Cause analysis and corrective actions of cab signal code missing of on-board ATP equipment in two special scenarios
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摘要:
机车信号掉码是ATP车载设备日常运用中的常见故障，会直接触发列车制动，影响列车运行效率。地面轨道电路特殊设计场景下的机车信号掉码事件多发生在新线开通前或线路改造后的联调联试阶段，其原因复杂多变，需要结合ATP车载设备解码逻辑和地面轨道电路的具体设计进行车地综合分析。文章根据轨道电路信息传输过程、ATP车载设备对轨道电路信号的解码过程及机车信号掉码判断逻辑，对两例地面轨道电路特殊设计场景下发生的机车信号掉码事件的原因进行深入分析，结合ATP车载设备处理逻辑及现场实际情况，从现场施工实施难易程度、安全性和经济成本等方面考虑，提出有效、切实可行的纠正措施，并进行现场测试验证，可为ATP车载设备日常运用维护提供参考。
Abstract:Cab signal code missing is a common fault in daily operation of ATP onboard equipment, which can directly trigger train braking and affect the efficiency of train operation. The occurrence of cab signal code missing in scenarios of track circuit special design often occurs during the joint testing and commissioning stage before the opening of new lines or after line renovation. Since their causes are complex and varied, and it is necessary to combine the decoding logic of onboard ATP equipment and the specific design of ground track circuits for comprehensive train-ground analysis. The article conducts an in-depth analysis of the causes of two incidences of cab signal code missing that occurred in special design scenarios of track circuits based on the data transmission process of track circuits, the track circuit signal decoding process and the judgment logic of cab signal code missing of on-board ATP equipment. Combined with the processing logic of ATP on-board equipment and the actual situation on site, effective and feasible corrective actions are proposed from the aspects of difficulty, safety, and economic cost of on-site implementation, and verified via on-site testing, which can provide reference for the daily operation and maintenance of ATP on-board equipment.
