ATP車載設(shè)備掉碼問題研究

陳建譯

（中國鐵路廣州局集團公司電務(wù)處，廣州 510088）

1 概述

隨著列車運行速度的提高，司機通過瞭望地面信號機顯示不能滿足對列車操控的需求，必須提前預(yù)知若干個閉塞分區(qū)狀態(tài)，才能保證行車安全，因此車載機車信號成為主體信號。我國高速鐵路建設(shè)以來，基本取消了地面信號，動車組司機通過車載ATP控車速度曲線和機車信號碼序顯示來操控列車運行。同時，地面軌道電路發(fā)碼信息，也是生成ATP控車速度曲線的重要參數(shù)。因此，地面軌道電路發(fā)碼及車載碼序接收正確性，對動車組ATP控車至關(guān)重要，首先地面要確保正確發(fā)碼，其次車載軌道電路讀取器單元（簡稱TCR主機）設(shè)備要正確收碼和譯碼，再次ATP設(shè)備按規(guī)范要求邏輯正確處理。ATP反應(yīng)掉碼故障，往往沒有細(xì)致分析第二個環(huán)節(jié)問題，主觀推斷為地面軌道電路發(fā)碼問題。按照目前全路動車組運行交路，尤其動車組在非本局管轄范圍運行時往往如此。本文在闡述TCR原理和技術(shù)參數(shù)的基礎(chǔ)上，結(jié)合現(xiàn)場實際運營實踐的幾件ATP車載設(shè)備掉碼故障，來分析特殊場景下掉碼故障的成因。

2 軌道電路讀取器基本原理

軌道電路讀取器設(shè)備由軌道電路讀取器單元（簡稱TCR主機）和雙路接收線圈（簡稱接收線圈）構(gòu)成。軌道電路讀取器作為一種車載設(shè)備，和地面軌道電路一同構(gòu)成了地車軌道信號系統(tǒng)。

軌道電路讀取器的工作原理圖如圖1所示。

圖1 軌道電路讀取器系統(tǒng)構(gòu)成Fig.1 composition of track circuit reader system

當(dāng)列車輪對軌道電路形成分路時，在鋼軌上的分路電流在周圍產(chǎn)生磁場，接收線圈感應(yīng)磁場后形成信號，并將信號傳送至TCR主機。TCR主機將信號處理后，將結(jié)果發(fā)送給列控車載設(shè)備ATP。

2.1 TCR工作原理

接收線圈將感應(yīng)到的軌道電路電流轉(zhuǎn)換為電壓信號傳輸給TCR主機。TCR主機對信號進行取樣、將模數(shù)轉(zhuǎn)換、譯碼，解析出軌道電路信息，將信息翻譯為相應(yīng)的低頻信息后輸出給列控車載設(shè)備ATP。TCR主機工作原理如圖2所示。

如圖2所示，雙路接收線圈的一路接主控板A，另一路接主控板B，經(jīng)隔離、AD轉(zhuǎn)換、信號處理（濾波、頻率識別）后，A、B板的CPU做二取二比較，通過后將識別結(jié)果（載頻、低頻信息等）以RS-422通信接口方式傳送給車載設(shè)備ATP。

當(dāng)識別出的軌道電路信號的載頻、低頻、頻偏、電流幅度均符合要求且持續(xù)時間滿足要求，判斷軌道電路區(qū)段有碼，否則認(rèn)為區(qū)段無碼。

TCR在解調(diào)軌道電路信息的過程中，可根據(jù)軌道電路載頻的變化，提取絕緣節(jié)信息，并輸出給列控車載設(shè)備ATP用作位置校正。

2.2 參數(shù)要求

1）接收靈敏度

ZPW-2000和移頻軌道電路接收靈敏度如表1，2所示。

2）應(yīng)變時間

TCR接收ZPW-2000系列信息時，信息接收應(yīng)變時間不應(yīng)大于2 s，從有信息到無信息的應(yīng)變時間不應(yīng)大于4 s。

TCR接收移頻信息時，信息接收應(yīng)變時間不應(yīng)大于2 s，從有信息到無信息的應(yīng)變時間不應(yīng)大于4 s。

圖2 TCR工作原理圖Fig.2 TCR working principle

表1 ZPW-2000系列軌道電路TCR接收靈敏度Tab.1 TCR receiving sensitivity of ZPW-2000 track circuit

表2 移頻軌道電路TCR接收靈敏度Tab.2 TCR receiving sensitivity of frequency-shift modulated track circuit

TCR對外輸出通信延時時間不應(yīng)大于0.3 s。

3）返還系數(shù)，整機返還系數(shù)不應(yīng)小于75%。

4）可靠性，TCR主機的平均無故障服務(wù)時間（MTBF）不應(yīng)低于1×106h。

5）安全性，TCR的安全完整性等級應(yīng)滿足SIL4級要求。

6）抗干擾能力，在軌道牽引回流為1 000 A、不平衡系數(shù)10%的電氣化區(qū)段，TCR主機應(yīng)能正確譯碼。

3 故障案例分析

3.1 動車組經(jīng)過絕緣節(jié)TCR感應(yīng)電壓值偏低引起動車組緊急制動

故障場景：動車組在高鐵某站內(nèi)準(zhǔn)備對標(biāo)停車作業(yè)，列車由站內(nèi)股道G1跨向G2運行過程中，由于感應(yīng)到地面的軌道電路信號電壓偏低，發(fā)生TCR主控板A、B切換情況，最終ATP由完全監(jiān)控模式轉(zhuǎn)入冒進防護模式，并輸出緊急制動停車。

