应答器及地面电子单元LEU.docx
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应答器及地面电子单元LEU
应答器及地面电子单元（LEU）
培训资料
北京全路通信信号研究设计院列控所
图索引
表索引
1.CTCS2级系统描述
图11既有线列控系统地面设备连接示意图
1）既有线CTCS-2级列控系统是基于轨道电路+点式应答器传输列车运行许可信息并采用目标距离模式监控列车安全运行的列车运行控制系统（以下简称列控系统）。
系统主要由车站列控中心、轨道电路、应答器、车载设备等构成,如图11所示。
2）车站列控中心根据进路状态、线路参数、临时限速命令等产生进路及临时限速等相关控车信息，通过有源应答器传送给列车。
3）采用ZPW-2000（UM）系列轨道电路，按自动闭塞、站内电码化方式，完成列车占用检测、产生列车运行许可并连续向列车传送。
4）采用应答器，设于各进站端、出站端、区间适当位置及特殊地点，向车载设备传输定位信息、进路参数、线路参数、限速信息等。
5）列控车载设备根据地面设备提供的信号动态信息、线路参数、临时限速信息及有关动车组信息生成控制速度和目标距离模式曲线，监控列车安全运行。
2.应答器及LEU
2.1.LEU功能及工作原理
LEU是故障安全型设备，为信号系统与应答器之间提供接口，主要有以下功能：
6）接收外部发送的应答器报文并连续向应答器转发。
7）当输入通道故障或LEU内部有故障时，向应答器发送预先存储的默认报文。
8）当有车载天线经过有源应答器上方时，LEU不转换新的报文。
9）一台LEU可以同时向4台有源应答器发送4种不同的报文。
10）设备自检及事件记录，并向外部设备上传。
LEU工作原理如图21所示。
图21：
LEU工作原理框图
2.1.1.报文接收
微处理器通过通信接口周期性地从TCC接收报文，并把报文传送到逻辑控制单元，由逻辑控制单元把周期性的报文输入变为连续的报文输出。
如果由于通道故障或LEU内部故障，微处理器无法接收到正确的报文，此时，便从报文存储器中选择出相应的默认报文，并传送到逻辑控制单元。
在采用透明传输模式时，报文存储器只存储LEU的默认报文，即对每一路输出只存储一条默认报文。
输入通道和接口单元是双套同时工作的，即使有一路通道或接口电路发生故障，也不会影响LEU与TCC之间的通信。
安全通信协议保证了通信的可靠性，除采用常见的编码、帧结构定义和CRC校验外，其最大的特点是引入时间戳概念，从而确保了通信信息的正确性、实时性、完整性以及信息顺序的正确性。
2.1.2.逻辑控制单元
微处理器收到报文后，把报文转储在逻辑控制单元中，逻辑控制单元相当于发送缓冲器，以564.48kbps的速率把这个1023位的报文循环地输出。
逻辑控制单元中采用了现场可编程门阵列FPGA，因此最大程度上减少了元件数量、缩小了体积、提高了可靠性和抗干扰能力。
逻辑控制单元除输出报文数据外，还产生C6接口所需要的8.82kHz方波。
2.1.3.功率放大
由于C接口定义的报文数据C1和接口供电信号C6在频率上相差很大，需要分别进行功率放大。
将经过放大后的C1和C6信号偶合到一个变压器内，从而实现了在一对传输线上传送两种信号。
2.2.应答器结构和原理
2.2.1.应答器结构
应答器的主要用途是向车载ATP控制设备提供可靠的地面固定信息和可变信息。
应答器系统是一种采用电磁感应原理构成的高速点式数据传输设备，用于在特定地点实现地面与机车间的相互通信。
安装于两根钢轨中心枕木上的地面应答器不要求外加电源，平时处于休眠状态，仅靠瞬时接收车载天线的功率而工作，并能在接收到车载天线功率的同时向车载天线发送大量的编码信息。
安装于机车底部的车载天线不断向地面发送功率并在机车通过地面应答器时接收来自应答器的编码信息。
