ATP車載設備掉碼問題研究

陳建譯

（中國鐵路廣州局集團公司電務處，廣州 510088）

1 概述

隨著列車運行速度的提高，司機通過瞭望地面信號機顯示不能滿足對列車操控的需求，必須提前預知若干個閉塞分區狀態，才能保證行車安全，因此車載機車信號成為主體信號。我國高速鐵路建設以來，基本取消了地面信號，動車組司機通過車載ATP控車速度曲線和機車信號碼序顯示來操控列車運行。同時，地面軌道電路發碼信息，也是生成ATP控車速度曲線的重要參數。因此，地面軌道電路發碼及車載碼序接收正確性，對動車組ATP控車至關重要，首先地面要確保正確發碼，其次車載軌道電路讀取器單元（簡稱TCR主機）設備要正確收碼和譯碼，再次ATP設備按規范要求邏輯正確處理。ATP反應掉碼故障，往往沒有細致分析第二個環節問題，主觀推斷為地面軌道電路發碼問題。按照目前全路動車組運行交路，尤其動車組在非本局管轄范圍運行時往往如此。本文在闡述TCR原理和技術參數的基礎上，結合現場實際運營實踐的幾件ATP車載設備掉碼故障，來分析特殊場景下掉碼故障的成因。

2 軌道電路讀取器基本原理

軌道電路讀取器設備由軌道電路讀取器單元（簡稱TCR主機）和雙路接收線圈（簡稱接收線圈）構成。軌道電路讀取器作為一種車載設備，和地面軌道電路一同構成了地車軌道信號系統。

軌道電路讀取器的工作原理圖如圖1所示。

圖1 軌道電路讀取器系統構成Fig.1 composition of track circuit reader system

當列車輪對軌道電路形成分路時，在鋼軌上的分路電流在周圍產生磁場，接收線圈感應磁場后形成信號，并將信號傳送至TCR主機。TCR主機將信號處理后，將結果發送給列控車載設備ATP。

2.1 TCR工作原理

接收線圈將感應到的軌道電路電流轉換為電壓信號傳輸給TCR主機。TCR主機對信號進行取樣、將模數轉換、譯碼，解析出軌道電路信息，將信息翻譯為相應的低頻信息后輸出給列控車載設備ATP。TCR主機工作原理如圖2所示。

如圖2所示，雙路接收線圈的一路接主控板A，另一路接主控板B，經隔離、AD轉換、信號處理（濾波、頻率識別）后，A、B板的CPU做二取二比較，通過后將識別結果（載頻、低頻信息等）以RS-422通信接口方式傳送給車載設備ATP。

當識別出的軌道電路信號的載頻、低頻、頻偏、電流幅度均符合要求且持續時間滿足要求，判斷軌道電路區段有碼，否則認為區段無碼。

TCR在解調軌道電路信息的過程中，可根據軌道電路載頻的變化，提取絕緣節信息，并輸出給列控車載設備ATP用作位置校正。

2.2 參數要求

1）接收靈敏度

ZPW-2000和移頻軌道電路接收靈敏度如表1，2所示。

2）應變時間

TCR接收ZPW-2000系列信息時，信息接收應變時間不應大于2 s，從有信息到無信息的應變時間不應大于4 s。

TCR接收移頻信息時，信息接收應變時間不應大于2 s，從有信息到無信息的應變時間不應大于4 s。

圖2 TCR工作原理圖Fig.2 TCR working principle

表1 ZPW-2000系列軌道電路TCR接收靈敏度Tab.1 TCR receiving sensitivity of ZPW-2000 track circuit

表2 移頻軌道電路TCR接收靈敏度Tab.2 TCR receiving sensitivity of frequency-shift modulated track circuit

TCR對外輸出通信延時時間不應大于0.3 s。

3）返還系數，整機返還系數不應小于75%。

4）可靠性，TCR主機的平均無故障服務時間（MTBF）不應低于1×106h。

5）安全性，TCR的安全完整性等級應滿足SIL4級要求。

6）抗干擾能力，在軌道牽引回流為1 000 A、不平衡系數10%的電氣化區段，TCR主機應能正確譯碼。

3 故障案例分析

3.1 動車組經過絕緣節TCR感應電壓值偏低引起動車組緊急制動

故障場景：動車組在高鐵某站內準備對標停車作業，列車由站內股道G1跨向G2運行過程中，由于感應到地面的軌道電路信號電壓偏低，發生TCR主控板A、B切換情況，最終ATP由完全監控模式轉入冒進防護模式，并輸出緊急制動停車。

