黃愉華

(上海地鐵維護保障有限公司 通號分公司，上海 200235)

0 引言

隨著城市化的發(fā)展，軌道交通已經(jīng)成為城市生活不可或缺的一部分，是人們?nèi)粘３鲂械闹匾煌üぞ?。為保證城市軌道交通列車安全運行，需要對列車進行實時定位。應(yīng)答器傳輸系統(tǒng)是進行列車定位的關(guān)鍵系統(tǒng)，其組成部分由車載應(yīng)答查詢器(TI子架，transponder interrogator)、車載定位天線與地面應(yīng)答器(信標(biāo))組成[1]。

目前上海地鐵5～9、11等多條線路均采用美式信標(biāo)來保證CBTC對列車高精度定位的需求[2]。在運營過程中發(fā)現(xiàn)，該系統(tǒng)常出現(xiàn)信標(biāo)數(shù)據(jù)丟失的情況，即定位天線掃過地面信標(biāo)而車載主機卻沒有接收到解析的信標(biāo)數(shù)據(jù)或者信標(biāo)數(shù)據(jù)不完整，列控中心也就無法定位列車當(dāng)前位置，該情況如圖1所示。在初期運行標(biāo)準(zhǔn)中，列車連續(xù)丟失兩個及以上的信標(biāo)時，列車進入降級模式，這使得線路運營效率大大降低。隨著線路運營年限的增加、設(shè)備老化，列車因連續(xù)丟失兩個信標(biāo)造成的運行標(biāo)準(zhǔn)降級的情況越來越多，很多線路已把信標(biāo)丟失次數(shù)提升為連續(xù)丟失3個及以上時才進入降級模式。這樣做雖減少了列車降級模式的發(fā)生概率，但增加了列車在無定位狀態(tài)下運行的時間和風(fēng)險，這是線路上的重大安全隱。因此為減少信標(biāo)丟失的故障，對應(yīng)答器傳輸系統(tǒng)的檢測與維護是目前研究的熱點和重點。

圖1 列車丟失信標(biāo)示意圖

根據(jù)應(yīng)答器傳輸系統(tǒng)的組成，對其設(shè)備檢測可分為3種情況：地面信標(biāo)檢測、TI子架檢測、定位天線及傳輸電纜檢測。天線和連接件的檢測相對比較簡單和成熟，主要采用部件替換的方式[3]。針對地面信標(biāo)的檢測可使用綜合檢測車進行檢測和便攜式的應(yīng)答器檢測設(shè)備[4-6]，文獻[4]中車載應(yīng)答器利用無線電磁感應(yīng)技術(shù)，通過非接觸的方式實現(xiàn)與地面信標(biāo)之間的能量傳遞和數(shù)據(jù)通信。文章給出了一種有效解決應(yīng)答器天線的年檢、半年檢等定期檢查工作的檢測設(shè)備，無需動車，安裝簡單，操作便捷，可廣泛應(yīng)用于國內(nèi)安裝使用應(yīng)答器天線車輛的測試維保工作中。文獻[5-6]分別介紹了兩種便攜式應(yīng)答器的檢測工具。檢測設(shè)備可以方便快捷地對應(yīng)答器進行報文的讀出和寫入，能有效降低成本，提高靈活性，從而以實現(xiàn)對應(yīng)答器檢測和信息更新的便捷化操作。遺憾的是，這些檢測設(shè)備的主要檢測對象是應(yīng)答器傳輸系統(tǒng)中的地面信標(biāo)。然而，應(yīng)答傳輸系統(tǒng)中的車載查詢器的檢測更為關(guān)鍵。目前國產(chǎn)的應(yīng)答器系統(tǒng)仍有諸多不足，大部分高鐵線路采用的是歐式應(yīng)答器傳輸系統(tǒng)。所以目前針對車載應(yīng)答器的討論和研究主要都集中在對高鐵線路所采用的歐式應(yīng)答器傳輸系統(tǒng)進行研究，特別是對車載應(yīng)答器傳輸模塊(BTM，balise transmission module)進行測試。文獻[7]中主要白盒檢測對軟件進行功能以及性能測試，傳統(tǒng)的研發(fā)測試使用代碼走查和整機測試等方式，適用性低，靈活性差。白盒測試中需要掌握系統(tǒng)的源代碼，從中找出不足與缺陷，進而修改這些問題，因此白盒測試主要用于設(shè)備廠商的產(chǎn)品自測。由于目前使用的應(yīng)答器傳輸系統(tǒng)依賴國外進口，難以掌握核心代碼與技術(shù)，因此針對BTM檢測利用白盒測試難度較大。文獻[8]中主要采用黑盒檢測技術(shù)，只需將BTM正常供電，將已知信號輸入BTM，檢測BTM是否正常輸出即可。黑盒檢測無需掌握BTM內(nèi)部核心代碼與技術(shù)，是當(dāng)前主流的檢測手段，但黑盒測試也存在無法精確定位設(shè)備故障位置的局限性。

