有源應(yīng)答器發(fā)送默認報文的原因分析

王 威

（北京全路通信信號研究設(shè)計院有限公司，北京 100073）

1 概述

在中國高速鐵路和客運專線系統(tǒng)中，列車控制系統(tǒng)（CTCS）是保證列車運行安全和效率的重要系統(tǒng)，應(yīng)答器是列車控制系統(tǒng)地面設(shè)備中的重要組成部分，關(guān)系到列車運行安全的控制信息，包括列車進路、臨時限速等實時變化的重要信息。這些信息來自列控中心，并通過有源應(yīng)答器傳送給車載設(shè)備。當(dāng)車載設(shè)備從有源應(yīng)答器接收到的報文屬于默認報文時，可能會引發(fā)列車異常制動，從而影響列車正常運行。

2 應(yīng)答器地面設(shè)備組成和原理

應(yīng)答器地面設(shè)備主要由應(yīng)答器、軌旁電子單元（LEU）、電纜檢測盒（ECI）、防雷單元和傳輸電纜組成，具體如圖1所示。

列控中心（TCC）根據(jù)車站聯(lián)鎖排列的進路、臨時限速服務(wù)器或CTC/TDCS下達的臨時限速命令，生成實時變化的報文發(fā)送給LEU；LEU周期接收來自于列控中心的報文，并將其連續(xù)不斷地向有源應(yīng)答器發(fā)送；有源應(yīng)答器通過電纜與LEU連接，通過無線接口向車載發(fā)送來自于LEU的報文；ECI是電纜檢測盒，用于檢測應(yīng)答器傳輸電纜是否存在開路或短路現(xiàn)象。在實際應(yīng)用時，LEU（包括ECI）存在雙擊熱備冗余的方式，通過切換單元確保正常的LEU將報文發(fā)送給有源應(yīng)答器，具體如圖1中的虛線部分。

從圖1中可以看出，可能會影響有源應(yīng)答器發(fā)送報文的因素如下。

1）通信接口P或Q（列控中心與CTC或聯(lián)鎖的通信）。

2）通信接口S（列控中心與LEU的通信）。

3）LEU。

4）ECI。

5）切換單元。

6）防雷單元。

7）傳輸通道（電纜、尾纜、終端盒）。

以上任何一個環(huán)節(jié)的設(shè)備或通信故障，都可能導(dǎo)致有源應(yīng)答器發(fā)送默認報文的現(xiàn)象。

3 故障分析的方法

3.1 報文計數(shù)器的概念

應(yīng)答器以報文的形式發(fā)送信息，我國列控系統(tǒng)中，每條應(yīng)答器報文都是由一個50位的報文幀頭、若干信息包以及8位結(jié)束包構(gòu)成，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。

通過對有源應(yīng)答器發(fā)出的報文進行解析并得到M_MCOUNT，即可判斷信息傳輸通道是否存在問題。

報文解析的方法有兩種：一種是車載設(shè)備通過有源應(yīng)答器時讀取報文，這種方法一般用于發(fā)現(xiàn)故障；另外一種是利用報文讀取設(shè)備，現(xiàn)場讀取有源應(yīng)答器或LEU的報文。在對通道分析時一般采用讀取設(shè)備，從LEU輸出到有源應(yīng)答器通道的任何一點均可以用讀取設(shè)備讀取報文。

3.2 判斷故障點的基本原則

現(xiàn)場查找故障時，可以用報文讀取設(shè)備連續(xù)讀取有源應(yīng)答器的報文，根據(jù)其發(fā)出報文的特征（報文計數(shù)器）對故障點進行初步判斷，具體如表1所示。

表1 報文計數(shù)器與故障的對應(yīng)關(guān)系

4 典型故障分析詳述

4.1 LEU

列控中心通過通信接口板與LEU通信，采用RS-422串行總線。通信板接收列控中心主機的應(yīng)答器用戶數(shù)據(jù)，實時編碼成應(yīng)答器報文后向LEU發(fā)送，LEU將該報文連續(xù)不斷地發(fā)送給有源應(yīng)答器，同時LEU將傳輸通道和有源應(yīng)答器的狀態(tài)（過車信息）反饋給列控中心。列控中心每500 ms向LEU發(fā)送實時報文，每15 s接收LEU反饋的信息。

當(dāng)列控中心與LEU通信中斷時，有源應(yīng)答器發(fā)送的是LEU默認報文；當(dāng)LEU或傳輸通道故障時，有源應(yīng)答器發(fā)送自身的默認報文。

1）從指示燈判斷LEU的狀態(tài)

LEU包含電源板、數(shù)據(jù)處理板、通信接口板、輸出板和母板，其中電源板、數(shù)據(jù)處理板和通信接口板均有指示燈，根據(jù)工作時指示燈的狀態(tài)可基本判斷LEU的狀態(tài)，具體如表2所示。

