基于檢測數據的應答器動態特性影響因素分析

許慶陽,楊 吉,孟景輝,羅依夢,張茂軒

(中國鐵道科學研究院集團有限公司基礎設施檢測研究所,北京 100081)

引言

隨著中國鐵路的快速發展，由于信息容量高、結構簡單、安裝靈活、可靠性高等特點，應答器傳輸系統成為我國CTCS-2/3級高速鐵路列控系統關鍵基礎設備。作為地面應答器與車載BTM信息傳輸通道，“A”接口基于近場耦合原理實現地-車信息傳輸，雖沒有遠場傳輸的多徑衰落、延遲等問題，但線路環境(如金屬物、護輪軌等)、應答器表面污染物、空間電磁環境、列車速度、列車運動中的振動與沖擊等因素都將影響BTM對于信息接收的正確性、實時性與安全性[1-2]。

國內外針對應答器傳輸性能影響因素開展了大量研究。Lü等[3]針對應答器上行鏈路信號噪聲干擾，提出基于認知控制的應答器上行鏈路信號處理方法；BALLGHLLITIL[4]等通過引入4 MHz附近的電池干擾以實現應答器數據傳輸過程的抗干擾測試；趙會兵，李雪等[5-9]通過實驗仿真，分別分析了高頻信號、空間環境介質、速度等因素對應答器上行鏈路信號的影響；李正交等[10]基于可靠性理論分析了列車運行速度對車載BTM接收報文比特數及誤比特率的影響。上述研究均是基于實驗室環境下的仿真研究，在現場實際應用過程中，應答器運用環境復雜多變，且列車走行屬于動態過程，導致應答器傳輸系統傳輸性能指標與靜態實驗室結果存在明顯區別，故需針對應答器實際運用狀態下的傳輸性能及其影響因素展開研究。

在前人理論研究的基礎上，建立應答器傳輸系統動態傳輸性能評估指標，并結合高速綜合檢測列車應答器動態檢測數據，定量分析列車運行速度、軌道板類型、應答器安裝方式等條件對應答器動態傳輸性能指標的影響。

1 應答器傳輸系統動態特性

應答器傳輸系統是基于電磁感應原理實現地-車通信的點式數據高速傳輸系統，主要由地面應答器、車載天線、BTM等組成[11]。按照工作原理可將其分為激活層、接收層、解調層、報文層4個流程，各流程工作機理見表1。

表1 應答器傳輸系統工作流程

應答器傳輸系統地面參考坐標系如圖1所示，其中x軸與軌道平行，y軸與軌道垂直在軌道平面上，z軸垂直向上且與軌道平面成90°，原點o位于地面應答器電氣中心[12]。

圖1 應答器傳輸系統參考坐標系

在實際運用過程中，由于列車車體振動導致地面應答器與車載天線之間在y軸與z軸的相對位置發生隨機位移，同時空間雜質特性、電磁環境等也將隨著列車移動而發生變化[13]。地面應答器與車載BTM自身具有瞬態特性，圖2為傳輸系統在接收層動態特性曲線，圖中φd1、φd2分別為環路電流為Iu1、Iu2時所需的最小磁場強度。地面應答器接收到27 MHz激活信號后，當射頻能量信號達到環路電流Iu1表示的磁場強度φd1時，地面應答器需要TBAL時間才能完成啟動工作，而車載BTM在接收到上行鏈路信號后同樣需要一定時間來完成信號的解調、譯碼等過程。而列車在高速運行狀態時，地面應答器與車載BTM天線之間的有效作用時間將非常短暫，因此，研究應答器傳輸系統動態特性對其高速條件下的適應性分析至關重要[14]。

圖2 應答器傳輸系統接收層動態特性曲線

2 應答器動態傳輸性能指標

2.1 應答器動態檢測原理

目前，國內應用搭載于高速綜合檢測車平臺的信號動態檢測系統對鐵路沿線信號設備狀態進行定期檢測，系統組成見圖3。其中，應答器檢測系統原理與應答器傳輸系統工作原理類似，通過在車底加裝應答器檢測天線不斷向地面發送能量信號，地面應答器收到能量信號并被激活后，對外發送由報文信息調制的射頻信號；該信號被車載檢測天線接收后，經諧振放大器形成具有一定幅度的上行鏈路信號；最后通過應答器處理電路進行解調得到上行鏈路信號的電氣參數及報文等信息[15]。

