有源應(yīng)答器監(jiān)測裝置

朱衛(wèi)華 張 奇 張建平

隨著高速鐵路的不斷發(fā)展，大量動車組投入日常運營，列車運行間隙逐漸縮短，對信號設(shè)備的可靠度要求不斷增高。應(yīng)答器是列控系統(tǒng)控車數(shù)據(jù)的主要來源，特別是進(jìn)、出站口的有源應(yīng)答器數(shù)據(jù)，由于包含臨時限速信息，其數(shù)據(jù)的可靠性與安全性直接決定著動車組的安全。因此結(jié)合列控設(shè)備對進(jìn)、出站口有源應(yīng)答器進(jìn)行監(jiān)測，達(dá)到故障的預(yù)判斷和處理。

按照鐵道部計劃司、運輸局 《關(guān)于加快安裝有源應(yīng)答器監(jiān)測裝置有關(guān)要求的通知》［2008］0141號的要求，全路既有C2級列控區(qū)段均需要安裝有源應(yīng)答器監(jiān)測裝置，從而加強(qiáng)對有源應(yīng)答器通道和臨時限速命令進(jìn)行監(jiān)測和校核。為滿足用戶需求，西門子信號有限公司結(jié)合既有應(yīng)答器和車載設(shè)備產(chǎn)品技術(shù)經(jīng)驗，成立聯(lián)合研發(fā)小組，完成了產(chǎn)品的開發(fā)和設(shè)計工作。

1 監(jiān)測裝置構(gòu)成

有源應(yīng)答器監(jiān)測裝置 （縮寫TBM）主要由室內(nèi)主機(jī)、室外終端、天線和監(jiān)測軟件4部分構(gòu)成，如圖1所示。通過安裝在應(yīng)答器底部的天線，發(fā)送27MHz能量信號，從而激活應(yīng)答器，讀取報文后將報文傳送給室內(nèi)設(shè)備，由室內(nèi)設(shè)備將報文內(nèi)的關(guān)鍵數(shù)據(jù)與TDCS／CTC數(shù)據(jù)相比較，并將比較結(jié)果反饋給TDCS／CTC和微機(jī)監(jiān)測系統(tǒng)。

圖1 監(jiān)測裝置構(gòu)成

1．室內(nèi)主機(jī)安裝在室內(nèi)，采用19英寸3U的標(biāo)準(zhǔn)插件箱，自左至右依次為邏輯板、CPU板、電源板和終端控制板。負(fù)責(zé)采集站內(nèi)聯(lián)鎖的繼電器狀態(tài)，結(jié)合預(yù)設(shè)的監(jiān)測機(jī)制，適時通過供電電纜和數(shù)據(jù)電纜，分別給室外終端供電和發(fā)送啟動查詢指令，完成監(jiān)測動作。

2．室外終端安裝在軌旁箱中，由數(shù)字板、模擬板和電源板構(gòu)成。平時處于斷電狀態(tài)，當(dāng)室內(nèi)主機(jī)對其供電后，處于待機(jī)狀態(tài)，接收室內(nèi)主機(jī)的查詢命令，并且根據(jù)命令對指定天線發(fā)送27MHz的能量信號，從而激活應(yīng)答器完成報文的解碼工作，最終室外終端將讀取到的報文傳輸給室內(nèi)主機(jī)。室內(nèi)主機(jī)接收到報文后，切斷室外終端的供電電源。

3．天線安裝在有源應(yīng)答器底部，是無線發(fā)射和接收單元。

4．監(jiān)測軟件安裝在室內(nèi)工控機(jī)內(nèi)，通過串口連接室內(nèi)主機(jī)的監(jiān)測端口。監(jiān)測軟件可以直觀的顯示設(shè)備狀態(tài)和監(jiān)測結(jié)果。使用手動監(jiān)測功能可以即時對指定應(yīng)答器進(jìn)行監(jiān)測；使用報文回放功能，可以查看讀取報文的歷史記錄和報文的詳細(xì)內(nèi)容。

2 主要功能

1．接收有源應(yīng)答器報文，根據(jù)報文內(nèi)M＿M(jìn)COUNT變量值判斷其工作狀態(tài)。

2．接收臨時限速命令，按照一定的邏輯關(guān)系和時機(jī)，校核臨時限速報文。

3．將有源應(yīng)答器工作狀態(tài)、臨時限速命令的校核結(jié)果傳送給TDCS／CTC、微機(jī)監(jiān)測系統(tǒng)。

4．監(jiān)測裝置本身出現(xiàn)故障，及時將故障信息傳送至TDCS／CTC、微機(jī)監(jiān)測系統(tǒng)。

5．監(jiān)測裝置與TDCS／CTC系統(tǒng)、微機(jī)監(jiān)測系統(tǒng)通信中斷后，能在各系統(tǒng)中分別輸出報警提示信息。

6．具有監(jiān)視、記錄、日志、自檢、自診斷功能及故障報警提示功能。

3 監(jiān)測時機(jī)

監(jiān)測時機(jī)由站內(nèi)聯(lián)鎖信息和信號開放狀態(tài)決定。當(dāng)接收到由TDCS／CTC發(fā)送的臨時限速命令后，對發(fā)車方向的有源應(yīng)答器進(jìn)行讀取、校核；當(dāng)進(jìn)站信號開放時，對接車方向的有源應(yīng)答器進(jìn)行讀取、校核。平時對有源應(yīng)答器進(jìn)行周期監(jiān)測，測試應(yīng)答器、電纜、LEU工作狀態(tài)。