当列车经过无源应答器上方时，无源应答器接收到车载天线发射的电磁能量后，将其转换成电能，使地面应答器中的电子电路工作，把存储在地面应答器中的1023位数据报文循环发送出去，直至电能消失（即车载天线已经离去）。
通过报文读写工具BEPT可以向改写无源应答器的数据报文。
通过BEPT可以对无源应答器存储的数据报文进行读出、校核。
有源应答器通过与LEU的连接，可实时改变传送的数据报文。
当与LEU通信故障时（接口“C”故障），有源应答器可以自动切换到无源应答器工作模式，发送缺省报文。
阿尔斯通的有源应答器和无源应答器完全相同，通过电缆及插接件与LEU连接，就做为有源应答器使用；
下面主要描述阿尔斯通应答器。
2.2.2.应答器机械特性
应答器由壳体（黄盒子）、电路板、灌封材料构成。
壳体是玻璃纤维类材料热压而成；电路板厚度为3.2mm，安装在壳体内，它包含了用于发送和接收的电磁感应耦合线圈。
应答器外部尺寸：
长480mm宽350mm高70mm
重量：
约7公斤
2.2.3.应答器抗杂物理能力
欧洲标准中，对应答器定义了2个等级的抗杂物能力，A级和B级，A级更为严格，其指标如表21所示。
表21应答器抗杂物A级参数
材料
规格
应答器的顶层（mm）
A级
水
清澈的
200
含0.1%的NaCl（重量）
100
雪
新鲜的，0℃
300
潮湿的，含20%的水份
300
冰
无孔
100
道碴
石头
100
沙子
干燥的
20
潮湿的Wet
20
泥浆
不含盐
50
含盐，0.5%的NaCl（重量）
50
铁矿石
赤铁矿（Fe2O3）
20
磁铁矿（Fe3O4）
20
铁尘
制动产生的铁粉
10
煤尘
含8%的硫磺
10
油和油脂
50
2.2.4.应答器运用环境
●运行温度范围：
-40℃到+70℃
●冷却：
自然对流
●储存：
-40℃到+70℃，在最后的检查和测试之后小于5年
●震动：
符合EN50125-3（表5）
●抗震：
根据标准EN60068-2-75，符合摆锤打桩机冲击试验，根据标准的表格2，最高级别是20J
●抵抗行人踩踏以2000N的最大力在安装的应答器上行走的可能性
●湿度范围：
根据EN60721-3-4表格1，为等级4K3
●压力范围：
根据EN60721-3-4表格1，为等级4K3
●风：
根据标准EN60721-3-4表2（50m/s）等级为4Z5
●防护等级：
根据标准EN60529，为IP68
●太阳辐射：
根据EN60721-3-4表1分类，为4K3
●生物：
根据EN60721-3-4表3分类，为4B2
●机械：
根据EN60721-3-4表5分类，为4S4
●MTBF：
λ=2,869.10-6/h/+40℃
●使用年限：
大于20年
●安全：
根据EN50129，为SIL4（电气系统）
2.2.5.应答器工作原理
一、电磁感应的基本原理
车载天线与应答器之间是按电感耦合的原理进行工作的，如图22所示，当能量频率≤30MHz时，磁场起着主导作用，电场起着次要作用。
图22天线与应答器之间的作用原理图
为便于分析，将矩形线圈按面积等效成圆型线圈计算。
如果被测线圈沿X轴方向运动，那么场强H随着距离X的增加不断减弱。
当被测线圈沿线圈X轴方向移动距离超过圆半径R时,场强急剧下降，为60dB/每10倍距离；当移动距离超过圆半径3R时,场强的衰减变得比较平缓约为20dB/每10倍距离。
当天线与应答器线圈垂直作用时，安装高度Y方向的场强曲线（H）可用下式计算:
式中N=线圈匝数；R:
圆半径；Y=Y轴偏离线圈中心的距离。
二．应答器的工作电源
应答器的电源是由感应电压获取，在应答器线圈中，应答器最小动作磁场强度Hmin，由下列公式求出：
式中:
R2=输入电阻，RL=线圈电阻，N=1匝；A=面积；μ0=1。
上述两个公式是应答器设计的基础，在频率、线圈结构一定的条件下，可计算出应答器临界动作的最小磁场强度，进而得出天线发射功率。
三．应答器工作方式及功能
●接收电能信号：
探测、解调远程能量信号
