基于計(jì)算機(jī)仿真的鐵路、機(jī)場(chǎng)電磁兼容評(píng)估

周 勇

(1.中鐵第一勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，西安 710043； 2.軌道交通信息化國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，西安 710043)

近年來(lái)，隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)的高速增長(zhǎng)，我國(guó)的交通運(yùn)輸事業(yè)呈現(xiàn)出井噴式的發(fā)展勢(shì)頭。其中，高速鐵路的發(fā)展尤為迅速，到2019年年底，中國(guó)高鐵營(yíng)業(yè)總里程達(dá)3.5萬(wàn)km，超過(guò)世界高鐵總里程的2/3。出于經(jīng)濟(jì)效益以及地形、地理狀況的考慮，越來(lái)越多的高鐵線路不可避免地穿行于機(jī)場(chǎng)附近地域，鐵路設(shè)施的興建勢(shì)必改變機(jī)場(chǎng)導(dǎo)航臺(tái)站周邊電磁環(huán)境，若產(chǎn)生干擾甚至可能影響航空飛行安全[1]。因此，在線路勘察設(shè)計(jì)階段就必須對(duì)擬建線路沿線附近機(jī)場(chǎng)電磁環(huán)境進(jìn)行嚴(yán)謹(jǐn)、細(xì)致的評(píng)估、分析。

在電氣化鐵路，特別是高速電氣化鐵路建設(shè)起步較早的歐洲、日本、美國(guó)等國(guó)家和地區(qū)，對(duì)電氣化鐵路電磁兼容的科研開(kāi)展較早，進(jìn)行了大量的實(shí)際測(cè)量和研究，同時(shí)制定了大量的設(shè)計(jì)建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)[2]。隨著我國(guó)高速鐵路建設(shè)的加快推進(jìn)，特別是航空、高鐵綜合交通樞紐概念的興起，高速鐵路與沿線機(jī)場(chǎng)導(dǎo)航設(shè)施的電磁兼容問(wèn)題，日益引起國(guó)家、行業(yè)和業(yè)內(nèi)學(xué)者的高度重視[3-5]。

目前，電磁兼容評(píng)估工作大多采用現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)的方法，對(duì)鐵路的輻射特征進(jìn)行評(píng)估。這種方法依據(jù)原鐵道部、空軍聯(lián)合試驗(yàn)組針對(duì)陽(yáng)安線城固機(jī)場(chǎng)所做試驗(yàn)得到的電磁干擾公式，量化電氣化鐵路的干擾特性。由于該公式基于時(shí)速80 km列車(chē)得出，遠(yuǎn)低于高速鐵路設(shè)計(jì)時(shí)速，又根據(jù)日本及我國(guó)實(shí)測(cè)結(jié)論，對(duì)上述公式進(jìn)行了修正[5-6]。朱峰等[7-10]以達(dá)成(達(dá)州至成都)鐵路為對(duì)象，重點(diǎn)研究了高鐵弓網(wǎng)電弧輻射特性及對(duì)導(dǎo)航設(shè)施的影響，為線路勘測(cè)評(píng)估提供了大量第一手資料。但這種評(píng)估模式，無(wú)法兼顧鐵路沿線的電波傳播條件，可能造成測(cè)試偏差。在工程實(shí)踐中，為穩(wěn)妥起見(jiàn)，往往尋找一處與擬建高鐵線路技術(shù)條件類(lèi)似的已運(yùn)營(yíng)的線路進(jìn)行電磁兼容試驗(yàn)，收集電磁干擾各項(xiàng)數(shù)據(jù)，作為新建線路的勘測(cè)、設(shè)計(jì)依據(jù)。本質(zhì)上，這是一種經(jīng)驗(yàn)性的測(cè)評(píng)方法。然而，不同的工程，不可能具備完全一致的周邊地理環(huán)境，同時(shí)，周邊建筑物分布、形態(tài)也是千差萬(wàn)別，獲得的指標(biāo)數(shù)據(jù)仍有可能出現(xiàn)較為顯著的偏差，從而對(duì)設(shè)計(jì)施工造成不利的影響。

