高速鐵路應答器報文接收質量測試及分析

姚明陽

(柳州鐵道職業技術學院，廣西 柳州 545616)

列車自動運行控制系統作為保證列車運行安全、提高列車運行效率的關鍵技術設備，在鐵路提速中發揮著越來越重要的作用。在列車運行控制系統中，應答器是最重要的基礎設施之一，能夠在列車高速運行的情況下以報文的形式向車載設備傳輸重要控車信息，實現車地通信，保證列車的安全運行。當列車運行速度達到300 km/h(或以上)時，車載設備如果無法快速準確地接收地面應答器報文，就會嚴重影響高鐵的運行，故應答器報文接收質量應滿足鐵路進一步的提速需求。

1 高速鐵路應答器報文接收質量測試的實際意義

高速鐵路列車的運行在一定程度上依靠運行控制系統。在列車所有的車載系統中，應答器較為特殊，其主要功能在于對地面信息進行獲取。如果應答器報文接收質量不高，就可能會導致高速鐵路列車在運行過程中無法及時獲取地面信息，進而影響運行過程。

應答器能夠為列車車載系統提供實時的可變信息以及大量的固定信息，在這種情況下，車載系統的一次連續目標距離制動控制器就具備了生成基礎，因為應答器的信息為其提供了相關的數據支撐。應答器的報文接收質量直接影響著高速鐵路列車的運行情況，要想為高速鐵路列車的安全運行提供保障，就必須合理測試高速鐵路應答器報文接收質量。

研究認為，在高速鐵路列車運行水平不斷提升的背景下，應答器在實際應用中卻往往會出現問題。部分工作人員在列車信號系統聯調聯試工作中發現，應答器往往會出現速度信息接收不及時和坡度、限速信息接收質量不高等情況。如果不能加強對相關問題的分析并提出相應的優化策略，就無法真正發揮出高速鐵路列車的價值，進而影響我國鐵路行業的發展。

根據我國列車運行控制系統技術規范顯示，高速列車CTCS-1 級、CTCS-2 級、CTCS-3 級、CTCS-4 級都需要對應答器的相關設備進行配置。無論是在高速鐵路建設工作中還是在既有線改造提速的過程中，應答器都是不可或缺的設備。應答器向高速行駛的列車車載系統提供信息的主要技術為磁感應技術，主要表現在傳輸鏈路方面。車載應答器的傳輸鏈路分為上下兩種類型，上行鏈路主要是由地面設置的應答器向車載系統傳輸具體信息，信息內容包括可變信息和固定信息。而下行鏈路則是以車載系統為基礎向地面設置的應答器傳輸列車的具體運行信息。上行鏈路的數據是當前車地信息傳輸的基礎，其傳輸的信息內容具備多元化的特征，無論是哪一信息類別都極為重要，包括站名信息、速度信息、臨時限速信息等。除此之外，無論是等級轉換信息還是定位信息，亦或是軌道區段信息等，都需要完全包括在其中。

近年來，我國高速鐵路發展較為迅速，對信息質量的要求越來越高，在大型樞紐車站不斷建設的背景下，不同作用的線路、不同場間的場聯線都越來越多，提升了樞紐車站線路的復雜程度。如果不能保證應答器報文接收質量水平，就會影響列車的運行，甚至會導致列車在運行過程中出現安全風險。通過分析相關人員就列車信號系統開展的聯調聯試所得出的試驗數據發現，在樞紐車站線路較為復雜的區段，應答器對信息的分配往往會出現不合理情況。

2 高速鐵路應答器報文接收質量測試

2.1 測試內容

從我國高速鐵路目前的發展情況來看，對于客運列車專用型高速鐵路來說，其目前的時速達到了350 km以上，新建的客貨運列車混用型高速鐵路在時速方面為250 km，根據這一現實情況對高速鐵路應答器報文接收質量進行測試，主要測試條件如下：將列車的運行速度設定為300 km/h以上，在應答器方面采用不同的地面安裝方式，在此基礎上對地面應答器上行鏈路信號的特性及報文數據接收質量進行具體分析。

