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(shù)的快速發(fā)展，地面應(yīng)答器被大量應(yīng)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(yīng)和采購地面應(yīng)答器1 600余臺。目前，傳統(tǒng)的“定期修”“故障修”運維模式無法及時有效地針對地面應(yīng)答器的實時性能進行預(yù)測與判斷［2-3］。

隨著故障預(yù)測與健康管理（Prognostics and Health Management，PHM）技術(shù)的發(fā)展，符合中國高速鐵路實際情況的故障預(yù)測與健康管理系統(tǒng)也應(yīng)運而生，相繼提出了面向工務(wù)、電務(wù)、供電等專業(yè)的綜合維修一體化檢測監(jiān)測體系、電務(wù)安全監(jiān)控技術(shù)體系（8D系統(tǒng)）、綜合智能化電務(wù)監(jiān)測維護系統(tǒng)、動車組PHM系統(tǒng)等故障預(yù)測與健康管理系統(tǒng)與體系，為實現(xiàn)電務(wù)設(shè)備由“故障修”到“狀態(tài)修”的綜合智能維護提供了可行途徑［4-7］。

1 地面應(yīng)答器智能維護需求分析

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

IEEE standard 1856描述了電子設(shè)備故障預(yù)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(shè)備PHM實施過程功能框圖

根據(jù)圖1可知，要實現(xiàn)地面應(yīng)答器智能維護，至少要涵蓋電子設(shè)備PHM中數(shù)據(jù)感知、健康監(jiān)測與評估等過程。數(shù)據(jù)感知主要涉及地面應(yīng)答器內(nèi)在和外在的健康狀態(tài)變量的提??；健康監(jiān)測與評估過程實現(xiàn)對地面應(yīng)答器健康狀態(tài)變量的采集與傳輸，健康狀態(tài)的檢測、評估與預(yù)測，健康狀態(tài)數(shù)據(jù)的顯示等。健康狀態(tài)的檢測、評估與預(yù)測作為地面應(yīng)答器智能維護的關(guān)鍵核心技術(shù)，其功能描述如下：①健康狀態(tài)檢測，根據(jù)系統(tǒng)正常運行狀態(tài)，生成系統(tǒng)正?；虍惓顟B(tài)指標(biāo)；②健康狀態(tài)評估，提供系統(tǒng)當(dāng)前健康狀態(tài)的信息；③健康狀態(tài)預(yù)測，提供系統(tǒng)未來健康狀態(tài)、剩余使用性能等指標(biāo)。

鑒于地面應(yīng)答器目前的維護技術(shù)現(xiàn)狀，本文以高速綜合檢測列車動態(tài)檢測作為智能運維的背景，重點研究地面應(yīng)答器健康狀態(tài)動態(tài)檢測與評估技術(shù)。在高速檢測列車通過地面應(yīng)答器時，下行鏈路能量信號激活地面應(yīng)答器開始工作，地面應(yīng)答器將內(nèi)部存儲的報文通過上行鏈路發(fā)送給車載設(shè)備。目前，地面應(yīng)答器健康狀態(tài)動態(tài)檢測的數(shù)據(jù)主要包括系統(tǒng)上行鏈路傳輸性能及應(yīng)答器報文正確性分析，缺乏地面應(yīng)答器雙鏈路傳輸性能數(shù)據(jù)的監(jiān)測，以及數(shù)據(jù)與系統(tǒng)內(nèi)涵間的深層次挖掘與分析。

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

2 基于雙鏈路監(jiān)測的地面應(yīng)答器健康狀態(tài)動態(tài)檢測

2.1 地面應(yīng)答器動態(tài)檢測過程分析

為分析地面應(yīng)答器雙鏈路監(jiān)測數(shù)據(jù)與系統(tǒng)工作性能的關(guān)系，需要對地面應(yīng)答器動態(tài)檢測過程，特別是地面應(yīng)答器的內(nèi)部物理性能、外部運行條件和環(huán)境進行分析。地面應(yīng)答器健康狀態(tài)動態(tài)檢測示意圖見圖2，主要通過下行鏈路與上行鏈路實現(xiàn)對地面應(yīng)答器的健康狀態(tài)動態(tài)檢測。