圖3 信號動態檢測系統組成結構

應答器動態檢測數據包含了上行鏈路信號多元參數信息，目前，主要檢測指標包括：上邊頻、下邊頻、中心頻率、信號振幅、傳輸速率、總比特數、最大連續正確比特數、誤碼率等[16]。

2.2 應答器動態傳輸性能指標

針對應答器動態傳輸過程，結合應答器動態檢測多元參數信息，選取上行鏈路信號特性、動態作用距離、車載設備動態接收能力以及抗干擾性能4個指標，建立應答器傳輸系統動態傳輸性能指標體系，如圖4所示。

圖4 應答器動態傳輸性能指標體系

(1)上行鏈路信號特性

上行鏈路信號特性是指動態條件下，車載BTM接收到來自地面應答器的上行鏈路信號的特征，可在一定程度上反映地面應答器的運用狀態。上行鏈路信號特性用中心頻率fC、傳輸速率VB描述。

(2)動態作用距離

動態作用距離是指動態運行條件下，車載BTM天線與地面應答器沿x軸方向在應答器的主瓣接觸區域內的有效作用長度。可用作用距離LD描述。

(3)車載設備動態接受能力

車載設備動態接受能力是指動態工作條件下，車載BTM接收到地面應答器的上行鏈路信號后，BTM解調層輸出的應答器報文碼元質量，能反映車載設備的運用狀態，可用不同速度級下車載設備接收總比特數以及有效率η來描述。

(4)抗干擾性能

抗干擾性能是指動態條件下，應答器傳輸系統對外界電磁環境、空間雜質等因素的容忍能力，可用誤碼率ω來描述。

各參數的定義與表示見表2。

表2 應答器動態傳輸性能指標定義與含義

3 應答器動態傳輸性能影響因素分析

3.1 數據預處理

以某線路2019年實際檢測數據為例，該線路全線共計6 000余個應答器，涵蓋CRTSⅠ型、CRTSⅡ型兩種軌道板工況，正線應答器安裝方式有橫向與縱向兩種，全年累計檢測數據量達10萬余條。

由于應答器的間歇性傳輸本質，實際的上行鏈路信號中會不可避免地混雜脈沖噪聲，這會嚴重造成上行鏈路信號中電氣參數發生較為強烈的波動并產生無效的異常值。因此，需對鐵路現場采集的上行鏈路信號電氣參數數據進行處理，以剔除數據中的異常值。

四分位差(Interquartile Range，IQR)是上四分位數(Q3，即位于75%)與下四分位數(Q1，即位于25%)的差，四分位差計算公式為

IQR=Q3-Q1

(1)

IQR反映了中間50%數據的離散程度，其數值越小，說明中間的數據越集中；數值越大，說明中間的數據越分散。IQR不受極值的影響。此外，由于中位數處于數據的中間位置，因此，IQR在一定程度上也反映了中位數對一組數據的代表程度。利用IQR可計算出上述各應答器上行鏈路信號參數的正常數據范圍，即[Q1-1.5IQR，Q3+1.5IQR]。

根據各參數的正常數據范圍，可同時有效地剔除大異常值和小異常值。

3.2 基于統計理論的應答器動態檢測結果分析

對應答器實際檢測數據進行異常值剔除處理后，需進一步研究列車運行速度、軌道板類型、地面應答器安裝方式等不同條件下應答器動態傳輸性能指標的變化規律，從而分析應答器動態傳輸性能的影響因素。

由于檢測數據規模較大且離散，故采用統計理論知識進行分析。方差分析用于2個及2個以上樣本均數差別的顯著性檢驗。常用的單因素方差分析需滿足以下條件：①所有樣本均來自于正態總體；②正態總體具有相同的方差；③所有觀測值相互獨立，即獨立抽樣。但對誤碼率、有效率等動態指標而言，其檢測結果不符合正態分布，導致其不滿足參數方差分析的基本假定，故針對應答器動態檢測指標采用基于秩的非參數檢驗進行方差分析。具體實現如下。

(1)檢驗假設：k個獨立樣本來自于相同的總體，當假設成立，且樣本容量足夠大時，檢驗統計量H近似服從自由度為k-1的χ2分布，即

(2)

