程 亮

應(yīng)答器傳輸子系統(tǒng)（Balise Transmission Module,BTM）是列車自動防護(hù)（Automatic Train Protection,ATP）車載設(shè)備內(nèi)部的關(guān)鍵部分,主要用于接收、解調(diào)地面應(yīng)答器信號,并將解調(diào)后的信息傳送給車載主控單元,用于提供運行線路信息、實現(xiàn)位置校正等功能。由于BTM子系統(tǒng)復(fù)雜程度高,通過射頻方式讀取應(yīng)答器數(shù)據(jù),在動車組復(fù)雜環(huán)境下容易受到外部干擾,加上硬件性能不良等問題,使之在ATP設(shè)備故障中占據(jù)相當(dāng)大的比重。

目前,現(xiàn)場對于BTM子系統(tǒng)測試分析缺乏有效手段,發(fā)生異常或故障后,往往只能連接真實ATP進(jìn)行簡單的報文接收功能測試,難以開展更為細(xì)致的故障專項測試分析,也無法準(zhǔn)確掌握關(guān)鍵的射頻性能參數(shù)；故障處理時,也只是簡單更換主機、天線或電纜,將故障部件返回設(shè)備廠家集中分析、檢測,周期長,且存在部分未測試出問題的故障件又返回現(xiàn)場,造成故障重復(fù)出現(xiàn)的情況。同時,由于現(xiàn)場不同型號ATP的BTM軟硬件設(shè)計及外部接口存在較大差異,互不兼容,給診斷處理、故障檢測等帶來了較大的難度。

為此,圍繞現(xiàn)場常見故障,針對上海局應(yīng)用最廣泛的CTCS3-300T型ATP對應(yīng)的BTM,在確定BTM綜合檢測系統(tǒng)總體需求的基礎(chǔ)上,搭建BTM子系統(tǒng)真實測試環(huán)境,實現(xiàn)BTM外部的接口仿真。通過開展外觀檢查、安裝測試、功能測試、天線電纜測試、性能測試和壓力測試等,對BTM子系統(tǒng)相關(guān)故障進(jìn)行定位分析［2］。

1 BTM相關(guān)故障分析

對于CTCS3-300T型號ATP對應(yīng)的BTM,現(xiàn)場常見的故障主要分為例行測試失敗、BTM端口無效、應(yīng)答器傳輸服務(wù)可用性（Baslise Service Available,BSA）相關(guān)故障3大類。

1.1 例行測試失敗

為保證BTM子系統(tǒng)運行的可靠性和安全性,ATP會控制BTM子系統(tǒng)每隔一定時間執(zhí)行例行測試,包括27 MHz功率檢測、27 MHz調(diào)制深度檢測、3.951 MHz和4.52 MHz頻率及帶寬檢測等,用于確保BTM和CAU（緊湊天線單元）可以給應(yīng)答器傳送足夠的能量,并能夠檢測到應(yīng)答器的響應(yīng)。若ATPCU（ATP控制單元）檢測到距前一次BTM例行測試成功的時間超過96 h或120 h,且本次例行測試未通過,則會通過人機交互界面（Driver Machine Interface,DMI）給出相應(yīng)的文本提示；若ATPCU檢測到該時間間隔達(dá)到168 h,則在特定的工作模式下,通過DMI給出告警文本,同時觸發(fā)ATP死機,無條件制動停車。

例行測試失敗的原因可能與BTM主機、電纜、天線中的任何一個有關(guān),也可能與外部環(huán)境有關(guān),測試期間需要避開應(yīng)答器和金屬物質(zhì),因為外部電磁干擾也可能會導(dǎo)致例行測試失敗。

1.2 BTM端口無效

BTM主機通過多功能車輛總線（Multifunction Vehicle Bus,MVB）與其他模塊進(jìn)行通信,每個模塊根據(jù)通信需求都分配有相應(yīng)的MVB端口。若底層安全平臺檢測到BTM長時間未刷新對應(yīng)端口的狀態(tài)信息,就會判斷BTM端口無效故障,并導(dǎo)致系統(tǒng)死機。BTM端口無效問題一般分為以下幾類。

1）BTM軟件類問題。如：啟機30 s左右,ATPCU記錄數(shù)據(jù)報告BTM單元與速度距離處理單元（Speed Distance Processor,SDP）間的MVB通信連接建立失敗,這可能與BTM單元軟件有關(guān),在系統(tǒng)啟動初始化時,在MVB上找不到BTM單元；現(xiàn)場還發(fā)生過BTM軟件A、B代碼比較不一致導(dǎo)致的端口無效問題,通過BTM上報給SDP的故障代碼可以進(jìn)行定位；此外,自主BTM在現(xiàn)場運用過程中,也發(fā)現(xiàn)有雙路CPU數(shù)據(jù)交互異常,較長時間未向總線發(fā)送數(shù)據(jù),導(dǎo)致出現(xiàn)BTM端口無效問題。

