大勝關(guān)大橋段通信信號電磁干擾測試研究

耿天霜　盧瀅　賈靜

摘? 要：隨著電子設(shè)備在軌道交通中的廣泛應(yīng)用，設(shè)備間的電磁干擾也越來越受到關(guān)注。文中對地鐵和高鐵并行、直流和交流并存、鋼橋橫跨長江等多種特殊條件疊加工況下的電磁干擾進行研究，通過外部電磁環(huán)境測試和現(xiàn)場模擬測試數(shù)據(jù)進行分析及理論計算，來評估大勝關(guān)大橋段寧和城際軌道交通通信信號設(shè)備受電磁干擾的影響程度，并提出相關(guān)防護措施。研究成果對類似項目具有一定的借鑒作用。

關(guān)鍵詞：電磁干擾；軌道交通；大勝關(guān)大橋

中圖分類號：TP39；U285 文獻標識碼：A? 文章編號：2096-4706（2023）11-0042-06

Research on Electromagnetic Interference Testing of Communication Signals in the Dashengguan Bridge Section

GENG Tianshuang1， LU Ying2， JIA Jing2

（1.Nanjing Metro Construction Co.， Ltd.， Nanjing? 210017， China;

2.China Railway Shanghai Design Institute Group Corporation Limited， Shanghai? 200070， China）

Abstract： With the wide application of electronic equipments in rail transit， more and more attention has been paid to the electromagnetic interference among equipments. In this paper， the electromagnetic interference （EMI） of subway and high-speed railway parallel， DC and AC coexist， steel bridge across the Yangtze River and other special conditions are studied. Through analysis and theoretical calculation of the external electromagnetic environment test and field simulation test data， the influence degree of electromagnetic interference on communication signal equipment of Ninghe intercity rail transit in Dashengguan bridge section is evaluated， and the relevant protective measures are put forward. The research results can be used for reference for similar projects.

Keywords： electromagnetic interference; rail transit; Dashengguan Bridge

0? 引? 言

電氣化鐵路的發(fā)展維度掌控國家經(jīng)濟命脈，軌道交通系統(tǒng)建設(shè)是關(guān)乎國民出行的重大工程，但是電子裝置、高精度數(shù)字化裝備的大量投用導(dǎo)致電磁環(huán)境惡化，是制約軌道交通發(fā)展的主要因素之一，如何解決這對矛盾業(yè)已成為熱點話題。

從20世紀六七十年代起，對軌道交通系統(tǒng)周圍電磁場的研究就已經(jīng)開始，主要的研究方法集中在理論推導(dǎo)和現(xiàn)場實測，同時由于高速列車系統(tǒng)十分復(fù)雜，之前的學(xué)者往往將系統(tǒng)整體作為對象進行研究和測試。單秦提出針對高速動車組電磁兼容性研究的局限性問題，采用了電磁拓撲法和電磁兼容基本理論對高速動車組整車的電磁兼容性進行了研究?；艉昶G選取了高速動車組三種典型的電磁騷擾源進行研究，在一定程度上描述了動車組的騷擾源模型，等等。但是，目前基于復(fù)雜環(huán)境和極端工況下的高鐵對軌道交通的電磁干擾影響還沒有全面、成體系的分析，需要更深入的研究。

本文重點針對高鐵對軌道交通專用無線通信設(shè)備、信號CBTC系統(tǒng)設(shè)備、車地無線系統(tǒng)設(shè)備的影響進行測試分析，并提出電磁干擾防護措施。通過對大勝關(guān)大橋段外部環(huán)境、搭建通信信號模擬系統(tǒng)測試等方法分別對地鐵CBTC系統(tǒng)（802.11b的DSSS模式下天線和波導(dǎo)管覆蓋方式及FHSS模式下的天線覆蓋方式）、TETRA系統(tǒng)（800 MHz的天線覆蓋方式）及PIS系統(tǒng)（802.11g和802.11a模式下的天線覆蓋方式及TD-LTE模式下的天線覆蓋方式）進行場強覆蓋、網(wǎng)絡(luò)性能、服務(wù)質(zhì)量（TETRA）測試，并對比測試時滬漢蓉或京滬高鐵有列車經(jīng)過時是否造成影響，以及CBTC與PIS工作于相同頻段時是否造成相互影響。

研究結(jié)論和成果將是對軌道交通特殊地段通信信號無線系統(tǒng)方案的一次重大優(yōu)化和改進。其研究成果可填補國內(nèi)在相關(guān)領(lǐng)域研究的空白，可為軌道交通無線專業(yè)人員提供一定的參考、借鑒和指導(dǎo)。

