陳 曦

在高速鐵路CTCS-3級(jí)列控業(yè)務(wù)中，車載電臺(tái)發(fā)生故障會(huì)導(dǎo)致無(wú)線通信超時(shí)甚至降級(jí)停車［1］，影響高鐵運(yùn)行效率。目前，發(fā)生無(wú)線通信超時(shí)并定位為電臺(tái)故障后，為了不影響動(dòng)車組的運(yùn)行計(jì)劃，通常會(huì)第一時(shí)間安排更換電臺(tái)。該方法雖行之有效，但屬于“事后處理”，而現(xiàn)階段更需要具備“事前預(yù)防”的手段。為適應(yīng)我國(guó)高速鐵路數(shù)字化、智能化的發(fā)展需求，開(kāi)展對(duì)ATP 車載電臺(tái)的智能化健康狀態(tài)評(píng)估，對(duì)提升高鐵的安全性和運(yùn)營(yíng)效率愈加重要。

近年來(lái)，隨著GSM-R 接口監(jiān)測(cè)系統(tǒng)建設(shè)趨于完善，地面PRI（CTCS-3 級(jí)列控系統(tǒng)無(wú)線閉塞中心與GSM-R 移動(dòng)交換中心間）、A（GSM-R 移動(dòng)交換中心與無(wú)線子系統(tǒng)間）、Abis（GSM-R 基站控制器與基站收發(fā)信臺(tái)間）三接口監(jiān)測(cè)系統(tǒng)［2］已在全路完成部署，車載空口監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在全路超過(guò)半數(shù)動(dòng)車組上已完成安裝，基站空口監(jiān)測(cè)系統(tǒng)也在各路局部分重點(diǎn)基站完成建設(shè)［3］，使得基于三接口監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)、車載空口監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)、基站空口監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的車載電臺(tái)健康狀態(tài)評(píng)估成為了可能?；诙嘣磾?shù)據(jù)匯聚融合處理，本文提出一種車載電臺(tái)健康狀態(tài)評(píng)估算法，旨在掌握車載電臺(tái)健康狀態(tài)，降低電臺(tái)的運(yùn)行故障率，提高高鐵運(yùn)行安全性和運(yùn)營(yíng)效率。

1 電臺(tái)常見(jiàn)故障及特征

1.1 天饋系統(tǒng)故障

天饋系統(tǒng)經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間使用可能會(huì)老化，導(dǎo)致接觸不良、密封處斷裂并造成活動(dòng)障礙等，使得駐波比變高，信號(hào)衰耗變大，傳輸電平低，接收到的信號(hào)強(qiáng)度減弱［4］，且此類天饋線故障往往難以查找；在安裝維護(hù)過(guò)程中頻繁插拔天饋線接頭，再加上列車運(yùn)行時(shí)的震動(dòng)，可能會(huì)使得天饋線接頭松脫，無(wú)法收發(fā)信號(hào)［5］。

這類故障從接口監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)上觀察，表現(xiàn)為上下行電平與平均水平相比偏低。

1.2 SIM卡松脫

SIM卡的卡托老化再加上列車的震動(dòng)，會(huì)導(dǎo)致SIM 卡的卡托松脫，使得SIM 卡集成電路中的引腳與電臺(tái)中的卡座接觸不良［6］，或者SIM 卡在高溫及列車運(yùn)行震動(dòng)的情況下發(fā)生形變，導(dǎo)致SIM卡與卡座接觸不良，電臺(tái)無(wú)法識(shí)別SIM 卡，造成電臺(tái)無(wú)法入網(wǎng)［7］。

通過(guò)分析接口監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)可知，這類故障表現(xiàn)為長(zhǎng)時(shí)間沒(méi)有入網(wǎng)數(shù)據(jù)。此外，在IGSM-R接口［8］上能看到無(wú)法讀取SIM卡的相關(guān)AT指令提示。