●上行链路信号产生，该功能是应答器通过接口A1向车传载传送报文
●启动时的方式选择，是发送自身存储的报文还是发送接口C来的报文
●串音防护：
对上行链路的限制
●操作/编程模式的管理
●接收来自接口C的数据
●I/O接口特性的控制
●产生“列车通过”信号
四．无线编程
此功能允许对应答器进行无线编程和维护。
执行这个过程不需要任何电缆的插拔，这就保证了安全等级。
无线编程具有下列功能：
●应答器报文的读写
编写的报文长度可以是1023或341位（分别有830和210位用户位）。
报文可以改写。
●应答器制造商数据的读出。
包括制造商认证、序列号、制造日期等数据
电路板原理框图
图23应答器原理框图
电路板原理框图23如所示，其工作过程如下：
当车载天线接近应答器时，应答器的耦合线圈感应到27MHz的磁场，能量接收电路将其转化为电能，从而建立起应答器工作所需要的电源，此时，应答器开始工作。
应答器控制模块是整个电路的控制核心，当电源建立后，它首先判断由C接口来的数据是否有效，若该数据无效或无数据，控制模块使用存储在报文存储器中的数据，将其进行FSK调制后，输出到数据收发模块，经功率放大后，由耦合线圈发送。
只要电源存在，控制模块就不间断地发送，这意味着车载天线一直在应答器上方。
当控制模块上电时，判断出C接口的数据有效，则控制模块将发送C接口传来的数据。
一旦控制模块作出报文选择（选择存储的数据还是C接口传来的数据），在这次上电的工作周期内，无论C接口数据有效与否，应答器都不会改变发送的数据。
当车载天线离开应答器上方后，应答器失去了电源，便停止数据发送。
C接口工作电源仅用于该接口电路部分，不给控制模块和数据收发供电，因此，有源应答器也只有在车载天线出现时才发送数据。
制造数据存储器的数据只能被报文读写工具读取。
3.数据
3.1.用户数据
3.1.1.用户数据表基本要求
（一）应答器用户数据表主要作用及内容：
在CTCS-2级列控系统中，地面线路的参数，如坡道，速度，轨道区段长度等信息，均是在列车经过安装在线路上的应答器上方时，利用应答器车载设备激活应答器，并接收应答器发送的报文，经过解码处理后，获得列车运行的线路参数，根据轨道电路等信息，生成列车控制曲线，控制列车安全运行。
应答器报文是根据应答器用户数据表中描述的线路参数，利用规定的应答器信息包格式，根据控车需要，组合编制成应答器用户报文，描述相应的线路参数。
应答器用户数据表是根据CTCS-2级应答器的报文定义及列车控制需要，对线路信息利用一套数据表格进行描述，其内容主要包括应答器位置表；正向区间信号点、轨道区段数据表；反向区间信号点、轨道区段数据表；区间线路坡度表；区间线路速度表；铁路线路里程断链明细表；车站列车进路数据表等。
（二）应答器用户数据表基本要求：
1、数据准确性
在CTCS-2级列车控制系统中，列车控制方式采用的是速度距离模式，在数据表格当中，长度信息对列车的控制至关重要，如果长度信息与线路实际情况误差较大，将直接影响行车安全。
2、数据完整性
应答器用户数据主要是编制CTCS-2级列控区段的线路数据，为了在ATP与LKJ切换后，保证切换后的列车能够安全运行，在ATP与LKJ的切换点往外，均应是切换前设备的控制范围，因此该范围内的线路坡度，速度，轨道区段等信息，均应编制在应答器用户数据表中。
3、文字及格式规范性
应答器用户数据表是应答器报文及列控中心设备的输入数据，因此，在应答器用户数据表编制中，应注意各种类型数据的规范性，如信号机名称的规范，长度数据的精度，公里标的表示等，都应该采用标准的格式，做到文字及格式的统一规范
4、可追溯性
应答器数据的准确性及正确性，直接影响着列车的控制安全，因此，为了文件的归档管理及责任划分，应答器用户数据表格文件印刷版表格应按线路区段归类汇总、整理成册，在封面上注明线路名称，制表单位、建设单位、铁路局（公司）电务处，依次盖章确认。