高速鐵路應答器報文接收質量測試的主要參數如下：第一，對地面應答器上行鏈路信號的平均數據傳輸速率進行統計、測試。第二，對地面應答器的報文數據進行具體測試。相關人員應開展分段校驗統計工作，明確應答器報文數據的誤碼率。第三，對地面應答器報文的具體接收情況進行統計。應答器報文的接收細節參數包括報文錯誤比特總數、報文比特總數、總個數等。除此之外，無論是報文正確比特的起始位置還是最大有效報文個數，都需要包括在其中。第四，采集地面應答器上行鏈路具體信號，通過相關處理方式還原其信號，查看其信號的實際波形，通過實際波形分析可以明確信號在傳輸過程中的傳輸質量，因為一旦受到噪聲干擾，信號波形就會出現畸形跳變情況。第五，對地面應答器上行鏈路信號的具體采樣數據進行頻譜統計，同時檢驗地面應答器上行鏈路信號頻點與頻率。地面應答器上行鏈路信號存在著2個工作頻點及中心頻率，如果發現工作頻點與中心頻率不準確，就說明其工作頻點受到了噪聲干擾，影響了信息接收質量。

2.2 測試方法

對應答器報文接收質量測試的方法進行明確。測試開始前，應在動檢車的車底兩端安裝具體設備，設備為應答器檢測系統BTM車載天線。還需在車內兩端對應答器檢測系統的BTM車載主機進行安裝。安裝完畢，應將數據處理上位機和顯示終端設備安裝到車內兩端。在實際開展測試過程中，應保證車內兩端的應答器檢測系統處于工作狀態，同時檢測地面應答器。

為了可以更好地得出檢測結果，為高速鐵路應答器報文接收質量的提升打下基礎，地面應答器的安裝應使用不同的方式。首先為橫向安裝，其次為縱向安裝。從橫向安裝的角度來看，主要將地面應答器安裝在鋼軌頂面的130 mm以上，在上行線安裝5個地面應答器，同時也需在下行線安裝數量相等的應答器。從縱向安裝的角度來看，主要將地面應答器安裝在鋼軌頂面，在上行線安裝5個地面應答器，同時也需在下行線安裝數量相等的應答器。

2.3 測試結果

測試結果為：應答器在實際應用中往往會出現問題，主要包括速度信息接收不及時以及坡度、限速信息接收質量不高等。在樞紐車站線路較為復雜的區段，應答器對信息的分配會出現不合理的情況。在列車高速運行的情況下，應答器與天線的具體作用時間被大大縮短，要想讓天線在短時間內對應答器的具體數據進行接收，就必須要擴大作用范圍。一些發達國家在高速鐵路相關規范中對天線與應答器之間的通信作用區進行了嚴格規定，只有保持其水平作用范圍在50～70 cm，才可以保證信息的接收質量。以水平作用范圍60 cm為例：在列車以300 km/h的速度運行時，作用時間T=作用范圍60 cm÷列車速度300 km/h=6.12(ms)，如果列車速度達到300 km/h，那么作用時間T=5.14(ms)。

對于單一的長編碼應答器來說，其報文為1 023 bit，在這樣的情況下，車載設備接收到的連續正確比特數只有大于1 023的應答器報文數據才能對應答器報文的相關內容進行解析。對于應答器數據來說，其平均傳輸速率為564.48 kb/s，所以可對一幀應答器報文進行接收的時間為1 023=564.48=1.81(ms)。由此可以看出，天線與應答器的作用時間較短，要想在列車高速運行的狀態下對信息數據進行接收，就應合理安裝應答器，使應答器能夠與鋼軌成平行狀態，擴大通信范圍。另外，需要盡量增加天線與應答器的作用時間，提升應答器報文接收質量。

