杨 馨

该项目获得第34届全国青少年科技创新大赛创新成果竞赛项目中学组物理与天文学一等奖。

指导教师：魏丽真、葛渊波、陈勇明。

研究背景

随着城市轨道交通的建设发展，乘坐地铁出行成为越来越多市民的首选。载满乘客的地铁列车每天飞驰在城市的各个角落，地铁的安全运营关系到每个人的人身安全。而作为地铁列车运行的重要系统——地铁信号系统一旦发生故障失去控制将影响地铁的安全运营。为此，我结合所学的物理学原理，查阅大量资料，请教教师，针对地铁信号天馈线系统进行了深入研究，设计了对轨道交通无线传输信号的智能监测及预警系统（见图1）。

图1 轨道交通无线传输信号智能监测及预警系统实物图

物理原理

驻波比原理

由于驻波比能表征电磁波的分布规律，所以它是天馈线系统和元器件的一项重要参数，驻波比测量也成为一项重要的测量参数，用以检测天馈线系统的健康状态。在无线电通信中，驻波是天线与馈线的阻抗不匹配或天线与发射机的阻抗不匹配而产生的，是一种入射波与反射波相互叠加而形成的不再推进的波，这种波在二者电压（或电流）相加的点出现波腹，在二者电压（或电流）相减的点形成波节，波节和波腹的位置始终是不变的。驻波的形成过程如图2所示，绿色表示入射波，蓝色表示反射波，红色是入射波和反射波叠加形成的驻波。

在地铁信号系统内，天馈线安装在地铁通道内，根据驻波比的定义，我在探究中将无线信号传输性能简化为天馈线的驻波比进行研究。

图2 驻波的形成过程

分析结论

①驻波的出现，使无线信号传输的效率下降；②驻波比反映天线辐射能力，即无线信号传输性能的一个重要参数，天线的驻波比接近1，可以提高无线信号传输的效率；③通过检测天馈线驻波比的异常情况，达到监测无线信号传输性能的目的。

实验思路

根据以上原理，无线信号传输性能和信号强度归根结底是天馈线的辐射能力问题，一旦天馈线的驻波比出现异常，无线传输性能一定会受到影响。通过对天馈线的驻波比进行监测，可以判断无线信号传输是否正常。我结合掌握的知识，提出了一种无线信号传输智能监测及预警的思路。首先，通过天馈线检测设备采集天馈线驻波比数据，进行计算分析，对无线信号传输实施故障预警。天馈线检测设备安装在天馈线前端，监测应用程序安装于巡检列车上。轨道交通无线信号传输智能监测及预警系统框图见图3。

实验方案

天馈线驻波比的信号采集由天馈线检测设备完成。使用耦合器采集天线的发射和反射功率信号，经过检波、模数转换后，进入CPU进行数据初步处理，根据函数公式，计算天馈线驻波比。

安装在巡检列车上的监测应用程序收集的天馈线自检数据，由于接收到的是多路信号，因此需要将各个数据分离出来，依据天馈线和路由器的编码存入数据库。根据这些存储数据，可以进行数据查询、趋势分析等计算。最后，监测应用程序可绘制趋势曲线，如有传输信号低于列车正常运行所要求的阈值这类问题时，会告警通知工作人员，及时介入处理。这种方法相比于人工检测极大地提高了维护效率，同时避免了由于人工频繁拆装引起的安全隐患。

实验过程

根据上述原理，我对信号采集、数据传输和分析等整个过程进行了实验。在探究实验过程中，不仅对实验设备进行了优化，还对实验的思路和方法进行了改进。

物理实验探究

为进一步探究检测方法，我尝试了天馈线的类比实验进行验证。我分别使用完好无损的天馈线和有破损的天馈线测试，将天馈线驻波比检测装置采用三通转接头安装在天馈线系统中，采集天馈线的驻波比数据，发送并存储分析后发现：①完好的天馈线发送测试数据后，所产生的驻波比信号稳定持续在1.5以下。②有破损的天馈线发送测试数据后，所产生的驻波比信号明显大于1.5。

图3 无线信号传输智能监测及预警系统框图

模型搭建及实验

该系统样机制作好之后，在实验室进行调试，使用信号源、频谱仪、示波器等仪表测试模型数据，经过不断地改进、完善、再改进，直至功能完成。

通过以上实验验证，对比驻波比平均值后，发现该系统和矢量网络分析仪的测量结果误差小，测试稳定，达到了设计要求。

创新点

①通过对轨道交通信号天馈线系统加装检测装置，使天馈线系统具备自检功能，实现了智能检测无线信号传输强度和性能的方法。②通过列车上的监测应用程序将收集的天馈线自检数据处理分析，可实现在线监测无线信号传输的健康状况，并当传输信号低于列车正常运行所要求的阈值前发出预警，避免列车因信号传输问题引起安全事故。③该系统利用列车快速收集所有天馈线的监测数值，相比于人工逐点检测，极大地提高了维护效率，同时避免了由于人工频繁拆装引起的安全隐患。④该系统可应用于轨道交通无人驾驶。

专家评语

该项目通过检测轨道交通信号天馈线系统驻波比的方式，结合无线信号传输与后台显示模块，在列车运行中实现天线健康状态的快速收集、智能判断与预警，降低通信故障风险。建议进一步开展系统性测试，提高实际可行性。

原文刊载于《中国科技教育》2021年第8期八九点钟栏目，作者：杨馨（福建省福州第三中学），指导教师：魏丽真、葛渊波、陈勇明。本文有删减，中国青少年科技辅导员协会会员可点击“阅读原文”登录杂志官网免费浏览全文。

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