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列车自动防护子系统（ATP，Automatic Train Protection System）是整个列车自动控制系统（ATC，Automatic Train Control）的基础，通过自动检测列车实际运行位置，自动确定列车最大安全运行速度，连续不间断地实行速度监督，实现超速防护，自动监测列车运行间隔。ATP车载设备通过接收地面应答器信息、轨道电路信息以及无线闭塞中心发送的无线信息，生成目标距离速度控制模式曲线[1-3]。在列车运行过程中，当列车实际运行速度超过模式曲线的限速时，ATP车载设备向列车制动控制装置输出制动指令，使列车及时减速，确保列车安全运行。
ATP车载设备接收地面轨道电路信息，用于判断前方轨道的占用情况和传递行车信息。当ATP车载设备接收到非预期的轨道电路信息时，若解码时间超过规定时间，则判断为出现故障—机车信号掉码，此时将输出制动以导向安全[4-6]。因此，当发生ATP车载设备机车信号掉码故障后，应及时进行准确的分析，查明原因，并采取有效的纠正措施，以确保列车安全、平稳运行。ATP车载设备机车信号掉码故障的分析和处理相对复杂，尤其是地面轨道电路特殊设计场景中发生的机车信号掉码事件，需综合考虑地面设计是否符合设计规范要求，是否满足车载设备处理逻辑，现场实施时是否能实现等因素。
本文根据ATP车载设备机车信号掉码判断逻辑，对两例地面轨道电路特殊设计场景中发生的机车信号掉码事件的原因进行深入分析，并时结合ATP车载设备处理逻辑及现场实际情况，从现场施工实施难易程度、安全性和经济成本等方面考虑，提出有效、切实可行的纠正措施，可为ATP车载设备日常运用维护提供参考。
1 机车信号掉码判别逻辑及常见原因
1.1 ATP车载设备构成及工作过程简介
ATP车载设备采用冗余结构设计，单套独立设备故障后不影响系统整体运行，主要由ATP车载主机和ATP车载外围设备组成，如图1所示。
测速测距单元通过采集速度传感器信号，计算列车速度、走行距离和识别列车走行方向，并将其传输给ATP车载设备主控单元。车载电台单元为ATP车载设备主控单元提供与地面无线闭塞中心（RBC，Radio Block Center）进行双向数据传输的接口与通信控制服务，将ATP车载设备的列车状态、位置信息通过GSM-R网络传输至RBC，同时接收RBC发送的通常消息和行车许可（MA，Movement Authority）信息。应答器接收单元（BTM，Balise Transmission Module）通过BTM天线接收地面应答器信号，完成地面应答器信号解调，并将解调后的信息传输至ATP主控单元。轨道电路读取器（TCR，Track Circuit Reader）通过TCR天线接收轨道电路信息，将载频、低频和绝缘节信息传输至ATP车载设备主控单元。ATP车载设备根据列车、线路和MA等数据，实时计算目标距离速度控制模式曲线，并根据模式曲线对列车超速进行自动防护，以确保列车安全运行。
1.2 TCR信息解码过程及机车信号掉码判断逻辑
ATP车载设备正常工作时，TCR信息解码过程及机车信号掉码判断逻辑示意如图2所示。
（1）ATP车载设备主控单元接收地面应答器轨道区段【CTCS-1】信息包描述的轨道电路载频信息后，TCR将载频切换至轨道区段【CTCS-1】信息包所定义的本轨道电路区段的载频，并锁定该载频。
（2）TCR接收并解调轨道电路载频信息，将其解码为机车信号，并将载频、低频和机车信号发送至ATP车载设备主控单元。
（3）ATP车载设备主控单元对从TCR接收的载频信息和机车信号码与从地面应答器接收的轨道区段【CTCS-1】信息包中的轨道电路载频信息进行核对。
（4）当轨道电路载频信息核对正确时，TCR解码的结果将作为有效的机车信号信息，用于计算列车限制速度曲线。
（5）当TCR接收的载频信息与从地面应答器接收的轨道区段【CTCS-1】信息包的轨道电路载频信息不一致时，ATP车载设备主控单元判断地面轨道电路载频接收异常，若地面轨道电路载频接收异常持续时间超过规定时间，则ATP车载设备主控单元判断发生机车信号掉码，并向机车制动系统输出制动指令。