城市軌道交通的很多新線路都采用美式應(yīng)答器傳輸系統(tǒng)，但是由于投入時間相對較短，目前主要是由國外設(shè)備廠商提供維護，針對車載應(yīng)答器的檢測方法與設(shè)備非常少。目前針對車載設(shè)備的故障處理主要是通過整體更換故障設(shè)備，其維修成本較高、工作效率低下且十分依賴設(shè)備供應(yīng)商[9]。本文對TI子架工作狀態(tài)進行研究，判斷出設(shè)備故障的具體位置，有針對性地進行檢測與維護，可降低維修成本，提升工作效率。

本文第一章闡述了應(yīng)答器傳輸系統(tǒng)的工作原理；第二章對TI子架的工作狀態(tài)和端口功能進行分析，提出狀態(tài)檢測方法，并通過實驗驗證；第三章對TI子架報文數(shù)據(jù)進行接收與解析，并通過實驗驗證；第四章根據(jù)TI子架的工作狀態(tài)，可對TI子架進行故障位置判斷，提出了一種針對TI子架故障的檢測流程；第五章總結(jié)全文。

1 應(yīng)答器傳輸系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及原理

應(yīng)答器傳輸系統(tǒng)應(yīng)用的主要技術(shù)為RFID(radio frequency identification)技術(shù)[10]，通過TI子架發(fā)射無線射頻信號來激勵信標(biāo)，信標(biāo)利用電磁感應(yīng)能量來回傳自身攜帶的ID信息，查詢器無需與信標(biāo)直接接觸來獲得信標(biāo)的數(shù)據(jù)信息，從而實現(xiàn)列車定位。在城市軌道交通中，為實現(xiàn)列車精確定位，將RFID信標(biāo)布置在軌道線路中。應(yīng)答器傳輸系統(tǒng)的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)屬于ETCS的一部分，起初應(yīng)答器有3種技術(shù)方案，分別是磁性應(yīng)答器、聲波應(yīng)答器以及微波應(yīng)答器。由于磁性應(yīng)答器抗干擾能力強、成本低、使用壽命較長，最終在1994年確定使用磁性應(yīng)答器。Form Fit Function Specification Interface ‘A’，Euroblise Transmission Sub-System(FFFS)是應(yīng)答器傳輸系統(tǒng)的第一套標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，該規(guī)范于1995年4月發(fā)布。隨著第一套標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范的出現(xiàn)，應(yīng)答器傳輸系統(tǒng)的功能也在不斷發(fā)展與完善，2002年發(fā)布了SUBSET-036應(yīng)答器功能接口規(guī)范以及SUBSET-085應(yīng)答器測試規(guī)范。隨著軌道交通行業(yè)的不斷發(fā)展，SUBSET規(guī)范也在不斷更新與完善，如今已經(jīng)成為軌道交通應(yīng)答器領(lǐng)域內(nèi)權(quán)威的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范。根據(jù)設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)及信號處理平臺可將RFID信標(biāo)分為美式應(yīng)答器傳輸系統(tǒng)和歐式應(yīng)答器傳輸系統(tǒng)，本文主要研究美式應(yīng)答器傳輸系統(tǒng)。

