高速鐵路應(yīng)答器報文接收質(zhì)量測試及分析

姚明陽

(柳州鐵道職業(yè)技術(shù)學院，廣西 柳州 545616)

列車自動運行控制系統(tǒng)作為保證列車運行安全、提高列車運行效率的關(guān)鍵技術(shù)設(shè)備，在鐵路提速中發(fā)揮著越來越重要的作用。在列車運行控制系統(tǒng)中，應(yīng)答器是最重要的基礎(chǔ)設(shè)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(shè)備傳輸重要控車信息，實現(xiàn)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(shè)備如果無法快速準確地接收地面應(yīng)答器報文，就會嚴重影響高鐵的運行，故應(yīng)答器報文接收質(zhì)量應(yīng)滿足鐵路進一步的提速需求。

1 高速鐵路應(yīng)答器報文接收質(zhì)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(tǒng)。在列車所有的車載系統(tǒng)中，應(yīng)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(yīng)答器報文接收質(zhì)量不高，就可能會導(dǎo)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(yīng)答器能夠為列車車載系統(tǒng)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(tǒng)的一次連續(xù)目標距離制動控制器就具備了生成基礎(chǔ)，因為應(yīng)答器的信息為其提供了相關(guān)的數(shù)據(jù)支撐。應(yīng)答器的報文接收質(zhì)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(yīng)答器報文接收質(zhì)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(yīng)答器在實際應(yīng)用中卻往往會出現(xiàn)問題。部分工作人員在列車信號系統(tǒng)聯(lián)調(diào)聯(lián)試工作中發(fā)現(xiàn)，應(yīng)答器往往會出現(xiàn)速度信息接收不及時和坡度、限速信息接收質(zhì)量不高等情況。如果不能加強對相關(guān)問題的分析并提出相應(yīng)的優(yōu)化策略，就無法真正發(fā)揮出高速鐵路列車的價值，進而影響我國鐵路行業(yè)的發(fā)展。

根據(jù)我國列車運行控制系統(tǒng)技術(shù)規(guī)范顯示，高速列車CTCS-1 級、CTCS-2 級、CTCS-3 級、CTCS-4 級都需要對應(yīng)答器的相關(guān)設(shè)備進行配置。無論是在高速鐵路建設(shè)工作中還是在既有線改造提速的過程中，應(yīng)答器都是不可或缺的設(shè)備。應(yīng)答器向高速行駛的列車車載系統(tǒng)提供信息的主要技術(shù)為磁感應(yīng)技術(shù)，主要表現(xiàn)在傳輸鏈路方面。車載應(yīng)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(shè)置的應(yīng)答器向車載系統(tǒng)傳輸具體信息，信息內(nèi)容包括可變信息和固定信息。而下行鏈路則是以車載系統(tǒng)為基礎(chǔ)向地面設(shè)置的應(yīng)答器傳輸列車的具體運行信息。上行鏈路的數(shù)據(jù)是當前車地信息傳輸?shù)幕A(chǔ)，其傳輸?shù)男畔?nèi)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(zhuǎn)換信息還是定位信息，亦或是軌道區(qū)段信息等，都需要完全包括在其中。

近年來，我國高速鐵路發(fā)展較為迅速，對信息質(zhì)量的要求越來越高，在大型樞紐車站不斷建設(shè)的背景下，不同作用的線路、不同場間的場聯(lián)線都越來越多，提升了樞紐車站線路的復(fù)雜程度。如果不能保證應(yīng)答器報文接收質(zhì)量水平，就會影響列車的運行，甚至會導(dǎo)致列車在運行過程中出現(xiàn)安全風險。通過分析相關(guān)人員就列車信號系統(tǒng)開展的聯(lián)調(diào)聯(lián)試所得出的試驗數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，在樞紐車站線路較為復(fù)雜的區(qū)段，應(yīng)答器對信息的分配往往會出現(xiàn)不合理情況。

2 高速鐵路應(yīng)答器報文接收質(zhì)量測試

2.1 測試內(nèi)容

從我國高速鐵路目前的發(fā)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(jù)這一現(xiàn)實情況對高速鐵路應(yīng)答器報文接收質(zhì)量進行測試，主要測試條件如下：將列車的運行速度設(shè)定為300 km/h以上，在應(yīng)答器方面采用不同的地面安裝方式，在此基礎(chǔ)上對地面應(yīng)答器上行鏈路信號的特性及報文數(shù)據(jù)接收質(zhì)量進行具體分析。

