CR300BF动车组应答器信息丢失问题探究.pdf

2023 年 9 月第 59 卷 第 9 期铁 道 通 信 信 号Railway Signalling&CommunicationSeptember 2023Vol.59 No.9CR300BF动车组应答器信息丢失问题探究李旭红摘 要：针对装备200C型ATP车载设备的CR300BF复兴号动车组，在运营过程中多次发生应答器信息丢失导致制动停车的问题，首先，根据BTM主机数据确定应答器作用范围异常，通过4步现场排查方法查找故障点，初步确定故障原因为天线周围存在的金属框架产生谐振干扰；然后使用电磁仿真软件进行建模，模拟金属框架对BTM天线的电磁干扰影响；最后，提出对车底金属框架进行绝缘处理的整治方案。经绝缘处理后应答器作用范围恢复正常，均在600 mm以上，未再发生应答器信息丢失现象。关键词：应答器；BTM天线；应答器信息丢失；作用范围；金属谐振中图分类号：U284.48 文献标识码：A Research on the Balise Information Loss of CR300BF EMU LI XuhongAbstract：In order to solve the problem that balise information loss occurs many times in the operation process of CR300BF Fuxing EMU equipped with 200C ATP on-board equipment,which leads to train brake,firstly,according to the BTM host data,it is determined that the action range of the balise is abnormal.Through a four step on-site troubleshooting method,the fault point is identified and the initial cause is determined to be resonance interference caused by the metal frame around the antenna.Then,using electromagnetic simulation software to model,the electromagnetic interference effect of the metal frame on the BTM antenna is stimulated.Finally,a renovation plan is proposed to increase insulation treatment for the metal under the train.After insulation treatment,the action range of the balise returned to normal,all of which were above 600mm,and there was no further loss of the balise information.Key words：Balise；BTM antenna；Balise information lost；Action range；Metal resonanceDOI：10.13879/j.issn.1000-7458.2023-09.22364扫码浏览下载李旭红：中国铁路西安局集团有限公司电务部高铁科 高级工程师 710032 西安收稿日期：2022-11-11引用格式：李旭红.CR300BF动车组应答器信息丢失问题探究J.铁道通信信号,2023,59(9):85-89.Citation：LI Xuhong.Research on the Balise Information Loss of CR300BF EMUJ.Railway Signalling&Communication,2023,59(9):85-89.85铁道通信信号 2023年第59卷第9期在客运专线CTCS-2级列控系统中，应答器是车地间信息传输的重要方式1-2，地面应答器通过电磁感应向列控车载设备提供线路速度、线路坡度、轨道电路、临时限速等信息。在应答器信息传输过程中，周围电磁场是变化的，其建立和消失受到多种因素影响3。当应答器作用范围、信号能量强度、天线阻抗、温度等满足要求时，应答器传输模块（Balise Transmission Module，BTM）才可以正常接收应答器信息，从而确保车载主机控制列车安全运行4。在列车运行过程中，应答器信息丢失可能会引起列车制动，降低行车效率5。装备200C型ATP车载设备的CR300BF复兴号动车组，自投入运营以来，多次发生因应答器信息缺失而触发制动停车的问题。本文对该问题进行分析、排查，通过仿真试验进行验证，并提出整治措施。1现场问题分析1.1故障概况装备 200C 型 ATP 车载设备的 CR300BF 复兴号动车组在运行途中多次发生“应答器信息不完整”“应答器组丢失报警”等触发B7制动停车。