ATP车载设备掉码问题研究

陈建译

（中国铁路广州局集团公司电务处，广州 510088）

1 概述

随着列车运行速度的提高，司机通过瞭望地面信号机显示不能满足对列车操控的需求，必须提前预知若干个闭塞分区状态，才能保证行车安全，因此车载机车信号成为主体信号。我国高速铁路建设以来，基本取消了地面信号，动车组司机通过车载ATP控车速度曲线和机车信号码序显示来操控列车运行。同时，地面轨道电路发码信息，也是生成ATP控车速度曲线的重要参数。因此，地面轨道电路发码及车载码序接收正确性，对动车组ATP控车至关重要，首先地面要确保正确发码，其次车载轨道电路读取器单元（简称TCR主机）设备要正确收码和译码，再次ATP设备按规范要求逻辑正确处理。ATP反应掉码故障，往往没有细致分析第二个环节问题，主观推断为地面轨道电路发码问题。按照目前全路动车组运行交路，尤其动车组在非本局管辖范围运行时往往如此。本文在阐述TCR原理和技术参数的基础上，结合现场实际运营实践的几件ATP车载设备掉码故障，来分析特殊场景下掉码故障的成因。

2 轨道电路读取器基本原理

轨道电路读取器设备由轨道电路读取器单元（简称TCR主机）和双路接收线圈（简称接收线圈）构成。轨道电路读取器作为一种车载设备，和地面轨道电路一同构成了地车轨道信号系统。

轨道电路读取器的工作原理图如图1所示。

图1 轨道电路读取器系统构成Fig.1 composition of track circuit reader system

当列车轮对轨道电路形成分路时，在钢轨上的分路电流在周围产生磁场，接收线圈感应磁场后形成信号，并将信号传送至TCR主机。TCR主机将信号处理后，将结果发送给列控车载设备ATP。

2.1 TCR工作原理

接收线圈将感应到的轨道电路电流转换为电压信号传输给TCR主机。TCR主机对信号进行取样、将模数转换、译码，解析出轨道电路信息，将信息翻译为相应的低频信息后输出给列控车载设备ATP。TCR主机工作原理如图2所示。

如图2所示，双路接收线圈的一路接主控板A，另一路接主控板B，经隔离、AD转换、信号处理（滤波、频率识别）后，A、B板的CPU做二取二比较，通过后将识别结果（载频、低频信息等）以RS-422通信接口方式传送给车载设备ATP。

当识别出的轨道电路信号的载频、低频、频偏、电流幅度均符合要求且持续时间满足要求，判断轨道电路区段有码，否则认为区段无码。

TCR在解调轨道电路信息的过程中，可根据轨道电路载频的变化，提取绝缘节信息，并输出给列控车载设备ATP用作位置校正。

2.2 参数要求

1）接收灵敏度

ZPW-2000和移频轨道电路接收灵敏度如表1，2所示。

2）应变时间

TCR接收ZPW-2000系列信息时，信息接收应变时间不应大于2 s，从有信息到无信息的应变时间不应大于4 s。

TCR接收移频信息时，信息接收应变时间不应大于2 s，从有信息到无信息的应变时间不应大于4 s。

图2 TCR工作原理图Fig.2 TCR working principle

表1 ZPW-2000系列轨道电路TCR接收灵敏度Tab.1 TCR receiving sensitivity of ZPW-2000 track circuit

表2 移频轨道电路TCR接收灵敏度Tab.2 TCR receiving sensitivity of frequency-shift modulated track circuit

TCR对外输出通信延时时间不应大于0.3 s。

3）返还系数，整机返还系数不应小于75%。

4）可靠性，TCR主机的平均无故障服务时间（MTBF）不应低于1×106h。

5）安全性，TCR的安全完整性等级应满足SIL4级要求。

6）抗干扰能力，在轨道牵引回流为1 000 A、不平衡系数10%的电气化区段，TCR主机应能正确译码。

3 故障案例分析

3.1 动车组经过绝缘节TCR感应电压值偏低引起动车组紧急制动

故障场景：动车组在高铁某站内准备对标停车作业，列车由站内股道G1跨向G2运行过程中，由于感应到地面的轨道电路信号电压偏低，发生TCR主控板A、B切换情况，最终ATP由完全监控模式转入冒进防护模式，并输出紧急制动停车。