3 提升應答器報文接收質量的措施

3.1 對應答器中的有源、無源數據進行合理安排

要想對高速鐵路應答器報文接收質量進行提升，就必須合理安排高速鐵路應答器的有源、無源數據。在高速鐵路列車中，車載設備的主要設施就是應答器，應答器可對地面信息進行獲取，對地面情況進行反映，所以，需要提升信息的合理性，保證信息的全面性，加強信息的有效性。對應答器的有源、無源數據進行合理安排能夠為應答器預留足夠的空間。

根據具體的規范要求，在應答器組內，應答器的數量一般不能超過3個，而在1個應答器組中，只能設置1個有源應答器，所以，有源應答器需要對線路的實際情況進行明確，對不同的信息進行合理分配，進而解決速度信息接收不及時以及坡度、限速信息接收質量不高的問題。

3.2 嘗試使用大容量無源應答器

從理論層面來看，在1個應答器組內對無源應答器的數量進行增加，可以對信息包的容納空間進行擴大，同時也能為獨立應答器的增設打下基礎，縮小區間應答器描述的范圍，所以嘗試使用大容量無源應答器極為必要。在列車高速運行的過程中，往往會受到不同地理條件的制約，一旦線路坡度較大，就可能限制列車的運行速度。為在保證行車安全的基礎上提升列車的運行效率，增加應答器中的內容十分重要，而增大應答器內容也會導致無源應答器的容量捉襟見肘，針對這種情況，應使用大容量無源應答器。

大容量無源應答器的上行鏈路具備雙通道結構的特征，其兩個通道具備并行關系，可對數據傳輸容量進行提高。由于2個通道可在單獨使用、同時使用的狀態中不斷切換，所以應在大容量無源應答器內對應答器報文進行存儲，進而提升數據傳輸容量，解決現實情況中存在的具體問題，提高高速鐵路應答器報文接收質量水平。

3.3 對線路參數進行合并

合并線路參數的目的在于解決應答器報文質量問題，尤其是在對有源應答器、無源應答器進行分配后仍然無法滿足現實需求時，相關人員就應該在現實中嘗試合并線路參數。目前，對線路參數進行合并的方法包括多種不同的類型，無論是速度合并還是坡度合并，亦或是軌道區段的合并，都需要包括在其中。

在遵循具體規范的基礎上進行坡度合并，能夠提高應答器報文的接收質量。從坡度合并的具體質量來看，其主要是以應答器技術規范為基礎，根據相關算法對能夠合并的變坡點進行明確，之后以安全性為原則對制定距離內的坡度進行合并，對數據范圍進行延長。

在遵循具體規范的基礎上進行速度合并，需對制動范圍內的速度變化點進行明確，如果存在著速度變化較大的情況，就應對合并事宜進行慎重考慮，保證數據前后的相同性。

在遵循具體規范的基礎上對軌道區段進行合并，需在不影響列車運行的基礎上進行操作。軌道區段的合并應明確制動距離范圍內由遠及近的軌道區段，從而達到提升報文接收質量的效果。

3.4 提升有源大容量應答器的設計水平

提高高速鐵路應答器報文接收質量水平最基礎的措施就是加強對有源大容量應答器的設計。無論是對線路參數進行合并還是對應答器進行增設，都是為了擴大應答器容量，要想對現實情況進行滿足，就必須要重點完善有源大容量應答器。與無源大容量應答器相比，有源大容量應答器更加復雜，具有一定難度，目前仍處于研發階段。相關人員必須要加強對問題的分析，只有解決容量問題才能保證信息的準確性，應在保證鐵路運輸安全性的基礎上促進整體行業的發展。

4 結語

在列車所有車載系統中，應答器較為特殊，可對地面信息進行獲取，對地面情況進行反映，因此需要提升信息的合理性，保證信息的全面性，加強信息的有效性。如果應答器報文接收質量不夠高，就可能導致高速鐵路列車在運行過程中無法及時獲取地面信息，進而影響運行。要想為高速鐵路列車的安全運行提供保障，就必須合理測試高速鐵路應答器報文接收質量。