高速铁路应答器报文接收质量测试及分析

姚明阳

(柳州铁道职业技术学院，广西 柳州 545616)

列车自动运行控制系统作为保证列车运行安全、提高列车运行效率的关键技术设备，在铁路提速中发挥着越来越重要的作用。在列车运行控制系统中，应答器是最重要的基础设施之一，能够在列车高速运行的情况下以报文的形式向车载设备传输重要控车信息，实现车地通信，保证列车的安全运行。当列车运行速度达到300 km/h(或以上)时，车载设备如果无法快速准确地接收地面应答器报文，就会严重影响高铁的运行，故应答器报文接收质量应满足铁路进一步的提速需求。

1 高速铁路应答器报文接收质量测试的实际意义

高速铁路列车的运行在一定程度上依靠运行控制系统。在列车所有的车载系统中，应答器较为特殊，其主要功能在于对地面信息进行获取。如果应答器报文接收质量不高，就可能会导致高速铁路列车在运行过程中无法及时获取地面信息，进而影响运行过程。

应答器能够为列车车载系统提供实时的可变信息以及大量的固定信息，在这种情况下，车载系统的一次连续目标距离制动控制器就具备了生成基础，因为应答器的信息为其提供了相关的数据支撑。应答器的报文接收质量直接影响着高速铁路列车的运行情况，要想为高速铁路列车的安全运行提供保障，就必须合理测试高速铁路应答器报文接收质量。

研究认为，在高速铁路列车运行水平不断提升的背景下，应答器在实际应用中却往往会出现问题。部分工作人员在列车信号系统联调联试工作中发现，应答器往往会出现速度信息接收不及时和坡度、限速信息接收质量不高等情况。如果不能加强对相关问题的分析并提出相应的优化策略，就无法真正发挥出高速铁路列车的价值，进而影响我国铁路行业的发展。

根据我国列车运行控制系统技术规范显示，高速列车CTCS-1 级、CTCS-2 级、CTCS-3 级、CTCS-4 级都需要对应答器的相关设备进行配置。无论是在高速铁路建设工作中还是在既有线改造提速的过程中，应答器都是不可或缺的设备。应答器向高速行驶的列车车载系统提供信息的主要技术为磁感应技术，主要表现在传输链路方面。车载应答器的传输链路分为上下两种类型，上行链路主要是由地面设置的应答器向车载系统传输具体信息，信息内容包括可变信息和固定信息。而下行链路则是以车载系统为基础向地面设置的应答器传输列车的具体运行信息。上行链路的数据是当前车地信息传输的基础，其传输的信息内容具备多元化的特征，无论是哪一信息类别都极为重要，包括站名信息、速度信息、临时限速信息等。除此之外，无论是等级转换信息还是定位信息，亦或是轨道区段信息等，都需要完全包括在其中。

近年来，我国高速铁路发展较为迅速，对信息质量的要求越来越高，在大型枢纽车站不断建设的背景下，不同作用的线路、不同场间的场联线都越来越多，提升了枢纽车站线路的复杂程度。如果不能保证应答器报文接收质量水平，就会影响列车的运行，甚至会导致列车在运行过程中出现安全风险。通过分析相关人员就列车信号系统开展的联调联试所得出的试验数据发现，在枢纽车站线路较为复杂的区段，应答器对信息的分配往往会出现不合理情况。

2 高速铁路应答器报文接收质量测试

2.1 测试内容

从我国高速铁路目前的发展情况来看，对于客运列车专用型高速铁路来说，其目前的时速达到了350 km以上，新建的客货运列车混用型高速铁路在时速方面为250 km，根据这一现实情况对高速铁路应答器报文接收质量进行测试，主要测试条件如下：将列车的运行速度设定为300 km/h以上，在应答器方面采用不同的地面安装方式，在此基础上对地面应答器上行链路信号的特性及报文数据接收质量进行具体分析。

高速铁路应答器报文接收质量测试的主要参数如下：第一，对地面应答器上行链路信号的平均数据传输速率进行统计、测试。第二，对地面应答器的报文数据进行具体测试。相关人员应开展分段校验统计工作，明确应答器报文数据的误码率。第三，对地面应答器报文的具体接收情况进行统计。应答器报文的接收细节参数包括报文错误比特总数、报文比特总数、总个数等。除此之外，无论是报文正确比特的起始位置还是最大有效报文个数，都需要包括在其中。第四，采集地面应答器上行链路具体信号，通过相关处理方式还原其信号，查看其信号的实际波形，通过实际波形分析可以明确信号在传输过程中的传输质量，因为一旦受到噪声干扰，信号波形就会出现畸形跳变情况。第五，对地面应答器上行链路信号的具体采样数据进行频谱统计，同时检验地面应答器上行链路信号频点与频率。地面应答器上行链路信号存在着2个工作频点及中心频率，如果发现工作频点与中心频率不准确，就说明其工作频点受到了噪声干扰，影响了信息接收质量。

2.2 测试方法

对应答器报文接收质量测试的方法进行明确。测试开始前，应在动检车的车底两端安装具体设备，设备为应答器检测系统BTM车载天线。还需在车内两端对应答器检测系统的BTM车载主机进行安装。安装完毕，应将数据处理上位机和显示终端设备安装到车内两端。在实际开展测试过程中，应保证车内两端的应答器检测系统处于工作状态，同时检测地面应答器。

为了可以更好地得出检测结果，为高速铁路应答器报文接收质量的提升打下基础，地面应答器的安装应使用不同的方式。首先为横向安装，其次为纵向安装。从横向安装的角度来看，主要将地面应答器安装在钢轨顶面的130 mm以上，在上行线安装5个地面应答器，同时也需在下行线安装数量相等的应答器。从纵向安装的角度来看，主要将地面应答器安装在钢轨顶面，在上行线安装5个地面应答器，同时也需在下行线安装数量相等的应答器。

