列控應(yīng)答器系統(tǒng)在鋼桁梁橋上的應(yīng)用研究

陳德偉

(中鐵二院工程集團(tuán)有限責(zé)任公司，成都 610031)

1 概述

目前,我國高鐵線路不斷的往西部地區(qū)延伸，綿延不斷的高山峽谷使西部地區(qū)高鐵線路的橋隧占比很高，其中能大跨度穿越大江大河的鋼桁梁結(jié)構(gòu)鐵路橋日漸涌現(xiàn)。如圖1所示，鋼桁梁結(jié)構(gòu)鐵路橋較混凝土橋梁具有金屬構(gòu)造物豐富且龐大的特點(diǎn)。

目前高鐵列控系統(tǒng)的基礎(chǔ)部件應(yīng)答器在此類線路尚無現(xiàn)成的應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)，并且現(xiàn)行相關(guān)規(guī)范、標(biāo)準(zhǔn)也未有專門的規(guī)定或說明。為了保證新建高鐵聯(lián)調(diào)聯(lián)試的順利進(jìn)行以及開通后列控系統(tǒng)安全可靠的運(yùn)用，在編制列控工程數(shù)據(jù)前，應(yīng)答器系統(tǒng)在鋼桁梁結(jié)構(gòu)橋上能否安全可靠工作是必須回答的一個(gè)關(guān)鍵問題。

2 研究的必要性

2.1 應(yīng)答器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及信息傳輸簡述

應(yīng)答器設(shè)備是采用電磁耦合原理實(shí)現(xiàn)車地間通信的電磁設(shè)備，是列控系統(tǒng)的重要組成部分，它布置于CTCS-2/CTCS-3線路的車站及區(qū)間的特定地點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)高速點(diǎn)式信息的傳輸，保證動(dòng)車組列車安全運(yùn)行。

應(yīng)答器系統(tǒng)主要包括地面設(shè)備和車載設(shè)備兩部分。如圖2所示，地面設(shè)備包括地面應(yīng)答器和軌旁電子單元LEU；車載設(shè)備主要是指應(yīng)答器車載查詢器BTM和車載天線單元。

圖1 鋼桁梁結(jié)構(gòu)鐵路橋透視圖(上層四線、下層雙線)Fig.1 Perspective of steel truss girder railway bridge(four lines for the upper level and double lines for the lower level)

圖2 應(yīng)答器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理圖Fig.2 Structure diagram of the balise system

如圖3所示，在列車運(yùn)行過程中，BTM主機(jī)通過車載天線不斷向地面發(fā)送27 MHz能量，車載天線經(jīng)過應(yīng)答器上方時(shí)，應(yīng)答器被激活后向車載天線發(fā)送4.2 MHz上行信號。

2.2 鋼桁梁橋?qū)?yīng)答器系統(tǒng)工作的可能影響

如圖4所示，鋼桁梁橋由豐富的金屬閉合環(huán)構(gòu)成，閉合環(huán)因吸收應(yīng)答器系統(tǒng)工作時(shí)發(fā)射的能量產(chǎn)生電流，該電流產(chǎn)生磁通，當(dāng)金屬物閉合環(huán)中的電流發(fā)生變化時(shí)，該磁通也發(fā)生變化，該磁通可能影響應(yīng)答器接口“A”的正常工作，從而影響應(yīng)答器與車載設(shè)備間信息的可靠傳遞，造成“丟點(diǎn)”現(xiàn)象，即列車經(jīng)過地面應(yīng)答器時(shí)，車載列控主機(jī)并沒有收到應(yīng)答器報(bào)文，進(jìn)而危及列車運(yùn)行安全。

圖3 應(yīng)答器系統(tǒng)頻率信號傳輸示意圖Fig.3 Schematic diagram of the balise system frequency signal transmission

圖4 鋼橋環(huán)境影響應(yīng)答器的電氣原理圖Fig.4 Electrical schematic diagram of steel bridge affecting the balise system

為保證應(yīng)答器系統(tǒng)能安全可靠地工作，需提前對設(shè)于鋼桁梁橋上的應(yīng)答器系統(tǒng)進(jìn)行研究，為列控系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供數(shù)據(jù)支撐。

