基于行車安全的信號長發綜合診治技術研究

作者簡介：嵇靜嬋（1973—），碩士，副教授，工程師，研究方向：鐵路專用通信和數據網絡通信。

摘要：文章通過對無線調度通信設備機車臺存在的自激信號長發現象進行分析和鑒別，針對設備應用和危害管理的實際需要，提出長發信號綜合診治技術方案，為提高鐵路無線調度通信行車安全提供保障。

關鍵詞：信號長發;信號鑒別;信號監控

中國分類號：U284.95A461703

0 引言

南寧鐵路集團公司調度轄區2020年暑期運行開動車組及普速列車175趟次，加掛普速客車919輛次，重聯動車組903輛次，對于南寧東站、桂林北站、柳州站、防城港火車站、玉林站、桂林站、北海站、湛江站、南寧站、賀州站這些特點站和一等站來說，幾乎每5 min就需進行一趟機車的列檢，車站之間的區間運行多趟對發機車。如果機車電臺是在450 MHz工作模式下，同一線路轄區內的機車電臺多為同頻單工方式，機車電臺無法避免存在同頻干擾問題。機車電臺如果信號長發，則會對同區段所有的列車調度電臺，包括機車電臺、車站電臺及便攜臺造成干擾，影響到行車調度信息的正常發送和接收，造成行車設備故障和危及行車安全。

所謂機車電臺“長發”現象，是指機車電臺處于長時間持續或間歇性不受控發射狀態。這種信號長發多源于設備的設計缺陷，如發射機產生自激現象、外部零部件磨損，或運行區段的路況影響。且信號長發如由收發信機直接發射出去，未經過MMI（操作顯示終端），在出現故障時不容易被定位和確定，常延誤無線調度通信故障的處理流程和排障時效，造成在車站之間的區間線路運行的機車電臺受到影響而無法與車站及調度正常通信。

1 信號長發現象及影響

無線調度系統中出現機車電臺產生信號長發現象的情況，即在載波信號頻點上發送了無意義的信號，卻讓同頻道電臺在接收的同時阻隔了其他電臺的信號收發，即存在同頻干擾。目前與GSM-R同存的450 Mhz通信頻段的鐵路信道，當調度員與司機通話時，

由于沿線所有車站臺都用同一頻率F4接收機車臺的發射頻率，就使得那些區間的無線調度通信信號被干擾或被湮滅，常導致車站電臺接收到機車臺F4頻率無線信號卻無法正常解碼。只有當車站值班員收到上行信號有用電波大于干擾信號超過15 DB時，才能夠正常解碼。而鐵路通信信號由于遠途地形復雜，在彎道、隧道、路塹等地段受到障礙物的遮擋而形成弱場強區[1]，導致同區間范圍機車電臺的上行信號更加無法與車站電臺進行通信，系統不能實現數據采集和列控信息傳送等功能。

機車電臺因收發性能因素，有偶爾產生信號長發現象的，對系統影響性不大;而重復多次出現，以致影響到正常行車的信號長發現象主要體現在以下三種：

（1）持續短時間發送。機車電臺連續短時間發送是指機車電臺在發送無意義信號時間較短，且會較長時間停止發送，然后再重復。在該電臺發送信號時，其他同線路同頻機車電臺無法利用導頻信號F4與車站建立頻段鎖定;而在該機車電臺停止發送信號后，其他同頻機車仍能與車站通信。由于持續時間短，大多情況下無規律，有可能好幾個小時都不會發生，雖然極難排查故障，但由于持續時間短對系統的影響較小。

（2）間歇性發送。機車電臺間歇性發送是指機車電臺在發送了一段時間無意義信號之后，會有較短時間的停止，稍后又繼續發送。多數情況下，電臺的信號發送時間>12 s，而停止發送的時間遠遠小于發送時間，如為3 ms，所以雖有短時停頓，卻感覺隨時占滿信道使用周期。這種情況下，在查找出故障時由于間歇性停止的情況，常常在定位發送終端時需花費大量處理時間，造成故障等級升級，因而影響程度最大。

（3）持續長時間發送。機車電臺持續長時間發送是指機車電臺一直處于無意義信號的發送狀態，則與該機車臺處于同一線路的所有同頻機車都將無法與車站通信，且該線路區間的車站無法呼叫任何機車。不過該情況容易進行故障排查定位，一般來說影響不大。

2 信號長發原因分析

機車電臺主機由收發信機、CPU控制單元、GPS接收單元、電源單元和主/副控制盒單元等組成。電源單元為電臺主機各功能單元提供穩定直流電源;CPU控制單元根據GPS接收信號確定運行線路的工作模式和通信制式;操作顯示單元傳遞PTT控發信號到控制單元，確定收發信機的信號收發;收發信機根據控制單元的失鎖電路決定信號的收發。如圖1所示。

外部器械原因。機車司機通過話筒的PTT控發按鍵實現信號的收發，如話筒PTT按鍵發生故障，按鍵會一直處于發射狀態或間歇性發射狀態，包括其他外部器械原因造成的控發信號持續不停。該故障現象多出現在一次通話結束之后，不易被機車司機發現，而又造成車站值班員無法呼入。在進行故障排測中，一般都會第一時間對外部器械進行測試，故障易定位。

