有源应答器监测装置

朱卫华 张 奇 张建平

随着高速铁路的不断发展，大量动车组投入日常运营，列车运行间隙逐渐缩短，对信号设备的可靠度要求不断增高。应答器是列控系统控车数据的主要来源，特别是进、出站口的有源应答器数据，由于包含临时限速信息，其数据的可靠性与安全性直接决定着动车组的安全。因此结合列控设备对进、出站口有源应答器进行监测，达到故障的预判断和处理。

按照铁道部计划司、运输局 《关于加快安装有源应答器监测装置有关要求的通知》［2008］0141号的要求，全路既有C2级列控区段均需要安装有源应答器监测装置，从而加强对有源应答器通道和临时限速命令进行监测和校核。为满足用户需求，西门子信号有限公司结合既有应答器和车载设备产品技术经验，成立联合研发小组，完成了产品的开发和设计工作。

1 监测装置构成

有源应答器监测装置 （缩写TBM）主要由室内主机、室外终端、天线和监测软件4部分构成，如图1所示。通过安装在应答器底部的天线，发送27MHz能量信号，从而激活应答器，读取报文后将报文传送给室内设备，由室内设备将报文内的关键数据与TDCS／CTC数据相比较，并将比较结果反馈给TDCS／CTC和微机监测系统。

图1 监测装置构成

1．室内主机安装在室内，采用19英寸3U的标准插件箱，自左至右依次为逻辑板、CPU板、电源板和终端控制板。负责采集站内联锁的继电器状态，结合预设的监测机制，适时通过供电电缆和数据电缆，分别给室外终端供电和发送启动查询指令，完成监测动作。

2．室外终端安装在轨旁箱中，由数字板、模拟板和电源板构成。平时处于断电状态，当室内主机对其供电后，处于待机状态，接收室内主机的查询命令，并且根据命令对指定天线发送27MHz的能量信号，从而激活应答器完成报文的解码工作，最终室外终端将读取到的报文传输给室内主机。室内主机接收到报文后，切断室外终端的供电电源。

3．天线安装在有源应答器底部，是无线发射和接收单元。

4．监测软件安装在室内工控机内，通过串口连接室内主机的监测端口。监测软件可以直观的显示设备状态和监测结果。使用手动监测功能可以即时对指定应答器进行监测；使用报文回放功能，可以查看读取报文的历史记录和报文的详细内容。

2 主要功能

1．接收有源应答器报文，根据报文内M＿MCOUNT变量值判断其工作状态。

2．接收临时限速命令，按照一定的逻辑关系和时机，校核临时限速报文。

3．将有源应答器工作状态、临时限速命令的校核结果传送给TDCS／CTC、微机监测系统。

4．监测装置本身出现故障，及时将故障信息传送至TDCS／CTC、微机监测系统。

5．监测装置与TDCS／CTC系统、微机监测系统通信中断后，能在各系统中分别输出报警提示信息。

6．具有监视、记录、日志、自检、自诊断功能及故障报警提示功能。

3 监测时机

监测时机由站内联锁信息和信号开放状态决定。当接收到由TDCS／CTC发送的临时限速命令后，对发车方向的有源应答器进行读取、校核；当进站信号开放时，对接车方向的有源应答器进行读取、校核。平时对有源应答器进行周期监测，测试应答器、电缆、LEU工作状态。

室内主机对室外终端供电5s即可完成对一个应答器的监测。同时室内主机采集站内联锁信息，在列车接近有源应答器前30s，禁止自动监测和手动监测功能，确保室外终端处于断电状态，不能进行监测。

4 关键技术

4．1 天线切换设计

室内主机采取分时依次监测的方式，对各个有源应答器进行监测。而且，进站口有源应答器和反向进站有源应答器在安装位置上比较接近 （出站口也相同），因此对于以上车站可以采取如图2所示的切换电路，来降低终端使用数量。增加切换电路使得一个终端可以连接多个天线，具体监测哪个有源应答器由室内主机发送命令进行选择。此方法可以节省终端数量，降低设备成本。

图2 天线切换设计

可以使用继电器来实现切换，如图3所示。默认情况下，主机监测Ant1对应的应答器；当发出继电器切换信号时，主机监测Ant2对应的应答器。使用切换电路和控制电路完成了对天线的选择。

图3 天线选择

4．2 室内室外通信设计

室内主机需要对室外终端进行供电，并且与室外终端交换数据。供电电缆可以使用普通的双绞线，站内电缆槽内一般情况下都会有备用电缆，因此不用重新铺设。依据 《应答器技术条件》LEU到有源应答器的最大距离为3．5km，为最大程度的节省施工成本，通信电缆需要结合通信距离进行优化选择。

当通信距离小于2km时，可以使用电力载波进行数据通信。该方法采用FSK调制技术，信号或数据用50～350kHz之间的载波频率进行调频，利用现成的电力线路 （包括低压电力线和中压、高压电力线）或者其他线路进行数据传送。它的最大优点是使供电电缆和通信电缆合并，不需要新铺通信线路，不占用无线通信频道，从而降低施工成本。但电力线数据载波容易受到外界干扰，通信距离大于2km后无法保证通信数据的准确性，因此当通信距离小于2km时，推荐使用电力载波通信方式。

当通信距离大于2km时，可以使用光纤通信方式。光纤通信是利用光波在光导纤维中传输信息，具有通信容量大、传输距离远的优点。但是站内一般没有备用的光缆，需要重新铺设光缆，对于既有站点，工程施工量大，施工费用高。

随着现场总线通信方式的不断发展，为解决长距离通信提供了可能。LonWorks总线是近年来迅速发展的一种工业数据总线，一些芯片厂商推出了基于LonWorks总线的电力线传输芯片，同时支持双绞线、同轴电缆、电源线等多种通信介质。笔者参与研发的TBM产品即配备不同类型的通信板从而满足现场各种总线和距离的要求。

5 应用前景

目前，西门子信号有限公司与总部联合研发的监测装置样机已经完成了功能试验和型式试验，正在信号演示区进行模拟运行试验，并积极联系用户进行上道试验的准备工作。

有源应答器监测可以对应答器报文和临时限速进行闭环反馈，对于消除安全隐患十分必要。装置采用非接触式的监测方式，在监测设备自身故障的情况下，不会对被监测设备造成影响。其功能和机制优于现有的有源应答器断缆监测模块。如果能与微机监测系统或列控系统进行集成，将监测装置纳入相应的系统中，则能最大程度上代替人工检查，做到故障预判断、预处理，消除设备故障导致的行车安全隐患。

［1］ 中华人民共和国铁道部．科技运［2008］144号．CTCS－3级列控系统应答器应用原则［S］．2008．

［2］ 中华人民共和国铁道部．运基信号［2008］63号．有源应答器监测装置技术条件（暂行）［S］．2008．

［3］ 中华人民共和国铁道部．科技运［2004］114号．应答器技术条件（暂行）［S］．2004．

［4］ 王立文，赵红卫．LonWorks技术在铁路行业的应用［J］．铁道机车车辆，2009．