空间杂质对应答器上行链路传输性能影响分析

2023-12-30李建国张鑫奎薛千树郑云水

北京交通大学学报 2023年5期

李建国，张鑫奎，薛千树，郑云水

（兰州交通大学a.自动化与电气工程学院，b.四电BIM 工程与智能应用铁路行业重点实验室，兰州 730070）

截至2022 年底，全国铁路营业里程已突破15.5 万km，其中高铁超过4.2 万km，运输保障能力进一步增强［1］.铁路运输安全是永久性的话题，应答器作为高速铁路列控系统中重要的基础设备，广泛应用于我国CTCS-2 级和CTCS-3 级列控系统，向车载设备提供线路数据、临时限速、等级转换等信息.数据信息的可靠传输对列车安全高效运行至关重要，但应答器安装于室外，周围环境复杂多变，在寒冷的冬季应答器会被冰雪覆盖，货物运输过程中应答器表面会散落铁矿石、煤粉、油脂等，这些因素影响了应答器上行链路传输性能.

应答器传输系统（Balise Transmission System， BTS）结构复杂，学者从不同角度对应答器系统传输性能进行了研究.朱林富等［2］采用场分析法与等效电路网络法分析了混凝土道床、钢轨对系统天线调谐频率、反射系数等的影响.赵会兵等［3］通过仿真各类损耗介质下电磁波的穿透特性，分析了各类损耗介质和金属介质对应答器有效作用范围的影响.罗丽燕等［4］通过仿真研究护轨对应答器的干扰，对护轨开槽尺寸进行了优化.Geng 等［5］利用数字孪生技术分析了车载天线与应答器之间的能量和数据传输过程.许波等［6］解释了应答器传输系统工作原理，研究了应答器输入输出特性随空间时间变化关系.Wen 等［7］通过一个测试案例对应答器传输模块的电磁敏感性进行了预测.Adin 等［8］评估了应答器传输系统各模块之间的互操作性.李正交等［9］提出基于马尔可夫过程的可靠性评估方法，分析了列车速度对应答器系统的影响.许庆阳等［10］结合应答器动态检测数据采用方差与统计值分析了速度、轨道板类型等因素对动态性能指标的影响.李雪等［11］分析应答器A 接口传输过程，利用模型对应答器角度偏差进行了一致性评估.王通等［12-14］基于电磁感应原理，分析了应答器系统数据传输过程与旁瓣感应电压幅值包络问题.Lv 等［15］针对应答器信号噪声干扰，提出基于认知控制的应答器上行链路信号处理方法.

综上所述，目前在应答器传输性能方面已取得了一定研究成果，但对不同种类空间杂质的不同覆盖厚度、面积对应答器传输性能影响的研究尚不多见.本文以现有研究为基础，在电磁场仿真软件中建立应答器天线模型，仿真不同种类空间杂质不同覆盖厚度、不同覆盖面积下上行链路信号磁场分布与幅度曲线，计算应答器作用距离、应答器传输模块（Balise Transmission Module，BTM）接收比特数等传输性能指标，分析空间杂质对应答器传输性能的影响，为应答器现场维护提供理论指导.

1 应答器传输系统作用过程

作为点式传输系统，BTS 具有安全性高、信息量大等优点，系统各设备之间由不同接口相互连接.高速铁路车载设备与地面应答器信息传输过程包括下行激励和上行发送2 个过程：当列车运行经过应答器上方时，BTM 发射天线向地面连续发送频率为27.095 MHz±5 kHz 的高频电磁能量，通过电磁耦合方式激活地面应答器；地面应答器将存储的线路数据、临时限速等报文信息发给BTM 接收天线，信号的中心频率为4.234 MHz±175 kHz，频偏282.24 kHz，上下边频分别为4.516 MHz、3.951 MHz，传输速率为564.48 kbit/s，该传输过程持续进行直至能量消失［16-17］.BTS 传输过程如图1所示.

图1 BTS 传输过程Fig.1 BTS transmission process

应答器天线与BTM 天线间通过电磁耦合的方式传输信息，将天线间的电磁耦合等价转换为如图2 所示的电路结构.图2 中，V1为馈入交流电源，信号频率为4.234 MHz，R1为应答器天线等效电阻与串联损耗电阻之和，i1为流经应答器天线的电流，M为互感系数，L1为应答器天线的等效电感，R2为BTM 天线匹配电阻，i2为流经BTM 天线的感应电流，L2为BTM 天线的等效电感.

