基于检测数据的应答器动态特性影响因素分析

2021-09-26许庆阳孟景辉罗依梦张茂轩

铁道标准设计 2021年9期

许庆阳,杨吉,孟景辉,罗依梦,张茂轩

(中国铁道科学研究院集团有限公司基础设施检测研究所,北京 100081)

引言

随着中国铁路的快速发展，由于信息容量高、结构简单、安装灵活、可靠性高等特点，应答器传输系统成为我国CTCS-2/3级高速铁路列控系统关键基础设备。作为地面应答器与车载BTM信息传输通道，“A”接口基于近场耦合原理实现地-车信息传输，虽没有远场传输的多径衰落、延迟等问题，但线路环境(如金属物、护轮轨等)、应答器表面污染物、空间电磁环境、列车速度、列车运动中的振动与冲击等因素都将影响BTM对于信息接收的正确性、实时性与安全性[1-2]。

国内外针对应答器传输性能影响因素开展了大量研究。LÜ等[3]针对应答器上行链路信号噪声干扰，提出基于认知控制的应答器上行链路信号处理方法；BALLGHLLITIL[4]等通过引入4 MHz附近的电池干扰以实现应答器数据传输过程的抗干扰测试；赵会兵，李雪等[5-9]通过实验仿真，分别分析了高频信号、空间环境介质、速度等因素对应答器上行链路信号的影响；李正交等[10]基于可靠性理论分析了列车运行速度对车载BTM接收报文比特数及误比特率的影响。上述研究均是基于实验室环境下的仿真研究，在现场实际应用过程中，应答器运用环境复杂多变，且列车走行属于动态过程，导致应答器传输系统传输性能指标与静态实验室结果存在明显区别，故需针对应答器实际运用状态下的传输性能及其影响因素展开研究。

在前人理论研究的基础上，建立应答器传输系统动态传输性能评估指标，并结合高速综合检测列车应答器动态检测数据，定量分析列车运行速度、轨道板类型、应答器安装方式等条件对应答器动态传输性能指标的影响。

1 应答器传输系统动态特性

应答器传输系统是基于电磁感应原理实现地-车通信的点式数据高速传输系统，主要由地面应答器、车载天线、BTM等组成[11]。按照工作原理可将其分为激活层、接收层、解调层、报文层4个流程，各流程工作机理见表1。

表1 应答器传输系统工作流程

应答器传输系统地面参考坐标系如图1所示，其中x轴与轨道平行，y轴与轨道垂直在轨道平面上，z轴垂直向上且与轨道平面成90°，原点o位于地面应答器电气中心[12]。

图1 应答器传输系统参考坐标系

在实际运用过程中，由于列车车体振动导致地面应答器与车载天线之间在y轴与z轴的相对位置发生随机位移，同时空间杂质特性、电磁环境等也将随着列车移动而发生变化[13]。地面应答器与车载BTM自身具有瞬态特性，图2为传输系统在接收层动态特性曲线，图中φd1、φd2分别为环路电流为Iu1、Iu2时所需的最小磁场强度。地面应答器接收到27 MHz激活信号后，当射频能量信号达到环路电流Iu1表示的磁场强度φd1时，地面应答器需要TBAL时间才能完成启动工作，而车载BTM在接收到上行链路信号后同样需要一定时间来完成信号的解调、译码等过程。而列车在高速运行状态时，地面应答器与车载BTM天线之间的有效作用时间将非常短暂，因此，研究应答器传输系统动态特性对其高速条件下的适应性分析至关重要[14]。

图2 应答器传输系统接收层动态特性曲线

2 应答器动态传输性能指标

2.1 应答器动态检测原理

目前，国内应用搭载于高速综合检测车平台的信号动态检测系统对铁路沿线信号设备状态进行定期检测，系统组成见图3。其中，应答器检测系统原理与应答器传输系统工作原理类似，通过在车底加装应答器检测天线不断向地面发送能量信号，地面应答器收到能量信号并被激活后，对外发送由报文信息调制的射频信号；该信号被车载检测天线接收后，经谐振放大器形成具有一定幅度的上行链路信号；最后通过应答器处理电路进行解调得到上行链路信号的电气参数及报文等信息[15]。

图3 信号动态检测系统组成结构

应答器动态检测数据包含了上行链路信号多元参数信息，目前，主要检测指标包括：上边频、下边频、中心频率、信号振幅、传输速率、总比特数、最大连续正确比特数、误码率等[16]。

2.2 应答器动态传输性能指标

针对应答器动态传输过程，结合应答器动态检测多元参数信息，选取上行链路信号特性、动态作用距离、车载设备动态接收能力以及抗干扰性能4个指标，建立应答器传输系统动态传输性能指标体系，如图4所示。

图4 应答器动态传输性能指标体系

(1)上行链路信号特性

上行链路信号特性是指动态条件下，车载BTM接收到来自地面应答器的上行链路信号的特征，可在一定程度上反映地面应答器的运用状态。上行链路信号特性用中心频率fC、传输速率VB描述。

