基于雙鏈路監測的地面應答器健康狀態動態檢測與評估

李正交 蔡伯根 楊吉 劉江

隨著中國高速鐵路列車運行控制技術的快速發展，地面應答器被大量應用于軌道交通［1］。以徐鹽高速鐵路為例，全長約314 km，需要供應和采購地面應答器1 600余臺。目前，傳統的“定期修”“故障修”運維模式無法及時有效地針對地面應答器的實時性能進行預測與判斷［2-3］。

隨著故障預測與健康管理（Prognostics and Health Management，PHM）技術的發展，符合中國高速鐵路實際情況的故障預測與健康管理系統也應運而生，相繼提出了面向工務、電務、供電等專業的綜合維修一體化檢測監測體系、電務安全監控技術體系（8D系統）、綜合智能化電務監測維護系統、動車組PHM系統等故障預測與健康管理系統與體系，為實現電務設備由“故障修”到“狀態修”的綜合智能維護提供了可行途徑［4-7］。

1 地面應答器智能維護需求分析

應答器傳輸系統是一種基于無線能量和數據非接觸同步傳輸（Wireless Power and Data Transfer，WPDT）的列車點式定位系統，在列車通過應答器時實現能量與定位信息的雙向傳輸。地面應答器是典型的電子設備，為實現對地面應答器的智能維護，可參考電子設備故障預測與健康管理標準（IEEE standard 1856）對其進行需求分析。

IEEE standard 1856描述了電子設備故障預測與健康管理（PHM）的實施過程［8］，其實施過程的功能框圖如圖1所示。

圖1 電子設備PHM實施過程功能框圖

根據圖1可知，要實現地面應答器智能維護，至少要涵蓋電子設備PHM中數據感知、健康監測與評估等過程。數據感知主要涉及地面應答器內在和外在的健康狀態變量的提取；健康監測與評估過程實現對地面應答器健康狀態變量的采集與傳輸，健康狀態的檢測、評估與預測，健康狀態數據的顯示等。健康狀態的檢測、評估與預測作為地面應答器智能維護的關鍵核心技術，其功能描述如下：①健康狀態檢測，根據系統正常運行狀態，生成系統正常或異常狀態指標；②健康狀態評估，提供系統當前健康狀態的信息；③健康狀態預測，提供系統未來健康狀態、剩余使用性能等指標。

鑒于地面應答器目前的維護技術現狀，本文以高速綜合檢測列車動態檢測作為智能運維的背景，重點研究地面應答器健康狀態動態檢測與評估技術。在高速檢測列車通過地面應答器時，下行鏈路能量信號激活地面應答器開始工作，地面應答器將內部存儲的報文通過上行鏈路發送給車載設備。目前，地面應答器健康狀態動態檢測的數據主要包括系統上行鏈路傳輸性能及應答器報文正確性分析，缺乏地面應答器雙鏈路傳輸性能數據的監測，以及數據與系統內涵間的深層次挖掘與分析。

根據鐵路現場應答器傳輸系統常見故障和實驗室系統性能測試需求分析可知，影響應答器傳輸系統性能的因素有：車載BTM及天線參數，主要包括形狀、尺寸、發射功率、工作頻率、擺放位置等；應答器物理性能，主要包括天線品質因數、極性、阻抗匹配、系統靈敏度等；運行條件和環境，主要包括列車速度、相對間距、空間介質、環境溫濕度等［9-12］。以上任意一項因素發生變化都將影響地面應答器的傳輸性能，造成系統工作性能的退化，進而影響系統工作狀態，甚至導致失效。因此，可將地面應答器工作過程中的傳輸性能作為系統健康狀態的表征，通過對地面應答器下行鏈路和上行鏈路構成的雙鏈路數據進行檢測來分析和評估系統健康狀態。

2 基于雙鏈路監測的地面應答器健康狀態動態檢測

2.1 地面應答器動態檢測過程分析

為分析地面應答器雙鏈路監測數據與系統工作性能的關系，需要對地面應答器動態檢測過程，特別是地面應答器的內部物理性能、外部運行條件和環境進行分析。地面應答器健康狀態動態檢測示意圖見圖2，主要通過下行鏈路與上行鏈路實現對地面應答器的健康狀態動態檢測。