图2 等效耦合电路Fig.2 Equivalent coupling circuit

2 应答器天线建模与验证

2.1 模型建立

根据应答器相关技术标准［18］，参考环是围绕有效参考区域的环状导体，用来模拟测试应答器特性.本文选用标准尺寸（390 mm×200 mm）参考环，在FEKO 中建立应答器天线模型，仿真应答器电磁特性.参考环由4 节横截面为20 mm×5 mm 的实心铜条、PCB 板、绝缘连接板和TNC 连接器组成，4 节铜条通过绝缘连接板和PCB 板连接形成一个矩形环，TNC 主要向参考环供电.标准尺寸参考环结构如图3 所示.

图3 标准尺寸参考环结构Fig.3 Configuration of standard size reference loop structure

PCB 板电路如图4 所示.图4 中，L3为1 节铜条的电感值，大小等于参考环电感的1/4；电感L4为空心线圈，其电感值大小与L3相当；C1、C2为电容，温度系数接近零.

图4 PCB 板电路Fig.4 PCB board circuit

由BTS 传输过程可知，BTM 发射天线向地面连续发送频率为27.095 MHz 的高频电磁能量，激活应答器后，应答器发送中心频率为4.234 MHz 的信号传输报文，故用于模拟应答器天线的参考环必须调谐到27.095 MHz 和4.234 MHz 处，即必须得到合适的L4、C1和C2.L4与L3近似相等，C1和C2的选取原则为：在4.234 MHz 时C2的阻抗可忽略，在27.095 MHz 时C1的阻抗可忽略.

上行中心频率fc=4.234 MHz 时，谐振频率ω1为

下行频率fx=27.095 MHz 时，谐振频率ω2为

先将PCB 板短路确定电感L3的值，再确定L4的值；根据式（1）和（2）计算C1和C2的值，在FEKO 软件中通过计算输入频率为27.095 MHz 时参考环的电抗来调整C2，通过计算频率为4.234 MHz 时参考环的电抗来调整C1，直至参考环电抗无限趋于0.经过反复调整后，参考环电抗曲线如图5 所示.由图5可知，当fx=27.095 MHz 时，参考环电抗为0.060 9 Ω；当fc=4.234 MHz 时，参考环电抗为0.002 16 Ω.确定各元件参数为L4=30 nH，C1=7.036 nF，C2=1.299 3 nF.

图5 参考环电抗曲线Fig.5 Reactance curve of reference loop

根据上述内容，在FEKO 软件中对CADFEKO提供的正方体模型进行分割合并得到应答器参考环模型，如图6 所示.设置该模型近场求解范围为- 3 000 mm

图6 应答器参考环模型Fig.6 Model of balise reference loop

2.2 模型验证

应答器相关技术标准［16-17］规定上行链路应答器的磁场强度垂直分量与参考磁场一致，应答器输出的信号强度与参考磁场的差值构成上行链路的一致性偏差，用dB 表示，上行链路参考磁场和限定如图7 所示.图7 中，A=5 dB，B=5 dB，C=35 dB，D=60 dB，XT=5 cm，R0为z0=220 mm 时作用区的最大磁场强度，z0为应答器与BTM 天线间的垂直距离.

图7 上行链路参考磁场与限定Fig.7 Uplink reference magnetic field and constraints

应答器的相邻应答器和邻线应答器会对应答器产生干扰，为防止这一现象的发生，应答器天线上行信号幅度曲线须满足场强一致性要求.作用区定义为应答器正上方220 mm 与460 mm 之间16 角柱状有限体积区域，应答器产生的磁场与参考磁场场强差值在±1.5 dB 内；旁瓣区范围为- 1 300 mm

在调谐后的应答器参考环模型中加入频率1~60 MHz、电压1 V 的电源，通过矩量法计算应答器模型阻抗，如图8（a）所示；仿真频率为3.951、4.234、4.516 MHz 时应答器上行信号幅度曲线，将曲线标准化处理，如图8（b）所示.

图8 应答器天线模型主要曲线Fig.8 Main curves of balise antenna model

由图8 可知，应答器参考环模型上行信号幅度曲线旁瓣区峰值与作用区峰值相差大于30 dB，串扰区峰值与作用区峰值相差大于60 dB，符合应答器上行链路场强一致性要求，应答器参考环模型阻抗模值几乎为0，说明模型可以很好地调谐到上行信号传输频率与下行射频能量发送频率.

在实验室搭建参考环测试环境，通过参考环电阻特性验证模型.测试连接与测试结果如图9 所示.信号发生器用来给参考环加不同频率，功率计测量参考环输入电压.已知输入电压越小，参考环阻抗越小，输入电压越大，参考环阻抗越大.