对于各数据表格，制表者、复核者、建设单位、工务处和电务处责任人签字有效，并注明数据填写的日期。
每种表格应在表格顶端填写该表所对应的线路、车站、上下行别名称和“第X页共X页”。
电子版应刻录成CD光盘发布。
3.1.2.用户数据表格式和填写说明
（一）用户数据表格式
用户数据是应答器报文编制和列控中心软件编制的主要依据，为了实现计算机辅助数据处理功能，铁道部运输局基础部组织编制了一套统一的应答器用户数据表格式。
该格式参考了既有地信号常规，也根据应答器报文定义和列控中心软件的需求，做了明确的定义。
（二）用户数据表填写说明
为了便于在试验车和动车组试验时便于与用户数据比较及报文编制，用户数据表应按照列车正向运行方向顺序填写，并且确保各数据表数据的一致性。
仔细分析各用户数据表，其中各表之间的信息是有关联的，在用户数据的编制及修改过程中，需要非常细心，仔细，要确保用户数据表中，各表之间数据的一致性。
例如，在区间信号点及轨道区段数据表中，填写了站内的正线数据，在进路数据表中，也填写了正线接车进路的数据，而且，这两个表中的数据应该是一致的；区间线路速度表和进路数据表中的正线接车进路等于正线相关的进路数据的速度信息的一致性；区间信息号点及轨道区段数据表中的信号机公里标之间的对应关系等等。
另外，在填写用户数据表时，还需要注意长度信息和公里标信息之间的一致性。
在用户数据表中，我们所有的长度信息，均对应了其起点和终点的公里标信息。
在没有长短链的情况下，长度应该是终点公里标和起点公里标的差值。
因此，数据表中铁路断链信息表与其他各表之间的信息应保持一致性。
熟练使用EXCEL表格的功能，进行数据校核。
EXCEL数据表格具有强大的公式编辑功能，在用户数据编制过程中，可以利用该功能进行大量数据的校核工作，减少工作量，提高工作效率和工作质量。
3.2.报文
应答器设备可以简单的理解为一个数据存储器和发送器，当车载天线激活该应答器时，应答器发送自身存储的应答器报文或发送通过电缆由地面电子单元（LEU）传送的应答器报文。
应答器报文分为应答器用户报文和应答器报文。
应答器用户报文指的是根据应答器用户信息包的格式，编制的报文。
应答器用户报文有长报文（830bits）和短报文（210bits）两种。
应答器报文指的是应答器用户报文经过欧洲的编码算法，加扰后存储在应答器中或通过LEU传输的报文。
同样，应答器报文也分为长报文（1023bits）和短报文两种（341bits）。
在本章中所讲的报文均指应答器用户报文。
3.2.1.报文格式
每一条应答器用户报文均由信息帧+用户信息包+结束标志位构成。
信息帧主要是对应答器报文的一个标识，包含应答器编号，版本信息等内容。
用户信息包根据列车控制需求，针对不同的作用，定义各种不同用途的信息包。
为保证应答器与动车组ATP车载设备的运用相匹配，应答器报文的格式采用统一的数据结构。
在既有线CTCS-2级列控系统中，我们引用了欧洲定义的链接包（ETCS-5），线路坡度包（ETCS-21），线路速度包（ETCS-27），级间转换包（ETCS-41），用户数据包（ETCS-44），特殊区段包（ETCS-68），调车危险包（ETCS-132），默认报文包（ETCS-254）；我们根据CTCS-2级点连式列控系统的需求，参照欧洲报文定义的格式，我国自定义了轨道区段包（CTCS-1），临时限速包（CTCS-2），反向运行包（CTCS-3），大号码道岔包（CTCS-4）四个CTCS数据包。
报文定义中，每个信息包结构如表31所示，均含有一个唯一的包编号，信息包的位长度，方向信息及可选的距离标尺和包含系列定义的变量的信息区。
表31：
用户信息包结构
编号
NID_PACKET
信息包的标识码
方向
Q_DIR
指出信息对哪个运行方向是有效的
长度
L_PACKET
信息包所包含的数据位数
标尺
Q_SCALE
距离/长度的分辨率
信息
……..