(3)反之，原假設成立。

對于應答器動態傳輸性能影響因素而言，則分別假設速度、軌道板類型、安裝方式等因素對應答器動態傳輸性能指標參數無顯著影響，取顯著性水平α=0.05，獲得不同參數指標在不同影響因素下的檢驗p值，若檢驗p≤α，則拒絕原假設，即上述因素對應答器動態評估指標有顯著影響，反之接收原假設。同時，結合各參數指標的統計值展開具體分析，具體如下。

①列車運行速度

圖5為100 km/h±5 km/h、120 km/h±5 km/h、140 km/h±5 km/h、…、300 km/h±5 km/h幾個等級速度下，應答器動態傳輸性能參數指標均值的變化規律，表3為速度對各動態評估指標非參數檢驗p值結果。可以發現，作用距離、接收總比特數、誤碼率及有效率的檢驗p值小于0.05，說明速度對上述動態評估指標有顯著影響。結合各指標統計值發現，隨著列車運行速度的提高，車載BTM接收比特的有效率略有增長，而車載設備接收總比特數、車地動態作用距離及誤碼率則呈下降趨勢。車載設備接收總比特數與列車運行速度成反比，因此，列車運行速度升高時接收到的總比特數下降。同時，中心頻率與傳輸速率基本變化不大，說明車速對上行鏈路信號特性無明顯影響。

圖5 應答器動態傳輸性能參數與列車運行速度關系

表3 不同速度下應答器動態評估指標檢驗p值

②軌道板類型

分別選取兩種類型軌道板工況下的50組應答器檢測數據進行方差分析與統計分析，結果見圖6、圖7及表4、表5。其中，圖7為300 km/h速度下車載設備接收報文幀數分布情況。可以發現，速度300 km/h下接收比特數的檢驗p值小于0.05，說明不同類型軌道板對該指標有顯著影響。結合各評估指標統計值可以發現，不同類型軌道板的應答器上行鏈路信號特性指標、動態作用距離及誤碼率無明顯區別，但在車載設備動態接受性能上有明顯差別。相較于Ⅰ型軌道板，Ⅱ型軌道板在速度300 km/h下接收到4幀報文的概率約為13%，遠大于Ⅰ型軌道板，說明在更高時速條件下，Ⅱ型軌道板的應答器報文數據接收性能更強。

圖6 不同軌道板應答器動態傳輸性能指標參數對比結果

圖7 300 km/h不同軌道板應答器接收報文幀數統計

③應答器安裝方式

圖8及表4、表5分別為兩種安裝方式下動態評估指標檢驗p值和統計結果。可以發現，作用距離及300 km/h下接收比特數的檢驗p值小于0.05，說明不同安裝方式對上述指標有顯著影響。結合統計結果發現，縱向安裝方式下應答器動態作用距離及車載設備在速度300 km/h下接收總比特數均優于橫向安裝方式，而上行鏈路信號特性指標、誤碼率等結果相差不大，說明縱向安裝方式下，車載設備接收能力不會因車體振動產生明顯異常。

圖8 不同安裝方式應答器動態傳輸性能指標參數對比結果

表4 不同因素下應答器動態評估指標檢驗p值

表5 不同因素應答器動態評估指標平均值

3.3 影響因素分析

結合動態檢測結果，從作用機理、列車動態運行特點等角度對上述影響因素進行深入分析。

(1)列車運行速度

應答器傳輸系統在列車動態運行條件下，由于列車速度造成的影響主要體現在兩方面：①由于多普勒效應將引起信號頻率與相位的抖動；②車載天線與地面應答器在y軸與z軸的相對位置會隨著車體的振動而發生隨機位移，且隨著列車運行速度增加，隨機位移相對會增大。

結合動態檢測結果可以發現，列車運行速度對車載設備接收到的比特數及作用距離有一定影響，而對上行鏈路信號特性無明顯影響。

通過理論分析可知，當列車的最大運行速度為500 km/h時，由于多普勒效應引起上行鏈路信號載頻誤差僅為1.2 Hz左右，遠小于系統允許的頻率誤差200 kHz[7]。且車載BTM在設計之初預留了足夠的解調帶寬，多普勒效應引起的信號頻率誤差僅為最大允許載頻誤差的百萬分之六。對于傳輸速率，其與地面應答器特性有關，與列車速度及y/z軸相對位移關系不大，故列車運行速度對應答器上行鏈路信號特性無明顯影響。