1.3 射頻器件老化

當(dāng)射頻電路中的電容、電感老化或損壞時(shí)，會(huì)導(dǎo)致功率傳輸時(shí)阻抗不匹配，傳輸線出現(xiàn)更多信號(hào)反射，駐波比變高，射頻的收發(fā)性能均受到影響；當(dāng)設(shè)備內(nèi)晶振出現(xiàn)老化的情況后，會(huì)導(dǎo)致頻偏增大，最終表現(xiàn)為接收質(zhì)量惡化、切換失敗率和中斷率升高等；放大器長(zhǎng)時(shí)間工作后老化，性能下降，會(huì)導(dǎo)致射頻的發(fā)射功率下降，輸出能力減弱。

通過(guò)分析接口監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)可知，這類故障表現(xiàn)為上行電平明顯偏低。

1.4 通信軟件問(wèn)題

GSM-R 電臺(tái)基于3GPP［9］標(biāo)準(zhǔn)研制。3GPP標(biāo)準(zhǔn)主要針對(duì)公眾移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)營(yíng)場(chǎng)景進(jìn)行相關(guān)參數(shù)的規(guī)定，在自主化電臺(tái)研制過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，在高鐵環(huán)境下需要優(yōu)化這些參數(shù)以適應(yīng)高鐵無(wú)線網(wǎng)絡(luò)環(huán)境要求。參數(shù)優(yōu)化過(guò)程中出現(xiàn)的問(wèn)題往往表現(xiàn)多樣，例如工作波段被地面信號(hào)干擾造成無(wú)法正常跨區(qū)切換［10］、測(cè)量報(bào)告發(fā)送異常等。

通過(guò)分析接口監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，這類故障表現(xiàn)為切換失敗率和連接中斷率升高等。

2 數(shù)據(jù)提取

用于車載電臺(tái)健康狀態(tài)評(píng)估的數(shù)據(jù)主要來(lái)自地面三接口監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)、基站空口監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)和車載空口監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。地面三接口監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)需從接口監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中提取，基站、車載空口監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)需從空口監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中提取，提取前需通過(guò)數(shù)據(jù)對(duì)照的方式完成各系統(tǒng)數(shù)據(jù)的時(shí)間同步。

1）從地面三接口監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)中主要提取Abis 接口測(cè)量報(bào)告、Abis接口切換記錄和PRI接口呼叫記錄等。Abis 接口測(cè)量報(bào)告中包含上行電平、下行電平、上行接收質(zhì)量、下行接收質(zhì)量等數(shù)據(jù)；Abis接口切換記錄中包含切入下行電平、切出下行電平、切換失敗等數(shù)據(jù)；通過(guò)PRI接口呼叫記錄可獲取呼叫異常中斷信息等。

2）基站空口監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)和車載空口監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)主要用于在判斷連續(xù)質(zhì)差時(shí)排除非車載原因?qū)е碌馁|(zhì)差，提取空口監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)時(shí)需按照評(píng)估小區(qū)和目標(biāo)動(dòng)車組做數(shù)據(jù)篩選，再通過(guò)數(shù)據(jù)比對(duì)完成質(zhì)差原因判斷。

3）從車載空口監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)中提取IGSM?R接口AT指令數(shù)據(jù)［11］，用于計(jì)算呼叫失敗率。

3 健康狀態(tài)評(píng)估算法

健康狀態(tài)評(píng)估算法的整體思路：①根據(jù)上下行電平、上下行接收質(zhì)量、切換失敗率、連接中斷率等指標(biāo)，通過(guò)不斷的學(xué)習(xí)與迭代，形成能夠代表電臺(tái)健康程度的模型，作為評(píng)分基準(zhǔn)；②提取車載電臺(tái)各個(gè)特征值與評(píng)分基準(zhǔn)值進(jìn)行比對(duì)，對(duì)各項(xiàng)特征值賦予不同的權(quán)重，然后計(jì)算車載電臺(tái)的健康狀態(tài)評(píng)估總分。

本算法是對(duì)車載電臺(tái)健康狀態(tài)進(jìn)行的量化評(píng)估，實(shí)際應(yīng)用中當(dāng)車載電臺(tái)各項(xiàng)指標(biāo)能夠達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)水平時(shí)即可得到滿分，健康狀態(tài)評(píng)估分越低，表示與標(biāo)準(zhǔn)水平差距越大，表明電臺(tái)狀態(tài)越差。