(2)动态作用距离

动态作用距离是指动态运行条件下，车载BTM天线与地面应答器沿x轴方向在应答器的主瓣接触区域内的有效作用长度。可用作用距离LD描述。

(3)车载设备动态接受能力

车载设备动态接受能力是指动态工作条件下，车载BTM接收到地面应答器的上行链路信号后，BTM解调层输出的应答器报文码元质量，能反映车载设备的运用状态，可用不同速度级下车载设备接收总比特数以及有效率η来描述。

(4)抗干扰性能

抗干扰性能是指动态条件下，应答器传输系统对外界电磁环境、空间杂质等因素的容忍能力，可用误码率ω来描述。

各参数的定义与表示见表2。

表2 应答器动态传输性能指标定义与含义

3 应答器动态传输性能影响因素分析

3.1 数据预处理

以某线路2019年实际检测数据为例，该线路全线共计6 000余个应答器，涵盖CRTSⅠ型、CRTSⅡ型两种轨道板工况，正线应答器安装方式有横向与纵向两种，全年累计检测数据量达10万余条。

由于应答器的间歇性传输本质，实际的上行链路信号中会不可避免地混杂脉冲噪声，这会严重造成上行链路信号中电气参数发生较为强烈的波动并产生无效的异常值。因此，需对铁路现场采集的上行链路信号电气参数数据进行处理，以剔除数据中的异常值。

四分位差(Interquartile Range，IQR)是上四分位数(Q3，即位于75%)与下四分位数(Q1，即位于25%)的差，四分位差计算公式为

IQR=Q3-Q1

(1)

IQR反映了中间50%数据的离散程度，其数值越小，说明中间的数据越集中；数值越大，说明中间的数据越分散。IQR不受极值的影响。此外，由于中位数处于数据的中间位置，因此，IQR在一定程度上也反映了中位数对一组数据的代表程度。利用IQR可计算出上述各应答器上行链路信号参数的正常数据范围，即[Q1-1.5IQR，Q3+1.5IQR]。

根据各参数的正常数据范围，可同时有效地剔除大异常值和小异常值。

3.2 基于统计理论的应答器动态检测结果分析

对应答器实际检测数据进行异常值剔除处理后，需进一步研究列车运行速度、轨道板类型、地面应答器安装方式等不同条件下应答器动态传输性能指标的变化规律，从而分析应答器动态传输性能的影响因素。

由于检测数据规模较大且离散，故采用统计理论知识进行分析。方差分析用于2个及2个以上样本均数差别的显著性检验。常用的单因素方差分析需满足以下条件：①所有样本均来自于正态总体；②正态总体具有相同的方差；③所有观测值相互独立，即独立抽样。但对误码率、有效率等动态指标而言，其检测结果不符合正态分布，导致其不满足参数方差分析的基本假定，故针对应答器动态检测指标采用基于秩的非参数检验进行方差分析。具体实现如下。

(1)检验假设：k个独立样本来自于相同的总体，当假设成立，且样本容量足够大时，检验统计量H近似服从自由度为k-1的χ2分布，即

(2)

(3)反之，原假设成立。

对于应答器动态传输性能影响因素而言，则分别假设速度、轨道板类型、安装方式等因素对应答器动态传输性能指标参数无显著影响，取显著性水平α=0.05，获得不同参数指标在不同影响因素下的检验p值，若检验p≤α，则拒绝原假设，即上述因素对应答器动态评估指标有显著影响，反之接收原假设。同时，结合各参数指标的统计值展开具体分析，具体如下。

①列车运行速度

图5为100 km/h±5 km/h、120 km/h±5 km/h、140 km/h±5 km/h、…、300 km/h±5 km/h几个等级速度下，应答器动态传输性能参数指标均值的变化规律，表3为速度对各动态评估指标非参数检验p值结果。可以发现，作用距离、接收总比特数、误码率及有效率的检验p值小于0.05，说明速度对上述动态评估指标有显著影响。结合各指标统计值发现，随着列车运行速度的提高，车载BTM接收比特的有效率略有增长，而车载设备接收总比特数、车地动态作用距离及误码率则呈下降趋势。车载设备接收总比特数与列车运行速度成反比，因此，列车运行速度升高时接收到的总比特数下降。同时，中心频率与传输速率基本变化不大，说明车速对上行链路信号特性无明显影响。

图5 应答器动态传输性能参数与列车运行速度关系

表3 不同速度下应答器动态评估指标检验p值

②轨道板类型

分别选取两种类型轨道板工况下的50组应答器检测数据进行方差分析与统计分析，结果见图6、图7及表4、表5。其中，图7为300 km/h速度下车载设备接收报文帧数分布情况。可以发现，速度300 km/h下接收比特数的检验p值小于0.05，说明不同类型轨道板对该指标有显著影响。结合各评估指标统计值可以发现，不同类型轨道板的应答器上行链路信号特性指标、动态作用距离及误码率无明显区别，但在车载设备动态接受性能上有明显差别。相较于Ⅰ型轨道板，Ⅱ型轨道板在速度300 km/h下接收到4帧报文的概率约为13%，远大于Ⅰ型轨道板，说明在更高时速条件下，Ⅱ型轨道板的应答器报文数据接收性能更强。

