城軌美式應答查詢器狀態分析與故障檢測

黃愉華

(上海地鐵維護保障有限公司 通號分公司，上海 200235)

0 引言

隨著城市化的發展，軌道交通已經成為城市生活不可或缺的一部分，是人們日常出行的重要交通工具。為保證城市軌道交通列車安全運行，需要對列車進行實時定位。應答器傳輸系統是進行列車定位的關鍵系統，其組成部分由車載應答查詢器(TI子架，transponder interrogator)、車載定位天線與地面應答器(信標)組成[1]。

目前上海地鐵5～9、11等多條線路均采用美式信標來保證CBTC對列車高精度定位的需求[2]。在運營過程中發現，該系統常出現信標數據丟失的情況，即定位天線掃過地面信標而車載主機卻沒有接收到解析的信標數據或者信標數據不完整，列控中心也就無法定位列車當前位置，該情況如圖1所示。在初期運行標準中，列車連續丟失兩個及以上的信標時，列車進入降級模式，這使得線路運營效率大大降低。隨著線路運營年限的增加、設備老化，列車因連續丟失兩個信標造成的運行標準降級的情況越來越多，很多線路已把信標丟失次數提升為連續丟失3個及以上時才進入降級模式。這樣做雖減少了列車降級模式的發生概率，但增加了列車在無定位狀態下運行的時間和風險，這是線路上的重大安全隱。因此為減少信標丟失的故障，對應答器傳輸系統的檢測與維護是目前研究的熱點和重點。

圖1 列車丟失信標示意圖

根據應答器傳輸系統的組成，對其設備檢測可分為3種情況：地面信標檢測、TI子架檢測、定位天線及傳輸電纜檢測。天線和連接件的檢測相對比較簡單和成熟，主要采用部件替換的方式[3]。針對地面信標的檢測可使用綜合檢測車進行檢測和便攜式的應答器檢測設備[4-6]，文獻[4]中車載應答器利用無線電磁感應技術，通過非接觸的方式實現與地面信標之間的能量傳遞和數據通信。文章給出了一種有效解決應答器天線的年檢、半年檢等定期檢查工作的檢測設備，無需動車，安裝簡單，操作便捷，可廣泛應用于國內安裝使用應答器天線車輛的測試維保工作中。文獻[5-6]分別介紹了兩種便攜式應答器的檢測工具。檢測設備可以方便快捷地對應答器進行報文的讀出和寫入，能有效降低成本，提高靈活性，從而以實現對應答器檢測和信息更新的便捷化操作。遺憾的是，這些檢測設備的主要檢測對象是應答器傳輸系統中的地面信標。然而，應答傳輸系統中的車載查詢器的檢測更為關鍵。目前國產的應答器系統仍有諸多不足，大部分高鐵線路采用的是歐式應答器傳輸系統。所以目前針對車載應答器的討論和研究主要都集中在對高鐵線路所采用的歐式應答器傳輸系統進行研究，特別是對車載應答器傳輸模塊(BTM，balise transmission module)進行測試。文獻[7]中主要白盒檢測對軟件進行功能以及性能測試，傳統的研發測試使用代碼走查和整機測試等方式，適用性低，靈活性差。白盒測試中需要掌握系統的源代碼，從中找出不足與缺陷，進而修改這些問題，因此白盒測試主要用于設備廠商的產品自測。由于目前使用的應答器傳輸系統依賴國外進口，難以掌握核心代碼與技術，因此針對BTM檢測利用白盒測試難度較大。文獻[8]中主要采用黑盒檢測技術，只需將BTM正常供電，將已知信號輸入BTM，檢測BTM是否正常輸出即可。黑盒檢測無需掌握BTM內部核心代碼與技術，是當前主流的檢測手段，但黑盒測試也存在無法精確定位設備故障位置的局限性。

城市軌道交通的很多新線路都采用美式應答器傳輸系統，但是由于投入時間相對較短，目前主要是由國外設備廠商提供維護，針對車載應答器的檢測方法與設備非常少。目前針對車載設備的故障處理主要是通過整體更換故障設備，其維修成本較高、工作效率低下且十分依賴設備供應商[9]。本文對TI子架工作狀態進行研究，判斷出設備故障的具體位置，有針對性地進行檢測與維護，可降低維修成本，提升工作效率。

本文第一章闡述了應答器傳輸系統的工作原理；第二章對TI子架的工作狀態和端口功能進行分析，提出狀態檢測方法，并通過實驗驗證；第三章對TI子架報文數據進行接收與解析，并通過實驗驗證；第四章根據TI子架的工作狀態，可對TI子架進行故障位置判斷，提出了一種針對TI子架故障的檢測流程；第五章總結全文。