高速鐵路應(yīng)答器報文接收質(zhì)量測試的主要參數(shù)如下：第一，對地面應(yīng)答器上行鏈路信號的平均數(shù)據(jù)傳輸速率進行統(tǒng)計、測試。第二，對地面應(yīng)答器的報文數(shù)據(jù)進行具體測試。相關(guān)人員應(yīng)開展分段校驗統(tǒng)計工作，明確應(yīng)答器報文數(shù)據(jù)的誤碼率。第三，對地面應(yīng)答器報文的具體接收情況進行統(tǒng)計。應(yīng)答器報文的接收細節(jié)參數(shù)包括報文錯誤比特總數(shù)、報文比特總數(shù)、總個數(shù)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(shù)，都需要包括在其中。第四，采集地面應(yīng)答器上行鏈路具體信號，通過相關(guān)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(zhì)量，因為一旦受到噪聲干擾，信號波形就會出現(xiàn)畸形跳變情況。第五，對地面應(yīng)答器上行鏈路信號的具體采樣數(shù)據(jù)進行頻譜統(tǒng)計，同時檢驗地面應(yīng)答器上行鏈路信號頻點與頻率。地面應(yīng)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(fā)現(xiàn)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(zhì)量。

2.2 測試方法

對應(yīng)答器報文接收質(zhì)量測試的方法進行明確。測試開始前，應(yīng)在動檢車的車底兩端安裝具體設(shè)備，設(shè)備為應(yīng)答器檢測系統(tǒng)BTM車載天線。還需在車內(nèi)兩端對應(yīng)答器檢測系統(tǒng)的BTM車載主機進行安裝。安裝完畢，應(yīng)將數(shù)據(jù)處理上位機和顯示終端設(shè)備安裝到車內(nèi)兩端。在實際開展測試過程中，應(yīng)保證車內(nèi)兩端的應(yīng)答器檢測系統(tǒng)處于工作狀態(tài)，同時檢測地面應(yīng)答器。

為了可以更好地得出檢測結(jié)果，為高速鐵路應(yīng)答器報文接收質(zhì)量的提升打下基礎(chǔ)，地面應(yīng)答器的安裝應(yīng)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(yīng)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(yīng)答器，同時也需在下行線安裝數(shù)量相等的應(yīng)答器。從縱向安裝的角度來看，主要將地面應(yīng)答器安裝在鋼軌頂面，在上行線安裝5個地面應(yīng)答器，同時也需在下行線安裝數(shù)量相等的應(yīng)答器。

2.3 測試結(jié)果

測試結(jié)果為：應(yīng)答器在實際應(yīng)用中往往會出現(xiàn)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(zhì)量不高等。在樞紐車站線路較為復(fù)雜的區(qū)段，應(yīng)答器對信息的分配會出現(xiàn)不合理的情況。在列車高速運行的情況下，應(yīng)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(nèi)對應(yīng)答器的具體數(shù)據(jù)進行接收，就必須要擴大作用范圍。一些發(fā)達國家在高速鐵路相關(guān)規(guī)范中對天線與應(yīng)答器之間的通信作用區(qū)進行了嚴格規(guī)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(zhì)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(yīng)答器來說，其報文為1 023 bit，在這樣的情況下，車載設(shè)備接收到的連續(xù)正確比特數(shù)只有大于1 023的應(yīng)答器報文數(shù)據(jù)才能對應(yīng)答器報文的相關(guān)內(nèi)容進行解析。對于應(yīng)答器數(shù)據(jù)來說，其平均傳輸速率為564.48 kb/s，所以可對一幀應(yīng)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(yīng)答器的作用時間較短，要想在列車高速運行的狀態(tài)下對信息數(shù)據(jù)進行接收，就應(yīng)合理安裝應(yīng)答器，使應(yīng)答器能夠與鋼軌成平行狀態(tài)，擴大通信范圍。另外，需要盡量增加天線與應(yīng)答器的作用時間，提升應(yīng)答器報文接收質(zhì)量。

