ATP设备BTM子系统综合检测技术研究

程 亮

应答器传输子系统（Balise Transmission Module,BTM）是列车自动防护（Automatic Train Protection,ATP）车载设备内部的关键部分,主要用于接收、解调地面应答器信号,并将解调后的信息传送给车载主控单元,用于提供运行线路信息、实现位置校正等功能。由于BTM子系统复杂程度高,通过射频方式读取应答器数据,在动车组复杂环境下容易受到外部干扰,加上硬件性能不良等问题,使之在ATP设备故障中占据相当大的比重。

目前,现场对于BTM子系统测试分析缺乏有效手段,发生异常或故障后,往往只能连接真实ATP进行简单的报文接收功能测试,难以开展更为细致的故障专项测试分析,也无法准确掌握关键的射频性能参数；故障处理时,也只是简单更换主机、天线或电缆,将故障部件返回设备厂家集中分析、检测,周期长,且存在部分未测试出问题的故障件又返回现场,造成故障重复出现的情况。同时,由于现场不同型号ATP的BTM软硬件设计及外部接口存在较大差异,互不兼容,给诊断处理、故障检测等带来了较大的难度。

为此,围绕现场常见故障,针对上海局应用最广泛的CTCS3-300T型ATP对应的BTM,在确定BTM综合检测系统总体需求的基础上,搭建BTM子系统真实测试环境,实现BTM外部的接口仿真。通过开展外观检查、安装测试、功能测试、天线电缆测试、性能测试和压力测试等,对BTM子系统相关故障进行定位分析［2］。

1 BTM相关故障分析

对于CTCS3-300T型号ATP对应的BTM,现场常见的故障主要分为例行测试失败、BTM端口无效、应答器传输服务可用性（Baslise Service Available,BSA）相关故障3大类。

1.1 例行测试失败

为保证BTM子系统运行的可靠性和安全性,ATP会控制BTM子系统每隔一定时间执行例行测试,包括27 MHz功率检测、27 MHz调制深度检测、3.951 MHz和4.52 MHz频率及带宽检测等,用于确保BTM和CAU（紧凑天线单元）可以给应答器传送足够的能量,并能够检测到应答器的响应。若ATPCU（ATP控制单元）检测到距前一次BTM例行测试成功的时间超过96 h或120 h,且本次例行测试未通过,则会通过人机交互界面（Driver Machine Interface,DMI）给出相应的文本提示；若ATPCU检测到该时间间隔达到168 h,则在特定的工作模式下,通过DMI给出告警文本,同时触发ATP死机,无条件制动停车。

例行测试失败的原因可能与BTM主机、电缆、天线中的任何一个有关,也可能与外部环境有关,测试期间需要避开应答器和金属物质,因为外部电磁干扰也可能会导致例行测试失败。

1.2 BTM端口无效

BTM主机通过多功能车辆总线（Multifunction Vehicle Bus,MVB）与其他模块进行通信,每个模块根据通信需求都分配有相应的MVB端口。若底层安全平台检测到BTM长时间未刷新对应端口的状态信息,就会判断BTM端口无效故障,并导致系统死机。BTM端口无效问题一般分为以下几类。

1）BTM软件类问题。如：启机30 s左右,ATPCU记录数据报告BTM单元与速度距离处理单元（Speed Distance Processor,SDP）间的MVB通信连接建立失败,这可能与BTM单元软件有关,在系统启动初始化时,在MVB上找不到BTM单元；现场还发生过BTM软件A、B代码比较不一致导致的端口无效问题,通过BTM上报给SDP的故障代码可以进行定位；此外,自主BTM在现场运用过程中,也发现有双路CPU数据交互异常,较长时间未向总线发送数据,导致出现BTM端口无效问题。

2）BTM硬件类问题。如BTM工作过程中,电源板、解码板等硬件发生异常,未向总线报告状态信息,导致端口无效。

3）其他问题。如BTM主机软件烧写异常、地址设置错误等。

1.3 BSA相关故障

BSA故障即应答器传输服务不可用,该类问题分为永久BSA和临时BSA 2大类。

永久BSA属于不重启ATP无法恢复的故障,多数情况发生在BTM启动自检过程中,且BTM单元已成功与MVB建立连接。该类问题一般与BTM单元软件问题或硬件故障有关,导致反馈给主机的自检测试信息出现异常。