图9 测试连接与测试结果Fig.9 Test connection and test result

由图9（b）可知，当所加信号的频率为4 MHz、27 MHz 左右时，电路呈调谐状态，输入电压最小.参考环模型仿真数据与实测数据相符，模型的正确性与适用性得到验证.

3 仿真分析

3.1 空间杂质分类

应答器安装于室外开阔环境，表面易被道砟、沙子、泥浆、铁矿石、铁屑及煤粉等覆盖，在北方寒冷的冬季也易被冰雪覆盖且有一定厚度，这些易造成应答器信息传输不准确，影响列车安全运行.我国高速铁路列控系统采用欧标应答器，欧标中对不同种类杂质、不同覆盖厚度做了规定［15］，但并未给出设定依据.本文根据空间杂质电导率与相对磁导率的数量级将常见空间杂质进行分类归纳，如表1 所示.

表1 空间杂质分类Tab. 1 Spatial impurities classification

3.2 空间杂质对应答器传输性能影响分析

空间杂质覆盖于应答器表面且有一定厚度，通过在FEKO 环境中仿真应答器被空间杂质覆盖时的上行信号幅度曲线，分析不同种类杂质及不同覆盖厚度对应答器传输性能的影响.

1）覆盖厚度与面积一定，Ⅰ~Ⅵ类杂质对应答器传输性能影响.

覆盖厚度d为100 mm，覆盖面积S为390 mm×200 mm 时，Ⅰ~Ⅵ类杂质与无杂质覆盖的应答器上行信号幅度曲线对比如图10 所示.设定列车速度为300 km/h，计算Ⅰ~Ⅵ类杂质覆盖时应答器作用距离等性能指标数据，结果如表2所示.

表2 不同种类杂质覆盖时应答器性能指标数据结果Tab. 2 Performance index data results of balise under different types of impurities coverage

图10 不同种类杂质覆盖与无杂质覆盖时上行信号幅度曲线对比Fig.10 Comparison of uplink signal amplitude curves between different types of impurities coverage and no impurity coverage

由图10 与表2 可知，不同种类杂质覆盖厚度d与覆盖面积S一定时，杂质电导率、磁导率越大，电磁穿透性越弱，对上行信号幅度曲线影响越大，对应答器传输性能影响越大.应答器表面被雪（Ⅰ类杂质）、冰（Ⅱ类杂质）覆盖时，应答器作用距离、BTM接收比特数、BTM 接收安全报文帧数等性能指标未受明显影响，来自旁瓣区的干扰可忽略不计；被道砟、沙子（Ⅲ类杂质）覆盖时，相比于无杂质覆盖，应答器作用距离增大10.49 mm，BTM 接收安全报文帧数增大0.064 6 帧，传输性能指标数值增大，与此同时旁瓣区的干扰风险也增大，上行信号幅度曲线旁瓣区波峰与作用区波峰差值接近30 dB，若d继续增大将不满足上行链路场强一致性要求；被盐水（Ⅳ类杂质）、铁屑和煤粉（Ⅴ类杂质）、铁矿石（Ⅵ类杂质）分别覆盖时，上行信号幅度曲线失真，无法计算传输性能指标值，此时应答器传输性能受到严重影响.

2）不同覆盖厚度下Ⅰ类杂质对应答器传输性能影响.

Ⅰ类杂质覆盖厚度d为150、200、250、300、350 mm，覆盖面积S为390 mm×200 mm 时，应答器上行信号幅度曲线如图11 所示.设定列车速度为300 km/h，计算不同厚度下Ⅰ类杂质覆盖时应答器作用距离等性能指标数据，结果如表3 所示.

表3 不同厚度下Ⅰ类杂质覆盖时应答器性能指标数据结果Tab. 3 Performance index data results of balise with ClassⅠ impurity coverage at different thicknesses

图11 不同厚度下Ⅰ类杂质覆盖时上行信号幅度曲线Fig.11 Uplink signal amplitude curves with Class Ⅰ impurity coverage at different thicknesses

由图11 和表3 可知，应答器表面被雪（Ⅰ类杂质）覆盖时，作用距离、BTM 接收比特数、BTM 接收安全报文帧数随覆盖厚度的增大而减小，但变化甚微，应答器作用距离变化在0.5 mm 以内，BTM 接收安全报文帧数变化在0.000 6帧内.当d=200 mm 时，上行信号幅度曲线作用区出现毛刺，当d≥300 mm 时毛刺越加明显，表明电磁波的穿透力随着d增大越来越弱.欧标规定应答器上方被雪（新鲜的或部分融化的）覆盖，且覆盖等级为A 或B 时，覆盖厚度均不应超过300 mm；从杂质对应答器传输性能的影响分析，当应答器表面被雪覆盖时，覆盖厚度也不应超过300 mm，与欧标规定一致.