內部電路原因。收發信機功放增益變化、隔離度改變、無線參數改變等內部因素也會引起信號自激，造成信號長發[2]。如列車無線調度通信過程中，在遇到弱場強區的時候，往往是上行信號較弱，因此會調高收發信機增益[3]。輸出信號經延時后反饋到輸入端，致使電臺輸出信號出現嚴重失真產生自激。另收發信機內部控制電路異常也會造成信號長發。如行駛過程中機車電壓不穩定，會造成機車電臺電源單元保護關機又啟動，機車電臺開啟時會發生0.5 s回鈴音，或機車負載電壓過低，電臺電源單元保護關機又啟動后又發生0.5 s回鈴音，如此造成惡性循環的長發現象。

3 信號監控防范

根據電臺信號長發原因分析包括了內部和外部兩個方面，其表現現象又分為持續長發和間歇長發兩種。由此，可以采取技術措施以防止和排除電臺信號長發，如優化話筒PTT按鍵設計，強化使用頻次對由外部導致的原因進行防范;增大收發隔離度，穩定電臺電源保護電路，避免電臺內部自激。同時，還可以從系統上進行信號長發的監控與防范。

控制單元中的CPU直接監控收發信機頻率合成器部分的鎖相環電路的失鎖控制電壓LD，當發射時，一旦鎖相環電路失鎖，鎖相環電路的失鎖控制電壓LD為低電平。CPU檢測到此信號并使8TC變為低電平，當8TC為低電平時，不向發射機提供電源電壓，因此發射機無輸出（如下頁圖2所示）。因此，要進行發射信號的監控防范，可以通過控制失鎖電路的控制電平進行防范。

3.1 設置電臺長發限時功能

對于話筒PTT控發按鍵失靈或其他外部器械原因造成的持續性信號長發故障，體現在控制單元一直收到控發信號，因此8TC一直處于高電平，信道機處于發射狀態，這時機車電臺無法接收車站電臺發送的調度信號。防范措施是可以在控制電路與收發信機之間增加設置一個計數器，實施電臺的信號長發限時聯合觸發機制（如圖3所示）。根據調度通信收發習慣，設置保護啟動時間T為30～60 s，控制單元在收到TD或PTT的控發信號連續有效超過保護啟動時間T后，則設置鎖相環電路失鎖，觸發保護以中斷控發信號發送，即設置8TC為低電平，斷開發射機輸出。當控制單元重新收到RD信號之后再將控發時間清零重新計時。對于話筒PTT按鍵失靈或外部器械造成的發送信號時長t大于保護時長T情況下的“持續長時間發送”，設置電臺的提示“信號超時”錯誤功能，進行長發限時功能具有一定的防范作用。

3.2 設置發射電源監控裝置防范電臺異常發射

如果是收發信機由于電路異常產生的信號發射，如自激長發等，不會經由CPU控制單元發送控發信號，而是直接由收發信機單元發送出去。如果隔離度不好或者負反饋太深，輸出信號經接收端進入反饋電路產生自激，這時CPU控制單元無音頻信號發射，8TC處于低電平，但此時HNC處于高電平導通狀態，電源監控裝置檢測到收發信機有發射電流，即可認定為無效發射。采取的防范措施為設置HNC和8TC同電位的判決電路（如圖3所示），切斷發射導通電源，控制單元的HNC接口變為低電平，禁止發射，并提示故障現象。對于持續性或間歇性信號長發有很好的管控作用。

3.3 設置發送功率監控裝置防范電臺異常發射

機車電臺正常發射功率為5 W，上下浮動0.75 W左右[4]。電臺的正向輸出信號由于隔離度不夠等原因通過麥克風又進入到正反饋電路，產生的信號功率往往大于正常發射功率。在發射端經過自動功率控制電路時，將部分功率信號檢波為直流信號，加到電壓比較電路輸入端，如果大于門限電壓，則控制單元上設置功率監控告警。如圖3所示設置門限發射功率為6 W，一旦發現超過設定閥值立即告警提示，可以快速發現并定位機車電臺是否存在信號自激現象。

對于CPU控制單元加裝信號監控模塊，可以從多角度預防和監控機車電臺信號長發對于鐵路無線調度通信系統的危害和影響，有助于對機車電臺長發干擾的及時發現，準確定位和快速排查，盡早消除行車隱患。

4 結語

在鐵路運輸指揮系統中，列車調度員、車站值班員、機車司機、運轉車長需要信息傳遞和溝通，如果機車在區間運行的時候出現信號長發故障，會導致列車調度員或者車站值班員呼叫機車司機無法收到應答。為保障行車安全，會通過列控信息通知該列車停止行進，在列調通信暢通之后才能恢復。因此，鐵路列車無線調度通信的應用直接關系到鐵路運輸的安全和效率。

目前系統中存在的信號長發現象大多由于硬件缺陷造成，在鐵路無線通信網絡進行5G升級改造之前，系統既有設備不能直接淘汰，且無法完成消除自激現象。因此，應利用檢測、監控裝置迅速準確地判斷并排除故障，保證無線調度通信暢通，確保鐵路行車正點、安全。對列車無線調度通信系統中的機車電臺設備采取信號長發現象的鑒別和監控防范，從而縮短故障處理時間，可以為當前鐵路無線通信的日常維修提供處理方向，為階段性的設備重點整治提供數據參考，為設備的升級完善提供技術方向。

參考文獻：

[1]黃欣萍，蔣笑冰.列車無線調度通信（第二版）[M].北京：中國鐵道出版社，2017.

[2]周麗蓉.CT-3超短波電臺發射機的寄生振蕩（自激）故障分析[J].科技與創新，2015（22）：142，145.

[3]TG/TX 106-2014，鐵路通信維護規則-設備維護[S].

[4]鐵道部勞動和衛生司，鐵道部運輸局.高速鐵路通信綜合維修崗位[M].北京：中國鐵道出版社，2012.

3876501908230