車載列控EMC監(jiān)測系統(tǒng)在信號動態(tài)檢測中的應(yīng)用

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;也不會使同一電磁環(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。如果一個電子系統(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)備同時向外發(fā)射電磁能量，形成電磁騷擾，電磁騷擾可能會影響其他設(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)對設(shè)備工作電磁環(huán)境的監(jiān)測成為分析設(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，包括電磁騷擾的時域和頻域特性，信號動態(tài)檢測系統(tǒng)檢測項(xiàng)目增加了車載列控運(yùn)行環(huán)境電磁干擾監(jiān)測。

1 測量原理

圖1 車載列控EMC監(jiān)測結(jié)果顯示 (多通道)

圖1為日常周期性動態(tài)檢測中，車載列控EMC監(jiān)測系統(tǒng)實(shí)時顯示圖。車載列控運(yùn)行環(huán)境電磁干擾監(jiān)測系統(tǒng) (簡稱車載列控EMC監(jiān)測系統(tǒng))，基于EMC技術(shù)，主要實(shí)現(xiàn)對電場、磁場和傳導(dǎo)騷擾電流的測量。在車上、車下和車內(nèi)安裝專用測量天線，通過天線接收空間信號，由饋線傳輸?shù)筋l譜分析儀或測量接收機(jī)進(jìn)行測量，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)室對上線運(yùn)營的動車組進(jìn)行了大量的試驗(yàn)和分析工作，積累了豐富的經(jīng)驗(yàn)。通過對試驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析，得出對車載列控設(shè)備正常運(yùn)行造成威脅的電磁騷擾主要有以下幾個方面。

1．關(guān)鍵通信、信號接口上耦合的騷擾信號。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)測速器)和車載ATP系統(tǒng)內(nèi)部的信號電纜。這些電纜上耦合的電磁騷擾如果太強(qiáng)，會造成ATP工作異常，列車制動或降級運(yùn)行。

2．GSM-R天線附近的空間電磁場。如果很強(qiáng)，會影響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)重時導(dǎo)致通信超時和通信中斷，從而導(dǎo)致列車運(yùn)行中CTCS-3級降為CTCS-2級。

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

3 系統(tǒng)功能

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

1．監(jiān)測GSM-R車載天線、車載BTM天線周圍的空間電磁騷擾。主要監(jiān)測頻率分布情況、電磁騷擾場強(qiáng)，分析電磁騷擾與列車運(yùn)行狀態(tài)之間的關(guān)系，對監(jiān)測到的場強(qiáng)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和統(tǒng)計，進(jìn)而得到電磁騷擾的幅度概率分布情況。從監(jiān)測結(jié)果能夠觀察到車外環(huán)境中各種頻率的信號，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、930～960MHz的 GSM(含公網(wǎng)及GSM-R)的下行信號等。監(jiān)測結(jié)果如圖2所示。

圖2 車頂空間電磁環(huán)境監(jiān)測結(jié)果

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

圖3 車下空間電磁環(huán)境監(jiān)測結(jié)果

2．監(jiān)測BTM天線、TCR天線、速度傳感器(包括多普勒雷達(dá)測速器)和ATP系統(tǒng)內(nèi)部信號電纜中耦合的傳導(dǎo)干擾電壓或電流。監(jiān)測在上述部件信號電纜上耦合的傳導(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，對監(jiān)測到的騷擾信號數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和統(tǒng)計，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)測結(jié)果

4 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

車載列控EMC監(jiān)測系統(tǒng)按照組成和功能，可以分為:測量天線和傳感器、測量通道切換裝置、測量儀器、采集控制計算機(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)測系統(tǒng)組成框圖

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

1．車頂寬帶天線，測量頻率范圍為30 MHz～3 GHz，動車組頭車和尾車車頂各安裝1副，用于測量30 MHz～3 GHz的射頻騷擾場強(qiáng)，監(jiān)測此頻段的空間電磁騷擾強(qiáng)度，主要監(jiān)測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．車底磁場天線，測量頻率范圍為9 kHz～30 MHz，動車組頭車和尾車車底各安裝1副，用于測量9 kHz～30 MHz的騷擾磁場強(qiáng)度，監(jiān)測此頻段的空間電磁騷擾強(qiáng)度，主要監(jiān)測BTM天線使用頻段的騷擾情況。

3．電流探頭，測量頻率范圍為 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)測速器)和ATP系統(tǒng)內(nèi)部的Profibus的電纜上各安裝1個。用于測量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)測系統(tǒng)用于監(jiān)測動車組上設(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設(shè)備是否出現(xiàn)功能性的異?；蚬收?。對這類監(jiān)測數(shù)據(jù)的處理，需要采用數(shù)學(xué)統(tǒng)計的方法，對長時間運(yùn)行監(jiān)測過程中積累的大量數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計，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)測電平告警門限。

在日常檢測中，檢測結(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)生大的波動時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，可以將某一個監(jiān)測通道的監(jiān)測數(shù)據(jù)所顯示的環(huán)境電平值表示為“頻率－時間”二維自變量空間上的數(shù)值。如果在一個三維坐標(biāo)系中表示，可以取f軸表示頻率，t軸表示時間，A軸表示環(huán)境電平幅度，A(f，t)則能夠繪制出一個三維的幅度曲面，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)測結(jié)果的關(guān)鍵信息。所以，需要對數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計處理，研究監(jiān)測結(jié)果的判斷門限，再疊加上里程信息對監(jiān)測到的問題進(jìn)行定位。

6 結(jié)論

在研究了高速鐵路車載列控設(shè)備對信號動態(tài)檢測系統(tǒng)運(yùn)用需求的基礎(chǔ)上，完成了車載列控EMC監(jiān)測系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對列控系統(tǒng)天線附近線路電磁環(huán)境的監(jiān)測和車載列控設(shè)備電磁干擾的實(shí)時測試、分析，通過對監(jiān)測數(shù)據(jù)的統(tǒng)計，輔助分析車載列控設(shè)備出現(xiàn)的問題。目前，系統(tǒng)應(yīng)用于高速綜合檢測列車，可完成對高速鐵路信號設(shè)備的日常檢測工作。

［1］ 聞映紅．電磁場與電磁兼容［M］ .北京:科學(xué)出版社，2010.

［2］ 許廣華．頻譜分析儀在調(diào)幅測量中的應(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)．