临时BSA属于BTM运行时测试的相关问题,发生在动车组运行过程中,一般与BTM运行过程中受到外部干扰、天线与电缆连接处受到转向架运行的振动、接头处密封不良等因素有关。

2 BTM综合检测技术实现

2.1 系统需求

BTM相关故障涉及到主机、天线和电缆各方面,为保证对故障进行全面的定位分析,需要搭建一套完整的综合检测系统,实现以下基本功能。

1）适配BTM子系统的外部接口。适配300T型ATP设备BTM子系统对应的MVB接口,激活BTM子系统的内部自检、例行测试、应答器报文收发等功能；同时能够按照《应答器设备技术条件》的相关要求,向BTM子系统传输可变的应答器报文；考虑到不同型号ATP设备BTM的差异性,应具备扩展功能,如能够扩展300S型ATP设备BTM子系统对应的Profibus接口等。

2）检测BTM子系统射频发射性能。BTM子系统相关功能激活后,可使用专用的检测用参考环,接收BTM天线发射的能量信号,同时通过信号发生器向BTM天线发送应答器信号,实现BTM天线发射信号、应答器接收信号性能测试等［3］。

3）支持对BTM子系统的天线和电缆进行专项检测。将待测BTM天线线缆接入转接电路,在检测系统主机的控制下,通过专用仪表对BTM子系统的工作频段按照一定频率间隔进行扫描,检测天线电缆的同轴特性,测试天线电缆的电压驻波比、特性阻抗和回波损耗等参数。根据BTM主机、天线和电缆的特点,设置合理的性能判定门限,对频谱曲线、电压驻波比等测试数据进行性能分析。

2.2 检测系统结构

BTM综合检测系统总体上分为测试操作台、BTM主机柜和滑台3部分,其系统结构见图1［4-5］。

图1 BTM综合检测系统结构

测试操作台内部设置了系统控制主机、BTM接口单元、滑台控制主机、交换机、应答器报文信号生成器、信号发生器、射频功放、衰减器、射频开关、频谱分析仪等设备［6］,用于控制BTM进入相应的测试状态,完成BTM相关工作状态信息、检修性能参数的采集,实现人机界面接口、数据库存储、历史查询,以及BTM设备历史工作状态、参数性能等指标的日常管理、历史查询检索和卡控分析等；支持导出分析报告和统计报表；同时设置系统的总电源开关和指示灯,实现整个系统电源的控制。

滑台支持固定BTM天线、参考环等设备,能够根据测试需求操作控制台软件,根据测试项目自动调节滑动,控制BTM天线与参考环之间的相对水平和垂直距离。为减小设备体积,系统也可采用BTM天线固定装置,具体由现场实际条件确定。

2.3 故障定位分析

2.3.1 例行测试失败[7]

检测系统能够在室内环境下,随时控制例行测试功能,同时对例行测试全过程的日志数据进行智能分析,结合历史故障数据知识库,判断例行测试失败的可能原因,定位故障器件。同时,例行测试可以根据需要,通过设置测试序列,灵活配置测试次数,连续多次测试分析,判断被测设备是否存在偶发小概率故障的可能性等。通过室内例行测试,可以排除外部环境原因（如现场执行例行测试附近有金属物质）导致的例行测试失败问题,及时发现故障隐患件,减小现场的工作强度。

2.3.2 BTM端口无效和永久BSA

针对BTM端口无效和永久BSA类故障,可基于测试系统依次执行以下测试［8］。

1）启机自检测试。打开BTM电源,开始执行配置和启机测试,TBSW基于软件的底格里斯安全平台控制对BTM的内存等单元进行检测,内部系统启动成功后,CPU读取BTM所有子模块的产品代码和版本,并确认BTM的配置有效,对解码器等功能进行自检,整个过程大约需要30 s。