圖2 地面應答器健康狀態動態檢測示意圖

地面應答器內部模塊按功能劃分，主要包括無線能量收集模塊與無線數據傳輸模塊［13-15］。無線能量收集模塊將車載天線發送的27.085 MHz能量信號轉換為可供后級電路工作的電壓信號，其內部電路主要包括天線補償拓撲電路、AC/DC、濾波與穩壓等能量轉換電路；無線數據傳輸模塊將應答器存儲的報文以FSK信號發送給車載設備，其內部電路主要包括處理器電路、振蕩電路、FSK選頻電路及天線發送電路等。

地面應答器動態檢測過程中，下行鏈路主要作用于地面應答器無線能量收集模塊，并對后級上行鏈路產生影響；而上行鏈路主要反映無線數據傳輸模塊的工作性能，部分動態指標也能間接反映無線能量收集模塊的工作性能。地面應答器下行鏈路與上行鏈路動態傳輸過程中，極易受到車地相對位置、車地相對速度、空間環境介質等隨機信息擾動的影響，造成系統健康狀態數據發生隨機變化［10-11，16］。因此，有必要基于地面應答器工作原理對雙鏈路動態檢測過程與健康狀態數據進行深層次分析，理清地面應答器健康狀態動態檢測數據的表征涵義。

2.2 地面應答器下行鏈路動態檢測

應答器傳輸系統下行鏈路信號磁感應強度（BZ）和地面應答器接收天線動態感應電壓（IV?BA）是衡量應答器傳輸系統下行鏈路傳輸性能的2項重要參數［17］。但是鐵路現場無法對上述參數進行直接監測與分析，也無法直接對下行鏈路傳輸性能進行評估，因此需要對地面應答器無線能量收集過程進行分析，搭建如圖3所示的地面應答器下行鏈路動態檢測等效阻抗模型［10，13，15］。

圖3 下行鏈路動態檢測等效阻抗模型

圖3 中：虛框內為車地天線耦合過程，為簡化電路分析暫不考慮天線內阻；LP、LS為天線固有電感，CP、CS為天線串行補償拓撲，UP為車載天線的總電壓，Z0為車載天線輸入阻抗，D1、D2為半波整流電路，Co為濾波電容，Zo為負載等效阻抗。

傳統射頻能量收集系統評價指標主要包括能量轉換效率、敏感性、最大激活電壓、整流輸出電壓、負載電壓電流等［15］。但地面應答器作為成品設備，在設備設計時暫未考慮對上述參數進行檢測并傳輸給監測終端，因此無法采用傳統射頻能量收集系統評價指標對地面應答器下行鏈路動態檢測過程進行分析。參考RFID標簽動態性能檢測方法，可采用實時阻抗測量方法對地面應答器下行鏈路動態檢測過程進行分析［18］。

根據基爾霍夫電壓定律可知，當車載天線經過地面應答器時，車載天線輸入阻抗滿足以下公式：

式中：M為車地天線間互感系數；ω為車載天線輸入信號角頻率；Zt為圖3中端子3與4間的等效阻抗，包括負載、整流濾波和補償拓撲的阻抗。

通過公式（1）可知，地面應答器下行鏈路動態檢測時，車載天線的輸入阻抗可以通過互感系數M反映車地相對位置、車地相對速度、空間環境介質等隨機信息擾動對檢測鏈路的影響，也可以通過LS和Zt來反映地面應答器無線能量收集模塊性能的變化，且可以在鐵路現場實時測量車載天線的輸入阻抗。因此，對地面應答器下行鏈路的動態檢測可通過測量車載天線的輸入阻抗來實現。

2.3 地面應答器上行鏈路動態檢測

目前，在地面應答器上行鏈路動態檢測方面，研究成果相對成熟，國內外學者與研究機構提出了多 項可供 檢測與 分析的 動態檢 測指標［12，16，19］，按檢測類型不同可以分為報文內容檢測、波形數據檢測和動態參數檢測，如表1所示。

表1 應答器上行鏈路動態檢測指標

報文內容檢測主要對用戶報文數據的正確性進行檢測，波形數據檢測主要對上行鏈路FSK信號特征進行分析，上述2類檢測主要用于表征地面應答器無線數據傳輸模塊的物理性能；動態參數檢測涉及地面應答器無線數據傳輸的動態過程，不僅與地面應答器無線數據傳輸模塊的物理性能有關，而且很大程度上取決于地面應答器無線能量收集模塊的物理性能，以及列車運行條件與空間環境條件等因素。通過上述分析有助于深層理解地面應答器動態檢測指標的表征涵義，進而合理地使用正確的檢測指標來分析系統健康狀態。

