劉玉江 高利民 孟景輝

劉玉江:北京鐵科英邁技術(shù)有限公司 助理工程師 100081 北京

高利民:中國鐵道科學(xué)研究院基礎(chǔ)設(shè)施檢測(cè)研究所 助理研究員100081 北京

孟景輝:中國鐵道科學(xué)研究院基礎(chǔ)設(shè)施檢測(cè)研究所 助理研究員100081 北京

電磁兼容 (Electro Magnetic Compatibility，EMC)是指設(shè)備在共同的電磁環(huán)境中能一起執(zhí)行各自功能的共存狀態(tài)，即設(shè)備本身不會(huì)由于受到處于同一電磁環(huán)境中其他設(shè)備的電磁發(fā)射，導(dǎo)致或遭受不容許的降級(jí);也不會(huì)使同一電磁環(huán)境中其他設(shè)備因受其電磁發(fā)射而導(dǎo)致或遭受不容許的降級(jí)。如果一個(gè)電子系統(tǒng)既不產(chǎn)生干擾，又能忍受外界干擾，就稱該電子系統(tǒng)的電磁兼容性合格。

正常運(yùn)行的電子設(shè)備同時(shí)向外發(fā)射電磁能量，形成電磁騷擾，電磁騷擾可能會(huì)影響其他設(shè)備的正常工作，形成電磁干擾。隨著大量新型電子產(chǎn)品應(yīng)用到列車運(yùn)行控制中，車載電磁環(huán)境日益復(fù)雜，加強(qiáng)對(duì)設(shè)備工作電磁環(huán)境的監(jiān)測(cè)成為分析設(shè)備故障的有力手段。

車載列控系統(tǒng)是確保列車安全運(yùn)行的關(guān)鍵設(shè)備，若受到電磁干擾的影響就可能破壞或降低設(shè)備的工作性能，輕則導(dǎo)致列車停車，重則導(dǎo)致行車事故。為了進(jìn)一步研究車載列控設(shè)備工作環(huán)境下的電磁騷擾情況，包括電磁騷擾的時(shí)域和頻域特性，信號(hào)動(dòng)態(tài)檢測(cè)系統(tǒng)檢測(cè)項(xiàng)目增加了車載列控運(yùn)行環(huán)境電磁干擾監(jiān)測(cè)。

1 測(cè)量原理

圖1 車載列控EMC監(jiān)測(cè)結(jié)果顯示 (多通道)

圖1為日常周期性動(dòng)態(tài)檢測(cè)中，車載列控EMC監(jiān)測(cè)系統(tǒng)實(shí)時(shí)顯示圖。車載列控運(yùn)行環(huán)境電磁干擾監(jiān)測(cè)系統(tǒng) (簡(jiǎn)稱車載列控EMC監(jiān)測(cè)系統(tǒng))，基于EMC技術(shù)，主要實(shí)現(xiàn)對(duì)電場(chǎng)、磁場(chǎng)和傳導(dǎo)騷擾電流的測(cè)量。在車上、車下和車內(nèi)安裝專用測(cè)量天線，通過天線接收空間信號(hào)，由饋線傳輸?shù)筋l譜分析儀或測(cè)量接收機(jī)進(jìn)行測(cè)量，然后將處理結(jié)果分析顯示出來。

2 電磁騷擾源

近幾年隨著高速鐵路的快速發(fā)展，相關(guān)試驗(yàn)室對(duì)上線運(yùn)營的動(dòng)車組進(jìn)行了大量的試驗(yàn)和分析工作，積累了豐富的經(jīng)驗(yàn)。通過對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析，得出對(duì)車載列控設(shè)備正常運(yùn)行造成威脅的電磁騷擾主要有以下幾個(gè)方面。

1．關(guān)鍵通信、信號(hào)接口上耦合的騷擾信號(hào)。主要有BTM天線電纜、TCR天線電纜、速度傳感器電纜 (包括多普勒雷達(dá)測(cè)速器)和車載ATP系統(tǒng)內(nèi)部的信號(hào)電纜。這些電纜上耦合的電磁騷擾如果太強(qiáng)，會(huì)造成ATP工作異常，列車制動(dòng)或降級(jí)運(yùn)行。

2．GSM-R天線附近的空間電磁場(chǎng)。如果很強(qiáng)，會(huì)影響GSM-R的語音通信和數(shù)據(jù)通信，造成誤碼率大幅度提高，嚴(yán)重時(shí)導(dǎo)致通信超時(shí)和通信中斷，從而導(dǎo)致列車運(yùn)行中CTCS-3級(jí)降為CTCS-2級(jí)。