表2 LEU狀態(tài)指示燈

2）從LEU記錄的數(shù)據(jù)分析通道狀態(tài)

每臺LEU可以為4個有源應(yīng)答器發(fā)送報文，LEU在運行過程中，會在內(nèi)存中記錄各種事件，比如每一路輸出的報文編號和對應(yīng)應(yīng)答器的過車信息，這些信息用于對LEU工作歷史狀態(tài)的分析和追溯，圖2表示某LEU前3個通道的歷史數(shù)據(jù)。以輸出通道1為例，001表示1通道，05956表示當(dāng)前發(fā)送的報文代號，32872表示實時發(fā)送的報文代號，在01：43：19的‘X’表示有車通過該通道的有源應(yīng)答器。另外‘X’也可能代表該通道存在開路或短路情況的發(fā)生。

從圖2中可以看出，該LEU 第1通道和第2通道的狀態(tài)正常，而第3通道從13：26：12到13：26：45的時間內(nèi)連續(xù)出現(xiàn)X，在40s內(nèi)出現(xiàn)多次列車通過是不可能的，這說明該LEU的第三個通道可能存在短路或開路故障。

4.2 防雷單元

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，防雷單元電氣簡圖如圖3所示。

防雷模塊的標稱電壓為24 V，當(dāng)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，就疊加在防雷單元輸入端上。當(dāng)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(dǎo)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。由于干擾信號的不確定性，所以該故障也會偶然發(fā)生，沒有規(guī)律。

4.3 應(yīng)答器

應(yīng)答器通道傳輸?shù)男盘枮榈蛪弘娦盘枺ㄗ畲骎pp為41 V），且為平衡線傳輸方式。應(yīng)答器的C接口輸入電路具有抗浪涌沖擊功能，采用了2個串聯(lián)的TVS管，對達到一定電平的浪涌干擾予以短路釋放，以保護后續(xù)電子電路不被浪涌干擾損壞。

如果在該通道上施加較長時間的高電壓（如測試電纜絕緣所用的500 V電壓），而沒有將應(yīng)答器與電纜脫離，這種高壓信號對應(yīng)答器C接口將會造成不可修復(fù)的損壞，例如短路、開路或阻抗變化，這幾種故障都會被ECI檢測出來，從而導(dǎo)致有源應(yīng)答器發(fā)送自身的默認報文。

以圖4為例，對一種應(yīng)答器C接口電路的故障模型進行分析，在輸入端口用2支TVS管防護，當(dāng)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)。

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(dāng)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。

4.4 ECI

ECI即電纜檢測盒，用于檢測信號傳輸通道的狀態(tài)，包括電纜開路、電纜短路、防雷單元故障、應(yīng)答器C接口故障、傳輸通道的阻抗變化，1個ECI可同時檢測4個信息傳輸通道的狀態(tài)，并將故障狀態(tài)反饋給LEU，同時記錄在內(nèi)存中。

當(dāng)ECI 檢測到一個通道故障時，會周期地向該傳輸通道發(fā)出短路信號，該短路信號被LEU捕獲到并反饋給列控中心。由于需要定期檢測通道是否恢復(fù)正常，所以短路信號中間要加入恢復(fù)的時間，具體如圖5所示。

當(dāng)通道故障發(fā)生1 s后，ECI進入動作狀態(tài)，短路傳輸通道9 s，恢復(fù)傳輸通道2 s，短路8 s，恢復(fù)2 s，如此往復(fù)循環(huán)，直到通道恢復(fù)正常。所以當(dāng)ECI動作時，通道被完全短路，有源應(yīng)答器發(fā)送自身存儲的默認報文，只有在通道恢復(fù)2 s的期間，有源應(yīng)答器才有可能正常發(fā)送報文。

現(xiàn)場應(yīng)用過程中，曾經(jīng)出現(xiàn)過以下案例：由于外部高壓大電流的沖擊，使應(yīng)答器C接口阻抗下降，所以ECI判斷該通道為短路，而實際上未發(fā)生完全的短路。在這種情況下，ECI頻繁動作，機車通過該應(yīng)答器時，就會時而收到正常報文，時而收到默認報文，更換應(yīng)答器后該故障消除。

5 結(jié)語

通過以上分析，說明了應(yīng)答器發(fā)送默認報文的幾個主要原因，結(jié)合應(yīng)答器地面設(shè)備的組成和原理，結(jié)合故障案例和現(xiàn)場經(jīng)驗，提出了幾種具體的故障分析排除方法，從而保證列控系統(tǒng)調(diào)試進度或運行效率，具有一定實際操作指導(dǎo)性。