應(yīng)答器傳輸系統(tǒng)的工作原理為車載天線持續(xù)發(fā)送902～928 MHz的高頻激勵信號，在列車經(jīng)過地面信標(biāo)上方時，根據(jù)電磁感應(yīng)原理，天線發(fā)出的激勵信號驅(qū)使信標(biāo)內(nèi)部感應(yīng)電路工作，將信標(biāo)攜帶的線路信息發(fā)送出去，車載天線進行接收[11]。車載應(yīng)答查詢器對接收到的信號進行解調(diào)、解碼并實時傳送給列控中心，實現(xiàn)列車定位。應(yīng)答器傳輸系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 應(yīng)答查詢器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2 車載美式查詢器端口功能分析與工作狀態(tài)檢測

2.1 TI子架前面板簡介

應(yīng)答器傳輸系統(tǒng)的車載部分由車載定位天線和TI子架組成，兩者通過電纜相連接。TI子架的前面板如圖3所示。最初不清楚TI子架前面板各端口功能，為研究TI子架的工作狀態(tài)，對其進行離線測試，檢測TI子架各端口功能。

圖3 車載美式查詢器前面板示意圖

2.2 供電測試

TI子架廠商標(biāo)定的供電的電壓范圍是28～140 V，最大功率不超過45 W。為研究電源對TI子架的影響，利用可編程電源為TI子架供電，統(tǒng)計在不同供電電壓下TI子架的工作狀態(tài)，結(jié)果如表1所示。

測試過程中發(fā)現(xiàn)隨著供電電壓的降低，TI子架的電源指示燈由綠色變?yōu)榧t色。

情況一：當(dāng)工作電壓不低于25 V時，TI子架的電源指示燈顯示為綠色時如圖4所示，信標(biāo)掃過定位天線后TI子架的串口有報文數(shù)據(jù)輸出，證明查詢器在正常工作，因此綠色的ok燈表示查詢器處于正常工作狀態(tài)。特別需要說明的25～28 V為臨界狀態(tài)，有一定不能正常工作的概率。

圖4 正常供電狀態(tài)

情況二：隨著電壓的降低，當(dāng)輸入電壓低于24 V高于23 V時，TI子架電源指示部分的兩個指示燈同時點亮如圖5所示，此時信標(biāo)掃過定位天線時，查詢器串口仍有報文輸出。此時查詢器雖可以正常工作，但輸入電壓明顯低于額定電壓范圍，表明查詢器此時處于一個臨界的工作狀態(tài)，i燈顯示為紅色是在警示輸入電壓較低，需要及時維護。

圖5 臨界工作狀態(tài)

情況三：輸入電壓低于23 V時，電源指示燈只有i燈點亮為紅色如圖6所示，此時查詢器輸入電流明顯降低，查詢器不能正常工作。利用信標(biāo)掃過定位天線進行測試，查詢器串口無報文輸出。當(dāng)只有i燈顯示為紅色時，表明查詢器的供電電壓嚴(yán)重不足，查詢器此時無法正常工作。

圖6 供電不足狀態(tài)

2.3 I/O電壓引腳測試

I/O電壓口為16個電壓引腳的接口，如圖3所示的對應(yīng)部分。利用示波器對16個I/O電壓引腳的電壓進行檢測，測試后發(fā)現(xiàn)，有明顯電壓變化的為1、2、3號引腳，5號引腳為接地，其余引腳無明顯電壓變化。