以首列CR300BF-5025车00端担当的55383次为例，该车于2020年12月24日23时10分、23时15分、23时29分，分别在区间K952+937、K960+619、K982+896处报应答器丢失。1.2数据分析查看列车运行日志 SAM 概要，发现 CR300BF-5025 车 00 端多次发生“应答器信息不完整”“应答器接收异常”等报警信息。进一步查看BTM数据，发现应答器解码过程中多次出现N/A无效数据，表示BTM设备无法从接收到的信号中译出应答器报文，且应答器作用范围小于350 mm，而正常情况下应答器车载天线与轨旁应答器表面之间垂直作用范围应大于500 mm6。这种现象多见于BTM收到的信号强度较弱、信噪比较低或外界干扰较强等，导致BTM接收的数据出现大量无法解析的情况7。1.3现场排查根据数据分析情况，仅能看出 BTM 接收异常，无法定位故障原因。现场通过倒换法、观察法、测试法等进行排查，分为4步：排查BTM主机与天线接线问题；排查 BTM 主机问题；排查BTM天线问题；排查安装环境问题。1.3.1排查BTM主机与天线接线问题1）上电启机试验良好，无故障报警信息；2）检查 BTM 主机与天线之间的连接电缆、BTM 主机各板件之间的连接线、BTM 主机与ATP 主机连接线均连接牢固；BTM 天线安装牢固，航插插接良好，外观无破损。3）检查27 MHz、4 MHz电缆及连接器，线缆头连接处焊锡饱满，线芯无虚接。测量电缆电特性：27 MHz 电缆芯线阻值 1.6，绝缘良好；4 MHz电缆芯线阻值1.7，绝缘良好；4 MHz线缆芯和27 MHz线缆芯与外屏蔽绝缘良好，故排除BTM主机和天线接线问题。1.3.2排查BTM主机问题1）测试故障端应答器作用范围，测试值为410 mm（正常值500 mm），不符合要求。2）将故障端和非故障端 BTM 主机互倒，测试应答器作用范围仍为 410 mm，故排除 BTM 主机故障。1.3.3排查BTM天线问题1）使用网络测试仪对故障端BTM天线及线缆进行阻抗性能测试，阻抗值Z=（52.3+j5.0），符合要求。2）对车底进行电磁环境测试，在 BTM 工作频段内未发现强干扰信号（标准规定2.56 MHz频段内干扰信号强度小于-60 dBm8）。3）将故障端 BTM 天线安装至车辆底板不同处，用车间工装测试台线缆连接 BTM 主机及BTM天线，测试应答器作用范围为720 mm，符合要求。4）将 BTM 天线安装回原位置，再使用通过车间工装测试台检测的天线进行替换，测试应答器作用范围为410 mm，仍不符合要求。5）将换下的 BTM 天线在车间工装测试台上进行测试，作用范围为720 mm，符合要求。根据排查结果，故障端 BTM 天线阻抗参数、车底电磁环境均符合要求，且故障端BTM天线在车间通过了工装测试台的测试，故排除BTM天线硬件问题。同时，更换天线后仍然存在故障，并且改变安装位置后故障消除，推断故障原因与安装环境有关。1.3.4排查安装环境问题根据 BTM 安装手册相关要求：BTM 天线的86Railway Signalling&Communication Vol.59 No.9 2023安装，在无金属区域范围内不能存在金属物体。当BTM天线附近的金属物未形成闭环时，无金属区域为100 mm；当形成闭环时，无金属区域为350 mm。对BTM天线的安装环境和线缆走线进行排查，发现BTM天线周围有金属框架，怀疑此金属框架对应答器接收有影响。断开车体一根槽钢单端（见图1），对 BTM 天线应答器进行测试，此时作用范围为720 mm，多次试验，作用范围指标均为720 mm。恢复该槽钢连接后，多次测试值仍为720 mm。多次对该槽钢进行拆装试验，指标均为720 mm，应答器作用范围异常指标无法复现。根据上文对现场排查过程的描述，分析如下：因该槽钢与车体吊装骨架在BTM天线周围形成闭合金属回路，其谐振频点与BTM天线辐射频率相同（谐振频率X=12LC，L为金属回路电感，C为电容）9，当天线向外辐射信号时，该闭合金属回路会发生谐振现象，在其内部产生感应电流并向外辐射，这改变了BTM天线原本的辐射范围，使得天线有效作用范围缩小，进而发生应答器信息丢包现象。当断开该闭合回路后，金属环路的电感L、电容C改变，其谐振频率变化致使感应电流减小，当天线向外辐射信号时便不会产生谐振现象或谐振影响降低，天线作用范围恢复10。由于金属环路的电感和电容值对金属结构较为敏感，安装螺丝的松紧或者槽钢的细微装配差别对电感电容参数影响较大，并且车体环境复杂、操作空间较小，因此在车底复现谐振现象的难度较大。为进一步验证是由于天线周围金属框架发生的谐振现象导致应答器丢包，进行仿真试验与模拟测试。2仿真试验与模拟测试在BTM故障复现过程中，仿真试验是代替实物验证的一种有效手段11-12。通过仿真试验和实验室模拟测试进行场景复现。2.1仿真模型建立使用电磁仿真软件进行仿真建模来模拟现场情况。BTM天线仿真环境见图2，其中金属环路模拟车辆周边金属环路，红色框为BTM天线。X轴为垂直于列车行进方向，Y轴为列车行进方向，Z轴为BTM天线对地方向。BTM天线处于原点，按现场环境参数加入金属环，通过改变金属环的谐振条件，仿真验证天线周围电磁场分布的变化，见图3。