3）不同覆盖厚度下Ⅱ类杂质对应答器传输性能影响.

用SPSS l9.0软件处理相关数据,计量资料采用(均数±标准差)表示,数据对比采用独立样本t检验,计数资料采用%表示,采用χ2检验,当P<0.05时,表示差异有统计学意义。

Ⅱ类杂质覆盖厚度d为100、150、200、250、300 mm，覆盖面积S为390 mm×200 mm 时，应答器上行信号幅度曲线如图12 所示.设定列车速度为300 km/h，计算不同厚度下Ⅱ类杂质覆盖时应答器作用距离等性能指标数据，结果如表4 所示.

表4 不同厚度下Ⅱ类杂质覆盖时应答器性能指标数据结果Tab. 4 Performance index data results of balise with ClassⅡ impurity coverage at different thicknesses

图12 不同厚度下Ⅱ类杂质覆盖时上行信号幅度曲线Fig.12 Uplink signal amplitude curves with Class Ⅱ impurity covered at different thicknesses

由图12 和表4 可知，应答器表面被冰、水（Ⅱ类杂质）覆盖且0 mm≤d≤300 mm 时，作用距离变化在2 mm 以内，BTM 接收比特数变化在10 bit 内，BTM 接收安全报文帧数变化在0.009 1 帧内，因此从传输性能指标值来看，d≤300 mm 时，Ⅱ类杂质覆盖对应答器的信息传输几乎没有影响.当d=200 mm 时，上行信号幅度曲线作用区出现毛刺，且d越大越明显，上行信号稳定性越差.欧标规定应答器上方被清澈的水覆盖，且覆盖等级为A、B 时，覆盖厚度分别不应超过200、100 mm；从冰或水对应答器传输性能的影响进行分析，覆盖厚度不应超过200 mm.

4）不同覆盖厚度下Ⅲ类杂质对应答器传输性能影响.

Ⅲ类杂质覆盖厚度d为100、125、150、175、200 mm，覆盖面积S为390 mm×200 mm 时，应答器上行信号幅度曲线如图13 所示，图13（b）为图13（a）中圆圈部分的放大图.

图13 不同厚度下Ⅲ类杂质覆盖时上行信号幅度曲线Fig.13 Uplink signal amplitude curves with Class Ⅲ impurity covered at different thicknesses

设定列车速度为300 km/h，计算不同厚度下Ⅲ类杂质覆盖时应答器作用距离、BTM 接收比特数、BTM 接收安全报文帧数，结果表明这些性能指标数据变化甚微.应答器表面被道砟、沙子（Ⅲ类杂质）覆盖，且0 mm≤d≤200 mm 时，上行信号幅度曲线旁瓣区的磁场强度随着覆盖厚度d的增大而增大.当d≥175 mm 时，旁瓣区峰值与作用区峰值相差小于30 dB，不满足上行链路场强一致性要求；当d=150 mm 时，其差值接近30 dB.欧标规定应答器上方被道砟（主要为石头）覆盖，且覆盖等级为A 或B 时，覆盖厚度均不应超过100 mm；从道砟等对应答器传输性能的影响进行分析，覆盖厚度不应超过150 mm.

5）不同覆盖厚度下Ⅳ类杂质对应答器传输性能影响.

Ⅳ类杂质覆盖厚度d为10、20、30、40、50 mm，覆盖面积S为390 mm×200 mm 时，应答器上行链路信号幅度曲线如图14 所示.设定列车速度为300 km/h，计算不同厚度下Ⅳ类杂质覆盖时应答器作用距离等性能指标数据，结果如表5 所示.

表5 不同厚度下Ⅳ类杂质覆盖时应答器性能指标数据结果Tab. 5 Performance index data results of balise with ClassⅣ impurity coverage at different thicknesses

图14 不同厚度下Ⅳ类杂质覆盖时上行信号幅度曲线Fig.14 Uplink signal amplitude curves with Class Ⅳ impurity covered at different thicknesses

6）不同覆盖厚度下Ⅴ类杂质对应答器传输性能影响.

Ⅴ类杂质覆盖厚度d为10、15、20、25、30 mm，覆盖面积S为390 mm×200 mm 时，应答器上行信号幅度曲线如图15 所示.设定列车速度为300 km/h，计算不同厚度下Ⅴ类杂质覆盖时应答器作用距离等性能指标数据，结果如表6所示.