故障分析： 1）動車組ATP處于C3等級完全監(jiān)控模式在站內(nèi)股道內(nèi)由G1（載頻為2 300 Hz、低頻為HU碼）向G2（載頻為1 700 Hz、低頻為HU碼）運行時，TCR的主控板A在G1上感應(yīng)到的電壓幅值94.4 mV（根據(jù)表1，標(biāo)準(zhǔn)為100 mV±7.5 mV，在標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)偏下限），未能正常譯碼，并觸發(fā)TCR無載頻切換工作機制，由主控板A切換至主控板B工作（切換時間約1 s）。

2）TCR主控板B接替工作后，動車組已越過G1、G2間絕緣節(jié)，進入G2，并開始接收G2的軌道電路信號。由于TCR僅向ATP輸出了載頻、低頻信息，未能輸出絕緣節(jié)信息，由此導(dǎo)致ATP判斷列車仍在G1內(nèi)運行，還未到G2范圍，應(yīng)該接收2 300 Hz 的載頻，而實際接收到的1 700 Hz載頻，出現(xiàn)載頻不一致。因此，ATP為了確保安全，對接收到的1 700 Hz信號按無碼處理，按照ATP處理邏輯由HU碼變?yōu)闊o碼，轉(zhuǎn)入冒進防護模式，并輸出緊急制動。

基本結(jié)論：經(jīng)排查故障當(dāng)日其他列車在該站股道ATP設(shè)備收碼正常，且故障當(dāng)晚上道檢查地面設(shè)備發(fā)碼正常。同時，故障車組在京廣高鐵全線其他各站也運行正常。由此，可判斷該故障屬ATP車載設(shè)備偶發(fā)性的，因機車信號感應(yīng)電壓幅值偏低，誘發(fā)的特殊運營場景故障個例（ATP設(shè)備TCR工作主機因故切換時，丟失絕緣節(jié)信息導(dǎo)致ATP誤判載頻校核不一致，由HU碼變無碼，并轉(zhuǎn)入冒進模式輸出緊急制動停車）。

3.2 特殊場景下TCR出現(xiàn)的故障導(dǎo)致停車

故障場景：動車組進站由下行線進入上行線股道進站停車，在進站過程中出現(xiàn)掉碼，ATP輸出緊急制動停車。

故障分析：1）動車組進站時TCR單元根據(jù)進站信號機前方應(yīng)答器鎖頻信號進行譯碼，在進入進站信號機后方絕緣節(jié)22 m處，ATP輸出鎖頻信號給TCR單元如圖3所示。

2）當(dāng)動車組越過進站信號機區(qū)段（載頻為1 700 Hz），進入1DG區(qū)段（載頻為2 300 Hz）時，TCR主機板譯碼硬件電阻、電容有差異做不到完全一致，過了絕緣節(jié)后，TCR設(shè)備CPU1譯出了2 300 Hz的載頻信號（低頻為HU碼），而CPU2因為譯碼延遲，還在譯的上一個軌道區(qū)段1 700 Hz的載頻信號（低頻為UUS碼）。此時，TCR收到上行鎖頻信號后，根據(jù)協(xié)議要求和TCR設(shè)計原則，在變化載頻信息前收到鎖頻信息時，需要譯完當(dāng)前載頻區(qū)段后再執(zhí)行下一階段的載頻切換。因此，CPU2在對上一個軌道區(qū)段1 700 Hz的載頻信號（低頻為UUS碼）進行了約3 s的保持。同時，CPU1（低頻為HU碼）和CPU2（低頻為UUS碼）對譯碼結(jié)果進行比較，比對后因譯碼結(jié)果不一致TCR取限制輸出掉碼。因“HU碼”掉“無碼”，輸出緊急制動停車。

基本結(jié)論：受該站形限制，動車組由下行線進入上行線股道進站停車，在咽喉區(qū)出現(xiàn)掉碼，經(jīng)過細(xì)致分析發(fā)現(xiàn)因TCR主機板2個CPU譯碼不同步，進站后其中一個CPU及時譯出了當(dāng)前區(qū)段碼，另一個CPU停留在進站信號機前方區(qū)段，而此時又恰好鎖頻信息需要譯完當(dāng)前區(qū)段再切換載頻，導(dǎo)致掉碼制動停車。

4 結(jié)語

動車組列控車載設(shè)備掉碼故障往往容易忽視其中的細(xì)節(jié)，也是比較難分析的綜合性問題，地面軌道電路發(fā)碼、車載ATP處理邏輯、TCR信號接收和處理邏輯，以及其他特殊場景均可能導(dǎo)致問題發(fā)生。在故障分析的過程，既要宏觀對比分析，確定大致的方向，更要細(xì)致分析各環(huán)節(jié)具體數(shù)據(jù)和邏輯，才能準(zhǔn)確找出其中真正故障成因，采取有效針對性措施進行改進。

1）TCR設(shè)備兩系和兩個CPU之間信息處理和輸出邏輯應(yīng)該進一步研究優(yōu)化，以適應(yīng)各種特殊場景，甚至是故障場景。

2）接收轉(zhuǎn)頻碼條件下，TCR的處理邏輯需進一步完善，尤其適應(yīng)各種站型的不同需求。

3）設(shè)備維護管理單位綜合各類數(shù)據(jù)及報警信息分析，確保問題分析準(zhǔn)確到位。