从图3可以看出，天线周围有金属环会导致电磁场分布产生变化：在金属环不满足谐振条件时，图2 BTM天线仿真环境图3 天线电磁场分布图1 BTM天线安装距离87铁道通信信号 2023年第59卷第9期X轴方向两侧有所加强，而Z轴方向略有减弱；在金属环满足谐振条件时，3个方向都有明显的减弱。为更好地分析金属环对天线电磁场即方向图的影响，依照现场金属环与BTM天线的相对位置，在天线上方300 mm处取等电磁场的边界，即选取Z轴正方向为300 mm等电磁场的区域，方向图见图4。图4中，0为X轴正方向，90为Y轴正方向，同心圆上的标号越大表示离圆心越远；红线为未加入金属环时的电磁场边界，绿线为加入金属环未调谐时的电磁场边界，黄线为金属环满足谐振后的电磁场边界。从图5可以看出，天线上方有金属环会改变天线电磁场的分布，在金属环满足谐振条件时会改变天线的方向图，缩小了天线的有效工作范围。2.2实验室测试根据现场BTM天线安装环境，在实验室使用环状金属板搭建测试环境。当环状金属板达到谐振条件时，应答器作用范围约为450 mm，但稍微改变环状金属板状态，破坏谐振条件，应答器作用范围可达到750 mm。3整治措施对天线周围金属框架之间的连接点进行绝缘处理，可将金属框架的4个角连接处使用喷涂绝缘漆的连接件替换原有金属件，同时中间加尼龙垫片使得金属框架不形成闭合回路。在后续机车维修过程中，应考虑避免在BTM天线附近区域内搭建金属闭合回路。对故障动车组及同批次动车组的BTM天线周围金属环路连接点处进行绝缘防护处理。持续跟踪故障车运行情况，经绝缘处理后动车组运行正常，未再发生应答器丢失。分析BTM数据发现，应答器接收质量良好，作用范围均在600 mm以上。4结束语应答器信息传输的完整性是保证列车安全运行的基础。针对现场运用过程中出现的应答器信息丢失的情况，本文通过分析数据、4步现场排查法和仿真试验的方法，确定BTM天线周围的金属框架产生谐振，对BTM天线的能量辐射传输造成一定的影响，导致应答器作用范围变小，进而发生应答器信息丢包现象。通过对车底金属进行绝缘处理，恢复了应答器作用范围，保证了列车运行过程中应答器信息的完整性。参考文献1 赵会兵,唐抗尼,李伟,等.应答器传输模块的动态特性及高速条件下的适用性评价J.中国铁道科学,2010,31(3):93-98.ZHAO H B,TANG K N,LI W,et al.The Dynamic Characteristics of Balise Transmission Module and the Assessment on its Adaptability under High Speed ConditionJ.China Railway Science,2010,31(3):93-98.图4 Z轴为300 mm时等电磁场区域方向图88Railway Signalling&Communication Vol.59 No.9 20232 徐宁,张季良,王财进,等.列车高速运行条件下应答器车载测试设备关键技术J.中国铁道科学,2010,31(4):131-137.XU N,ZHANG J L,WANG C J,et al.The Crucial Technique of Balise On Board Test Equipment for High Speed TrainJ.China Railway Science,2010,31(4):131-137.3 许庆阳,杨吉,孟景辉,等.基于检测数据的应答器动态特性影响因素分析J.铁道标准设计,2021,65(9):166-172.XU Q Y,YANG J,MENG J H,et al.Analysis of Factors Influencing Balise Dynamic Transmission Performance Based on Dynamic Detection DataJ.Railway Standard Design,2021,65(9):166-172.4 程亮.ATP设备BTM子系统综合检测技术研究J.铁道通信信号,2021,57(11):41-45.CHEGN L.Research on Integrated Detection Technology of ATP s BTM SubsystemJ.Railway Signalling&Communication.2021,57(11):41-45.5 龙开清.贵广客专电力分相区应答器丢失问题分析J.铁路通信信号工程技术,2019,16(4):65-69.LONG K Q.Problem Analysis of Balise Loss in Phase-separating Section of Guiyang-Guangzhou PDLJ.Railway Signalling&Communication Engineering.2019,16(4):65-69.6 罗建勇.城际新造动车组应答器信息丢失问题分析J.铁道通信信号,2020,56(10):26-29.LUO J Y.Problem Analysis of Occurrence of Balise Data Loss in 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