圖2 地面應(yīng)答器健康狀態(tài)動態(tài)檢測示意圖

地面應(yīng)答器內(nèi)部模塊按功能劃分，主要包括無線能量收集模塊與無線數(shù)據(jù)傳輸模塊［13-15］。無線能量收集模塊將車載天線發(fā)送的27.085 MHz能量信號轉(zhuǎn)換為可供后級電路工作的電壓信號，其內(nèi)部電路主要包括天線補償拓?fù)潆娐贰C/DC、濾波與穩(wěn)壓等能量轉(zhuǎn)換電路；無線數(shù)據(jù)傳輸模塊將應(yīng)答器存儲的報文以FSK信號發(fā)送給車載設(shè)備，其內(nèi)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(fā)送電路等。

地面應(yīng)答器動態(tài)檢測過程中，下行鏈路主要作用于地面應(yīng)答器無線能量收集模塊，并對后級上行鏈路產(chǎn)生影響；而上行鏈路主要反映無線數(shù)據(jù)傳輸模塊的工作性能，部分動態(tài)指標(biāo)也能間接反映無線能量收集模塊的工作性能。地面應(yīng)答器下行鏈路與上行鏈路動態(tài)傳輸過程中，極易受到車地相對位置、車地相對速度、空間環(huán)境介質(zhì)等隨機信息擾動的影響，造成系統(tǒng)健康狀態(tài)數(shù)據(jù)發(fā)生隨機變化［10-11，16］。因此，有必要基于地面應(yīng)答器工作原理對雙鏈路動態(tài)檢測過程與健康狀態(tài)數(shù)據(jù)進行深層次分析，理清地面應(yīng)答器健康狀態(tài)動態(tài)檢測數(shù)據(jù)的表征涵義。

2.2 地面應(yīng)答器下行鏈路動態(tài)檢測

應(yīng)答器傳輸系統(tǒng)下行鏈路信號磁感應(yīng)強度（BZ）和地面應(yīng)答器接收天線動態(tài)感應(yīng)電壓（IV?BA）是衡量應(yīng)答器傳輸系統(tǒng)下行鏈路傳輸性能的2項重要參數(shù)［17］。但是鐵路現(xiàn)場無法對上述參數(shù)進行直接監(jiān)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(yīng)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(yīng)答器下行鏈路動態(tài)檢測等效阻抗模型［10，13，15］。

圖3 下行鏈路動態(tài)檢測等效阻抗模型

圖3 中：虛框內(nèi)為車地天線耦合過程，為簡化電路分析暫不考慮天線內(nèi)阻；LP、LS為天線固有電感，CP、CS為天線串行補償拓?fù)?，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(fù)載等效阻抗。

傳統(tǒng)射頻能量收集系統(tǒng)評價指標(biāo)主要包括能量轉(zhuǎn)換效率、敏感性、最大激活電壓、整流輸出電壓、負(fù)載電壓電流等［15］。但地面應(yīng)答器作為成品設(shè)備，在設(shè)備設(shè)計時暫未考慮對上述參數(shù)進行檢測并傳輸給監(jiān)測終端，因此無法采用傳統(tǒng)射頻能量收集系統(tǒng)評價指標(biāo)對地面應(yīng)答器下行鏈路動態(tài)檢測過程進行分析。參考RFID標(biāo)簽動態(tài)性能檢測方法，可采用實時阻抗測量方法對地面應(yīng)答器下行鏈路動態(tài)檢測過程進行分析［18］。

根據(jù)基爾霍夫電壓定律可知，當(dāng)車載天線經(jīng)過地面應(yīng)答器時，車載天線輸入阻抗?jié)M足以下公式：

式中：M為車地天線間互感系數(shù)；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(fù)載、整流濾波和補償拓?fù)涞淖杩埂?/p>

通過公式（1）可知，地面應(yīng)答器下行鏈路動態(tài)檢測時，車載天線的輸入阻抗可以通過互感系數(shù)M反映車地相對位置、車地相對速度、空間環(huán)境介質(zhì)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(yīng)答器無線能量收集模塊性能的變化，且可以在鐵路現(xiàn)場實時測量車載天線的輸入阻抗。因此，對地面應(yīng)答器下行鏈路的動態(tài)檢測可通過測量車載天線的輸入阻抗來實現(xiàn)。

2.3 地面應(yīng)答器上行鏈路動態(tài)檢測

目前，在地面應(yīng)答器上行鏈路動態(tài)檢測方面，研究成果相對成熟，國內(nèi)外學(xué)者與研究機構(gòu)提出了多 項可供 檢測與 分析的 動態(tài)檢 測指標(biāo)［12，16，19］，按檢測類型不同可以分為報文內(nèi)容檢測、波形數(shù)據(jù)檢測和動態(tài)參數(shù)檢測，如表1所示。