1? 研究背景

1.1? 項目概況

南京大勝關(guān)長江大橋位于既有南京長江大橋上游20 km處，是寧和城際軌道交通線、京滬高速鐵路（350 km/h）和滬漢蓉客運專線（250 km/h）同橋并行的越江通道，為六線鐵路橫跨長江的全鋼結(jié)構(gòu)大橋。大橋中間四線為京滬高鐵和滬漢蓉客運專線，寧和城際軌道交通上、下行線路分別位于滬漢蓉鐵路和京滬高鐵外側(cè)。

隨著國內(nèi)軌道交通技術(shù)的不斷發(fā)展，電子設(shè)備廣泛應(yīng)用，而設(shè)備間的電磁干擾也越來越受到關(guān)注。針對地鐵和高鐵并行、直流和交流并存、鋼橋橫跨長江等多種特殊條件疊加下的工況在國內(nèi)尚屬首次，有必要對電磁兼容性進行研究和探討。

1.2? 設(shè)備概況

大勝關(guān)大橋段寧和城際軌道交通通信信號設(shè)備有：沿上下行列車運行方向右側(cè)每間隔100 m設(shè)置信號CBTC或PIS系統(tǒng)用AP箱及天線，引橋上設(shè)置有無線直放站。

2? 研究方案

通過外部電磁環(huán)境測試和現(xiàn)場模擬測試以及理論計算，來評估大勝關(guān)大橋段寧和城際軌道交通通信信號設(shè)備受電磁干擾的影響程度。

2.1? 外部電磁環(huán)境測試

2.1.1? 測試項目

電磁環(huán)境測試。主要針對CBTC系統(tǒng)、TETRA系統(tǒng)及PIS系統(tǒng)頻點在大勝關(guān)大橋段的干擾信號進行測試，為工程設(shè)計頻率規(guī)劃提供參考。

鐵路干擾測試。通過對鐵路動車組經(jīng)過前的電磁環(huán)境與動車組經(jīng)過時的電磁環(huán)境進行比較以判斷鐵路動車組運行狀態(tài)下，是否對地鐵CBTC系統(tǒng)、TETRA系統(tǒng)及PIS系統(tǒng)造成干擾。測試時京滬高鐵尚未開通，僅滬漢蓉有列車在運行，且無雙車交會情況發(fā)生。

2.1.2? 測試點選取

在大勝關(guān)大橋主橋和引橋軌道交通側(cè)分別選取5個和2個點進行測試，測試點位置如圖1所示。

2.1.3? 測試方法

主要采用電磁環(huán)境測試和電磁環(huán)境測試兩種方法[1-3]進行測試。

電磁環(huán)境測試：1）對于寧和城際軌道交通大勝關(guān)大橋區(qū)間線路每500 m選取一個測試點。2）測試時間選在當?shù)貢r間7：30～12：00以及13：30～18：00范圍內(nèi)；每測試點測試時間不小于30 min。3）根據(jù)測試儀表讀數(shù)、測試天線增益、饋線損耗等數(shù)據(jù)，計算出天線輸入端干擾電平。4）測試頻段包括CBTC頻段、TETRA頻段、PIS頻段，對于CBTC系統(tǒng)、PIS系統(tǒng)測試外部的SSID、頻段、RSSI值。

電磁環(huán)境測試：1）測試鐵路無列車通過時的電磁環(huán)境。2）測試鐵路列車通過后的電磁環(huán)境。3）通過對兩次的電磁環(huán)境進行比較，判斷鐵路在列車運行時對CBTC系統(tǒng)、TETRA系統(tǒng)和PIS系統(tǒng)造成的影響。

2.2? 現(xiàn)場模擬測試

2.2.1? 測試項目

對地鐵CBTC系統(tǒng)（802.11b的DSSS模式下天線和波導(dǎo)管覆蓋方式及FHSS模式下的天線覆蓋方式）、TETRA系統(tǒng)（800 MHz的天線覆蓋方式）及PIS系統(tǒng)（802.11g和802.11a模式下的天線覆蓋方式及TD-LTE模式下的天線覆蓋方式）進行場強覆蓋、網(wǎng)絡(luò)性能、服務(wù)質(zhì)量（TETRA）測試，并對比測試時滬漢蓉或京滬高鐵有列車經(jīng)過時是否造成影響。測試CBTC與PIS工作于相同頻段時是否造成相互影響。

