基于庫檢系統(tǒng)的BTM電磁干擾研究與防護(hù)

陳曦

應(yīng)答器傳輸系統(tǒng)是中國(guó)列車運(yùn)行控制系統(tǒng)中的重要組成部分,裝備在CTCS-2/3級(jí)的列控系統(tǒng)中,以安全點(diǎn)式信息傳輸方式實(shí)現(xiàn)地面設(shè)備向車載設(shè)備傳輸信息。當(dāng)天線單元通過或者停在應(yīng)答器上方時(shí),則構(gòu)成應(yīng)答器與車載設(shè)備間的信息傳輸通道。根據(jù)《應(yīng)答器傳輸系統(tǒng)技術(shù)條件》（TB/T 3485—2017）,應(yīng)答器傳輸系統(tǒng)由地面設(shè)備和車載設(shè)備組成。地面設(shè)備包括有源應(yīng)答器、無源應(yīng)答器和地面電子單元（LEU）；車載設(shè)備包括天線單元和應(yīng)答器傳輸模塊（BTM）。應(yīng)答器傳輸系統(tǒng)設(shè)備構(gòu)成見圖1［1］。

圖1 應(yīng)答器傳輸系統(tǒng)設(shè)備構(gòu)成

圖1 中接口“A”是應(yīng)答器與BTM的空間電磁耦合接口。如果該接口處存在較強(qiáng)的電磁干擾,則會(huì)影響應(yīng)答器上行數(shù)據(jù)傳輸,進(jìn)而影響B(tài)TM設(shè)備對(duì)應(yīng)答器信息的解碼,導(dǎo)致列車不能及時(shí)有效地獲得線路信息,造成列車晚點(diǎn),影響列車運(yùn)行效率,嚴(yán)重時(shí)甚至導(dǎo)致行車危險(xiǎn)。

本文對(duì)一起典型的應(yīng)答器系統(tǒng)干擾問題進(jìn)行分析,提出現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)用解決建議,研究動(dòng)車組出入庫BTM檢測(cè)系統(tǒng)技術(shù)方案,以達(dá)到對(duì)干擾進(jìn)行監(jiān)測(cè)和預(yù)防的目的。

1 問題分析

經(jīng)分析車載BTM記錄數(shù)據(jù),確認(rèn)BTM均可接收到丟失應(yīng)答器的上行鏈路信號(hào)能量,但無法解碼,其他能夠解碼成功的應(yīng)答器信息也存在誤碼率較高的情況［2］。車輛回庫后,對(duì)應(yīng)答器信號(hào)接收功能進(jìn)行測(cè)試,BTM主機(jī)發(fā)送27.095 MHz射頻能量信號(hào)的幅度和頻率均正常、接收應(yīng)答器信息的相關(guān)功能正常,但誤碼率較高。車輛降弓后,誤碼率恢復(fù)正常。綜合車載記錄數(shù)據(jù)以及列車回庫后的測(cè)試結(jié)果,可初步判斷誤碼率較高與車輛牽引、供電等強(qiáng)電系統(tǒng)造成的電磁干擾有關(guān)［4］。

為了進(jìn)一步排查干擾源及干擾路徑,使用頻譜分析儀測(cè)量BTM天線端口的信號(hào)頻譜［5］。不同工況下干擾頻譜的峰值見表1。噪聲頻譜見圖2。

圖2 噪聲頻譜

表1 不同工況干擾排查

通過降弓以及升弓后逐一切斷負(fù)載等一系列排查措施,最終確定干擾源為輔助逆變器設(shè)備。為進(jìn)一步確定干擾路徑,逐一采取以下措施。

1）切斷動(dòng)車組電源,使用UPS為BTM供電。測(cè)量干擾結(jié)果并無改善,說明干擾并非通過電源耦合至BTM。

2）調(diào)整BTM設(shè)備信號(hào)線走線路徑。測(cè)量干擾結(jié)果并無改善,說明干擾并非通過信號(hào)線耦合至

BTM。

3）更換天線位置,將BTM天線遠(yuǎn)離車體環(huán)境。測(cè)量BTM主機(jī)端接收到的干擾大幅降低,說明干擾途徑主要為空間耦合。

由此可確定,電磁干擾由輔助逆變器產(chǎn)生,經(jīng)過車輛回流系統(tǒng),直接通過空間耦合至BTM天線,從而造成BTM解碼誤碼率升高,導(dǎo)致丟失應(yīng)答器信息。

根據(jù)《應(yīng)答器傳輸系統(tǒng)技術(shù)規(guī)范》（Q/CR 716—2019）,BTM及天線單元在2.5～6 MHz頻段內(nèi)應(yīng)能承受峰值不大于-60 dBm的環(huán)境噪聲［6］。在降弓或升弓切斷輔助逆變器的情況下,電磁干擾滿足要求；而在輔助逆變器工作的情況下,不論是否開啟其他負(fù)載設(shè)備,其峰值均為-55 dBm左右,比限值大5 dB。在動(dòng)態(tài)行車情況下,其電磁干擾值一般會(huì)超過靜態(tài)下的測(cè)量值。