表1 應(yīng)答器上行鏈路動態(tài)檢測指標(biāo)

報文內(nèi)容檢測主要對用戶報文數(shù)據(jù)的正確性進行檢測，波形數(shù)據(jù)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(yīng)答器無線數(shù)據(jù)傳輸模塊的物理性能；動態(tài)參數(shù)檢測涉及地面應(yīng)答器無線數(shù)據(jù)傳輸?shù)膭討B(tài)過程，不僅與地面應(yīng)答器無線數(shù)據(jù)傳輸模塊的物理性能有關(guān)，而且很大程度上取決于地面應(yīng)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(huán)境條件等因素。通過上述分析有助于深層理解地面應(yīng)答器動態(tài)檢測指標(biāo)的表征涵義，進而合理地使用正確的檢測指標(biāo)來分析系統(tǒng)健康狀態(tài)。

3 基于雙鏈路檢測數(shù)據(jù)的地面應(yīng)答器健康狀態(tài)評估

3.1 地面應(yīng)答器健康狀態(tài)評估流程

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

圖4 地面應(yīng)答器健康狀態(tài)評估流程

步驟1：根據(jù)前文分析的地面應(yīng)答器動態(tài)檢測參數(shù)，建立目標(biāo)層、指標(biāo)層、子指標(biāo)層的健康狀態(tài)評估指標(biāo)體系，具體如圖5所示，并根據(jù)動態(tài)檢測的實際數(shù)據(jù)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(qū)數(shù)據(jù)的最小值、最大值、標(biāo)準(zhǔn)差、平均值、峰度、偏態(tài)6項參數(shù)作為車載天線輸入阻抗子指標(biāo)層的特征值［21］。

圖5 地面應(yīng)答器健康狀態(tài)評估指標(biāo)體系

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

步驟3：采用集對分析方法計算出子指標(biāo)層各指標(biāo)與地面應(yīng)答器各健康狀態(tài)等級之間的聯(lián)系度，得到指標(biāo)層各指標(biāo)與地面應(yīng)答器各健康狀態(tài)等級之間的聯(lián)系度。

步驟4：將步驟3中得到的指標(biāo)層各指標(biāo)與地面應(yīng)答器各健康狀態(tài)等級之間的聯(lián)系度作為基本概率分配并進行修訂，然后采用證據(jù)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(zhǔn)則來判斷整合結(jié)果，從而確定地面應(yīng)答器的健康狀態(tài)等級并給出分析結(jié)果。

3.2 基于雙鏈路檢測數(shù)據(jù)的健康指標(biāo)權(quán)重確定

為發(fā)揮雙鏈路動態(tài)檢測模型與數(shù)據(jù)的優(yōu)勢，針對上節(jié)步驟2中采用靈敏度分析法計算子指標(biāo)層各指標(biāo)常權(quán)重進行實驗設(shè)計。

靈敏度分析是研究系統(tǒng)中不同輸入的不確定性對輸出影響嚴(yán)重程度的方法?；趯Φ孛鎽?yīng)答器雙鏈路動態(tài)檢測的分析發(fā)現(xiàn)，影響地面應(yīng)答器健康狀態(tài)的因素主要有車地相對位置、車地相對速度、空間環(huán)境介質(zhì)、系統(tǒng)物理性能等，可設(shè)計下述4類靈敏度分析實驗，以確定系統(tǒng)健康狀態(tài)指標(biāo)權(quán)重值。

實驗類型1：假設(shè)列車以120km/h的運行速度通過應(yīng)答器，此時空間環(huán)境無雜質(zhì)，以應(yīng)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(tǒng)健康狀態(tài)指標(biāo)靈敏度。

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

實驗類型3：假設(shè)列車以120 km/h的運行速度通過應(yīng)答器，此時空間環(huán)境有雜質(zhì)，應(yīng)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(zhì)變化下系統(tǒng)健康狀態(tài)指標(biāo)靈敏度。

實驗類型4：假設(shè)列車以120 km/h的運行速度通過應(yīng)答器，此時空間環(huán)境無雜質(zhì)，應(yīng)答器和車載天線的相對安裝高度h=220 mm，分析地面應(yīng)答器物理性能變化下系統(tǒng)健康狀態(tài)指標(biāo)靈敏度。

根據(jù)上述實驗靈敏度分析結(jié)果，確定地面應(yīng)答器健康狀態(tài)子指標(biāo)層的各評估指標(biāo)的常權(quán)重。

4 結(jié)語

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

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