目前，電磁場(chǎng)的計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)在通信行業(yè)已經(jīng)得到廣泛應(yīng)用，基于物理原型的電磁場(chǎng)仿真軟件能夠準(zhǔn)確地仿真和驗(yàn)證設(shè)計(jì)原型，基本上可以做到設(shè)計(jì)仿真結(jié)果與實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果非常相近，從而大大降低了產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)周期和研制費(fèi)用。

1 干擾產(chǎn)生機(jī)理分析

機(jī)場(chǎng)無(wú)線電導(dǎo)航臺(tái)站是利用無(wú)線電信號(hào)，為航空器提供準(zhǔn)確、可靠的方位、距離和位置信息，指引航空器安全著陸的電子設(shè)備。根據(jù)機(jī)場(chǎng)運(yùn)行標(biāo)準(zhǔn)及飛行程序的要求，一般的導(dǎo)航體系通常配置有儀表著陸系統(tǒng)、微波著陸系統(tǒng)、精密進(jìn)場(chǎng)雷達(dá)以及若干航路導(dǎo)航臺(tái)。作為精密的有源電子設(shè)備，要盡可能地避免周邊設(shè)施引起的有源及無(wú)源干擾對(duì)導(dǎo)航信息造成有害影響。

高速鐵路作為大型電氣化基礎(chǔ)設(shè)施工程，必然要考慮對(duì)臨近導(dǎo)航臺(tái)站可能造成的電磁干擾。一般可劃分為無(wú)源干擾與有源干擾兩個(gè)方面。首先，電氣化鐵道的牽引供電系統(tǒng)從三相電力系統(tǒng)接受電能，通過(guò)牽引變電所里的牽引變壓器降壓，經(jīng)過(guò)饋電線、接觸網(wǎng)、機(jī)車(chē)、鋼軌、回流線或地構(gòu)成回路從而實(shí)現(xiàn)向電力機(jī)車(chē)供電。就牽引供電方式而言，我國(guó)高鐵多采用AT大功率牽引供電系統(tǒng)，由于電壓和電流變化率一般較大，將在牽引電流中產(chǎn)生諧波，可能造成電磁輻射污染；另外，接觸網(wǎng)中的長(zhǎng)導(dǎo)體也是150 kHz～20 MHz的有效輻射源；最后，當(dāng)機(jī)車(chē)駛過(guò)鐵路與機(jī)場(chǎng)交叉環(huán)境時(shí)，受電弓與接觸網(wǎng)之間放電產(chǎn)生的電磁干擾，同樣可能影響航空器的安全著陸[11-13]。另一方面，線路、鐵路鋼軌、架空電力貫通線、電氣化鐵路接觸網(wǎng)、支撐塔架，以及列車(chē)車(chē)體等金屬導(dǎo)體對(duì)導(dǎo)航設(shè)施發(fā)射電磁波將形成二次輻射，從而影響發(fā)射天線的方向特性，極易造成航路的抖動(dòng)或偏移。

2 鐵路、機(jī)場(chǎng)電磁兼容的仿真評(píng)估策略

實(shí)踐中，選用Rainbow EM Studio三維電磁場(chǎng)全波仿真分析軟件作為仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。這是一款通用的三維電磁場(chǎng)全波仿真分析軟件，具有強(qiáng)大的幾何建模、創(chuàng)新的電磁算法和優(yōu)化技術(shù)以及豐富的圖表顯示，為設(shè)計(jì)者提供功能全面、易于使用的一體化集成操作環(huán)境。它具備從射頻到太赫茲應(yīng)用領(lǐng)域內(nèi)、從電小到電大尺寸的復(fù)雜模型的仿真分析能力。同時(shí)，該軟件已配置于無(wú)錫太湖之光超級(jí)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，可提供高性能的并行計(jì)算服務(wù)[14]。

