車載列控EMC監測系統在信號動態檢測中的應用

劉玉江 高利民 孟景輝

劉玉江:北京鐵科英邁技術有限公司 助理工程師 100081 北京

高利民:中國鐵道科學研究院基礎設施檢測研究所 助理研究員100081 北京

孟景輝:中國鐵道科學研究院基礎設施檢測研究所 助理研究員100081 北京

電磁兼容 (Electro Magnetic Compatibility，EMC)是指設備在共同的電磁環境中能一起執行各自功能的共存狀態，即設備本身不會由于受到處于同一電磁環境中其他設備的電磁發射，導致或遭受不容許的降級;也不會使同一電磁環境中其他設備因受其電磁發射而導致或遭受不容許的降級。如果一個電子系統既不產生干擾，又能忍受外界干擾，就稱該電子系統的電磁兼容性合格。

正常運行的電子設備同時向外發射電磁能量，形成電磁騷擾，電磁騷擾可能會影響其他設備的正常工作，形成電磁干擾。隨著大量新型電子產品應用到列車運行控制中，車載電磁環境日益復雜，加強對設備工作電磁環境的監測成為分析設備故障的有力手段。

車載列控系統是確保列車安全運行的關鍵設備，若受到電磁干擾的影響就可能破壞或降低設備的工作性能，輕則導致列車停車，重則導致行車事故。為了進一步研究車載列控設備工作環境下的電磁騷擾情況，包括電磁騷擾的時域和頻域特性，信號動態檢測系統檢測項目增加了車載列控運行環境電磁干擾監測。

1 測量原理

圖1 車載列控EMC監測結果顯示 (多通道)

圖1為日常周期性動態檢測中，車載列控EMC監測系統實時顯示圖。車載列控運行環境電磁干擾監測系統 (簡稱車載列控EMC監測系統)，基于EMC技術，主要實現對電場、磁場和傳導騷擾電流的測量。在車上、車下和車內安裝專用測量天線，通過天線接收空間信號，由饋線傳輸到頻譜分析儀或測量接收機進行測量，然后將處理結果分析顯示出來。

2 電磁騷擾源

近幾年隨著高速鐵路的快速發展，相關試驗室對上線運營的動車組進行了大量的試驗和分析工作，積累了豐富的經驗。通過對試驗數據的分析，得出對車載列控設備正常運行造成威脅的電磁騷擾主要有以下幾個方面。

1．關鍵通信、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 (包括多普勒雷達測速器)和車載ATP系統內部的信號電纜。這些電纜上耦合的電磁騷擾如果太強，會造成ATP工作異常，列車制動或降級運行。

2．GSM-R天線附近的空間電磁場。如果很強，會影響GSM-R的語音通信和數據通信，造成誤碼率大幅度提高，嚴重時導致通信超時和通信中斷，從而導致列車運行中CTCS-3級降為CTCS-2級。

3．BTM天線附近的空間磁場。其強度如果很強，會影響BTM天線讀取安裝在地面上的應答器報文信息，嚴重時將導致列車降級運行。

3 系統功能

車載列控EMC監測系統主要實現對車載列控系統天線附近線路電磁環境的監測，及車載列控設備電磁干擾的實時測試和分析。主要包括車載列控系統信息采集各部件周圍電磁環境及其信號電纜耦合的電磁干擾監測，可監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．監測GSM-R車載天線、車載BTM天線周圍的空間電磁騷擾。主要監測頻率分布情況、電磁騷擾場強，分析電磁騷擾與列車運行狀態之間的關系，對監測到的場強數據進行分析和統計，進而得到電磁騷擾的幅度概率分布情況。從監測結果能夠觀察到車外環境中各種頻率的信號，如88～108 MHz頻段的調頻廣播、885～915 MHz的GSM(含公網及GSM-R)的上行信號、930～960MHz的 GSM(含公網及GSM-R)的下行信號等。監測結果如圖2所示。

圖2 車頂空間電磁環境監測結果

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

圖3 車下空間電磁環境監測結果

2．監測BTM天線、TCR天線、速度傳感器(包括多普勒雷達測速器)和ATP系統內部信號電纜中耦合的傳導干擾電壓或電流。監測在上述部件信號電纜上耦合的傳導騷擾電壓和電流的頻率分布情況、強度，分析這些電磁騷擾與列車運行狀態之間的關系，對監測到的騷擾信號數據進行分析和統計，得到電磁騷擾的幅度概率分布，如圖4所示。

圖4 ATP機柜內BTM、速度傳感器、TCR、MVB傳輸電纜監測結果

4 系統結構

車載列控EMC監測系統按照組成和功能，可以分為:測量天線和傳感器、測量通道切換裝置、測量儀器、采集控制計算機和顯示終端五大部分，系統的組成框圖如圖5所示。

圖5 車載列控EMC監測系統組成框圖

由圖5可知，系統共安裝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和參數由計算機控制，測量結果數據可以被采集控制計算機接收，由采集控制計算機對測量數據進行修正。

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，監測此頻段的空間電磁騷擾強度，主要監測GSM-R頻段和其他無線通信系統的工作頻段環境電磁騷擾強度。

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的騷擾磁場強度，監測此頻段的空間電磁騷擾強度，主要監測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機柜內的BTM天線、TCR天線、速度傳感器 (含多普勒雷達測速器)和ATP系統內部的Profibus的電纜上各安裝1個。用于測量9 kHz～30 MHz電纜上耦合的傳導騷擾電流。

5 數據分析

車載列控EMC監測系統用于監測動車組上設備的工作電磁環境，從數據本身不能直接反映出某一信號設備是否出現功能性的異常或故障。對這類監測數據的處理，需要采用數學統計的方法，對長時間運行監測過程中積累的大量數據進行統計，繼而得出一定的分析結果，并進一步根據該結果制定相應的環境監測電平告警門限。

在日常檢測中，檢測結果顯示在二維坐標系中，取x軸表示頻率，y軸表示環境電平幅度，描繪出波形圖，根據監測過程中記錄的大量數據，分析設備處于正常工作狀態的波形情況。當發生大的波動時具體分析干擾源的頻率，并根據系統接入的里程信息，判斷問題發生的位置。

此外，可以將某一個監測通道的監測數據所顯示的環境電平值表示為“頻率－時間”二維自變量空間上的數值。如果在一個三維坐標系中表示，可以取f軸表示頻率，t軸表示時間，A軸表示環境電平幅度，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測結果的關鍵信息。所以，需要對數據進行統計處理，研究監測結果的判斷門限，再疊加上里程信息對監測到的問題進行定位。

6 結論

在研究了高速鐵路車載列控設備對信號動態檢測系統運用需求的基礎上，完成了車載列控EMC監測系統，實現對列控系統天線附近線路電磁環境的監測和車載列控設備電磁干擾的實時測試、分析，通過對監測數據的統計，輔助分析車載列控設備出現的問題。目前，系統應用于高速綜合檢測列車，可完成對高速鐵路信號設備的日常檢測工作。

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