2）BTM硬件類問題。如BTM工作過程中,電源板、解碼板等硬件發(fā)生異常,未向總線報告狀態(tài)信息,導(dǎo)致端口無效。

3）其他問題。如BTM主機軟件燒寫異常、地址設(shè)置錯誤等。

1.3 BSA相關(guān)故障

BSA故障即應(yīng)答器傳輸服務(wù)不可用,該類問題分為永久BSA和臨時BSA 2大類。

永久BSA屬于不重啟ATP無法恢復(fù)的故障,多數(shù)情況發(fā)生在BTM啟動自檢過程中,且BTM單元已成功與MVB建立連接。該類問題一般與BTM單元軟件問題或硬件故障有關(guān),導(dǎo)致反饋給主機的自檢測試信息出現(xiàn)異常。

臨時BSA屬于BTM運行時測試的相關(guān)問題,發(fā)生在動車組運行過程中,一般與BTM運行過程中受到外部干擾、天線與電纜連接處受到轉(zhuǎn)向架運行的振動、接頭處密封不良等因素有關(guān)。

2 BTM綜合檢測技術(shù)實現(xiàn)

2.1 系統(tǒng)需求

BTM相關(guān)故障涉及到主機、天線和電纜各方面,為保證對故障進(jìn)行全面的定位分析,需要搭建一套完整的綜合檢測系統(tǒng),實現(xiàn)以下基本功能。

1）適配BTM子系統(tǒng)的外部接口。適配300T型ATP設(shè)備BTM子系統(tǒng)對應(yīng)的MVB接口,激活BTM子系統(tǒng)的內(nèi)部自檢、例行測試、應(yīng)答器報文收發(fā)等功能；同時能夠按照《應(yīng)答器設(shè)備技術(shù)條件》的相關(guān)要求,向BTM子系統(tǒng)傳輸可變的應(yīng)答器報文；考慮到不同型號ATP設(shè)備BTM的差異性,應(yīng)具備擴(kuò)展功能,如能夠擴(kuò)展300S型ATP設(shè)備BTM子系統(tǒng)對應(yīng)的Profibus接口等。

2）檢測BTM子系統(tǒng)射頻發(fā)射性能。BTM子系統(tǒng)相關(guān)功能激活后,可使用專用的檢測用參考環(huán),接收BTM天線發(fā)射的能量信號,同時通過信號發(fā)生器向BTM天線發(fā)送應(yīng)答器信號,實現(xiàn)BTM天線發(fā)射信號、應(yīng)答器接收信號性能測試等［3］。

3）支持對BTM子系統(tǒng)的天線和電纜進(jìn)行專項檢測。將待測BTM天線線纜接入轉(zhuǎn)接電路,在檢測系統(tǒng)主機的控制下,通過專用儀表對BTM子系統(tǒng)的工作頻段按照一定頻率間隔進(jìn)行掃描,檢測天線電纜的同軸特性,測試天線電纜的電壓駐波比、特性阻抗和回波損耗等參數(shù)。根據(jù)BTM主機、天線和電纜的特點,設(shè)置合理的性能判定門限,對頻譜曲線、電壓駐波比等測試數(shù)據(jù)進(jìn)行性能分析。

2.2 檢測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

BTM綜合檢測系統(tǒng)總體上分為測試操作臺、BTM主機柜和滑臺3部分,其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)見圖1［4-5］。

圖1 BTM綜合檢測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

測試操作臺內(nèi)部設(shè)置了系統(tǒng)控制主機、BTM接口單元、滑臺控制主機、交換機、應(yīng)答器報文信號生成器、信號發(fā)生器、射頻功放、衰減器、射頻開關(guān)、頻譜分析儀等設(shè)備［6］,用于控制BTM進(jìn)入相應(yīng)的測試狀態(tài),完成BTM相關(guān)工作狀態(tài)信息、檢修性能參數(shù)的采集,實現(xiàn)人機界面接口、數(shù)據(jù)庫存儲、歷史查詢,以及BTM設(shè)備歷史工作狀態(tài)、參數(shù)性能等指標(biāo)的日常管理、歷史查詢檢索和卡控分析等；支持導(dǎo)出分析報告和統(tǒng)計報表；同時設(shè)置系統(tǒng)的總電源開關(guān)和指示燈,實現(xiàn)整個系統(tǒng)電源的控制。