圖1 仿真評(píng)估流程

計(jì)算機(jī)仿真評(píng)估的關(guān)鍵，在于電磁環(huán)境模型的構(gòu)建與主要工作場(chǎng)景的臺(tái)站工作性能評(píng)估。如圖1所示，電磁兼容仿真評(píng)估的實(shí)施方法可劃分為以下步驟：首先，對(duì)鐵路及周邊地理、地表環(huán)境進(jìn)行3D建模；其次，對(duì)上述特定環(huán)境下的臺(tái)站天線進(jìn)行建模；再次，將電磁環(huán)境模型移植到超算平臺(tái)，依托超算強(qiáng)大的并行計(jì)算能力，計(jì)算機(jī)場(chǎng)典型工作場(chǎng)景下導(dǎo)航臺(tái)站的工作性能指標(biāo)，并與國(guó)家或行業(yè)強(qiáng)制標(biāo)準(zhǔn)對(duì)比，從而形成評(píng)估結(jié)論(結(jié)果輸出)。

3 基于實(shí)例的仿真建模方法

以西安至延安高速鐵路項(xiàng)目設(shè)計(jì)中的工程實(shí)例，詳細(xì)介紹計(jì)算機(jī)電磁環(huán)境建模的實(shí)施方法。該項(xiàng)目的具體情況概述如下。

規(guī)劃中的西延高鐵將與沿線機(jī)場(chǎng)相鄰，線路斜交叉通過(guò)機(jī)場(chǎng)跑道西南端延長(zhǎng)線，從西遠(yuǎn)距導(dǎo)航臺(tái)與西近距導(dǎo)航臺(tái)之間穿越，最近點(diǎn)距跑道端口距離485.5 m。

該機(jī)場(chǎng)配備的導(dǎo)航設(shè)施可滿足東西兩個(gè)方向進(jìn)近著陸，其中西方向?yàn)橹髦懛较?。由于高鐵線路在西近距導(dǎo)航臺(tái)和西遠(yuǎn)距導(dǎo)航臺(tái)之間橫穿跑道西側(cè)中心延長(zhǎng)線，因此，當(dāng)飛機(jī)由西頭(主著陸方向)進(jìn)近時(shí)，可能對(duì)用于西側(cè)引導(dǎo)的儀表著陸系統(tǒng)、西近距中波導(dǎo)航機(jī)、西遠(yuǎn)距中波導(dǎo)航機(jī)，以及精密進(jìn)場(chǎng)雷達(dá)造成干擾；同時(shí)，當(dāng)飛機(jī)實(shí)施東頭進(jìn)近著陸時(shí)，用于次著陸方向引導(dǎo)的精密進(jìn)場(chǎng)雷達(dá)和微波著陸系統(tǒng)同樣可能受到干擾。由此，可明確測(cè)試場(chǎng)景以及各場(chǎng)景下的測(cè)試、仿真對(duì)象。

3.1 仿真平臺(tái)構(gòu)建

精準(zhǔn)的電磁環(huán)境建模，是獲取可靠評(píng)估數(shù)據(jù)，做出合理決策的前提條件。本項(xiàng)目的建模問(wèn)題主要涵蓋地理、地表環(huán)境建模與天線傳播特性建模兩個(gè)方面。

3.2 地理、地表環(huán)境建模

地理、地表環(huán)境建模，首先需要搜集機(jī)場(chǎng)附近40 km范圍15 m精度數(shù)字高程模型(DEM)數(shù)據(jù)，以及設(shè)計(jì)方提供的高鐵線路設(shè)計(jì)、勘察數(shù)據(jù)。在此基礎(chǔ)上，Rainbow EM Studio即可實(shí)現(xiàn)三維地圖模型的導(dǎo)入，并轉(zhuǎn)化為仿真需要的三維幾何圖形，然后定義各地物、建筑物的物理介電特性?？紤]高鐵的最大電磁干擾，將線路整體等效為具有高度和寬度的純金屬體對(duì)象。

3.3 天線建模

天線建模主要分為3個(gè)步驟。

(1)對(duì)天線進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)全尺寸測(cè)量，同時(shí)測(cè)量天線輻射性能數(shù)據(jù)，含輻射功率、天線增益等，依據(jù)設(shè)備技術(shù)手冊(cè)，在仿真平臺(tái)調(diào)用Rainbow BEM3D算法引擎對(duì)信標(biāo)天線進(jìn)行全尺寸建模；對(duì)建模所得天線方向圖與手冊(cè)提供方向圖對(duì)比，驗(yàn)證方向圖增益，主副瓣電平等指標(biāo)，評(píng)估模型的準(zhǔn)確性。該步驟得到的是理想條件下的天線模型，也是仿真平臺(tái)輸入的輻射源數(shù)據(jù)。