2 防護(hù)措施

解決電磁干擾問題,可通過提升受擾設(shè)備的抗擾能力、切斷或改變干擾路徑、整改干擾源3個(gè)方面進(jìn)行。

在提升抗擾性能方面,應(yīng)答器信號(hào)為中心頻率4.234 MHz、頻偏282.24 kHz的FSK信號(hào)。而由于干擾信號(hào)頻率與應(yīng)答器信號(hào)頻段重合,因此BTM自身無法將此干擾濾除,并且BTM設(shè)備為標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備,無法通過修改工作頻率避免干擾［7］。另外,BTM設(shè)備為安全設(shè)備,較難通過降噪和糾錯(cuò)等設(shè)計(jì),來提升自身對(duì)帶內(nèi)信號(hào)的抗干擾能力。因此,工程上較難通過提升BTM抗干擾能力解決此類問題。

切斷或改變干擾路徑是現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)用中較為快速解決此類問題的方式。在不改變BTM設(shè)備及干擾源設(shè)備的情況下,可嘗試如下解決方案。

1）調(diào)整回流線走向,與之連接的金屬物盡量遠(yuǎn)離BTM天線,甚至切斷與BTM天線附近的回流走線。

2）若干擾主要是通過空間耦合進(jìn)入BTM天線,可考慮增加金屬罩板。但應(yīng)考慮金屬罩板尺寸問題,避免對(duì)BTM設(shè)備本身工作性能產(chǎn)生影響［10］。

3）調(diào)整鋼軌回流,使其盡量平均分布在兩側(cè)軸端,從而平衡通過鋼軌的回流,降低不平衡電流帶來的電磁干擾。

4）調(diào)整干擾源、受擾設(shè)備以及干擾路徑上的接地線纜,從而改變干擾傳播路徑,降低耦合至BTM的干擾。

整改干擾源是從根本上解決問題的方法。常用的EMI電磁干擾抑制手段有:干擾源外部端口增加磁環(huán)；增加濾波器,將2～6 MHz干擾濾除；對(duì)干擾源設(shè)備內(nèi)部電路參數(shù)調(diào)整也會(huì)有一定改善。以上方法在現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)用中可綜合考慮實(shí)施。

3 BTM庫檢系統(tǒng)技術(shù)方案

針對(duì)電磁干擾的問題,預(yù)防大于解決。若能在車輛使用過程中,對(duì)設(shè)備性能進(jìn)行檢測(cè),及時(shí)發(fā)現(xiàn)干擾問題或者BTM性能問題,則可及早采取有針對(duì)性的維修措施。為此,武漢局和北京交大思諾科技股份有限公司共同研制了BTM庫檢系統(tǒng)。該系統(tǒng)能夠在列車出入庫時(shí),對(duì)車輛干擾進(jìn)行定量檢測(cè)。當(dāng)電磁干擾指標(biāo)超過設(shè)定閾值時(shí),及時(shí)發(fā)出預(yù)警,指導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)維護(hù)人員進(jìn)行問題排查。

當(dāng)前,對(duì)BTM的故障排查,主要采用庫內(nèi)靜態(tài)測(cè)試的方法,忽略了BTM設(shè)備在實(shí)際運(yùn)行過程中,其他車載設(shè)備對(duì)BTM的電磁干擾以及地面環(huán)境因素?，F(xiàn)階段,亟需一種可以在動(dòng)車組運(yùn)行狀態(tài)下進(jìn)行檢測(cè)的技術(shù)手段,由此前的故障后入庫靜態(tài)檢測(cè)變?yōu)槌B(tài)化檢測(cè)。針對(duì)動(dòng)態(tài)檢測(cè)的BTM庫檢系統(tǒng),其功能包含對(duì)動(dòng)車組車載BTM設(shè)備相關(guān)數(shù)據(jù)的采集,采集內(nèi)容包括BTM天線發(fā)射的射頻激勵(lì)信號(hào)及2～6 MHz頻帶內(nèi)信號(hào)。

庫檢系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)見圖3,包括數(shù)據(jù)采集層、服務(wù)層和用戶層。數(shù)據(jù)采集層負(fù)責(zé)對(duì)動(dòng)車組車載BTM設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)采集,采集內(nèi)容包括BTM天線發(fā)射的27 MHz射頻激勵(lì)信號(hào)以及2～6 MHz干擾信號(hào)。系統(tǒng)支持同時(shí)接入多套數(shù)據(jù)采集設(shè)備,可以根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)股道數(shù)量進(jìn)行靈活配置。服務(wù)層負(fù)責(zé)接收、存儲(chǔ)、分析來自數(shù)據(jù)采集層的數(shù)據(jù)。由于數(shù)據(jù)采集設(shè)備多安裝在室外,為保護(hù)檢測(cè)數(shù)據(jù)的安全,防止有人通過數(shù)據(jù)傳輸通道侵入檢測(cè)預(yù)警服務(wù)器,在服務(wù)層部署防火墻進(jìn)行安全防護(hù)。用戶層負(fù)責(zé)接收來自服務(wù)層的消息推送,以及對(duì)服務(wù)層的數(shù)據(jù)進(jìn)行管理。