3 研究內(nèi)容

3.1 應(yīng)答器系統(tǒng)在鋼桁梁橋上的上行場強(qiáng)分布

《應(yīng)答器技術(shù)條件（暫行）》（科技運(yùn)函[2004]114號）第5.1.1條對應(yīng)答器接口“A”物理層的一項(xiàng)技術(shù)要求是有效作用長度須在0.5 ～2.2 m范圍內(nèi)，有效作用長度就是車載天線沿行車方向移動(dòng)時(shí)BTM能夠解碼的距離，該距離為上行場強(qiáng)分布的主要衡量標(biāo)準(zhǔn)，是判斷應(yīng)答器系統(tǒng)能否正常工作的重要參數(shù)。

在周圍豐富的鋼結(jié)構(gòu)環(huán)境中，應(yīng)答器系統(tǒng)工作的電磁環(huán)境較混凝土鐵路橋發(fā)生變化，可能導(dǎo)致發(fā)往車載天線的場強(qiáng)分布不達(dá)標(biāo)，因此需開展應(yīng)答器系統(tǒng)在鋼桁梁橋上的上行場強(qiáng)分布研究。

3.2 應(yīng)答器系統(tǒng)在鋼桁梁橋上的信息傳輸可靠性

鐵路總公司企標(biāo)《高速鐵路信號工程施工技術(shù) 規(guī) 程 》（Q/CR 9607-2015） 第9.2.4條 及 第9.2.10條均對地面應(yīng)答器安裝周圍無金屬區(qū)環(huán)境提出要求，以確保車-地間信息傳輸可靠性。無金屬區(qū)之外如圖1所示在應(yīng)答器四周分布鋼結(jié)構(gòu)金屬網(wǎng)對車—地間信息傳輸可靠性的影響，國內(nèi)相關(guān)研究尚屬空白。

鋼桁梁上的應(yīng)答器系統(tǒng)，車-地間信息傳輸主要面臨兩方面的不利因素：一方面是鋼桁梁產(chǎn)生的電磁干擾影響通信信道信號傳輸，降低信號信噪比，導(dǎo)致誤碼率增加；另一方面是鋼桁梁環(huán)境下的金屬物體吸收了傳輸信號，從而影響系統(tǒng)的可靠性。因此需開展應(yīng)答器系統(tǒng)在鋼桁梁橋上的信息傳輸可靠性研究。

3.3 車載BTM在鋼桁梁橋上的下行場強(qiáng)金屬干擾

鋼桁梁橋上的應(yīng)答器系統(tǒng)車載BTM，鋼結(jié)構(gòu)金屬網(wǎng)將對BTM天線的工作產(chǎn)生兩方面的不利影響：一方面是金屬網(wǎng)對于天線輻射能量的吸收，其主要由金屬網(wǎng)的固有諧振頻率、金屬材質(zhì)、幾何尺寸等原因決定；另一方面是金屬網(wǎng)對于BTM天線內(nèi)部諧振狀態(tài)的影響，進(jìn)而影響天線的阻抗，其主要由金屬物體與BTM天線距離決定。

當(dāng)天線輻射能量被金屬網(wǎng)吸收有限時(shí)，則不影響對地面應(yīng)答器的激活以及應(yīng)答器信號發(fā)生器的工作；反之，有影響。當(dāng)金屬網(wǎng)對天線阻抗的影響使得BTM功放輸出電流顯著增大時(shí)，則會(huì)導(dǎo)致BTM功耗過高而燒損；反之，則無不利影響。因此需開展車載BTM在鋼桁梁橋上的下行場強(qiáng)金屬干擾研究。

4 研究方法

4.1 應(yīng)答器系統(tǒng)在鋼桁梁橋上的上行場強(qiáng)分布研究

應(yīng)答器上行場強(qiáng)分布主要體現(xiàn)在車-地設(shè)備間系統(tǒng)沿行車方向的作用距離，因此在上行場強(qiáng)分布研究中，主要以應(yīng)答器的水平作用距離作為衡量的指標(biāo)，其測試連接示意如圖5所示。

圖5 上行場強(qiáng)分布測試連接示意圖Fig.5 Connection diagram of uplink field strength distribution test