图6 不同轨道板应答器动态传输性能指标参数对比结果

图7 300 km/h不同轨道板应答器接收报文帧数统计

③应答器安装方式

图8及表4、表5分别为两种安装方式下动态评估指标检验p值和统计结果。可以发现，作用距离及300 km/h下接收比特数的检验p值小于0.05，说明不同安装方式对上述指标有显著影响。结合统计结果发现，纵向安装方式下应答器动态作用距离及车载设备在速度300 km/h下接收总比特数均优于横向安装方式，而上行链路信号特性指标、误码率等结果相差不大，说明纵向安装方式下，车载设备接收能力不会因车体振动产生明显异常。

图8 不同安装方式应答器动态传输性能指标参数对比结果

表4 不同因素下应答器动态评估指标检验p值

表5 不同因素应答器动态评估指标平均值

3.3 影响因素分析

结合动态检测结果，从作用机理、列车动态运行特点等角度对上述影响因素进行深入分析。

(1)列车运行速度

应答器传输系统在列车动态运行条件下，由于列车速度造成的影响主要体现在两方面：①由于多普勒效应将引起信号频率与相位的抖动；②车载天线与地面应答器在y轴与z轴的相对位置会随着车体的振动而发生随机位移，且随着列车运行速度增加，随机位移相对会增大。

结合动态检测结果可以发现，列车运行速度对车载设备接收到的比特数及作用距离有一定影响，而对上行链路信号特性无明显影响。

通过理论分析可知，当列车的最大运行速度为500 km/h时，由于多普勒效应引起上行链路信号载频误差仅为1.2 Hz左右，远小于系统允许的频率误差200 kHz[7]。且车载BTM在设计之初预留了足够的解调带宽，多普勒效应引起的信号频率误差仅为最大允许载频误差的百万分之六。对于传输速率，其与地面应答器特性有关，与列车速度及y/z轴相对位移关系不大，故列车运行速度对应答器上行链路信号特性无明显影响。

随着列车运行速度的增加，车体振动幅度变大，车地之间有效作用时间减少，车载BTM接收总比特数随之下降。传输系统作用时间的减少会相对降低外界干扰的概率，故误码率呈现下降趋势。而车体振动幅度的增大，会引起传输系统的俯仰角和倾斜角偏差增大，最终导致有效作用距离减小[6]。

(2)轨道板类型

轨道板安装于地面应答器下方小于210 mm的纵向范围内，由横纵向钢筋网和混凝土浇筑而成，其横向、纵向钢筋网之间形成的闭合回路属于应答器无金属空间区域内的导体介质，势必会对应答器上行链路信号造成影响[18]。轨道板类型对应答器动态传输的影响主要体现在两方面：①由于轨道板类型不同，导致列车运行平稳性有差异，进而影响车载天线与地面应答器在y轴与z轴的随机位移；②轨道板内部钢筋网结构的不同，对应答器上行链路信号传输的影响也会有一定差异。

结合动态检测数据结果发现，两种轨道板在300 km/h速度下报文接收性能有明显差异，而其他参数并无明显区别。

图9为两种工况下车体横向加速度和垂向加速度对比结果，可以发现，二者加速度虽在个别区段有一定差异，但整体基本保持在0.1 m/s2以内，说明两种轨道板工况下，列车运行平稳性无明显差异，不会导致应答器报文接收性能的差异，进而可以确定导致应答器报文接收性能差异的原因是，由于不同轨道板其钢筋结构、密度以及钢筋网连接绝缘处理不同，产生的回路电流会有差异，从而造成应答器传输性能的差异。

图9 不同轨道板车体振动加速度对比结果

(3)应答器安装方式

列车在高速运行条件下，应答器与天线之间的作用时间非常短暂[17]，延长作用距离理论上更有利于车地信息传输。一般地面应答器有横向、纵向两种安装方式，不同安装方式对应答器动态传输的影响主要体现在两个方面：①不同安装方式下，车载天线与地面应答器在x轴方向上的作用时间有差异，进而影响传输系统有效作用距离；②相较于横向安装，纵向安装方式下，车载BTM与地面应答器沿y轴作用距离减少，更可能受到列车车体横向偏移的影响。

结合动态检测结果发现，地面应答器安装方式主要影响车地动态作用距离，对其他参数无明显影响。根据文献[19-20]可知，在速度350 km/h下，考虑轨道不平顺、曲线超高等极端条件下，列车车体的横向动态偏移量值约为22.7 mm；而根据文献[21]理论仿真可知，当车载感应天线在y轴上的平移距离不足234 mm时，应答器传输系统磁通量大小无明显变化。因此，可推断列车在高速运行情况下，车体横向偏移对传输系统的影响可忽略不计，进而不影响应答器传输系统的参数指标。所以，纵向安装方式可有效提高应答器传输系统的动态作用距离，同时不会因车体横向偏移导致动态传输性能出现明显异常。