2）例行测试。验证BTM、CAU和电缆的匹配性能。

3）运行时测试。验证BTM子系统运行时测试功能是否完好。

4）报文接收性能测试。主要包含不同占空比的普通报文接收、不同bit错误报文拒绝能力等。通过应答器发码模块,将规范中规定的特定报文序列依次导入参考环中,发射FSK信号给BTM,测试BTM子系统在不同占空比下的报文接收功能,判断是否符合设计要求。测试过程中,检测系统主机模拟列车运行,向BTM子系统发送计算后的列车速度和位置信息,在规定位置通过应答器发码模块,将设定好的应答器报文转换为1023 bit数据,通过任意函数发生器产生FSK信号,经参考环发射给BTM,确认BTM子系统的应答器报文是否正确接收。执行报文接收测试时,会在相应页面显示发送和接收到的报文,并对二者进行比对确认。若发送的报文与接收一致,则本项测试通过,否则会报告测试失败。执行不同bit错误报文拒绝能力测试时,选择“不同bit错误报文拒绝能力”,发送相应的应答器报文信号,BTM解码后,应能判断出报文异常,不能将错误的报文发送给BTM控制盒。若主机一段时间内未接收到报文,则认为测试通过。

好八角呈红棕色且有光泽，一般为八个角，瓣厚，荚边开裂缝较大，闻上去有股甘草香味儿；而劣质八角的外表呈绿褐色或棕褐色，颜色深浅不一、无光泽，有少数圆点状突起的小油点，瓣角不完整，碎粒多，外表皱缩且带有灰尘等杂质。

5）执行压力测试。编制测试序列,设置上下电次数和时间间隔,依次连续执行多次启机测试、例行测试和频繁上下电测试,确认BTM子系统始终处于正常工作状态。

6）执行拷机测试。每隔一定时间给BTM发送应答器报文,对报文接收情况进行确认；通过长时间测试,跟踪判断系统是否存在异常。

7）历史故障追溯。对于返修后再次发生故障的BTM主机、天线和电缆,应结合测试系统的历史故障检索功能,对历史数据进行查询分析,综合判断故障的可能原因。

2.3.3 临时BSA

考虑到临时BSA相关故障的成因较为复杂［9］,为提高故障定位分析的准确度,建议尽可能按照设定的步骤,联合运用多种测试手段进行测试分析。

1）结合测试系统设计,针对故障设备的BTM主机、天线和电缆逐一进行外观检查。对于BTM主机,应重点关注BTM主机的散热片是否存在撞击变形、各固定螺母是否正常（对于300T的BTM主机,应对重置螺母进行检查,防止运行中振动导致BTM重启）、天线射频接口、通信接口等关键位置是否存在异常；配套安装固定支架外观是否完好等；BTM天线外观检查时,应重点关注外壳密封性是否良好,电缆连接接口位置是否有锈蚀等现象；对BTM电缆应重点关注电缆护套外观是否完好,两侧的接头是否牢固,是否存在安装等原因导致的弯折等损伤。

2）对BTM子系统的天线和电缆进行专项检测［10］。将待测BTM天线线缆接入天线线缆转接电路,执行电压驻波比（Voltage Standing Wave Ratio,VSWR）、故障定位（Distance To Fault,DTF）性能、回波损耗性能、特性阻抗性能测试。其中：VSWR测试时,检测系统支持控制矢量网络分析仪,对BTM天线电缆每个通道的VSWR逐一进行测量,判断结果是否在允许范围内。BTM电缆在生产制造过程中,由于长度、类型、介质的差异和其他非理性因素导致的问题,很难通过肉眼检验,可通过DTF性能参数测量,对应电缆信号传输过程中每一点的回波损耗值,快速检测定位BTM天线电缆可能的缺陷点（故障点位置与接头位置的距离）。回波损耗性能测试时,需要通过控制矢量网络分析仪,对BTM天线电缆每个通道对应的回波损耗（传输信号没有完全被终端负载吸收而被反射回来的能量）进行测量。特性阻抗性能测试,应通过控制矢量网络分析仪,对BTM天线电缆每个通道对应的特性阻抗值逐一进行测试。

3）执行报文接收性能测试、压力测试、拷机测试,确认BTM子系统始终处于正常工作状态。若测试过程中发生异常,结合历史故障追溯,通过对BTM相关记录数据进行分析,对故障进行定位。

3 应用及展望

目前,BTM综合检测系统主要针对CTCS3-300T型ATP在用BTM设备定制设计开发,通过ATP与BTM侧的接口仿真,能够控制各种工作状态下,对在用BTM设备、备品备件进行启机测试、例行测试、运行状态测试,以及对射频发射、接收性能等相关技术参数进行详细卡控分析,协助发现和定位BTM子系统相关的问题。该系统在上海局安装试用以来,运行稳定、可靠,能够显著提高日常检修维护水平,降低现场故障的发生,对于分析解决BTM相关问题具有实用价值。