(2)現(xiàn)實(shí)環(huán)境下的天線建模。該步驟主要分析天線在無(wú)高鐵環(huán)境下的輻射特性，調(diào)用Rainbow SBR/PO暗室仿真模塊，在已建立的環(huán)境模型下，模擬微波暗室，對(duì)各類(lèi)型無(wú)線電進(jìn)行測(cè)試，實(shí)現(xiàn)參數(shù)測(cè)試和目標(biāo)散射特性測(cè)量。該模型是仿真評(píng)估的基準(zhǔn)。

(3)高鐵環(huán)境下的天線建模。該步驟與第二步的實(shí)施方法相同，不同之處在于，此時(shí)的環(huán)境模型為高鐵存在條件下的模型。

4 仿真驗(yàn)證與評(píng)估

仿真評(píng)估則主要以GJB4443—2002《航空無(wú)線電特種導(dǎo)航臺(tái)站飛行校驗(yàn)規(guī)程》以及GB6364—2013《航空無(wú)線電導(dǎo)航臺(tái)(站)電磁環(huán)境要求》為依據(jù)，使用前期構(gòu)建的電磁環(huán)境模型，依托超級(jí)計(jì)算機(jī)平臺(tái)實(shí)施電磁計(jì)算，從無(wú)源干擾、有源干擾兩方面給出評(píng)測(cè)結(jié)果。

4.1 保護(hù)區(qū)分析

保護(hù)區(qū)是國(guó)家或軍方對(duì)導(dǎo)航設(shè)施周邊建設(shè)工程的禁止性規(guī)范。GB6364—2013《航空無(wú)線電導(dǎo)航臺(tái)(站)電磁環(huán)境要求》對(duì)各導(dǎo)航設(shè)施的保護(hù)區(qū)范圍進(jìn)行了逐一、具體劃分、規(guī)定。以中波導(dǎo)航臺(tái)為例，以信標(biāo)天線為中心，半徑100 m的范圍內(nèi)，地勢(shì)應(yīng)平坦、開(kāi)闊。信標(biāo)臺(tái)天線中心點(diǎn)與鐵路等地形地物之間所允許的最小間隔也給出了具體規(guī)定，例如，鐵路、電氣化鐵路、架空低壓電力線、通信線纜、金屬柵欄為150 m，110 kV以下架空高壓輸電線為150 m，而110 kV以上架空高壓輸電線則為300 m。進(jìn)入中波導(dǎo)航臺(tái)的通信和電源線纜，應(yīng)從距中波導(dǎo)航臺(tái)天線中心點(diǎn)150 m以外埋入地下。上述規(guī)定是機(jī)場(chǎng)周邊一切建設(shè)項(xiàng)目的紅線，不可違反。

西延高速鐵路與西近距中波導(dǎo)航臺(tái)的最近距離為300 m，大于國(guó)標(biāo)規(guī)定的最小間距150 m，而高速鐵路高壓傳輸線一般為25 kV，因此，高鐵線路在西近距中波導(dǎo)航臺(tái)保護(hù)區(qū)范圍以外，符合機(jī)場(chǎng)場(chǎng)地保護(hù)要求。

而其余各導(dǎo)航設(shè)施的保護(hù)區(qū)范圍，GB6364—2013《航空無(wú)線電導(dǎo)航臺(tái)(站)電磁環(huán)境要求》也有詳盡的規(guī)范性要求，必須逐一對(duì)照，這里不再贅述。因此，對(duì)導(dǎo)航設(shè)施保護(hù)區(qū)的認(rèn)定與評(píng)估，是電磁環(huán)境評(píng)估的首要步驟。