3 基于雙鏈路檢測數據的地面應答器健康狀態評估

3.1 地面應答器健康狀態評估流程

借鑒高鐵接觸網健康狀態評估方法，確立基于集對分析與證據理論方法的5個步驟，對地面應答器健康狀態進行評估［20］。地面應答器健康狀態評估流程見圖4。

圖4 地面應答器健康狀態評估流程

步驟1：根據前文分析的地面應答器動態檢測參數，建立目標層、指標層、子指標層的健康狀態評估指標體系，具體如圖5所示，并根據動態檢測的實際數據計算出其相對劣化度。為定量分析車載天線輸入阻抗，選取車載天線輸入阻抗主瓣區數據的最小值、最大值、標準差、平均值、峰度、偏態6項參數作為車載天線輸入阻抗子指標層的特征值［21］。

圖5 地面應答器健康狀態評估指標體系

步驟2：對地面應答器健康狀態進行劃分，采用靈敏度分析法計算出子指標層各指標的常權重，采用層次分析法確定指標層的各評估指標的權重，最后根據各指標的相對劣化度得到其變權重。

步驟3：采用集對分析方法計算出子指標層各指標與地面應答器各健康狀態等級之間的聯系度，得到指標層各指標與地面應答器各健康狀態等級之間的聯系度。

步驟4：將步驟3中得到的指標層各指標與地面應答器各健康狀態等級之間的聯系度作為基本概率分配并進行修訂，然后采用證據理論將修訂后的基本概率分配和不確定度進行整合。

步驟5：在滿足確定度的前提下，采用最大隸屬度原則和置信度準則來判斷整合結果，從而確定地面應答器的健康狀態等級并給出分析結果。

3.2 基于雙鏈路檢測數據的健康指標權重確定

為發揮雙鏈路動態檢測模型與數據的優勢，針對上節步驟2中采用靈敏度分析法計算子指標層各指標常權重進行實驗設計。

靈敏度分析是研究系統中不同輸入的不確定性對輸出影響嚴重程度的方法。基于對地面應答器雙鏈路動態檢測的分析發現，影響地面應答器健康狀態的因素主要有車地相對位置、車地相對速度、空間環境介質、系統物理性能等，可設計下述4類靈敏度分析實驗，以確定系統健康狀態指標權重值。

實驗類型1：假設列車以120km/h的運行速度通過應答器，此時空間環境無雜質，以應答器和車載天線的相對高度h、相對位移X作為變量，分析車地相對位置變化下系統健康狀態指標靈敏度。

實驗類型2：改變列車運行速度，假設列車分別以120、150、200、250、300、350、400、450、500 km/h的速度通過空間環境無雜質的地面應答器，車載天線與地面應答器相對安裝高度h=220 mm，分析列車運行速度變化下系統健康狀態指標靈敏度。

實驗類型3：假設列車以120 km/h的運行速度通過應答器，此時空間環境有雜質，應答器和車載天線的相對安裝高度h=220 mm，分析空間損耗介質變化下系統健康狀態指標靈敏度。

實驗類型4：假設列車以120 km/h的運行速度通過應答器，此時空間環境無雜質，應答器和車載天線的相對安裝高度h=220 mm，分析地面應答器物理性能變化下系統健康狀態指標靈敏度。

根據上述實驗靈敏度分析結果，確定地面應答器健康狀態子指標層的各評估指標的常權重。

4 結語

本文結合地面應答器動態檢測實際情況，通過對智能維護需求分析以及動態檢測過程分析，提出了基于雙鏈路監測的地面應答器健康狀態動態檢測指標與評估方法，對于完善地面應答器健康狀態指標體系，實現地面應答器視情檢修，提高地面應答器維修效率具有積極的推動意義。

地面應答器健康狀態評估是地面應答器故障預測與健康管理的熱點，能夠有效地評估地面應答器的工作性能與工作條件，為地面應答器視情檢修提供參考。除了系統健康狀態評估外，對于地面應答器剩余使用壽命預測的研究將是未來地面應答器故障預測與健康管理新的關注點，而地面應答器的物理功能退化性、空間環境時變性、運行狀態切換性等特點，也為地面應答器剩余使用壽命預測帶來了一定的挑戰性。