3.1 評(píng)分基準(zhǔn)的建立

車載電臺(tái)的健康狀態(tài)評(píng)估基礎(chǔ)模型M是由n個(gè)小區(qū)基礎(chǔ)模型m組成的集合，M={m1，m2，m3，…，mn}。小區(qū)基礎(chǔ)模型m包含小區(qū)全部p個(gè)頻點(diǎn)提取的特征值數(shù)據(jù)集B，m={CN，B1，B2，…，Bp}。其中，CN為小區(qū)名，用于標(biāo)識(shí)小區(qū)；B={A，LAVGU，LAVGD，LHOI，LHOO，RHOF，S，PU，PD，f(LDV) }；A為ARFCN，指絕對(duì)無(wú)線頻道編號(hào)，GSM-R 系統(tǒng)的ARFCN 范圍從999～1 019，共21 個(gè)頻點(diǎn)；LAVGU為平均上行電平；LAVGD為平均下行電平；LHOI為切入下行電平；LHOO為切出下行電平；RHOF為切換失敗率；S為連續(xù)質(zhì)差數(shù)據(jù)比例；PU為上行接收質(zhì)量評(píng)分；PD為下行接收質(zhì)量評(píng)分；f(LDV)為上下行電平差值評(píng)分。

3.1.1 平均上下行電平計(jì)算

分別讀取評(píng)估小區(qū)Abis 接口全部數(shù)據(jù)的上下行電平值，計(jì)算平均電平值LAVG為

式中：Li為第i條數(shù)據(jù)的電平值；n為數(shù)據(jù)的總條數(shù)。

3.1.2 切入、切出下行電平值計(jì)算

從Abis 接口切換記錄中直接讀取切入到評(píng)估小區(qū)的“切換后下行電平”數(shù)據(jù)作為切入下行電平值，讀取切出評(píng)估小區(qū)的“切換前下行電平”數(shù)據(jù)作為切出下行電平值。

3.1.3 切換失敗率計(jì)算

讀取Abis 接口切換記錄，評(píng)估小區(qū)內(nèi)“切換結(jié)果”不等于“成功”的切換記錄條數(shù)與切換總條數(shù)的比值即為切換失敗率。

3.1.4 連續(xù)質(zhì)差數(shù)據(jù)比例計(jì)算

接收質(zhì)量大于3 級(jí)的測(cè)量報(bào)告稱為一個(gè)質(zhì)差報(bào)告，數(shù)據(jù)連續(xù)質(zhì)差的判斷方法為：從第1 個(gè)質(zhì)差報(bào)告出現(xiàn)，直到下一個(gè)大于5 幀的連續(xù)無(wú)質(zhì)差測(cè)量報(bào)告數(shù)據(jù)段為止，若期間的質(zhì)差報(bào)告數(shù)≥5 幀，則計(jì)為一個(gè)連續(xù)質(zhì)差數(shù)據(jù)段。連續(xù)質(zhì)差判斷示意見(jiàn)圖1。

圖1 連續(xù)質(zhì)差判斷示意

圖1 中共32 幀連續(xù)測(cè)量報(bào)告，標(biāo)注的各數(shù)據(jù)段說(shuō)明如下。

1）數(shù)據(jù)段A 出現(xiàn)質(zhì)差報(bào)告，連續(xù)質(zhì)差判斷開(kāi)始。

2）數(shù)據(jù)段B 出現(xiàn)一個(gè)大于5 幀的連續(xù)無(wú)質(zhì)差報(bào)告數(shù)據(jù)段，Tc=7幀，連續(xù)質(zhì)差判斷終止，此時(shí)數(shù)據(jù)段A 的質(zhì)差報(bào)告幀數(shù)Terr=3幀，小于5 幀，因此不計(jì)入連續(xù)質(zhì)差數(shù)據(jù)。

3）數(shù)據(jù)段C 出現(xiàn)質(zhì)差報(bào)告，連續(xù)質(zhì)差判斷開(kāi)始。

4）數(shù)據(jù)段D 出現(xiàn)一個(gè)小于5 幀的連續(xù)無(wú)質(zhì)差報(bào)告數(shù)據(jù)段，Tc=2幀。

5）數(shù)據(jù)段E 再次出現(xiàn)質(zhì)差報(bào)告，連續(xù)質(zhì)差判斷繼續(xù)。

6）數(shù)據(jù)段F 出現(xiàn)一個(gè)大于5 幀的連續(xù)無(wú)質(zhì)差報(bào)告數(shù)據(jù)段，Tc=8 幀，連續(xù)質(zhì)差判斷結(jié)束，此時(shí)數(shù)據(jù)段C+D+E 質(zhì)差報(bào)告幀數(shù)Terr=7幀，大于5幀，合并計(jì)為連續(xù)質(zhì)差報(bào)告數(shù)據(jù)段。