1 應答器傳輸系統結構及原理

應答器傳輸系統應用的主要技術為RFID(radio frequency identification)技術[10]，通過TI子架發射無線射頻信號來激勵信標，信標利用電磁感應能量來回傳自身攜帶的ID信息，查詢器無需與信標直接接觸來獲得信標的數據信息，從而實現列車定位。在城市軌道交通中，為實現列車精確定位，將RFID信標布置在軌道線路中。應答器傳輸系統的技術標準屬于ETCS的一部分，起初應答器有3種技術方案，分別是磁性應答器、聲波應答器以及微波應答器。由于磁性應答器抗干擾能力強、成本低、使用壽命較長，最終在1994年確定使用磁性應答器。Form Fit Function Specification Interface ‘A’，Euroblise Transmission Sub-System(FFFS)是應答器傳輸系統的第一套標準規范，該規范于1995年4月發布。隨著第一套標準規范的出現，應答器傳輸系統的功能也在不斷發展與完善，2002年發布了SUBSET-036應答器功能接口規范以及SUBSET-085應答器測試規范。隨著軌道交通行業的不斷發展，SUBSET規范也在不斷更新與完善，如今已經成為軌道交通應答器領域內權威的標準規范。根據設計標準及信號處理平臺可將RFID信標分為美式應答器傳輸系統和歐式應答器傳輸系統，本文主要研究美式應答器傳輸系統。

應答器傳輸系統的工作原理為車載天線持續發送902～928 MHz的高頻激勵信號，在列車經過地面信標上方時，根據電磁感應原理，天線發出的激勵信號驅使信標內部感應電路工作，將信標攜帶的線路信息發送出去，車載天線進行接收[11]。車載應答查詢器對接收到的信號進行解調、解碼并實時傳送給列控中心，實現列車定位。應答器傳輸系統的結構如圖2所示。

圖2 應答查詢器系統結構圖

2 車載美式查詢器端口功能分析與工作狀態檢測

2.1 TI子架前面板簡介

應答器傳輸系統的車載部分由車載定位天線和TI子架組成，兩者通過電纜相連接。TI子架的前面板如圖3所示。最初不清楚TI子架前面板各端口功能，為研究TI子架的工作狀態，對其進行離線測試，檢測TI子架各端口功能。

圖3 車載美式查詢器前面板示意圖

2.2 供電測試

TI子架廠商標定的供電的電壓范圍是28～140 V，最大功率不超過45 W。為研究電源對TI子架的影響，利用可編程電源為TI子架供電，統計在不同供電電壓下TI子架的工作狀態，結果如表1所示。

測試過程中發現隨著供電電壓的降低，TI子架的電源指示燈由綠色變為紅色。

情況一：當工作電壓不低于25 V時，TI子架的電源指示燈顯示為綠色時如圖4所示，信標掃過定位天線后TI子架的串口有報文數據輸出，證明查詢器在正常工作，因此綠色的ok燈表示查詢器處于正常工作狀態。特別需要說明的25～28 V為臨界狀態，有一定不能正常工作的概率。

圖4 正常供電狀態

情況二：隨著電壓的降低，當輸入電壓低于24 V高于23 V時，TI子架電源指示部分的兩個指示燈同時點亮如圖5所示，此時信標掃過定位天線時，查詢器串口仍有報文輸出。此時查詢器雖可以正常工作，但輸入電壓明顯低于額定電壓范圍，表明查詢器此時處于一個臨界的工作狀態，i燈顯示為紅色是在警示輸入電壓較低，需要及時維護。

圖5 臨界工作狀態

情況三：輸入電壓低于23 V時，電源指示燈只有i燈點亮為紅色如圖6所示，此時查詢器輸入電流明顯降低，查詢器不能正常工作。利用信標掃過定位天線進行測試，查詢器串口無報文輸出。當只有i燈顯示為紅色時，表明查詢器的供電電壓嚴重不足，查詢器此時無法正常工作。

圖6 供電不足狀態

2.3 I/O電壓引腳測試

I/O電壓口為16個電壓引腳的接口，如圖3所示的對應部分。利用示波器對16個I/O電壓引腳的電壓進行檢測，測試后發現，有明顯電壓變化的為1、2、3號引腳，5號引腳為接地，其余引腳無明顯電壓變化。