4.2 電磁散射特性計(jì)算與仿真

完成電磁環(huán)境建模后，將該模型發(fā)送至無(wú)錫超算中心，利用部署在超算上的配套仿真平臺(tái)軟件進(jìn)行超大規(guī)模電磁散射計(jì)算，獲得相應(yīng)電磁環(huán)境影響下的各導(dǎo)航設(shè)備遠(yuǎn)場(chǎng)信號(hào)矢量場(chǎng)數(shù)據(jù)，包括信號(hào)極化方式、電場(chǎng)幅度、相位等數(shù)據(jù)。以上述參數(shù)為基礎(chǔ)，模擬飛行器進(jìn)近程序和復(fù)飛程序，并進(jìn)行性能評(píng)估。

4.2.1 無(wú)源干擾計(jì)算

對(duì)于無(wú)源干擾，主要評(píng)估高鐵線路、設(shè)施對(duì)電磁波的散射、反射等特性，對(duì)導(dǎo)航臺(tái)站信號(hào)覆蓋情況的影響。

以西近距中波導(dǎo)航臺(tái)為例。根據(jù)中波導(dǎo)航臺(tái)飛行檢驗(yàn)規(guī)范，近距中波導(dǎo)航臺(tái)覆蓋允許公差為： 全頻段覆蓋距離不小于70 km，進(jìn)近航線上，無(wú)線電羅盤(pán)指針擺動(dòng)不超過(guò)±3°，功率變化等價(jià)于±3 dB。根據(jù)GB6364—2013《航空無(wú)線電導(dǎo)航臺(tái)(站)電磁環(huán)境要求》的要求，中波導(dǎo)航臺(tái)信號(hào)覆蓋區(qū)在北緯30°以北的最低信號(hào)場(chǎng)強(qiáng)為70 μV/m。

根據(jù)機(jī)場(chǎng)設(shè)備性能指標(biāo)，工作場(chǎng)景設(shè)置為：導(dǎo)航臺(tái)各向同性有效輻射功率100 W；考慮40 km范圍內(nèi)環(huán)境影響。計(jì)算目標(biāo)為：評(píng)估高速鐵路對(duì)西近距中波導(dǎo)航臺(tái)70 km遠(yuǎn)場(chǎng)區(qū)內(nèi)信號(hào)功率覆蓋的影響。

根據(jù)極化方式的不同，分別給出水平方向與垂直方向圖的信號(hào)功率覆蓋情況變化。

圖2表示隨觀察方位角度變化，信號(hào)功率覆蓋情況的相應(yīng)改變。圖中，0°～180°為西近距導(dǎo)航臺(tái)面向跑道一側(cè)，90°為跑道中心延長(zhǎng)線，因此，主要考慮180°～360°范圍的場(chǎng)強(qiáng)變化。容易看出，對(duì)于水平方向而言，理想傳播條件下，西近中波導(dǎo)航臺(tái)信號(hào)強(qiáng)度是一條直線，也就是說(shuō)，在70 km范圍內(nèi)，信號(hào)水平覆蓋為一正圓形區(qū)域?？紤]附近場(chǎng)地環(huán)境影響后，沒(méi)有高速鐵路情況下，在180°～360°范圍內(nèi)，280°附近西近中波導(dǎo)航臺(tái)輻射信號(hào)場(chǎng)強(qiáng)衰減最大，為0.5 dB，會(huì)造成一定程度的指針抖動(dòng)。綜合考慮環(huán)境和高速鐵路因素，在180°～360°范圍內(nèi)，260°附近西近距中波導(dǎo)航臺(tái)輻射信號(hào)場(chǎng)強(qiáng)變化最大，增加了0.7 dB，會(huì)對(duì)西近距中波導(dǎo)航信號(hào)覆蓋造成一定程度的影響，引起一定程度的指針抖動(dòng)，但滿足航線內(nèi)左右3°覆蓋區(qū)內(nèi)信號(hào)強(qiáng)度變化的飛行檢驗(yàn)規(guī)范要求。

圖2 西近中波導(dǎo)航臺(tái)水平面信號(hào)功率覆蓋評(píng)估

至于垂直方向，如圖3所示，有、無(wú)高鐵時(shí)左右扇區(qū)內(nèi)影響均小于0.3 dB，滿足中波導(dǎo)航臺(tái)飛行檢驗(yàn)規(guī)范要求。