1.3 机车信号掉码的常见原因
依据TCR信息的传输过程、解码过程及机车信号掉码判断逻辑，ATP车载设备出现机车信号掉码故障既受到地面轨道电路发码设备状态、ATP车载设备状态及机车信号解码及处理逻辑的影响，也受到地面应答器报文对轨道电路载频信息的描述影响，此外还会受到天气、环境的影响[7-9]。当发生机车信号掉码故障时，需要系统地分析各环节相关因素，找到真正的原因，并制定有效的纠正措施，才能从根本上解决问题。
常见的机车信号掉码原因主要包括：
（1）设备硬件故障。设备故障主要有两类：①列控设备地面轨道电路发码设备故障，如地面发送器、调谐单元、调整变压器、轨道变压器、继电器、电源等设备故障，会造成轨道电路载频信息发送异常，导致ATP车载设备TCR接收不到轨道电路载频信息，ATP车载设备判断机车信号掉码[10]；②ATP车载设备故障，如TCR天线或TCR主机异常，导致无法正常接收和解析轨道电路载频信息，致使ATP车载设备判断机车信号掉码。
（2）轨道电路分路不良。大雨后及潮湿气候天气时，道床漏泄大，出入口电流过低，或者新开通线路及不经常行车的侧线的钢轨严重锈蚀或受到污染，造成轨道电路分路不良，轨道电路调整不当，导致TCR不能稳定接收或者接收不到轨道电路载频信息，致使ATP车载设备判断机车信号掉码。
（3）站内存在机械绝缘节和道岔区段。TCR在接收地面轨道电路信息时，无法避免轨道电路信息不连续问题，若在TCR解码时收到的轨道电路信息不连续，则需要重新解码，若解码总时长超过设计规范要求时间，ATP车载设备判断机车信号掉码。
（4）地面轨道电路特殊设计。某些车站因站形复杂或地面轨道改造时，地面轨道电路采取特殊设计，当机车驶入该车站或区段时，ATP车载设备也会出现解码异常，并判断为机车信号掉码[11-12]；这种情形较为常见，多发生在新线开通前或线路改造后的联调联试阶段。
对于地面轨道电路特殊设计场景下发生的机车信号掉码故障，其原因复杂多变，需要结合ATP车载设备解码逻辑和地面轨道电路的具体设计进行车地联合分析，制定可行的纠正措施并进行评估，确定最合理的纠正措施，并安排列车运行试验进行测试，验证机车信号掉码故障是否得到有效的解决。
2 实例一原因分析及纠正措施
2.1 场景描述
2022年12月15日，上海铁路枢纽线联调联试时，某列车试验进路为南翔上行编发场通过，京沪上行线反向运行后江桥镇站停车进路，当列车ATP车载设备在CTCS-2等级下以130 km/h速度反向运行至江桥站进站前，ATP车载设备输出制动后瞬间缓解。该列车当时的运行进路如图3所示。
2.2 原因分析
ATP车载设备记录数据显示，ATP车载设备收到的地面应答器信息轨道电路信息包【CTCS-1】描述的前方轨道电路载频信号依次为
2000 Hz（1061 m）→2600 Hz（1055 m）→2000 Hz（175 m）→2600 Hz（1267 m）。当列车运行在长度为1055 m、载频2600 Hz的轨道区段时，ATP车载设备接收到的轨道电路码为L码。当列车越过该轨道区段进入下一轨道区段时，地面轨道电路载频由2600 Hz切换为2000 Hz，TCR开始接收地面轨道电路发送的27.9 Hz低频信号，并进行解码。但超过4 s仍未完成解码，故向ATP主控单元报告无码。此时，ATP主控单元检测到TCR发送的轨道电路码与地面应答器轨道区段【CTCS-1】信息包定义的不一致，故判断机车信号掉码，输出最大常用制动，如图4所示。根据《机车信号车载系统设备》〔TB/T 3287-2013〕规范要求，当地面轨道电路载频信息正常，地面载频信号从低频信息L码到27.9 Hz时开始计时，TCR会保持原低频信息L码持续4 s后，才将27.9 Hz信号上传至ATP车载设备。
查看地面轨道电路设计方案及设计数据得知：这个长度175 m、载频