3．BTM天線附近的空間磁場(chǎng)。其強(qiáng)度如果很強(qiáng)，會(huì)影響B(tài)TM天線讀取安裝在地面上的應(yīng)答器報(bào)文信息，嚴(yán)重時(shí)將導(dǎo)致列車降級(jí)運(yùn)行。

3 系統(tǒng)功能

車載列控EMC監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)對(duì)車載列控系統(tǒng)天線附近線路電磁環(huán)境的監(jiān)測(cè)，及車載列控設(shè)備電磁干擾的實(shí)時(shí)測(cè)試和分析。主要包括車載列控系統(tǒng)信息采集各部件周圍電磁環(huán)境及其信號(hào)電纜耦合的電磁干擾監(jiān)測(cè)，可監(jiān)測(cè)記錄電磁干擾的時(shí)域特性和頻域特性。具體包括以下2個(gè)方面。

1．監(jiān)測(cè)GSM-R車載天線、車載BTM天線周圍的空間電磁騷擾。主要監(jiān)測(cè)頻率分布情況、電磁騷擾場(chǎng)強(qiáng)，分析電磁騷擾與列車運(yùn)行狀態(tài)之間的關(guān)系，對(duì)監(jiān)測(cè)到的場(chǎng)強(qiáng)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和統(tǒng)計(jì)，進(jìn)而得到電磁騷擾的幅度概率分布情況。從監(jiān)測(cè)結(jié)果能夠觀察到車外環(huán)境中各種頻率的信號(hào)，如88～108 MHz頻段的調(diào)頻廣播、885～915 MHz的GSM(含公網(wǎng)及GSM-R)的上行信號(hào)、930～960MHz的 GSM(含公網(wǎng)及GSM-R)的下行信號(hào)等。監(jiān)測(cè)結(jié)果如圖2所示。

圖2 車頂空間電磁環(huán)境監(jiān)測(cè)結(jié)果

車底天線安裝在車載BTM天線附件，可以有效監(jiān)測(cè)天線周圍的空間電磁騷擾，從圖3監(jiān)測(cè)結(jié)果中可以觀察到各種頻率的信號(hào)，如應(yīng)答器下行工作頻帶 (中心頻率27.095 MHz)，可以觀察主要信號(hào)和其他干擾信號(hào)的強(qiáng)度變化情況等。

圖3 車下空間電磁環(huán)境監(jiān)測(cè)結(jié)果

2．監(jiān)測(cè)BTM天線、TCR天線、速度傳感器(包括多普勒雷達(dá)測(cè)速器)和ATP系統(tǒng)內(nèi)部信號(hào)電纜中耦合的傳導(dǎo)干擾電壓或電流。監(jiān)測(cè)在上述部件信號(hào)電纜上耦合的傳導(dǎo)騷擾電壓和電流的頻率分布情況、強(qiáng)度，分析這些電磁騷擾與列車運(yùn)行狀態(tài)之間的關(guān)系，對(duì)監(jiān)測(cè)到的騷擾信號(hào)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和統(tǒng)計(jì)，得到電磁騷擾的幅度概率分布，如圖4所示。

圖4 ATP機(jī)柜內(nèi)BTM、速度傳感器、TCR、MVB傳輸電纜監(jiān)測(cè)結(jié)果

4 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

車載列控EMC監(jiān)測(cè)系統(tǒng)按照組成和功能，可以分為:測(cè)量天線和傳感器、測(cè)量通道切換裝置、測(cè)量?jī)x器、采集控制計(jì)算機(jī)和顯示終端五大部分，系統(tǒng)的組成框圖如圖5所示。

圖5 車載列控EMC監(jiān)測(cè)系統(tǒng)組成框圖

由圖5可知，系統(tǒng)共安裝2個(gè)天線和4個(gè)電流探頭傳感器，把空間電磁場(chǎng)、低頻磁場(chǎng)、共模電流轉(zhuǎn)化為端口電壓，通過射頻同軸切換單元，把其中的一路信號(hào)傳到頻譜分析儀中測(cè)量。頻譜儀和射頻同軸切換單元的工作狀態(tài)和參數(shù)由計(jì)算機(jī)控制，測(cè)量結(jié)果數(shù)據(jù)可以被采集控制計(jì)算機(jī)接收，由采集控制計(jì)算機(jī)對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行修正。