2.2.2? 測試設(shè)備及系統(tǒng)

CBTC（DSSS）安裝7套軌旁設(shè)備，彼此間隔200 m；CBTC（FHSS）安裝3套軌旁設(shè)備，彼此間隔200 m；CBTC（波導(dǎo)管）長200 m；TETRA及TD-LTE各安裝1套設(shè)備，天線（或發(fā)射設(shè)備）；PIS（a/g）安裝7套軌旁設(shè)備。

各系統(tǒng)均獨立使用各自獨立的天饋系統(tǒng)和地面設(shè)備，經(jīng)相同的光纜和設(shè)備與測試系統(tǒng)相連。測試系統(tǒng)布置示意圖如圖2所示。

2.2.3? 測試方法

通過光纜遠程連接測試儀器和設(shè)備，在橋下臨時機房內(nèi)采集白天高鐵通過時，產(chǎn)生的電氣化干擾對于軌道交通通信信號系統(tǒng)影響的數(shù)據(jù)。

通過長時間（30天）的測試以及7個信號發(fā)射源、3個數(shù)據(jù)采集點（橋頭、橋中和橋尾）采集數(shù)據(jù)，避免隨機因素對于測試結(jié)果的影響。

根據(jù)測試儀表、軟件讀取結(jié)果，得到場強及性能測試結(jié)果，并在列車經(jīng)過時記錄測試結(jié)果，進行比較，判斷是否有影響[4]。

2.2.4? 測試內(nèi)容

測試高鐵動車組列車經(jīng)過時的場強覆蓋、漫游性能、吞吐量、丟包等。

3? 結(jié)論分析

3.1? 外部電磁環(huán)境測試

3.1.1? 電磁環(huán)境測試

TETRA電磁環(huán)境測試過程發(fā)現(xiàn)，在較寬頻段（812.6～814.2 MHz；857.6～859.2 MHz），測試點1至測試點7在均無在用信號。對于個別使用頻點可根據(jù)測試點1至測試點7的TETRA電磁環(huán)境測試結(jié)果做進一步分析，以判斷是否被使用。

CBTC電磁環(huán)境測試結(jié)果顯示，在各信道內(nèi)電平值最大值均小于-80 dBm。

PIS電磁結(jié)果顯示，在測試點1至測試7均無在用信號。

CBTC、TETRA、PIS電磁環(huán)境測試結(jié)果如圖3所示。

3.1.2? 干擾測試

TETRA干擾測試主要是對列車經(jīng)過前和經(jīng)過后頻譜進行分析，分析發(fā)現(xiàn)列車經(jīng)過時產(chǎn)生的干擾信號對TETRA所使用的頻段不產(chǎn)生干擾。

CBTC干擾測試中發(fā)現(xiàn)測試點1至測試點5位置2.4 GHz頻段干擾信號頻段均較窄，對CBTC信號不會產(chǎn)生影響。測試點6和測試點7頻譜均有“毛刺”現(xiàn)象，造成這原因可能是由于附近有采用FHSS調(diào)頻技術(shù)WLAN信號，該信號功率較小，為-80 dBm左右，應(yīng)不會對CBTC信號產(chǎn)生影響。

PIS系統(tǒng)干擾測試顯示，5.8 GHz頻段內(nèi)沒有干擾信號。

CBTC、TETRA、PIS干擾測試結(jié)果如圖4所示。

3.2? 現(xiàn)場模擬測試

3.2.1? TETRA測試發(fā)現(xiàn)

在場強滿足要求條件下，服務(wù)質(zhì)量不會因為高鐵列車經(jīng)過而改變；在較遠測試點服務(wù)質(zhì)量下降，應(yīng)判斷為信號受到橋體屏蔽場強較弱導(dǎo)致，與列車經(jīng)過無明顯聯(lián)系。選取測試點3的測試結(jié)果，如表1所示。

3.2.2? CBTC測試顯示

天線方式下，網(wǎng)絡(luò)性能在列車經(jīng)過時有偶然性降低，表現(xiàn)為短時吞吐量下降，時延增加，丟包率增加，但因持續(xù)時間短，整體性能未見明顯影響；波導(dǎo)管方式下列車經(jīng)過未見明顯影響（車載接收天線距離波導(dǎo)管40 cm）；非冗余方式下整體性能未見明顯下降；跳頻模式下列車經(jīng)過未見明顯影響。選取測試點2的測試結(jié)果，如表2和圖5所示。