應(yīng)答器設(shè)于鋼軌線路中間位置，車載天線安裝在額定高度、無偏移情況下，移動(dòng)天線經(jīng)過應(yīng)答器上方，逐漸接近并激活應(yīng)答器，記錄此時(shí)天線位置為a。最終移出應(yīng)答器激活范圍，記錄此時(shí)天線位置為b；通過觀察BTM解碼狀態(tài)，確認(rèn)應(yīng)答器是否被激活；測量a、b兩位置間沿軌道方向的距離，即為應(yīng)答器與車載天線的系統(tǒng)作用距離。

當(dāng)a、b間距離在0.5 ～2.2 m范圍內(nèi)時(shí)，則可以判斷此鋼桁梁橋上豐富的金屬物對應(yīng)答器系統(tǒng)的上行場強(qiáng)分布沒有不利影響；反之，則有影響。

4.2 應(yīng)答器系統(tǒng)在鋼桁梁橋上的信息傳輸可靠性研究

應(yīng)答器在鋼桁梁橋上的信息傳輸可靠性研究通過應(yīng)答器I/O特性測試和靜態(tài)干擾測試完成。

第一步，采用應(yīng)答器報(bào)文讀取器測試應(yīng)答器I/O特性，其測試連接示意如圖6所示。

圖6 I/O特性測試連接示意圖Fig.6 Connection diagram of I/O characteristic test

將應(yīng)答器報(bào)文讀取器放置于應(yīng)答器上方，測試其能否正常接收應(yīng)答器報(bào)文。

第二步，采用頻譜儀進(jìn)行靜態(tài)干擾測試研究，其測試連接示意如圖7所示。

圖7 靜態(tài)干擾測試連接示意圖Fig.7 Connection diagram of static interference test

采用頻譜儀獲取接收天線感應(yīng)到的周圍環(huán)境頻譜信息，掃頻寬度為2～30 MHz，覆蓋應(yīng)答器車-地系統(tǒng)設(shè)備間信道頻率范圍。在應(yīng)答器車載查詢器安裝使用及維護(hù)手冊中指出BTM主機(jī)和天線周圍，當(dāng)干擾信號強(qiáng)度超過-29 dBm時(shí)，BTM將會(huì)發(fā)生丟點(diǎn)的異常情況。

因此，可通過測試應(yīng)答器報(bào)文讀取器能否正常接收到報(bào)文，并比較頻譜儀獲得的干擾能量是否在標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的范圍，去判斷應(yīng)答器系統(tǒng)在鋼桁梁橋上能否可靠進(jìn)行信息傳輸。

4.3 車載BTM在鋼桁梁橋上的下行場強(qiáng)金屬干擾研究

BTM下行場強(qiáng)金屬干擾研究可通過測量BTM功放輸出電流隨著車載天線逐漸接近軌枕時(shí)的數(shù)據(jù)，并分析數(shù)據(jù)的變化來完成，其測試連接示意如圖8所示。

圖8 車載BTM下行場強(qiáng)金屬干擾測試連接示意圖Fig.8 Connection diagram of onboard BTM downlink field strength test with mental interference

在測試研究過程中，天線逐漸接近鋼軌并最終達(dá)到最惡劣的金屬干擾狀態(tài)，其電流的變化趨勢說明周圍金屬環(huán)境對于天線輻射能量的吸收情況，以及對天線本身諧振狀態(tài)的影響。當(dāng)BTM功放輸出電流為減小趨勢且較明顯時(shí)，則說明車載天線在外界金屬干擾條件下，無法工作在預(yù)定的諧振頻點(diǎn)，不會(huì)導(dǎo)致BTM功耗過高而損壞；反之，則會(huì)對BTM工作產(chǎn)生不利影響。

5 總結(jié)

本文提出的研究內(nèi)容、方法已在近期開通的有鋼桁梁結(jié)構(gòu)橋的CTCS-2級線路上開展現(xiàn)場測試研究，研究結(jié)論不僅指導(dǎo)了具體項(xiàng)目的信號工程設(shè)計(jì)，還在有鋼桁梁橋的工程項(xiàng)目上經(jīng)過聯(lián)調(diào)聯(lián)試以及開通以來安全運(yùn)行的實(shí)踐檢驗(yàn)。

由此可見，上述研究內(nèi)容及方法具有科學(xué)、全面的特點(diǎn)，可在國內(nèi)有鋼桁梁橋的高鐵項(xiàng)目上推廣使用。