故障分析： 1）動車組ATP處于C3等級完全監控模式在站內股道內由G1（載頻為2 300 Hz、低頻為HU碼）向G2（載頻為1 700 Hz、低頻為HU碼）運行時，TCR的主控板A在G1上感應到的電壓幅值94.4 mV（根據表1，標準為100 mV±7.5 mV，在標準范圍內偏下限），未能正常譯碼，并觸發TCR無載頻切換工作機制，由主控板A切換至主控板B工作（切換時間約1 s）。

2）TCR主控板B接替工作后，動車組已越過G1、G2間絕緣節，進入G2，并開始接收G2的軌道電路信號。由于TCR僅向ATP輸出了載頻、低頻信息，未能輸出絕緣節信息，由此導致ATP判斷列車仍在G1內運行，還未到G2范圍，應該接收2 300 Hz 的載頻，而實際接收到的1 700 Hz載頻，出現載頻不一致。因此，ATP為了確保安全，對接收到的1 700 Hz信號按無碼處理，按照ATP處理邏輯由HU碼變為無碼，轉入冒進防護模式，并輸出緊急制動。

基本結論：經排查故障當日其他列車在該站股道ATP設備收碼正常，且故障當晚上道檢查地面設備發碼正常。同時，故障車組在京廣高鐵全線其他各站也運行正常。由此，可判斷該故障屬ATP車載設備偶發性的，因機車信號感應電壓幅值偏低，誘發的特殊運營場景故障個例（ATP設備TCR工作主機因故切換時，丟失絕緣節信息導致ATP誤判載頻校核不一致，由HU碼變無碼，并轉入冒進模式輸出緊急制動停車）。

3.2 特殊場景下TCR出現的故障導致停車

故障場景：動車組進站由下行線進入上行線股道進站停車，在進站過程中出現掉碼，ATP輸出緊急制動停車。

故障分析：1）動車組進站時TCR單元根據進站信號機前方應答器鎖頻信號進行譯碼，在進入進站信號機后方絕緣節22 m處，ATP輸出鎖頻信號給TCR單元如圖3所示。

2）當動車組越過進站信號機區段（載頻為1 700 Hz），進入1DG區段（載頻為2 300 Hz）時，TCR主機板譯碼硬件電阻、電容有差異做不到完全一致，過了絕緣節后，TCR設備CPU1譯出了2 300 Hz的載頻信號（低頻為HU碼），而CPU2因為譯碼延遲，還在譯的上一個軌道區段1 700 Hz的載頻信號（低頻為UUS碼）。此時，TCR收到上行鎖頻信號后，根據協議要求和TCR設計原則，在變化載頻信息前收到鎖頻信息時，需要譯完當前載頻區段后再執行下一階段的載頻切換。因此，CPU2在對上一個軌道區段1 700 Hz的載頻信號（低頻為UUS碼）進行了約3 s的保持。同時，CPU1（低頻為HU碼）和CPU2（低頻為UUS碼）對譯碼結果進行比較，比對后因譯碼結果不一致TCR取限制輸出掉碼。因“HU碼”掉“無碼”，輸出緊急制動停車。

基本結論：受該站形限制，動車組由下行線進入上行線股道進站停車，在咽喉區出現掉碼，經過細致分析發現因TCR主機板2個CPU譯碼不同步，進站后其中一個CPU及時譯出了當前區段碼，另一個CPU停留在進站信號機前方區段，而此時又恰好鎖頻信息需要譯完當前區段再切換載頻，導致掉碼制動停車。

4 結語

動車組列控車載設備掉碼故障往往容易忽視其中的細節，也是比較難分析的綜合性問題，地面軌道電路發碼、車載ATP處理邏輯、TCR信號接收和處理邏輯，以及其他特殊場景均可能導致問題發生。在故障分析的過程，既要宏觀對比分析，確定大致的方向，更要細致分析各環節具體數據和邏輯，才能準確找出其中真正故障成因，采取有效針對性措施進行改進。

1）TCR設備兩系和兩個CPU之間信息處理和輸出邏輯應該進一步研究優化，以適應各種特殊場景，甚至是故障場景。

2）接收轉頻碼條件下，TCR的處理邏輯需進一步完善，尤其適應各種站型的不同需求。

3）設備維護管理單位綜合各類數據及報警信息分析，確保問題分析準確到位。