1號引腳測試：在TI子架電源指示燈為綠色或者處于臨界狀態時，無信標掃過天線時，1號引腳的電壓利用示波器測得電壓值為0.2 V，信標經過時電壓變為5 V，信標掃過之后又恢復到0.2 V。因此當查詢器可正常工作時，1號引腳表示信標的讀取狀態，有信標掃過時電壓變為5 V，無信標時一直穩定為0.2 V。1號引腳的電壓波形如圖7所示。

圖7 1號引腳電壓波形圖

2號引腳測試：在TI子架電源指示燈為綠色或者處于臨界狀態時，有無信標掃過2號引腳的電壓一直是5 V，電壓波形如圖8所示。當TI子架電源指示燈為紅色時，2號引腳的電壓變為0.2 V，電壓波形如圖9所示。2號引腳表示TI子架電源的工作狀態，正常工作時2號引腳電壓穩定為5 V，電源供電不足時2號引腳電壓為0.2 V。

圖8 正常供電或臨界狀態時2號引腳電壓

圖9 供電不足時2號引腳電壓

3號引腳測試：在TI子架電源指示燈為綠色時，有無信標掃過3號引腳一直處于12.8 V的高電平；當TI子架處于臨界工作狀態時，有無信標掃過3號引腳一直處于8.8 V的高電平；當TI子架供電不足時，3號引腳電壓變為0.2 V。TI子架串口與電腦連接，通過串口調試軟件輸入“！～～CC”后TI子架進入調試狀態，此時外接電源輸入給TI子架的電壓穩定，但電流迅速降低，此時測得1號引腳的電壓為0.2 V，2號引腳的電壓為5 V，3號引腳的電壓為1 V，信標掃過后3個引腳的電壓均無變化；在串口調試軟件輸入！642后TI子架的電流恢復正常，1、2號引腳的電壓不變，3號引腳的電壓變為12.8 V，信標掃過天線后1號引腳的電壓有變化。 3號引腳表示TI子架射頻開關的開關情況，正常情況下射頻開關處于常開狀態，3號引腳的電壓一直處于12.8 V，其電壓波形如圖10所示。

圖10 3號引腳電壓波形圖

根據1、2、3號引腳的測試結果，對其進行匯總分析后得出1、2、3號引腳的工作狀態以及功能如表2所示。

表2 I/O電壓引腳的工作狀態

3 串口數據解析

3.1 串口數據接收

TI子架對接收到的信標信號進行放大、解調、解碼后得到十五位的十六進制報文數據，其結果如圖11所示。這十五位報文中，前兩位為報文開頭，第三位為信標類型，第四位為讀取到信標的次數，第五位到第十四位為信標攜帶的線路信息，第十五位為停止位[12-13]。

圖11 串口輸出的報文數據

3.2 報文解析與驗證

報文解析過程為將第五位到第十四位報文數據依次排列轉換為二進制數據，每一位十六進制報文轉換后可得到8位二進制數據，每個二進制序列中忽略最高兩位。信標ID的解析為表加粗的二進制序列，將其轉化為十進制后得到信標ID。線路號的解析為表中加粗的二進制序列，將其轉化為十進制后就得到線路號。報文解析結果如表3所示。

表3 信標報文解析表

在某地鐵基地利用測試線進行信標ID的解析測試，將TI子架的串口與電腦連接，通過串口軟件接收測試線上的報文數據并記錄，將報文數據解析出信標ID，驗證上述方法解析出的信標ID是否與實際線路上的信標ID一致。測試線路部分線路如圖12所示。

圖12 測試線線路圖

對在測試線上運行時TI子架串口輸出的報文進行統計，并解析出每條報文對應的信標ID，如表4所示。與實際信標布置圖上的信標ID進行對比，可以看出其結果一致。

表4 信標ID解析結果線路信標ID

4 故障檢測流程與實測案例

4.1 故障檢測流程

一般情況下，列車運行過程中列控中心只能發現信標丟失，但無法確定具體原因，因此在列車檢修過程中無法針對具體故障進行檢修，只能整體更換設備。這樣費時費力，針對這種情況，通過上述研究分析得出的車載美式應答查詢器的工作狀態，可判斷出具體的故障位置，有針對性的進行故障檢修與維護。因此，針對應答查詢器的故障檢測，本文提出如下檢測流程：

步驟1：觀察TI子架電源指示部分，如果電源指示燈的ok燈顯示為綠色且i燈不點亮，說明查詢器供電充足，TI子架的供電正常；如果兩個電源指示燈同時點亮或者只有i燈點亮為紅色，說明TI子架供電不足，需要對TI子架供電部分進行檢修[14]。