滑臺支持固定BTM天線、參考環(huán)等設(shè)備,能夠根據(jù)測試需求操作控制臺軟件,根據(jù)測試項目自動調(diào)節(jié)滑動,控制BTM天線與參考環(huán)之間的相對水平和垂直距離。為減小設(shè)備體積,系統(tǒng)也可采用BTM天線固定裝置,具體由現(xiàn)場實際條件確定。

2.3 故障定位分析

2.3.1 例行測試失敗[7]

檢測系統(tǒng)能夠在室內(nèi)環(huán)境下,隨時控制例行測試功能,同時對例行測試全過程的日志數(shù)據(jù)進(jìn)行智能分析,結(jié)合歷史故障數(shù)據(jù)知識庫,判斷例行測試失敗的可能原因,定位故障器件。同時,例行測試可以根據(jù)需要,通過設(shè)置測試序列,靈活配置測試次數(shù),連續(xù)多次測試分析,判斷被測設(shè)備是否存在偶發(fā)小概率故障的可能性等。通過室內(nèi)例行測試,可以排除外部環(huán)境原因（如現(xiàn)場執(zhí)行例行測試附近有金屬物質(zhì)）導(dǎo)致的例行測試失敗問題,及時發(fā)現(xiàn)故障隱患件,減小現(xiàn)場的工作強度。

2.3.2 BTM端口無效和永久BSA

針對BTM端口無效和永久BSA類故障,可基于測試系統(tǒng)依次執(zhí)行以下測試［8］。

1）啟機自檢測試。打開BTM電源,開始執(zhí)行配置和啟機測試,TBSW基于軟件的底格里斯安全平臺控制對BTM的內(nèi)存等單元進(jìn)行檢測,內(nèi)部系統(tǒng)啟動成功后,CPU讀取BTM所有子模塊的產(chǎn)品代碼和版本,并確認(rèn)BTM的配置有效,對解碼器等功能進(jìn)行自檢,整個過程大約需要30 s。

2）例行測試。驗證BTM、CAU和電纜的匹配性能。

3）運行時測試。驗證BTM子系統(tǒng)運行時測試功能是否完好。

4）報文接收性能測試。主要包含不同占空比的普通報文接收、不同bit錯誤報文拒絕能力等。通過應(yīng)答器發(fā)碼模塊,將規(guī)范中規(guī)定的特定報文序列依次導(dǎo)入?yún)⒖辑h(huán)中,發(fā)射FSK信號給BTM,測試BTM子系統(tǒng)在不同占空比下的報文接收功能,判斷是否符合設(shè)計要求。測試過程中,檢測系統(tǒng)主機模擬列車運行,向BTM子系統(tǒng)發(fā)送計算后的列車速度和位置信息,在規(guī)定位置通過應(yīng)答器發(fā)碼模塊,將設(shè)定好的應(yīng)答器報文轉(zhuǎn)換為1023 bit數(shù)據(jù),通過任意函數(shù)發(fā)生器產(chǎn)生FSK信號,經(jīng)參考環(huán)發(fā)射給BTM,確認(rèn)BTM子系統(tǒng)的應(yīng)答器報文是否正確接收。執(zhí)行報文接收測試時,會在相應(yīng)頁面顯示發(fā)送和接收到的報文,并對二者進(jìn)行比對確認(rèn)。若發(fā)送的報文與接收一致,則本項測試通過,否則會報告測試失敗。執(zhí)行不同bit錯誤報文拒絕能力測試時,選擇“不同bit錯誤報文拒絕能力”,發(fā)送相應(yīng)的應(yīng)答器報文信號,BTM解碼后,應(yīng)能判斷出報文異常,不能將錯誤的報文發(fā)送給BTM控制盒。若主機一段時間內(nèi)未接收到報文,則認(rèn)為測試通過。

好八角呈紅棕色且有光澤，一般為八個角，瓣厚，莢邊開裂縫較大，聞上去有股甘草香味兒；而劣質(zhì)八角的外表呈綠褐色或棕褐色，顏色深淺不一、無光澤，有少數(shù)圓點狀突起的小油點，瓣角不完整，碎粒多，外表皺縮且?guī)в谢覊m等雜質(zhì)。