隨著列車運行速度的增加，車體振動幅度變大，車地之間有效作用時間減少，車載BTM接收總比特數隨之下降。傳輸系統作用時間的減少會相對降低外界干擾的概率，故誤碼率呈現下降趨勢。而車體振動幅度的增大，會引起傳輸系統的俯仰角和傾斜角偏差增大，最終導致有效作用距離減小[6]。

(2)軌道板類型

軌道板安裝于地面應答器下方小于210 mm的縱向范圍內，由橫縱向鋼筋網和混凝土澆筑而成，其橫向、縱向鋼筋網之間形成的閉合回路屬于應答器無金屬空間區域內的導體介質，勢必會對應答器上行鏈路信號造成影響[18]。軌道板類型對應答器動態傳輸的影響主要體現在兩方面：①由于軌道板類型不同，導致列車運行平穩性有差異，進而影響車載天線與地面應答器在y軸與z軸的隨機位移；②軌道板內部鋼筋網結構的不同，對應答器上行鏈路信號傳輸的影響也會有一定差異。

結合動態檢測數據結果發現，兩種軌道板在300 km/h速度下報文接收性能有明顯差異，而其他參數并無明顯區別。

圖9為兩種工況下車體橫向加速度和垂向加速度對比結果，可以發現，二者加速度雖在個別區段有一定差異，但整體基本保持在0.1 m/s2以內，說明兩種軌道板工況下，列車運行平穩性無明顯差異，不會導致應答器報文接收性能的差異，進而可以確定導致應答器報文接收性能差異的原因是，由于不同軌道板其鋼筋結構、密度以及鋼筋網連接絕緣處理不同，產生的回路電流會有差異，從而造成應答器傳輸性能的差異。

圖9 不同軌道板車體振動加速度對比結果

(3)應答器安裝方式

列車在高速運行條件下，應答器與天線之間的作用時間非常短暫[17]，延長作用距離理論上更有利于車地信息傳輸。一般地面應答器有橫向、縱向兩種安裝方式，不同安裝方式對應答器動態傳輸的影響主要體現在兩個方面：①不同安裝方式下，車載天線與地面應答器在x軸方向上的作用時間有差異，進而影響傳輸系統有效作用距離；②相較于橫向安裝，縱向安裝方式下，車載BTM與地面應答器沿y軸作用距離減少，更可能受到列車車體橫向偏移的影響。

結合動態檢測結果發現，地面應答器安裝方式主要影響車地動態作用距離，對其他參數無明顯影響。根據文獻[19-20]可知，在速度350 km/h下，考慮軌道不平順、曲線超高等極端條件下，列車車體的橫向動態偏移量值約為22.7 mm；而根據文獻[21]理論仿真可知，當車載感應天線在y軸上的平移距離不足234 mm時，應答器傳輸系統磁通量大小無明顯變化。因此，可推斷列車在高速運行情況下，車體橫向偏移對傳輸系統的影響可忽略不計，進而不影響應答器傳輸系統的參數指標。所以，縱向安裝方式可有效提高應答器傳輸系統的動態作用距離，同時不會因車體橫向偏移導致動態傳輸性能出現明顯異常。

4 結論

通過對應答器傳輸系統動態作用過程進行分析，結合動態檢測數據建立應答器動態特性評估指標，采用方差分析及統計理論知識等方法，分析速度、軌道板類型、應答器安裝方式等因素對應答器動態傳輸性能指標的影響，得到如下結論。

(1)列車運行速度增大，車載設備接收比特數及應答器動態作用距離會隨之下降，但上行鏈路信號特性不會產生明顯影響。

(2)不同類型軌道板由于內部鋼筋網結構的差異，會對應答器動態傳輸產生不同的影響。相較于CRTSⅠ型軌道板，CRTSⅡ型軌道板條件下車載BTM接收到的完整報文幀數更多，應答器報文數據接收性能更強。

(3)應答器動態作用距離在縱向安裝條件下，比橫向安裝平均大7～10 cm，且在既有350 km/h速度等級下，不會因列車振動而導致上行鏈路信號特性、抗干擾能力等發生異常變化。因此，采用縱向安裝方式的應答器在既有350 km/h速度等級下報文接收性能優于橫向安裝方式。