連續(xù)質(zhì)差數(shù)據(jù)比例S為式中：countbq為全部連續(xù)質(zhì)差數(shù)據(jù)段包含的數(shù)據(jù)條數(shù)；n為數(shù)據(jù)的總條數(shù)。

3.1.5 上下行接收質(zhì)量評(píng)分計(jì)算

讀取評(píng)估小區(qū)全部的接收質(zhì)量數(shù)據(jù)，分別計(jì)算接收質(zhì)量等級(jí)0～7 的數(shù)據(jù)條數(shù)。根據(jù)各等級(jí)接收質(zhì)量的數(shù)據(jù)量占比計(jì)算接收質(zhì)量評(píng)分P為

式中：wi為接收質(zhì)量等級(jí)i在評(píng)分算法中的權(quán)重，wi=2-i；counti為接收質(zhì)量等級(jí)i的數(shù)據(jù)條數(shù)；n為數(shù)據(jù)的總條數(shù)。

3.1.6 上下行電平差值評(píng)分計(jì)算

讀取評(píng)估小區(qū)Abis 接口全部數(shù)據(jù)，計(jì)算每條數(shù)據(jù)的上下行電平差值LDV為

式中：LUi為第i條數(shù)據(jù)的上行電平值；LDi為第i條數(shù)據(jù)的下行電平值；n為數(shù)據(jù)的總條數(shù)。

LDV≤15 dB 時(shí)，評(píng)分為滿分100，每增大1 dB遞減5分，最小評(píng)分為0分，評(píng)分方法為

3.2 電臺(tái)健康狀態(tài)評(píng)分

對(duì)電臺(tái)進(jìn)行健康狀態(tài)評(píng)分時(shí)，首先按照上述評(píng)分基準(zhǔn)建立算法，計(jì)算某電臺(tái)在各評(píng)估小區(qū)的所有特征值，與評(píng)分基準(zhǔn)值進(jìn)行對(duì)比評(píng)分，再減去該電臺(tái)通信異常中斷和呼叫失敗的分?jǐn)?shù)，最后將評(píng)估總分?jǐn)M合為1～5 分，共5 個(gè)等級(jí)，表示電臺(tái)健康狀態(tài)。

3.2.1 基于基準(zhǔn)值的健康狀態(tài)評(píng)分算法

健康評(píng)分規(guī)則采用與基礎(chǔ)模型標(biāo)準(zhǔn)值對(duì)比的方式，按照分段閾值評(píng)分規(guī)則和所占權(quán)重完成對(duì)小區(qū)模型m中各項(xiàng)指標(biāo)的評(píng)分。

分段閾值評(píng)分規(guī)則是指將某項(xiàng)指標(biāo)的取值范圍進(jìn)行分段，每個(gè)分段賦予不同的分?jǐn)?shù)，數(shù)值處于相應(yīng)分段得到對(duì)應(yīng)的分?jǐn)?shù)。例如：假設(shè)平均下行電平的標(biāo)準(zhǔn)值LAVG=-50 dBm，其平均下行電平的評(píng)分規(guī)則可設(shè)置為

設(shè)某電臺(tái)在評(píng)估小區(qū)C1的總評(píng)分為F1，共計(jì)k個(gè)指標(biāo)，各項(xiàng)指標(biāo)分值分別為P1、P2……Pk，其所占權(quán)重分別為W1、W2……Wk，則F1為