故障分析： 1）动车组ATP处于C3等级完全监控模式在站内股道内由G1（载频为2 300 Hz、低频为HU码）向G2（载频为1 700 Hz、低频为HU码）运行时，TCR的主控板A在G1上感应到的电压幅值94.4 mV（根据表1，标准为100 mV±7.5 mV，在标准范围内偏下限），未能正常译码，并触发TCR无载频切换工作机制，由主控板A切换至主控板B工作（切换时间约1 s）。

2）TCR主控板B接替工作后，动车组已越过G1、G2间绝缘节，进入G2，并开始接收G2的轨道电路信号。由于TCR仅向ATP输出了载频、低频信息，未能输出绝缘节信息，由此导致ATP判断列车仍在G1内运行，还未到G2范围，应该接收2 300 Hz 的载频，而实际接收到的1 700 Hz载频，出现载频不一致。因此，ATP为了确保安全，对接收到的1 700 Hz信号按无码处理，按照ATP处理逻辑由HU码变为无码，转入冒进防护模式，并输出紧急制动。

基本结论：经排查故障当日其他列车在该站股道ATP设备收码正常，且故障当晚上道检查地面设备发码正常。同时，故障车组在京广高铁全线其他各站也运行正常。由此，可判断该故障属ATP车载设备偶发性的，因机车信号感应电压幅值偏低，诱发的特殊运营场景故障个例（ATP设备TCR工作主机因故切换时，丢失绝缘节信息导致ATP误判载频校核不一致，由HU码变无码，并转入冒进模式输出紧急制动停车）。

3.2 特殊场景下TCR出现的故障导致停车

故障场景：动车组进站由下行线进入上行线股道进站停车，在进站过程中出现掉码，ATP输出紧急制动停车。

故障分析：1）动车组进站时TCR单元根据进站信号机前方应答器锁频信号进行译码，在进入进站信号机后方绝缘节22 m处，ATP输出锁频信号给TCR单元如图3所示。

2）当动车组越过进站信号机区段（载频为1 700 Hz），进入1DG区段（载频为2 300 Hz）时，TCR主机板译码硬件电阻、电容有差异做不到完全一致，过了绝缘节后，TCR设备CPU1译出了2 300 Hz的载频信号（低频为HU码），而CPU2因为译码延迟，还在译的上一个轨道区段1 700 Hz的载频信号（低频为UUS码）。此时，TCR收到上行锁频信号后，根据协议要求和TCR设计原则，在变化载频信息前收到锁频信息时，需要译完当前载频区段后再执行下一阶段的载频切换。因此，CPU2在对上一个轨道区段1 700 Hz的载频信号（低频为UUS码）进行了约3 s的保持。同时，CPU1（低频为HU码）和CPU2（低频为UUS码）对译码结果进行比较，比对后因译码结果不一致TCR取限制输出掉码。因“HU码”掉“无码”，输出紧急制动停车。

基本结论：受该站形限制，动车组由下行线进入上行线股道进站停车，在咽喉区出现掉码，经过细致分析发现因TCR主机板2个CPU译码不同步，进站后其中一个CPU及时译出了当前区段码，另一个CPU停留在进站信号机前方区段，而此时又恰好锁频信息需要译完当前区段再切换载频，导致掉码制动停车。

4 结语

动车组列控车载设备掉码故障往往容易忽视其中的细节，也是比较难分析的综合性问题，地面轨道电路发码、车载ATP处理逻辑、TCR信号接收和处理逻辑，以及其他特殊场景均可能导致问题发生。在故障分析的过程，既要宏观对比分析，确定大致的方向，更要细致分析各环节具体数据和逻辑，才能准确找出其中真正故障成因，采取有效针对性措施进行改进。

1）TCR设备两系和两个CPU之间信息处理和输出逻辑应该进一步研究优化，以适应各种特殊场景，甚至是故障场景。

2）接收转频码条件下，TCR的处理逻辑需进一步完善，尤其适应各种站型的不同需求。

3）设备维护管理单位综合各类数据及报警信息分析，确保问题分析准确到位。