系列变量信息区
注：
报文结束标志包（ETCS-255）不遵循表4-1的结构，只是一个信息包编号。
信息包中的变量的名称是唯一的，并且都有一个前缀，如表32所示，不同的前缀，代表不同的含义。
每个变量的含义也是唯一的，如变量“NID_PACKET”在所有的信息包中的含义都是信息包标识码。
每个变量的取值也有一定的规律性，一般情况下，用变量的最大值表示特殊值，备用的变量数值一般在正常值和特殊值之间的可变数据范围内。
对于1位布尔变量，总是使用“0”作为“假”，“1”作为“真”。
表32：
变量明前缀及含义
前缀
含义
前缀
含义
D_
距离
NC_
等级编号
G_
坡道
NID_
识别号
L_
长度
Q_
限定
M_
其它
V_
速度
N_
编号
在数据包中，一个变量如果根据其前面的一个限定词变量的变化是可选的，则该变量在数据包定义中缩进书写，如链接信息包中变量“NID_C”在格式上缩进书写，即当其前面的一个限定词变量“Q_NEWCOUNTRY=0”时，“NID_C”这个变量则可以删除。
在数据包中，当一组或一个变量需要重复时，一般由变量“N_ITER”定义重复的次数，如果“N_ITER=0”，则后面没有变量。
如轨道区段数据包中，当“N_ITER=7”时表示轨道区段描述信息区变量共重复7次，轨道区段信息包共描述8个轨道区段信息。
3.2.2.报文编制原则
报文编制原则，主要是根据系统设计，对报文定义中各个信息包的应用，信息包中每个变量的含义理解及变量值的选择，报文中各信息的数据范围确定等原则。
（一）信息包用途及变量含义
1．信息帧
信息帧是每条应答器报文中必须包含的内容，其中定义了应答器编号，信息传输的方向，传输方式以及是否被其他应答器链接等内容，就如同每个人的身份证一样，是每个应答器的标识。
根据目前CTCS-2级列控系统的设计，对于信息帧中变量“M_MCOUNT”可用于区分报文类型，具体如下：
M_MCOUNT=255，应答器及列控中心正常报文，表示该应答器报文适用于同组所有应答器；（排列进路）
M_MCOUNT=0，表示有源应答器默认报文；（LEU故障）
M_MCOUNT=252表示LEU默认报文报文；（列控与LEU通信中断）
M_MCOUNT=253，表示车站列控中心默认报文。
（没排列进路）
2．应答器链接
应答器链接信息包主要描述各链接应答器之间距离，以及当应答器丢失或故障导致链接失败后，ATP设备采取的措施等内容。
根据目前CTCS-2级列控系统的设计，该信息包主要作用是用于列车位置的修正。
其中信息包中，变量“Q_LINKREACTION”值一般选用“10”表示当链接失败后，列车采取的措施为没有反应，即地面设备不强制列车制动，由ATP设备根据车载既有的数据，采取相应的措施控制列车安全运行。
但是，在特殊情况下，当链接失败后，如果ATP利用既有的数据控制列车运行存在安全隐患，则应根据需要，强制列车采取相应的制动，保证行车安全。
3．线路坡度
应答器线路坡度信息包主要用来描述线路的坡度参数，其中存入应答器的坡度数据是按1‰精度取整、合并后的线路坡度数据。
线路坡度数据包中，第一组数据中变量“D_GRADIENT”定义了以本应答器为起点，至列车运行前方本应答器所描述的第一个线路坡道的距离；变量“Q_GDIR”描述了第一个坡道的类型；变量“G_A”给出了坡度值。
第二组数据中变量“D_GRADIENT”定义了第一组数据描述的坡度的长度；变量“Q_GDIR”和“G_A”分别描述了第二个坡道的类型和坡度值。
依次类推，当描述完最后一个坡道长度后，以“G_A”=255表示对坡道的描述结束。
4．线路速度
应答器线路速度信息包主要用来描述线路的速度参数，其中存入应答器的速度数据是按5km/h精度取整后的线路速度数据。