1．車頂寬帶天線，測(cè)量頻率范圍為30 MHz～3 GHz，動(dòng)車組頭車和尾車車頂各安裝1副，用于測(cè)量30 MHz～3 GHz的射頻騷擾場(chǎng)強(qiáng)，監(jiān)測(cè)此頻段的空間電磁騷擾強(qiáng)度，主要監(jiān)測(cè)GSM-R頻段和其他無線通信系統(tǒng)的工作頻段環(huán)境電磁騷擾強(qiáng)度。

2．車底磁場(chǎng)天線，測(cè)量頻率范圍為9 kHz～30 MHz，動(dòng)車組頭車和尾車車底各安裝1副，用于測(cè)量9 kHz～30 MHz的騷擾磁場(chǎng)強(qiáng)度，監(jiān)測(cè)此頻段的空間電磁騷擾強(qiáng)度，主要監(jiān)測(cè)BTM天線使用頻段的騷擾情況。

3．電流探頭，測(cè)量頻率范圍為 9 kHz～30 MHz，車載ATP機(jī)柜內(nèi)的BTM天線、TCR天線、速度傳感器 (含多普勒雷達(dá)測(cè)速器)和ATP系統(tǒng)內(nèi)部的Profibus的電纜上各安裝1個(gè)。用于測(cè)量9 kHz～30 MHz電纜上耦合的傳導(dǎo)騷擾電流。

5 數(shù)據(jù)分析

車載列控EMC監(jiān)測(cè)系統(tǒng)用于監(jiān)測(cè)動(dòng)車組上設(shè)備的工作電磁環(huán)境，從數(shù)據(jù)本身不能直接反映出某一信號(hào)設(shè)備是否出現(xiàn)功能性的異?；蚬收稀?duì)這類監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的處理，需要采用數(shù)學(xué)統(tǒng)計(jì)的方法，對(duì)長時(shí)間運(yùn)行監(jiān)測(cè)過程中積累的大量數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，繼而得出一定的分析結(jié)果，并進(jìn)一步根據(jù)該結(jié)果制定相應(yīng)的環(huán)境監(jiān)測(cè)電平告警門限。

在日常檢測(cè)中，檢測(cè)結(jié)果顯示在二維坐標(biāo)系中，取x軸表示頻率，y軸表示環(huán)境電平幅度，描繪出波形圖，根據(jù)監(jiān)測(cè)過程中記錄的大量數(shù)據(jù)，分析設(shè)備處于正常工作狀態(tài)的波形情況。當(dāng)發(fā)生大的波動(dòng)時(shí)具體分析干擾源的頻率，并根據(jù)系統(tǒng)接入的里程信息，判斷問題發(fā)生的位置。

此外，可以將某一個(gè)監(jiān)測(cè)通道的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)所顯示的環(huán)境電平值表示為“頻率－時(shí)間”二維自變量空間上的數(shù)值。如果在一個(gè)三維坐標(biāo)系中表示，可以取f軸表示頻率，t軸表示時(shí)間，A軸表示環(huán)境電平幅度，A(f，t)則能夠繪制出一個(gè)三維的幅度曲面，如圖6給出的例子。

圖6 三維的環(huán)境電平幅度曲面

用三維曲面的表示方法雖然能夠取得較為直觀的視覺效果，卻不能直接顯示出監(jiān)測(cè)結(jié)果的關(guān)鍵信息。所以，需要對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)處理，研究監(jiān)測(cè)結(jié)果的判斷門限，再疊加上里程信息對(duì)監(jiān)測(cè)到的問題進(jìn)行定位。

6 結(jié)論

在研究了高速鐵路車載列控設(shè)備對(duì)信號(hào)動(dòng)態(tài)檢測(cè)系統(tǒng)運(yùn)用需求的基礎(chǔ)上，完成了車載列控EMC監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)列控系統(tǒng)天線附近線路電磁環(huán)境的監(jiān)測(cè)和車載列控設(shè)備電磁干擾的實(shí)時(shí)測(cè)試、分析，通過對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)，輔助分析車載列控設(shè)備出現(xiàn)的問題。目前，系統(tǒng)應(yīng)用于高速綜合檢測(cè)列車，可完成對(duì)高速鐵路信號(hào)設(shè)備的日常檢測(cè)工作。

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［2］ 許廣華．頻譜分析儀在調(diào)幅測(cè)量中的應(yīng)用［J］ .科技風(fēng)，2011(5)．

［3］ 嚴(yán)豐慶.射頻開關(guān)及其在通信系統(tǒng)中的應(yīng)用［J］ .電子器件，2005(3)．