步驟2：在TI子架電源正常供電的情況下，信標掃過定位天線時檢測TI子架I/O電壓引腳的2號引腳穩定在高電平，3號引腳的電壓值一直穩定在低電平，說明查詢器射頻接口關閉或者故障，通過串口輸入操作命令“！642”重啟射頻開關。若重啟之后3號引腳仍處于低電平，證明查詢器射頻模塊故障，需進行檢修[15]。

步驟3：在TI子架電源正常供電的情況下，檢測TI子架I/O電壓引腳的1、2、3號引腳的電壓值。使用信標掃過定位天線時檢測1號引腳的電壓值是否有變化。若1號引腳在信標經過時會有高低電壓的跳變，2號、3號引腳始終穩定在5 V和12.8 V的高電壓值，說明TI子架的工作狀態正常；若1號引腳無電壓跳變，2、3號引腳電壓正常，說明車載定位天線或者傳輸電纜故障，需對其進行檢修[14]。

步驟4：在TI子架正常供電、I/O電壓引腳的狀態指示正常的情況下，對TI子架的RS232串口輸出的報文數據進行解析。檢測串口輸出的報文是否有7E7E的報頭且報文數據是否滿足十五位，若該TI子架輸出的多個報文報頭有誤或者報文位數不足，表明查詢器TI子架解析信標信號時出現故障，需要對查詢器進行檢修[16-17]。

步驟5：在TI子架電源正常供電、I/O電壓引腳的狀態指示正常以及串口輸出十五位報文數據，對報文數據進行解析得到信標ID。將解析得到的信標ID與實際線路上的信標ID進行對照，判斷TI子架解析的報文數據是否正確。若TI子架串口輸出的報文數據得到的多個信標ID都無法與線路上的信標ID相配，表明查詢器解析信標信號時故障，需要對查詢器進行檢修與維護[18-20]。

步驟6：在查詢器電源正常供電、I/O電壓引腳的狀態指示正常、查詢器串口輸出的報文以及解析后的信標ID都無誤，表明車載設備正常工作。若仍然出現信標丟失的故障，進一步檢測地面信標是否出現故障。

檢測流程如圖13所示。

圖13 TI子架檢測流程圖

4.2 實測案例

故障檢測系統開發完成后，利用實驗室環境對其進行功能測試，驗證故障檢測系統的功能與可靠性，對故障檢測系統在運行過程中出現的問題及時排查與處理，確保故障檢測系統可以穩定高效的運行。

在實驗室中為車載查詢器搭建故障檢測系統如圖14所示，檢測系統搭建完成后使應答器傳輸系統開始工作，硬件采集設備采集查詢器Lock端口電壓數據以及串口數據發送給上位機，將上位機中存儲的數據導入故障診斷軟件進行故障分析與診斷，檢測在無任何外界干擾情況下查詢器的工作情況。

圖14 實驗室測試環境

故障檢測系統功能實測驗證：在實驗室使用信標掃過車載定位天線，10次信標掃過為一組實驗數據，累計測試10次。對每組實驗數據進行統計分析，繪制每一組實驗的Lock端口波形圖，并在圖中以紅色豎線標注信標報文解析時間點，如圖15所示。從波形圖中可以看出Lock1端口出現10個高電平為5.1 V的方波，在方波的持續時間中有紅色豎線標記，10條紅色的豎線表明故障檢測系統采集到了

圖15 Lock端口電壓波形圖

10個信標報文，不存在信標丟失；Lock2端口電壓穩定在5.1 V，Lcok3端口電壓穩定在11.6 V。根據繪制的波形圖可初步判斷在采集數據期間查詢器正常工作。統計十組實驗數據如表5所示。

表5 測試結果統計表

從表格中的數據可以看出故障檢測系統可實時采集查詢器Lock端口電壓與串口數據；同時根據采集到的數據在故障診斷軟件中繪制波形圖可判斷查詢器的工作狀態。綜上所述，本次設計的故障檢測系統功能實現成功。

5 結束語

目前國內針對車載應答查詢器的故障檢修仍是整體更換車載設備，無法找出故障的具體位置進行針對性的檢修，檢修成本較高且效率低下。通過對車載應答查詢器工作狀態的研究，根據其工作狀態來判斷具體的故障位置，同時提出了一種針對應答查詢器故障的檢測流程。利用該檢測流程，可有效判斷車載設備的故障位置，有針對性的進行故障檢修與維護，提升工作效率，節約設備檢修成本。提出該檢測流程為今后車載設備的故障檢測有一定的指導作用，便于將來開發便攜式的故障檢測設備。