1號引腳測試：在TI子架電源指示燈為綠色或者處于臨界狀態(tài)時，無信標(biāo)掃過天線時，1號引腳的電壓利用示波器測得電壓值為0.2 V，信標(biāo)經(jīng)過時電壓變?yōu)? V，信標(biāo)掃過之后又恢復(fù)到0.2 V。因此當(dāng)查詢器可正常工作時，1號引腳表示信標(biāo)的讀取狀態(tài)，有信標(biāo)掃過時電壓變?yōu)? V，無信標(biāo)時一直穩(wěn)定為0.2 V。1號引腳的電壓波形如圖7所示。

圖7 1號引腳電壓波形圖

2號引腳測試：在TI子架電源指示燈為綠色或者處于臨界狀態(tài)時，有無信標(biāo)掃過2號引腳的電壓一直是5 V，電壓波形如圖8所示。當(dāng)TI子架電源指示燈為紅色時，2號引腳的電壓變?yōu)?.2 V，電壓波形如圖9所示。2號引腳表示TI子架電源的工作狀態(tài)，正常工作時2號引腳電壓穩(wěn)定為5 V，電源供電不足時2號引腳電壓為0.2 V。

圖8 正常供電或臨界狀態(tài)時2號引腳電壓

圖9 供電不足時2號引腳電壓

3號引腳測試：在TI子架電源指示燈為綠色時，有無信標(biāo)掃過3號引腳一直處于12.8 V的高電平；當(dāng)TI子架處于臨界工作狀態(tài)時，有無信標(biāo)掃過3號引腳一直處于8.8 V的高電平；當(dāng)TI子架供電不足時，3號引腳電壓變?yōu)?.2 V。TI子架串口與電腦連接，通過串口調(diào)試軟件輸入“！～～CC”后TI子架進入調(diào)試狀態(tài)，此時外接電源輸入給TI子架的電壓穩(wěn)定，但電流迅速降低，此時測得1號引腳的電壓為0.2 V，2號引腳的電壓為5 V，3號引腳的電壓為1 V，信標(biāo)掃過后3個引腳的電壓均無變化；在串口調(diào)試軟件輸入！642后TI子架的電流恢復(fù)正常，1、2號引腳的電壓不變，3號引腳的電壓變?yōu)?2.8 V，信標(biāo)掃過天線后1號引腳的電壓有變化。 3號引腳表示TI子架射頻開關(guān)的開關(guān)情況，正常情況下射頻開關(guān)處于常開狀態(tài)，3號引腳的電壓一直處于12.8 V，其電壓波形如圖10所示。

圖10 3號引腳電壓波形圖

根據(jù)1、2、3號引腳的測試結(jié)果，對其進行匯總分析后得出1、2、3號引腳的工作狀態(tài)以及功能如表2所示。

表2 I/O電壓引腳的工作狀態(tài)

3 串口數(shù)據(jù)解析

3.1 串口數(shù)據(jù)接收

TI子架對接收到的信標(biāo)信號進行放大、解調(diào)、解碼后得到十五位的十六進制報文數(shù)據(jù)，其結(jié)果如圖11所示。這十五位報文中，前兩位為報文開頭，第三位為信標(biāo)類型，第四位為讀取到信標(biāo)的次數(shù)，第五位到第十四位為信標(biāo)攜帶的線路信息，第十五位為停止位[12-13]。

圖11 串口輸出的報文數(shù)據(jù)

3.2 報文解析與驗證

報文解析過程為將第五位到第十四位報文數(shù)據(jù)依次排列轉(zhuǎn)換為二進制數(shù)據(jù)，每一位十六進制報文轉(zhuǎn)換后可得到8位二進制數(shù)據(jù)，每個二進制序列中忽略最高兩位。信標(biāo)ID的解析為表加粗的二進制序列，將其轉(zhuǎn)化為十進制后得到信標(biāo)ID。線路號的解析為表中加粗的二進制序列，將其轉(zhuǎn)化為十進制后就得到線路號。報文解析結(jié)果如表3所示。