2000 Hz的轨道区段由长度为116 m和59 m的两段轨道组成。当列车运行至该轨道区段时，地面载频由2600 Hz切换至2000 Hz，同时TCR开始解低频信息码27.9 Hz，列车运行116 m时经过绝缘节后，再运行至长度59 m、载频2000 Hz的轨道区段；即TCR在载频2000 Hz的轨道区段上对27.9 Hz 低频进行解码，持续3.3 s后，因绝缘节导致载频中断，当再次收到2000 Hz载频后，TCR需重新进行低频码解码，完成27.9 Hz低频解码约需耗时1 s，导致低频27.9 Hz解码总时长时间为4.3 s，超过设计规范要求的4 s，故TCR向ATP主控单元报告无码。ATP主控单元检测到TCR发送的轨道电路码与地面应答器轨道区段【CTCS-1】信息包定义的不一致，判断出现机车信号掉码，并输出最大常用制动。2.3 纠正措施评估及实施
2.3.1 可行的纠正措施
该起事件为地面轨道电路设计、特殊码序与车载处理逻辑综合作用的结果，为解决机车信号掉码故障，可从轨道设计、轨道电路码序和车载处理逻辑三方面考虑，可行的纠正措施主要有以下3种：
（1）合并短轨道：由于两段轨道之间存在绝缘节，因机车信号解码时出现中断后再次解码而导致机车信号掉码事件，可考虑将两段较短的轨道改成一段长轨道，当列车运行至该段轨道区段时无绝缘节，TCR解码时就不会发生重新解码的情况；
（2）修改地面轨道电路信息码：此处发码采用L码切换至27.9 Hz检测码的发码方式，需持续4 s后才能切换至27.9 Hz，可将27.9 Hz检测码修改成其它低频码，因TCR正常解码时间不超过2 s，可确保ATP车载设备能够在通过绝缘节前完成低频码解码，避免ATP车载设备通过绝缘节位置时因解码时间超过规定值而引起机车信号掉码；
（3）控制列车运行速度：控制列车以不高于100 km/h的速度驶入这段载频
2000 Hz、长度175 m的轨道电路区段，列车运行116 m到达绝缘节位置时至少需要4.2 s，TCR在原低频码L码持续4 s后上报低频27.9 Hz，可避免机车信号掉码情况的发生，限速前后列车运行是车载设备解码对比情况如图5所示。2.3.2 纠正措施评估及实施
合并短轨道的纠正措施工程量大，且现场实施周期长、费用高。按照设计要求，载频
2000 Hz、长度175 m的轨道电路区段发送27.9 Hz低频信号，将27.9 Hz检测码修改成其它低频码虽然可以解决机车信号掉码问题，但不符合预期设计目标，无法满足后续运营要求；控制列车运行速度的纠正措施既能满足设计规范要求，同时现场改动小费用低，施工方便快捷对后续运行影响小等优点。因此，可在地面应答器中增加静态限速信息，使列车运行通过该轨道区段时将速度控制在100 km/h以下，线路限速区长度约为2 km，且该进路为反向运行进路，在实际使用中较少使用，影响时间极短，不会对运营造成影响。现场按控制列车运行速度的方案进行改进后，安排试验列车运行进行测试，未再发生机车信号掉码故障，测试结果表明纠正措施实施效果良好。3 实例二原因分析及纠正措施
3.1 场景描述
2023年8月15日，某列车在太陆联络线上行线正向联调联试，太仓沿江场IXG通过，经沪宁沿江高铁上行线正向运行时，列车以CTCS-2等级完全监控模式运行通过太仓沿江场SA信号机后，ATP车载设备出现制动后瞬间缓解。该列车当时的运行进路如图6所示。
3.2 原因分析
ATP车载设备记录数据显示，ATP车载设备以CTCS-2等级完全模式运行，经过太陆联络线陆渡线路所BXALF应答器（73-6-9-72）时，其轨道区段【CTCS-1】信息包描述的前方轨道电路载频信号依次为
2000 Hz（901 m）→2600 Hz（946 m）→2000 Hz（938 m）→无载频（1455 m）。当列车运行至载频2000 Hz、长度938 m的轨道区段时，收到太仓沿江场进站应答器（89-5-22-72），其轨道区段【CTCS-1】信息包描述的前方轨道电路载频信息为2600 Hz（173 m）；前后两组应答器描述的前方轨道电路载频信息不一致。ATP车载设备在CTCS-2等级下运行时，会根据轨道区段【CTCS-1】信息包中定义的轨道区段信息来锁定载频，当列车运行至当前轨道区段末端前50 m（位于站内）时，ATP车载设备开始接收CTCS-1包信息中所描述的下一轨道区段的载频信息，当列车越过轨道电路绝缘节进入下一轨道电路区段，接收到新的轨道区段的载频后，ATP主控单元控制TCR将载频切换至轨道区段【CTCS-1】信息包所定义的本轨道电路区段的载频，并锁定该载频。