3.2.3? PIS測試顯示

2.4 GHz及5.8 GHz兩種模式下網(wǎng)絡(luò)性能在列車經(jīng)過時均有偶然性降低，表現(xiàn)為短時吞吐量下降，時延增加，丟包率增加，但因持續(xù)時間短，整體性能未見明顯影響；5.8 GHz相對2.4 GHz模式衰減較大，場強降低對帶寬、時延、丟包率的影響較大；2.4 GHz及5.8 GHz兩種模式的帶寬均不穩(wěn)定，且均為mesh方式搭建，與常用的軌旁AP+車載客戶端方式不同，在車載客戶端與測試客戶端間的無線通道可能引入二次干擾，僅具參考價值；LTE模式在較近距離場強覆蓋良好的情況下，網(wǎng)絡(luò)性能比較穩(wěn)定，列車經(jīng)過未見明顯影響，在超過1 km距離場強覆蓋減弱情況下，網(wǎng)絡(luò)性能在列車經(jīng)過時有偶然性降低，表現(xiàn)為短時吞吐量下降，時延增加，丟包率增加，但因持續(xù)時間短，整體性能未見明顯影響。選取測試點2位置2.4 GHz模式下的測試結(jié)果，如表3和圖6所示。

其中，無車時前期測試時測試客戶端2.4 GHz頻段使用了802.11g模式，該模式下可用帶寬較低（后期改為802.11n）。

3.2.4? 干擾測試

CBTC與PIS使用相同頻率（2.4 GHz）時的相互干擾測試（CBTC信道為1、11，PIS為1）發(fā)現(xiàn)：CBTC與PIS均進行滿載吞吐量測試，CBTC性能未見明顯下降（因CBTC有無沖突的11信道），而PIS性能有明顯下降，應(yīng)當判斷若都使用完全相同的信道，雙方性能均會有明顯下降；PIS滿載情況下CBTC的基本性能（輕載）未見明顯下降；CBTC滿載情況下PIS的基本性能（輕載）未見明顯下降。測試點2在不同條件下的吞吐量如圖7所示。

3.3? 電磁影響計算

根據(jù)《電信線路遭受強電線路危險影響的容許值》（GB 6830—1986）、《鐵路通信設(shè)計規(guī)范》（TB 10006—2016）及《交流電力和交流電氣化鐵道裝置發(fā)生故障時對電信系統(tǒng)產(chǎn)生耦合時的人身安全極限值》（ITU-T建議K.33）中的有關(guān)規(guī)定，通過計算得出，大勝關(guān)大橋段軌道交通區(qū)間電纜選取屏蔽系數(shù)不大于0.1的電纜可滿足規(guī)范對有線電信線路影響容許值的規(guī)定[5]。

4? 防護措施

根據(jù)對大勝關(guān)大橋段電磁干擾的理論分析和現(xiàn)場測試，提出防護措施如下：1）提高電纜屏蔽系數(shù)。采用高抗干擾屏蔽電纜。對于沿電氣化鐵道敷設(shè)的干線電纜，采用屏蔽系數(shù)不大于0.1的電纜。通信系統(tǒng)全線敷設(shè)的一根20P電纜在大勝關(guān)橋區(qū)間改用光纜。2）在大勝關(guān)大橋段電纜槽采用復(fù)合環(huán)氧樹酯材質(zhì)帶蓋的槽式復(fù)合型防腐屏蔽電纜槽，增強屏蔽作用并隔離強電影響。3）漏纜夾具采用高鐵專用夾具。

5? 結(jié)? 論

本文主要是以信號的波導(dǎo)自由無線、通信及信號的無線天線作為研究對象，通過現(xiàn)場模擬測試數(shù)據(jù)分析計算各無線設(shè)備的電磁兼容性，研究結(jié)論和成果直接應(yīng)用到寧和城際軌道交通工程通信信號系統(tǒng)中，同時可為其他工程項目中遇到的電氣化鐵道接觸網(wǎng)對無線系統(tǒng)及無線設(shè)備的影響提供借鑒，并為更好的建設(shè)高質(zhì)量的無線通信信號系統(tǒng)打好技術(shù)基礎(chǔ)。

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作者簡介：耿天霜（1980.10—），男，漢族，江蘇通州人，高級工程師，本科，研究方向：交通運輸；盧瀅（1971.10—），女，漢族，江蘇鎮(zhèn)江人，正高級工程師，本科，研究方向：無線通信；賈靜（1984.04—），女，漢族，江蘇揚州人，高級工程師，本科，研究方向：電氣工程與自動化。

收稿日期：2022-12-06