表3 信標(biāo)報文解析表

在某地鐵基地利用測試線進行信標(biāo)ID的解析測試，將TI子架的串口與電腦連接，通過串口軟件接收測試線上的報文數(shù)據(jù)并記錄，將報文數(shù)據(jù)解析出信標(biāo)ID，驗證上述方法解析出的信標(biāo)ID是否與實際線路上的信標(biāo)ID一致。測試線路部分線路如圖12所示。

圖12 測試線線路圖

對在測試線上運行時TI子架串口輸出的報文進行統(tǒng)計，并解析出每條報文對應(yīng)的信標(biāo)ID，如表4所示。與實際信標(biāo)布置圖上的信標(biāo)ID進行對比，可以看出其結(jié)果一致。

表4 信標(biāo)ID解析結(jié)果線路信標(biāo)ID

4 故障檢測流程與實測案例

4.1 故障檢測流程

一般情況下，列車運行過程中列控中心只能發(fā)現(xiàn)信標(biāo)丟失，但無法確定具體原因，因此在列車檢修過程中無法針對具體故障進行檢修，只能整體更換設(shè)備。這樣費時費力，針對這種情況，通過上述研究分析得出的車載美式應(yīng)答查詢器的工作狀態(tài)，可判斷出具體的故障位置，有針對性的進行故障檢修與維護。因此，針對應(yīng)答查詢器的故障檢測，本文提出如下檢測流程：

步驟1：觀察TI子架電源指示部分，如果電源指示燈的ok燈顯示為綠色且i燈不點亮，說明查詢器供電充足，TI子架的供電正常；如果兩個電源指示燈同時點亮或者只有i燈點亮為紅色，說明TI子架供電不足，需要對TI子架供電部分進行檢修[14]。

步驟2：在TI子架電源正常供電的情況下，信標(biāo)掃過定位天線時檢測TI子架I/O電壓引腳的2號引腳穩(wěn)定在高電平，3號引腳的電壓值一直穩(wěn)定在低電平，說明查詢器射頻接口關(guān)閉或者故障，通過串口輸入操作命令“！642”重啟射頻開關(guān)。若重啟之后3號引腳仍處于低電平，證明查詢器射頻模塊故障，需進行檢修[15]。

步驟3：在TI子架電源正常供電的情況下，檢測TI子架I/O電壓引腳的1、2、3號引腳的電壓值。使用信標(biāo)掃過定位天線時檢測1號引腳的電壓值是否有變化。若1號引腳在信標(biāo)經(jīng)過時會有高低電壓的跳變，2號、3號引腳始終穩(wěn)定在5 V和12.8 V的高電壓值，說明TI子架的工作狀態(tài)正常；若1號引腳無電壓跳變，2、3號引腳電壓正常，說明車載定位天線或者傳輸電纜故障，需對其進行檢修[14]。

步驟4：在TI子架正常供電、I/O電壓引腳的狀態(tài)指示正常的情況下，對TI子架的RS232串口輸出的報文數(shù)據(jù)進行解析。檢測串口輸出的報文是否有7E7E的報頭且報文數(shù)據(jù)是否滿足十五位，若該TI子架輸出的多個報文報頭有誤或者報文位數(shù)不足，表明查詢器TI子架解析信標(biāo)信號時出現(xiàn)故障，需要對查詢器進行檢修[16-17]。

步驟5：在TI子架電源正常供電、I/O電壓引腳的狀態(tài)指示正常以及串口輸出十五位報文數(shù)據(jù)，對報文數(shù)據(jù)進行解析得到信標(biāo)ID。將解析得到的信標(biāo)ID與實際線路上的信標(biāo)ID進行對照，判斷TI子架解析的報文數(shù)據(jù)是否正確。若TI子架串口輸出的報文數(shù)據(jù)得到的多個信標(biāo)ID都無法與線路上的信標(biāo)ID相配，表明查詢器解析信標(biāo)信號時故障，需要對查詢器進行檢修與維護[18-20]。

