接收應答器報文，檢查應答器的工作情況。

3.4 檢查有源應答器的尾纜 防止尾纜損壞或絕緣降低導致應答器發送默認報文［3］。

3.5 應答器機械固定的檢查 檢查應答器外殼有無裂紋、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 應答器清掃及電纜絕緣測試 冬季冰雪天氣對應答器進行清掃、每年開終端盒檢查是否進水、進灰等、每季度應進行應答器電纜對地絕緣測試并做好記錄。

4 應答器典型故障分析

4.1 線路數據和報文錯誤 由于施工過程中變更了設計，而在應答器報文寫入過程中，沒有全面修改應答器數據，從而造成線路數據錯誤，此類故障在聯調聯試期間較為普遍［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，根據現場讀取報文分析，X進站口的有源應答器接車進路長度為30+870 m，而無源應答器接車進路長度則為30+1468 m，沒有符合《CTCS-2級列控系統應答器應用原則》中應答器的使用規定，由于缺少相關信息，使列車只運行了653 m便輸出制動，沒有到達規定停車位置；

圖4 某車站平面簡圖

案例二：如圖4所示，在某站聯調聯試期間，由于列控中心軟件進行升級，列控中心通過LEU發送到進站口有源應答器的報文錯誤，車載ATP設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。

列車經過進站口有源應答器組時，DMI顯示“應答器組信息缺失”，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，監控動車組運行。

4.2 外界電磁干擾 應答器周圍有金屬物、強電磁效應等造成報文失真［4］。

案例一：聯調聯試期間，某部門將施工用拉管機的臨時電源線綁扎在應答器尾纜上，臨時電源線產生的磁場諧波與應答器報文不一致，導致動車ATP輸出制動。

案例二：聯調聯試期間，列車運行到分相區之前，部分司機會提前斷開VCB，導致列車牽引回路瞬間產生的強磁場諧波分量與應答器報文傳輸頻譜不一致，從而造成應答器報文接收、解調異常，ATP系統輸出緊急制動。

4.3 有源應答器發送默認報文 應答器除了在聯調聯試期間的故障外，在開通后，還會出現有源應答器發送默認報文的故障。

典型故障案例分析見圖5所示：

應答器整個信息傳送通道的關鍵環節包括：通信接口P或Q、通信接口S、LEU、ECI、切換單元、防雷單元、電纜、應答器。其中任意一個環節出現問題，都會導致有源應答器發送默認報文［5-6］。

圖5 設備接口示意圖

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，應答器發送來自LEU存儲的默認報文，更換已故障的TIU板后，故障解決。

2)室內防雷單元故障：根據工程設計和系統應用的要求，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，導致有源應答器發送自身的默認報文。

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，瞬態二極管D導通，此時該通道被瞬時短路，有源應答器發送自身的默認報文。

3）應答器C接口故障：有源應答器C接口電路簡圖如圖7所示。

案例：由于受雷擊影響，某站有源應答器C接口的2支TVS管呈現短路狀態，有源應答器發送默認報文［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，開路狀態和短路狀態。

圖7 有源應答器C接口電路簡圖

如果2個TVS管均呈短路狀態時，傳輸通道被故障的應答器短路，該應答器將不能接收來自LEU的數據，當車載天線經過時，應答器發送默認報文。

如果其中一個TVS管呈開路狀態時，不會影響應答器的數據傳輸功能，但是，該應答器將不再具備抗沖擊的能力。如果通道上出現浪涌干擾時，應答器C接口內部電路可能會被損壞。

對于防雷單元故障、應答器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，并將故障狀態反饋給LEU，同時記錄在內存中。但在現場應用中，出現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：列車經過有源應答器時，車載設備接收252默認報文，報LEU故障，停車3 min。

原因分析：經檢查LEU至應答器尾纜終端盒時，發現電纜芯線絕緣不良，更換備用芯線后解決。

因為此故障應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，因此ECI沒有檢測到故障，即列控中心電務維修機無故障報警提示。對這種方式安裝的LEU，現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，則數據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）應答器本身故障案例：某次列車在某客專運行中，連續3次出現有源應答器發送默認報文。

原因分析：經過常溫和低溫條件下的有源應答器有源功能測試、I∕O測試、應答器啟動測試、XRAY掃描測試，以及解剖后的詳細測試，發現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，導致應答器啟動特性不滿足要求，進而導致有源應答器偶爾出現發送默認報文的現象。

典型故障分析方法：

應答器以報文的形式發送信息，每條應答器報文內容：報文幀頭（50位）+信息包1、信息包2…信息包n+結束包(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，定義為報文計數器，無源應答器的M_MCOUNT為255，有源應答器默認報文的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。報文計數器與故障的對應關系［6］：

1）M_MCOUNT=0，列控中心發送默認報文，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穩態，LEU發送默認報文，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，有源應答器一直發送默認報文，可能原因：a.LEU故障；b.傳輸通道短路或開路；c.應答器C接口故障。

4）M_MCOUNT=255間歇，有源應答器時而發送默認報文，時而發送正常報文，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 結束語

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

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

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

［3］戚明.京滬高鐵應答器設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.應答器傳輸系統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.有源應答器發送默認報文的原因分析［J］.鐵路通信信號工技術.2011，8（5）：48-50.