2.3 测试结果

测试结果为：应答器在实际应用中往往会出现问题，主要包括速度信息接收不及时以及坡度、限速信息接收质量不高等。在枢纽车站线路较为复杂的区段，应答器对信息的分配会出现不合理的情况。在列车高速运行的情况下，应答器与天线的具体作用时间被大大缩短，要想让天线在短时间内对应答器的具体数据进行接收，就必须要扩大作用范围。一些发达国家在高速铁路相关规范中对天线与应答器之间的通信作用区进行了严格规定，只有保持其水平作用范围在50～70 cm，才可以保证信息的接收质量。以水平作用范围60 cm为例：在列车以300 km/h的速度运行时，作用时间T=作用范围60 cm÷列车速度300 km/h=6.12(ms)，如果列车速度达到300 km/h，那么作用时间T=5.14(ms)。

对于单一的长编码应答器来说，其报文为1 023 bit，在这样的情况下，车载设备接收到的连续正确比特数只有大于1 023的应答器报文数据才能对应答器报文的相关内容进行解析。对于应答器数据来说，其平均传输速率为564.48 kb/s，所以可对一帧应答器报文进行接收的时间为1 023=564.48=1.81(ms)。由此可以看出，天线与应答器的作用时间较短，要想在列车高速运行的状态下对信息数据进行接收，就应合理安装应答器，使应答器能够与钢轨成平行状态，扩大通信范围。另外，需要尽量增加天线与应答器的作用时间，提升应答器报文接收质量。

3 提升应答器报文接收质量的措施

3.1 对应答器中的有源、无源数据进行合理安排

要想对高速铁路应答器报文接收质量进行提升，就必须合理安排高速铁路应答器的有源、无源数据。在高速铁路列车中，车载设备的主要设施就是应答器，应答器可对地面信息进行获取，对地面情况进行反映，所以，需要提升信息的合理性，保证信息的全面性，加强信息的有效性。对应答器的有源、无源数据进行合理安排能够为应答器预留足够的空间。

根据具体的规范要求，在应答器组内，应答器的数量一般不能超过3个，而在1个应答器组中，只能设置1个有源应答器，所以，有源应答器需要对线路的实际情况进行明确，对不同的信息进行合理分配，进而解决速度信息接收不及时以及坡度、限速信息接收质量不高的问题。

3.2 尝试使用大容量无源应答器

从理论层面来看，在1个应答器组内对无源应答器的数量进行增加，可以对信息包的容纳空间进行扩大，同时也能为独立应答器的增设打下基础，缩小区间应答器描述的范围，所以尝试使用大容量无源应答器极为必要。在列车高速运行的过程中，往往会受到不同地理条件的制约，一旦线路坡度较大，就可能限制列车的运行速度。为在保证行车安全的基础上提升列车的运行效率，增加应答器中的内容十分重要，而增大应答器内容也会导致无源应答器的容量捉襟见肘，针对这种情况，应使用大容量无源应答器。

大容量无源应答器的上行链路具备双通道结构的特征，其两个通道具备并行关系，可对数据传输容量进行提高。由于2个通道可在单独使用、同时使用的状态中不断切换，所以应在大容量无源应答器内对应答器报文进行存储，进而提升数据传输容量，解决现实情况中存在的具体问题，提高高速铁路应答器报文接收质量水平。

3.3 对线路参数进行合并

合并线路参数的目的在于解决应答器报文质量问题，尤其是在对有源应答器、无源应答器进行分配后仍然无法满足现实需求时，相关人员就应该在现实中尝试合并线路参数。目前，对线路参数进行合并的方法包括多种不同的类型，无论是速度合并还是坡度合并，亦或是轨道区段的合并，都需要包括在其中。

在遵循具体规范的基础上进行坡度合并，能够提高应答器报文的接收质量。从坡度合并的具体质量来看，其主要是以应答器技术规范为基础，根据相关算法对能够合并的变坡点进行明确，之后以安全性为原则对制定距离内的坡度进行合并，对数据范围进行延长。

在遵循具体规范的基础上进行速度合并，需对制动范围内的速度变化点进行明确，如果存在着速度变化较大的情况，就应对合并事宜进行慎重考虑，保证数据前后的相同性。

在遵循具体规范的基础上对轨道区段进行合并，需在不影响列车运行的基础上进行操作。轨道区段的合并应明确制动距离范围内由远及近的轨道区段，从而达到提升报文接收质量的效果。

3.4 提升有源大容量应答器的设计水平

提高高速铁路应答器报文接收质量水平最基础的措施就是加强对有源大容量应答器的设计。无论是对线路参数进行合并还是对应答器进行增设，都是为了扩大应答器容量，要想对现实情况进行满足，就必须要重点完善有源大容量应答器。与无源大容量应答器相比，有源大容量应答器更加复杂，具有一定难度，目前仍处于研发阶段。相关人员必须要加强对问题的分析，只有解决容量问题才能保证信息的准确性，应在保证铁路运输安全性的基础上促进整体行业的发展。

4 结语

在列车所有车载系统中，应答器较为特殊，可对地面信息进行获取，对地面情况进行反映，因此需要提升信息的合理性，保证信息的全面性，加强信息的有效性。如果应答器报文接收质量不够高，就可能导致高速铁路列车在运行过程中无法及时获取地面信息，进而影响运行。要想为高速铁路列车的安全运行提供保障，就必须合理测试高速铁路应答器报文接收质量。