因前后两组应答器轨道电路信息包CTCS-1预告的前方轨道区段载频信息不同，ATP车载设备运行至该轨道区段时，会触发车载设备延迟2 s更新轨道电路边界的逻辑，即延迟2 s后才更新轨道电路边界，再经过0.4 s后锁定下一段
2600 Hz载频，TCR完成载频锁定后，再经过1.7 s可完成低频LU解码，满足《机车信号车载系统设备》〔TB/T 3287-2013〕关于ATP车载设备低频LU解码时间的要求。因此，当列车从载频2000 Hz、长度为938 m的轨道区段进入下一轨道区段开始到完成LU解码的总时长为4.1 s，超过设计规范要求的4 s，故ATP车载设备判断机车信号掉码，向列车输出制动指令。3.3 纠正措施评估及实施
3.3.1 可行的纠正措施
针对因前后两组应答器轨道区段【CTCS-1】信息包定义的轨道区段载频信息不一致导致ATP车载设备机车信号掉码的情况，结合ATP车载设备处理逻辑及地面设计数据可知，在这一特殊场景下，ATP车载设备输出制动指令时间约为0.1 s，并能瞬时缓解，不会直接对运营造成影响，不存在安全隐患，但由于制动指令输出时间极短，会引发列车切除牵引并瞬间制动所引发的顿挫感，若不进行修改，线路开通后对司机行车会带来一定的困扰，有必要采取纠正措施来解决该问题，可行的纠正措施主要有2种：
（1）修改应答器报文中轨道电路信息：因前后两组应答器轨道区段【CTCS-1】信息包描述不一致，触发ATP车载设备延迟2 s更新轨道电路；可根据实际轨道电路信息修改地面应答器轨道区段【CTCS-1】信息包描述，修改太陆联络线陆渡线路所BXALF应答器轨道区段【CTCS-1】信息包定义的轨道电路信息，将
1455 m无载频的轨道区段修改为2600 Hz（173 m）→无载频（1282 m），避免触发ATP车载设备延迟2 s更新轨道电路边界的逻辑。（2）修改车载设备轨道电路边界更新处理逻辑：因前后两组应答器轨道区段【CTCS-1】信息包描述不一致，触发ATP车载设备延迟2 s更新轨道电路，考虑到安全性要求，不应取消该处理逻辑，而是对其进行改进。可缩短更新轨道电路的延迟时间，或在该逻辑基础上同步增加其它处理逻辑，如计算列车走行距离来触发更新轨道电路边界逻辑，即列车运行到设定距离后，立即根据最新收到的应答器轨道区段【CTCS-1】信息包所定义的轨道电路区段的载频完成轨道电路边界更新，避免因解码总时长超过设计规范要求而引发机车信号掉码。
3.3.2 纠正措施评估及实施
修改应答器报文中轨道电路信息的纠正措施可操作性强，修改工作量较小，且符合实际情况，无安全行风险。而车载软件逻辑的优化需启动软件优化流程，制定优化方案并进行仿真测试，测试通过后上报软件升级请求，经批准后方可实施软件升级，整个实施过程周期长，工作量大。综合考虑施工周期限制、经济性及安全性，采用修改地面应答器报文的纠正措施。
在修改地面应答器报文信息后，进行现场测试验证。当列车运行至载频为
2000 Hz、长度为938 m的轨道区段末端前50 m（站内）时，ATP车载设备开始接收载频为2600 Hz、长度为173m 的轨道区的载频信息，当列车越过绝缘节进入该轨道电路区段，ATP车载设备可立即切换至载频2600 Hz，能够正常完成低频码LU解码，测试结果表明纠正措施的实施效果良好。4 结束语
本文介绍了ATP车载设备机车信号掉码的判别逻辑，总结了常见的机车信号掉码的原因。针对两例地面轨道电路特殊设计场景下发生的机车信号掉码事件进行详细分析。结合机车信号掉码的判别逻辑、车载设备处理逻辑和地面轨道电路设计的实际情况，从经济性、时效性和安全性等方面综合评估，提出了最合理的纠正措施，并进行现场试验验证。本文研究提出的纠正措施有助于降低ATP车载设备机车信号掉码故障率，提高ATP车载设备的可靠性，可为ATP车载设备运用维护管理提供一定的参考。
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