車載電臺(tái)基于基礎(chǔ)模型M的健康評(píng)分FM為

式中：n為基礎(chǔ)模型中的小區(qū)模型個(gè)數(shù)。

3.2.2 其他減分條件

通信異常中斷和電臺(tái)呼叫失敗率作為減分項(xiàng)計(jì)入評(píng)估。

通信異常中斷分?jǐn)?shù)Fe為

式中：H為中斷減分?jǐn)?shù)；Icount為中斷次數(shù)。

獲取某時(shí)間段車載空口數(shù)據(jù)中的AT 指令數(shù)據(jù)，分別統(tǒng)計(jì)其中的呼叫總次數(shù)、呼叫失敗次數(shù)，即可算出呼叫失敗率。電臺(tái)呼叫失敗率分?jǐn)?shù)Ff為

式中：Frate為呼叫失敗率；Wcon為固定權(quán)重分?jǐn)?shù)。

3.2.3 車載電臺(tái)健康狀態(tài)評(píng)估總分

根據(jù)車載電臺(tái)基于基礎(chǔ)模型M的健康評(píng)分FM、電臺(tái)通信異常中斷分?jǐn)?shù)Fe、電臺(tái)呼叫失敗率分?jǐn)?shù)Ff，得到車載電臺(tái)健康狀態(tài)評(píng)分F為

F與評(píng)分基準(zhǔn)Fs按比例擬合形成Ffit為

最終評(píng)分結(jié)果：5分為優(yōu)秀；4分為良好；3分為中等；2分為偏差；1分為差。

4 算法驗(yàn)證

對(duì)2022-11-19 至2023-03-06 的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，利用車載電臺(tái)健康狀態(tài)評(píng)估算法進(jìn)行測(cè)試評(píng)估，涉及351 個(gè)電臺(tái)，每個(gè)電臺(tái)經(jīng)過(guò)評(píng)估路段的數(shù)據(jù)收集篩選統(tǒng)計(jì)計(jì)為一次評(píng)估，共進(jìn)行13 205 次數(shù)據(jù)評(píng)估。評(píng)估結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 評(píng)估結(jié)果

根據(jù)表1 追溯到某電臺(tái)多次評(píng)分為1。分析該電臺(tái)接口監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，見(jiàn)圖2。圖2 中，紅框中連續(xù)多個(gè)測(cè)量報(bào)告中的上行通信質(zhì)量均較低（縱坐標(biāo)為通信質(zhì)量等級(jí)，0最佳，7為最差，5級(jí)以上可視為質(zhì)差），說(shuō)明該電臺(tái)上行連續(xù)質(zhì)差嚴(yán)重，存在較高的故障風(fēng)險(xiǎn)。

圖2 上行通信質(zhì)量曲線

經(jīng)驗(yàn)證，該算法可準(zhǔn)確描述車載電臺(tái)的健康狀態(tài)，達(dá)到及時(shí)發(fā)現(xiàn)有故障風(fēng)險(xiǎn)電臺(tái)的目的，運(yùn)維人員可對(duì)健康狀態(tài)差的電臺(tái)提前處理，從而實(shí)現(xiàn)電臺(tái)故障的事前預(yù)防。

5 結(jié)束語(yǔ)

從近4 個(gè)月的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果可見(jiàn)，車載電臺(tái)健康狀態(tài)評(píng)估算法能夠有效發(fā)現(xiàn)存在隱患的電臺(tái)。在實(shí)際應(yīng)用中，可通過(guò)該算法做初步篩選，然后經(jīng)過(guò)人工核實(shí)，對(duì)確實(shí)存在隱患的電臺(tái)采取相應(yīng)的整改措施，以提高電臺(tái)的運(yùn)行質(zhì)量。

下一步將繼續(xù)優(yōu)化權(quán)重參數(shù)配置，以更準(zhǔn)確地評(píng)估電臺(tái)健康狀態(tài)，同時(shí)結(jié)合CTCS-3級(jí)列控系統(tǒng)無(wú)線通信超時(shí)自動(dòng)分析結(jié)果，推動(dòng)車載MT電臺(tái)維護(hù)向智能化發(fā)展，不斷提高M(jìn)T電臺(tái)的智能運(yùn)維水平，顯著減少因MT電臺(tái)性能不穩(wěn)定引發(fā)車地?zé)o線通信超時(shí)或中斷，導(dǎo)致CTCS-3級(jí)列控系統(tǒng)降級(jí)運(yùn)行的故障，提升高鐵運(yùn)行效率。