图15 不同厚度下Ⅴ类杂质覆盖时上行信号幅度曲线Fig.15 Uplink signal amplitude curves with Class Ⅴ impurity covered at different thicknesses

由图15 与表6 可知，应答器表面被煤粉、铁屑（Ⅴ类杂质）覆盖，且0 mm≤d≤30 mm 时，d越大，作用距离、BTM 接收比特数与接收安全报文帧数越小，上行信号幅度曲线作用区向右偏移越多，左侧旁瓣区磁场强度越强，右侧旁瓣区磁场强度越弱.当d=25 mm时，左侧旁瓣区峰值与作用区峰值相差小于30 dB，右侧旁瓣区几乎消失.欧标规定应答器上方被铁粉（列车制动产生的铁粉）覆盖，且覆盖等级为A 或B 时，覆盖厚度均不应超过10 mm；从铁屑对应答器传输性能的影响进行分析，覆盖厚度不应超过25 mm.

7）不同覆盖厚度下Ⅵ类杂质对应答器传输性能影响.

Ⅵ类杂质覆盖厚度d为1.0、2.0、2.5、3.0、4.0 mm，覆盖面积S为390 mm×200 mm 时，应答器上行信号幅度曲线如图16 所示.设定列车速度为300 km/h，计算不同厚度下Ⅵ类杂质覆盖时应答器作用距离等性能指标数据，结果如表7所示.

表7 不同厚度下Ⅵ类杂质覆盖时应答器性能指标数据结果Tab. 7 Performance index data results of balise with ClassⅥ impurity coverage at different thicknesses

图16 不同厚度下Ⅵ类杂质覆盖时上行信号幅度曲线Fig.16 Uplink signal amplitude curves with Class Ⅵ impurity covered at different thicknesses

由图16 与表7 可知，应答器表面被铁矿石（Ⅵ类杂质）覆盖，且0 mm≤d≤4 mm 时，d越大，上行信号幅度曲线作用区向右偏移越多，X负半轴作用距离越小，左侧旁瓣区磁场强度越强，X正半轴与之相反.当d=3 mm 时，左侧旁瓣区几乎消失.欧标规定应答器上方被磁铁矿石覆盖，且覆盖等级为A、B 时，覆盖厚度分别不应超过20、2 mm；从铁矿石对应答器传输性能的影响进行分析，覆盖厚度不应超过2.5 mm.

8）不同覆盖面积下Ⅲ类杂质对应答器传输性能影响.

Ⅲ类杂质覆盖厚度d为150 mm，覆盖面积S分别为 390 mm×200 mm、312 mm×160 mm、234 mm×120 mm、156 mm×80 mm、78 mm×40 mm（宽度每次递减40 mm，长度等比例变化）时，应答器上行信号幅度曲线如图17所示.

图17 不同覆盖面积下Ⅲ类杂质上行信号幅度曲线Fig.17 Uplink signal amplitude curves with Class Ⅲimpurity covered at different coverage areas

设定列车速度为300 km/h，计算Ⅲ类杂质不同覆盖面积下应答器作用距离、BTM 接收比特数、BTM 接收安全报文帧数.结果表明，当应答器表面被杂质完全覆盖时，应答器传输性能受影响较大；应答器表面被杂质部分覆盖时，应答器传输性能受影响较小.

9）不同种类杂质同时覆盖对应答器传输性能影响.

铁路沿线杂质多种多样，在列车实际运行过程中，应答器表面不止1 种杂质覆盖，多种杂质同时覆盖的情形也会出现.覆盖面积S为390 mm×200 mm，不同种类杂质同时覆盖于应答器表面时，仿真得到的应答器上行信号幅度曲线如图18所示.

图18 多种杂质同时覆盖时上行链路信号幅度曲线Fig.18 Uplink signal amplitude curves with simultaneous coverage of multiple impurities

由图18 可知，应答器表面被Ⅰ类与Ⅲ类杂质同时覆盖时，覆盖厚度分别不应超过200、100 mm；被Ⅰ类与Ⅴ类杂质同时覆盖时，覆盖厚度分别不应超过160、10 mm；被Ⅱ类与Ⅲ类杂质同时覆盖时，覆盖厚度分别不应超过120、100 mm；被Ⅱ类与Ⅴ类杂质同时覆盖时，覆盖厚度分别不应超过90、10 mm.与只有1 类杂质覆盖相比，2 类及以上杂质同时覆盖对应答器传输性能影响更大，若其中1 类杂质覆盖厚度超过仿真值，应答器传输性能将受到严重影响.