3 提升應(yīng)答器報文接收質(zhì)量的措施

3.1 對應(yīng)答器中的有源、無源數(shù)據(jù)進行合理安排

要想對高速鐵路應(yīng)答器報文接收質(zhì)量進行提升，就必須合理安排高速鐵路應(yīng)答器的有源、無源數(shù)據(jù)。在高速鐵路列車中，車載設(shè)備的主要設(shè)施就是應(yīng)答器，應(yīng)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(yīng)答器的有源、無源數(shù)據(jù)進行合理安排能夠為應(yīng)答器預(yù)留足夠的空間。

根據(jù)具體的規(guī)范要求，在應(yīng)答器組內(nèi)，應(yīng)答器的數(shù)量一般不能超過3個，而在1個應(yīng)答器組中，只能設(shè)置1個有源應(yīng)答器，所以，有源應(yīng)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(zhì)量不高的問題。

3.2 嘗試使用大容量無源應(yīng)答器

從理論層面來看，在1個應(yīng)答器組內(nèi)對無源應(yīng)答器的數(shù)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(yīng)答器的增設(shè)打下基礎(chǔ)，縮小區(qū)間應(yīng)答器描述的范圍，所以嘗試使用大容量無源應(yīng)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(chǔ)上提升列車的運行效率，增加應(yīng)答器中的內(nèi)容十分重要，而增大應(yīng)答器內(nèi)容也會導(dǎo)致無源應(yīng)答器的容量捉襟見肘，針對這種情況，應(yīng)使用大容量無源應(yīng)答器。

大容量無源應(yīng)答器的上行鏈路具備雙通道結(jié)構(gòu)的特征，其兩個通道具備并行關(guān)系，可對數(shù)據(jù)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(tài)中不斷切換，所以應(yīng)在大容量無源應(yīng)答器內(nèi)對應(yīng)答器報文進行存儲，進而提升數(shù)據(jù)傳輸容量，解決現(xiàn)實情況中存在的具體問題，提高高速鐵路應(yīng)答器報文接收質(zhì)量水平。

3.3 對線路參數(shù)進行合并

合并線路參數(shù)的目的在于解決應(yīng)答器報文質(zhì)量問題，尤其是在對有源應(yīng)答器、無源應(yīng)答器進行分配后仍然無法滿足現(xiàn)實需求時，相關(guān)人員就應(yīng)該在現(xiàn)實中嘗試合并線路參數(shù)。目前，對線路參數(shù)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(qū)段的合并，都需要包括在其中。

在遵循具體規(guī)范的基礎(chǔ)上進行坡度合并，能夠提高應(yīng)答器報文的接收質(zhì)量。從坡度合并的具體質(zhì)量來看，其主要是以應(yīng)答器技術(shù)規(guī)范為基礎(chǔ)，根據(jù)相關(guān)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(nèi)的坡度進行合并，對數(shù)據(jù)范圍進行延長。

在遵循具體規(guī)范的基礎(chǔ)上進行速度合并，需對制動范圍內(nèi)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(yīng)對合并事宜進行慎重考慮，保證數(shù)據(jù)前后的相同性。

在遵循具體規(guī)范的基礎(chǔ)上對軌道區(qū)段進行合并，需在不影響列車運行的基礎(chǔ)上進行操作。軌道區(qū)段的合并應(yīng)明確制動距離范圍內(nèi)由遠及近的軌道區(qū)段，從而達到提升報文接收質(zhì)量的效果。

3.4 提升有源大容量應(yīng)答器的設(shè)計水平

提高高速鐵路應(yīng)答器報文接收質(zhì)量水平最基礎(chǔ)的措施就是加強對有源大容量應(yīng)答器的設(shè)計。無論是對線路參數(shù)進行合并還是對應(yīng)答器進行增設(shè)，都是為了擴大應(yīng)答器容量，要想對現(xiàn)實情況進行滿足，就必須要重點完善有源大容量應(yīng)答器。與無源大容量應(yīng)答器相比，有源大容量應(yīng)答器更加復(fù)雜，具有一定難度，目前仍處于研發(fā)階段。相關(guān)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(yīng)在保證鐵路運輸安全性的基礎(chǔ)上促進整體行業(yè)的發(fā)展。

4 結(jié)語

在列車所有車載系統(tǒng)中，應(yīng)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(yīng)答器報文接收質(zhì)量不夠高，就可能導(dǎo)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(yīng)答器報文接收質(zhì)量。