室內(nèi)主機(jī)對室外終端供電5s即可完成對一個應(yīng)答器的監(jiān)測。同時室內(nèi)主機(jī)采集站內(nèi)聯(lián)鎖信息，在列車接近有源應(yīng)答器前30s，禁止自動監(jiān)測和手動監(jiān)測功能，確保室外終端處于斷電狀態(tài)，不能進(jìn)行監(jiān)測。

4 關(guān)鍵技術(shù)

4．1 天線切換設(shè)計

室內(nèi)主機(jī)采取分時依次監(jiān)測的方式，對各個有源應(yīng)答器進(jìn)行監(jiān)測。而且，進(jìn)站口有源應(yīng)答器和反向進(jìn)站有源應(yīng)答器在安裝位置上比較接近 （出站口也相同），因此對于以上車站可以采取如圖2所示的切換電路，來降低終端使用數(shù)量。增加切換電路使得一個終端可以連接多個天線，具體監(jiān)測哪個有源應(yīng)答器由室內(nèi)主機(jī)發(fā)送命令進(jìn)行選擇。此方法可以節(jié)省終端數(shù)量，降低設(shè)備成本。

圖2 天線切換設(shè)計

可以使用繼電器來實現(xiàn)切換，如圖3所示。默認(rèn)情況下，主機(jī)監(jiān)測Ant1對應(yīng)的應(yīng)答器；當(dāng)發(fā)出繼電器切換信號時，主機(jī)監(jiān)測Ant2對應(yīng)的應(yīng)答器。使用切換電路和控制電路完成了對天線的選擇。

圖3 天線選擇

4．2 室內(nèi)室外通信設(shè)計

室內(nèi)主機(jī)需要對室外終端進(jìn)行供電，并且與室外終端交換數(shù)據(jù)。供電電纜可以使用普通的雙絞線，站內(nèi)電纜槽內(nèi)一般情況下都會有備用電纜，因此不用重新鋪設(shè)。依據(jù) 《應(yīng)答器技術(shù)條件》LEU到有源應(yīng)答器的最大距離為3．5km，為最大程度的節(jié)省施工成本，通信電纜需要結(jié)合通信距離進(jìn)行優(yōu)化選擇。

當(dāng)通信距離小于2km時，可以使用電力載波進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。該方法采用FSK調(diào)制技術(shù)，信號或數(shù)據(jù)用50～350kHz之間的載波頻率進(jìn)行調(diào)頻，利用現(xiàn)成的電力線路 （包括低壓電力線和中壓、高壓電力線）或者其他線路進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送。它的最大優(yōu)點是使供電電纜和通信電纜合并，不需要新鋪通信線路，不占用無線通信頻道，從而降低施工成本。但電力線數(shù)據(jù)載波容易受到外界干擾，通信距離大于2km后無法保證通信數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，因此當(dāng)通信距離小于2km時，推薦使用電力載波通信方式。

當(dāng)通信距離大于2km時，可以使用光纖通信方式。光纖通信是利用光波在光導(dǎo)纖維中傳輸信息，具有通信容量大、傳輸距離遠(yuǎn)的優(yōu)點。但是站內(nèi)一般沒有備用的光纜，需要重新鋪設(shè)光纜，對于既有站點，工程施工量大，施工費用高。

隨著現(xiàn)場總線通信方式的不斷發(fā)展，為解決長距離通信提供了可能。LonWorks總線是近年來迅速發(fā)展的一種工業(yè)數(shù)據(jù)總線，一些芯片廠商推出了基于LonWorks總線的電力線傳輸芯片，同時支持雙絞線、同軸電纜、電源線等多種通信介質(zhì)。筆者參與研發(fā)的TBM產(chǎn)品即配備不同類型的通信板從而滿足現(xiàn)場各種總線和距離的要求。

5 應(yīng)用前景

目前，西門子信號有限公司與總部聯(lián)合研發(fā)的監(jiān)測裝置樣機(jī)已經(jīng)完成了功能試驗和型式試驗，正在信號演示區(qū)進(jìn)行模擬運行試驗，并積極聯(lián)系用戶進(jìn)行上道試驗的準(zhǔn)備工作。

有源應(yīng)答器監(jiān)測可以對應(yīng)答器報文和臨時限速進(jìn)行閉環(huán)反饋，對于消除安全隱患十分必要。裝置采用非接觸式的監(jiān)測方式，在監(jiān)測設(shè)備自身故障的情況下，不會對被監(jiān)測設(shè)備造成影響。其功能和機(jī)制優(yōu)于現(xiàn)有的有源應(yīng)答器斷纜監(jiān)測模塊。如果能與微機(jī)監(jiān)測系統(tǒng)或列控系統(tǒng)進(jìn)行集成，將監(jiān)測裝置納入相應(yīng)的系統(tǒng)中，則能最大程度上代替人工檢查，做到故障預(yù)判斷、預(yù)處理，消除設(shè)備故障導(dǎo)致的行車安全隱患。

［1］ 中華人民共和國鐵道部．科技運［2008］144號．CTCS－3級列控系統(tǒng)應(yīng)答器應(yīng)用原則［S］．2008．

［2］ 中華人民共和國鐵道部．運基信號［2008］63號．有源應(yīng)答器監(jiān)測裝置技術(shù)條件（暫行）［S］．2008．

［3］ 中華人民共和國鐵道部．科技運［2004］114號．應(yīng)答器技術(shù)條件（暫行）［S］．2004．

［4］ 王立文，趙紅衛(wèi)．LonWorks技術(shù)在鐵路行業(yè)的應(yīng)用［J］．鐵道機(jī)車車輛，2009．