线路速度数据包与线路坡度包相似，以“V_DIFF”=127表示对线路速度的描述结束。
对于变量“Q_FRONT”用来描述速度的头尾有效性，当列车由高速区段进入一个低速区段时，该线路区段允许运行速度对列车头部有效；反之对列车尾部有效。
另外，同一线路区段对于某些特殊列车可有不同的列车允许运行速度。
分别变变量“NC_DIFF”、“V_DIFF”给出列车类型及相应的速度。
在目前既有线提速区段，报文编制过程中没有考虑列车速度的限制，因此，包含的列车类型变量“N_ITER=0”，“NC_DIFF”、“V_DIFF”两项取消。
5．级间转换（ETCS-41）
级间转换信息包主要用于描述地面列控系统的等级，控制车载设备控车模式的切换。
在CTCS-2级列控系统中，级间转换信息包中变量“转换的ETCS等级M_LEVELTR=1（STM）”，变量“转换的非ETCS等级（NID_STM）”表示切换的非ETCS等级，如CTCS-0级与CTCS-2级之间的切换。
6．用户数据包（ETCS-44）
用户数据包主要是用来嵌套用户自定义的CTCS用户信息包，如轨道区段、临时限速、区间反向运行等。
如表33所示。
表33：
用户数据包（ETCS-44）与CTCS数据包的嵌套使用
名称
变量
含义
编号
NID_PACKET
ETCS-44信息包的标识码
方向
Q_DIR
指出ETCS-44信息对哪个运行方向是有效的
长度
L_PACKET
ETCS-44和CTCS信息包所包含的数据位数
编号
NID_PACKET
CTCS信息包的标识码
方向
Q_DIR
指出CTCS信息对哪个运行方向是有效的
长度
L_PACKET
CTCS信息包所包含的数据位数
信息
……..
系列变量信息区
7．特殊区段
特殊区段信息包主要是向机车乘务员实时反映列车运行前方的一些特殊情况，如隧道、桥梁、无电区等信息。
如果通过特殊区段后，列车状态应恢复进入前的状态，特殊区段信息包中变量“Q_TRACKINIT=1”，并由变量“D_TRACKINIT”给出本应答器到恢复点的距离。
8．调车危险
调车危险信息包，主要在进、出站口处应答器报文中使用，向列车传送“调车危险”报文信息，可禁止列车以调车模式进入区间。
9．轨道区段
轨道区段数据包主要描述了轨道区段的长度，载频及信号机类型。
车载ATP设备，根据信号机类型，判断闭塞分区，利用载频信息，根据列车运行位置，锁定接收应答器描述的当前载频，接收低频信息（运行许可权），根据低频信息及轨道区段的长度确定目标点，生成控车模式曲线。
信息包中变量“D_SIGNAL”给出了本应答器到第一个轨道区段起始点的距离。
变量“DIN_SIGNAL”指的是该轨道区段出口处的信号机或信号点类型。
一个闭塞分区由多个轨道区段构成时，中间分割点“DIN_SIGNAL”定义为“没有信号机”。
在同一个闭塞分区内，相邻轨道区段载频相同时（出站口除外），则报文中可以合并为一个轨道区段填写。
10．临时限速
临时限速信息包主要用来描述在临时限速管辖范围内，临时限速的起点、长度、速度等信息。
对于信息包中各变量的含义如图31所示。
临时限速报文分为管辖范围内无限速报文和有限速报文两种。
临时限速信息，是列车完全监控模式的必要条件，因此当线路没有临时限速时，由有源应答器给列车发送管辖范围内没有限速的临时限速报文，当线路有临时限速时，发送相应的临时限速信息。
图31：
临时限速信息变量含义示意图
对于管辖范围内无限速报文，限速长度L_TSR与管辖范围L_TSRarea相同，到限速点的距离D_TSR=0，速度V_TSR为管辖范围内的最高线路速度。
该情况下，列车将根据按照
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