4.2.2 有源干擾計(jì)算

高速鐵路的有源干擾主要由高壓輸電線路引起。高壓輸電線路的干擾主要集中在較低頻段[15-19]，因此，對(duì)于工作頻段較高的導(dǎo)航設(shè)施，例如工作于C波段(5 000～5 250 MHz)的測(cè)角系統(tǒng)(方位臺(tái)、仰角臺(tái))可不考慮有源干擾的影響。而對(duì)于中波導(dǎo)航臺(tái)而言，則容易受到電弧的干擾[11]。

根據(jù)GB6364—2013《航空無(wú)線電導(dǎo)航臺(tái)(站)電磁環(huán)境要求》的要求，中波導(dǎo)航臺(tái)信號(hào)覆蓋區(qū)在北緯30°以北的最低信號(hào)場(chǎng)強(qiáng)為70 μV/m，中波導(dǎo)航臺(tái)信號(hào)覆蓋區(qū)內(nèi)，對(duì)工業(yè)、科學(xué)、醫(yī)療設(shè)備干擾的防護(hù)率為9 dB，對(duì)其他各種有源干擾的防護(hù)率為15 dB。

圖3 西近中波導(dǎo)航臺(tái)垂直面信號(hào)功率覆蓋評(píng)估

根據(jù)線路與導(dǎo)航設(shè)施的相對(duì)位置分析可知，飛機(jī)飛越西近距中波導(dǎo)航臺(tái)時(shí)，恰有高速列車(chē)通過(guò)時(shí)，可能造成的影響最大。因此，工作場(chǎng)景可設(shè)置為非精密進(jìn)近過(guò)程，此時(shí)，飛機(jī)下滑角約為3°，此時(shí)，飛機(jī)相對(duì)西近距中波導(dǎo)航臺(tái)天線的高度約為56 m，飛機(jī)距離高速列車(chē)約691 m。

所謂干擾防護(hù)率，就是有用信號(hào)場(chǎng)強(qiáng)與干擾場(chǎng)強(qiáng)之差[20]。首先計(jì)算進(jìn)近航道方向上西近距中波導(dǎo)航臺(tái)正上方，下滑道寬度2.65°～3.35°范圍內(nèi)11個(gè)計(jì)算點(diǎn)處信號(hào)場(chǎng)強(qiáng)Es(μV/m)。由于高速鐵路高壓傳輸線和通信基站的輻射信號(hào)干擾是無(wú)方向性有源干擾，因此，可以將高鐵信號(hào)的有源干擾看作是一個(gè)全向天線輻射源。同樣，計(jì)算11個(gè)指定點(diǎn)處的干擾場(chǎng)強(qiáng)，從而可以得到信號(hào)干擾防護(hù)率，如表1所示?？梢?jiàn)，西近中波導(dǎo)航臺(tái)正上方測(cè)試點(diǎn)處對(duì)西延高速鐵路有源干擾防護(hù)滿足GB6364防護(hù)率大于15 dB的標(biāo)準(zhǔn)要求。

表1 計(jì)算點(diǎn)處西近中波導(dǎo)航臺(tái)信號(hào)防護(hù)率

5 結(jié)論

將電磁分析仿真平臺(tái)引入高速鐵路的設(shè)計(jì)、勘察，是一種高精度、低成本的電磁兼容評(píng)價(jià)手段，它實(shí)現(xiàn)了多場(chǎng)景、多角度模擬仿真，計(jì)算功能強(qiáng)大，輸出結(jié)果直觀。這一評(píng)估模式在西延高鐵的勘察建設(shè)中進(jìn)行了有益的嘗試，在設(shè)計(jì)方案滿足國(guó)家強(qiáng)制性技術(shù)規(guī)范的前提下，利用計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)對(duì)機(jī)場(chǎng)、鐵道鄰近區(qū)域電磁環(huán)境進(jìn)行建模，對(duì)未來(lái)高鐵實(shí)際運(yùn)營(yíng)環(huán)境下，機(jī)場(chǎng)導(dǎo)航設(shè)備的工作場(chǎng)景進(jìn)行了高精度仿真與性能評(píng)估。結(jié)果表明，現(xiàn)有設(shè)計(jì)方案不會(huì)對(duì)鄰近機(jī)場(chǎng)形成有害電磁干擾。