圖3 庫檢系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖

軌旁檢測(cè)設(shè)備主要由開機(jī)磁鋼、庫檢環(huán)線、電子標(biāo)簽、機(jī)車識(shí)別單元、關(guān)機(jī)磁鋼和軌旁處理中心組成。軌旁檢測(cè)設(shè)備結(jié)構(gòu)見圖4,其中承擔(dān)主要功能的庫檢環(huán)線由2個(gè)接收環(huán)線組成,一個(gè)接收BTM天線發(fā)出的射頻能量,另一個(gè)用來采集動(dòng)車組產(chǎn)生的應(yīng)答器帶內(nèi)干擾信號(hào)。軌旁處理中心負(fù)責(zé)整個(gè)測(cè)試過程的任務(wù)調(diào)度和數(shù)據(jù)處理,通過有線或無線的方式向檢測(cè)預(yù)警服務(wù)器回傳數(shù)據(jù)。

圖4 軌旁檢測(cè)設(shè)備結(jié)構(gòu)圖

BTM庫檢系統(tǒng)以大量BTM檢測(cè)數(shù)據(jù)為樣本,以故障檢修記錄、各廠家BTM設(shè)備參數(shù)指標(biāo)為條件,進(jìn)行大數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)和分析,針對(duì)性地制定出BTM性能狀態(tài)的判定閾值,在每次動(dòng)車組通過時(shí)給出動(dòng)車組BTM性能狀態(tài)判定。當(dāng)檢測(cè)到異常時(shí),系統(tǒng)發(fā)出預(yù)警信息。通過大量數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì),還可以實(shí)現(xiàn)對(duì)BTM整個(gè)生命周期性能指標(biāo)的監(jiān)測(cè),不僅在性能指標(biāo)超過閾值時(shí)發(fā)出預(yù)警信息,而且在檢測(cè)到性能降低時(shí)（不超過閾值）,及時(shí)發(fā)現(xiàn)其變化,發(fā)出提示信息。

動(dòng)車組運(yùn)行過程中,車載記錄器平臺(tái)可以實(shí)時(shí)記錄各應(yīng)答器的作用范圍、解碼幀數(shù)、應(yīng)答器報(bào)文誤碼率等信息。將車載記錄器平臺(tái)的運(yùn)行數(shù)據(jù)導(dǎo)入BTM庫檢系統(tǒng),可以更具體地分析出BTM丟失應(yīng)答器信息故障原因,從而定位到是車載設(shè)備問題還是地面設(shè)備問題。如果發(fā)現(xiàn)丟失應(yīng)答器信息,但是庫檢系統(tǒng)檢測(cè)設(shè)備正常,通過車載記錄器平臺(tái)的運(yùn)行數(shù)據(jù),發(fā)現(xiàn)多列動(dòng)車組在通過特定應(yīng)答器時(shí),作用范圍偏低、解碼幀數(shù)低、誤碼率高等情況,則可以推斷為應(yīng)答器故障。通過分析動(dòng)車組運(yùn)行數(shù)據(jù),發(fā)現(xiàn)通過的大部分應(yīng)答器都出現(xiàn)作用范圍偏低、解碼幀數(shù)低、誤碼率高等情況,則可以推斷為車載故障。

目前該套系統(tǒng)已經(jīng)在武漢局管內(nèi)部署實(shí)施,通過對(duì)現(xiàn)場(chǎng)過車情況的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè),在2020年11月15日監(jiān)測(cè)到動(dòng)車組CR400AF-2172-00端BTM設(shè)備出現(xiàn)性能降低。檢修維護(hù)人員對(duì)其狀態(tài)進(jìn)行了反饋,立即更換備品,更換后設(shè)備性能恢復(fù)正常。BTM庫檢系統(tǒng)通過對(duì)動(dòng)車組的常態(tài)化檢測(cè),可及時(shí)在動(dòng)車組BTM設(shè)備性能降低時(shí)預(yù)警,指導(dǎo)電務(wù)、車輛人員進(jìn)行環(huán)境排查,達(dá)到了較好的狀態(tài)監(jiān)測(cè)和故障預(yù)警效果。

5 結(jié)論

電磁干擾問題是所有應(yīng)答器系統(tǒng)設(shè)備廠商、車輛設(shè)計(jì)單位、牽引供電單位以及運(yùn)營(yíng)管理單位共同面臨的技術(shù)難題。此類問題對(duì)列車正常運(yùn)行影響較大,并且解決難度較高。針對(duì)該問題,提出了預(yù)防措施及解決方案,并進(jìn)行了驗(yàn)證,降低了此類問題的發(fā)生率,為后續(xù)鐵路建設(shè)與運(yùn)營(yíng)維護(hù)提供參考,確保鐵路健康平穩(wěn)運(yùn)行,保障旅客出行安全。