5）執(zhí)行壓力測試。編制測試序列,設(shè)置上下電次數(shù)和時間間隔,依次連續(xù)執(zhí)行多次啟機測試、例行測試和頻繁上下電測試,確認(rèn)BTM子系統(tǒng)始終處于正常工作狀態(tài)。

6）執(zhí)行拷機測試。每隔一定時間給BTM發(fā)送應(yīng)答器報文,對報文接收情況進(jìn)行確認(rèn)；通過長時間測試,跟蹤判斷系統(tǒng)是否存在異常。

7）歷史故障追溯。對于返修后再次發(fā)生故障的BTM主機、天線和電纜,應(yīng)結(jié)合測試系統(tǒng)的歷史故障檢索功能,對歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行查詢分析,綜合判斷故障的可能原因。

2.3.3 臨時BSA

考慮到臨時BSA相關(guān)故障的成因較為復(fù)雜［9］,為提高故障定位分析的準(zhǔn)確度,建議盡可能按照設(shè)定的步驟,聯(lián)合運用多種測試手段進(jìn)行測試分析。

1）結(jié)合測試系統(tǒng)設(shè)計,針對故障設(shè)備的BTM主機、天線和電纜逐一進(jìn)行外觀檢查。對于BTM主機,應(yīng)重點關(guān)注BTM主機的散熱片是否存在撞擊變形、各固定螺母是否正常（對于300T的BTM主機,應(yīng)對重置螺母進(jìn)行檢查,防止運行中振動導(dǎo)致BTM重啟）、天線射頻接口、通信接口等關(guān)鍵位置是否存在異常；配套安裝固定支架外觀是否完好等；BTM天線外觀檢查時,應(yīng)重點關(guān)注外殼密封性是否良好,電纜連接接口位置是否有銹蝕等現(xiàn)象；對BTM電纜應(yīng)重點關(guān)注電纜護(hù)套外觀是否完好,兩側(cè)的接頭是否牢固,是否存在安裝等原因?qū)е碌膹澱鄣葥p傷。

2）對BTM子系統(tǒng)的天線和電纜進(jìn)行專項檢測［10］。將待測BTM天線線纜接入天線線纜轉(zhuǎn)接電路,執(zhí)行電壓駐波比（Voltage Standing Wave Ratio,VSWR）、故障定位（Distance To Fault,DTF）性能、回波損耗性能、特性阻抗性能測試。其中：VSWR測試時,檢測系統(tǒng)支持控制矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀,對BTM天線電纜每個通道的VSWR逐一進(jìn)行測量,判斷結(jié)果是否在允許范圍內(nèi)。BTM電纜在生產(chǎn)制造過程中,由于長度、類型、介質(zhì)的差異和其他非理性因素導(dǎo)致的問題,很難通過肉眼檢驗,可通過DTF性能參數(shù)測量,對應(yīng)電纜信號傳輸過程中每一點的回波損耗值,快速檢測定位BTM天線電纜可能的缺陷點（故障點位置與接頭位置的距離）?；夭〒p耗性能測試時,需要通過控制矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀,對BTM天線電纜每個通道對應(yīng)的回波損耗（傳輸信號沒有完全被終端負(fù)載吸收而被反射回來的能量）進(jìn)行測量。特性阻抗性能測試,應(yīng)通過控制矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀,對BTM天線電纜每個通道對應(yīng)的特性阻抗值逐一進(jìn)行測試。

3）執(zhí)行報文接收性能測試、壓力測試、拷機測試,確認(rèn)BTM子系統(tǒng)始終處于正常工作狀態(tài)。若測試過程中發(fā)生異常,結(jié)合歷史故障追溯,通過對BTM相關(guān)記錄數(shù)據(jù)進(jìn)行分析,對故障進(jìn)行定位。

3 應(yīng)用及展望

目前,BTM綜合檢測系統(tǒng)主要針對CTCS3-300T型ATP在用BTM設(shè)備定制設(shè)計開發(fā),通過ATP與BTM側(cè)的接口仿真,能夠控制各種工作狀態(tài)下,對在用BTM設(shè)備、備品備件進(jìn)行啟機測試、例行測試、運行狀態(tài)測試,以及對射頻發(fā)射、接收性能等相關(guān)技術(shù)參數(shù)進(jìn)行詳細(xì)卡控分析,協(xié)助發(fā)現(xiàn)和定位BTM子系統(tǒng)相關(guān)的問題。該系統(tǒng)在上海局安裝試用以來,運行穩(wěn)定、可靠,能夠顯著提高日常檢修維護(hù)水平,降低現(xiàn)場故障的發(fā)生,對于分析解決BTM相關(guān)問題具有實用價值。