步驟6：在查詢器電源正常供電、I/O電壓引腳的狀態(tài)指示正常、查詢器串口輸出的報文以及解析后的信標(biāo)ID都無誤，表明車載設(shè)備正常工作。若仍然出現(xiàn)信標(biāo)丟失的故障，進一步檢測地面信標(biāo)是否出現(xiàn)故障。

檢測流程如圖13所示。

圖13 TI子架檢測流程圖

4.2 實測案例

故障檢測系統(tǒng)開發(fā)完成后，利用實驗室環(huán)境對其進行功能測試，驗證故障檢測系統(tǒng)的功能與可靠性，對故障檢測系統(tǒng)在運行過程中出現(xiàn)的問題及時排查與處理，確保故障檢測系統(tǒng)可以穩(wěn)定高效的運行。

在實驗室中為車載查詢器搭建故障檢測系統(tǒng)如圖14所示，檢測系統(tǒng)搭建完成后使應(yīng)答器傳輸系統(tǒng)開始工作，硬件采集設(shè)備采集查詢器Lock端口電壓數(shù)據(jù)以及串口數(shù)據(jù)發(fā)送給上位機，將上位機中存儲的數(shù)據(jù)導(dǎo)入故障診斷軟件進行故障分析與診斷，檢測在無任何外界干擾情況下查詢器的工作情況。

圖14 實驗室測試環(huán)境

故障檢測系統(tǒng)功能實測驗證：在實驗室使用信標(biāo)掃過車載定位天線，10次信標(biāo)掃過為一組實驗數(shù)據(jù)，累計測試10次。對每組實驗數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析，繪制每一組實驗的Lock端口波形圖，并在圖中以紅色豎線標(biāo)注信標(biāo)報文解析時間點，如圖15所示。從波形圖中可以看出Lock1端口出現(xiàn)10個高電平為5.1 V的方波，在方波的持續(xù)時間中有紅色豎線標(biāo)記，10條紅色的豎線表明故障檢測系統(tǒng)采集到了

圖15 Lock端口電壓波形圖

10個信標(biāo)報文，不存在信標(biāo)丟失；Lock2端口電壓穩(wěn)定在5.1 V，Lcok3端口電壓穩(wěn)定在11.6 V。根據(jù)繪制的波形圖可初步判斷在采集數(shù)據(jù)期間查詢器正常工作。統(tǒng)計十組實驗數(shù)據(jù)如表5所示。

表5 測試結(jié)果統(tǒng)計表

從表格中的數(shù)據(jù)可以看出故障檢測系統(tǒng)可實時采集查詢器Lock端口電壓與串口數(shù)據(jù)；同時根據(jù)采集到的數(shù)據(jù)在故障診斷軟件中繪制波形圖可判斷查詢器的工作狀態(tài)。綜上所述，本次設(shè)計的故障檢測系統(tǒng)功能實現(xiàn)成功。

5 結(jié)束語

目前國內(nèi)針對車載應(yīng)答查詢器的故障檢修仍是整體更換車載設(shè)備，無法找出故障的具體位置進行針對性的檢修，檢修成本較高且效率低下。通過對車載應(yīng)答查詢器工作狀態(tài)的研究，根據(jù)其工作狀態(tài)來判斷具體的故障位置，同時提出了一種針對應(yīng)答查詢器故障的檢測流程。利用該檢測流程，可有效判斷車載設(shè)備的故障位置，有針對性的進行故障檢修與維護，提升工作效率，節(jié)約設(shè)備檢修成本。提出該檢測流程為今后車載設(shè)備的故障檢測有一定的指導(dǎo)作用，便于將來開發(fā)便攜式的故障檢測設(shè)備。