基于庫檢系統的BTM電磁干擾研究與防護

陳曦

應答器傳輸系統是中國列車運行控制系統中的重要組成部分,裝備在CTCS-2/3級的列控系統中,以安全點式信息傳輸方式實現地面設備向車載設備傳輸信息。當天線單元通過或者停在應答器上方時,則構成應答器與車載設備間的信息傳輸通道。根據《應答器傳輸系統技術條件》（TB/T 3485—2017）,應答器傳輸系統由地面設備和車載設備組成。地面設備包括有源應答器、無源應答器和地面電子單元（LEU）；車載設備包括天線單元和應答器傳輸模塊（BTM）。應答器傳輸系統設備構成見圖1［1］。

圖1 應答器傳輸系統設備構成

圖1 中接口“A”是應答器與BTM的空間電磁耦合接口。如果該接口處存在較強的電磁干擾,則會影響應答器上行數據傳輸,進而影響BTM設備對應答器信息的解碼,導致列車不能及時有效地獲得線路信息,造成列車晚點,影響列車運行效率,嚴重時甚至導致行車危險。

本文對一起典型的應答器系統干擾問題進行分析,提出現場運用解決建議,研究動車組出入庫BTM檢測系統技術方案,以達到對干擾進行監測和預防的目的。

1 問題分析

經分析車載BTM記錄數據,確認BTM均可接收到丟失應答器的上行鏈路信號能量,但無法解碼,其他能夠解碼成功的應答器信息也存在誤碼率較高的情況［2］。車輛回庫后,對應答器信號接收功能進行測試,BTM主機發送27.095 MHz射頻能量信號的幅度和頻率均正常、接收應答器信息的相關功能正常,但誤碼率較高。車輛降弓后,誤碼率恢復正常。綜合車載記錄數據以及列車回庫后的測試結果,可初步判斷誤碼率較高與車輛牽引、供電等強電系統造成的電磁干擾有關［4］。

為了進一步排查干擾源及干擾路徑,使用頻譜分析儀測量BTM天線端口的信號頻譜［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載等一系列排查措施,最終確定干擾源為輔助逆變器設備。為進一步確定干擾路徑,逐一采取以下措施。

1）切斷動車組電源,使用UPS為BTM供電。測量干擾結果并無改善,說明干擾并非通過電源耦合至BTM。

2）調整BTM設備信號線走線路徑。測量干擾結果并無改善,說明干擾并非通過信號線耦合至

BTM。

3）更換天線位置,將BTM天線遠離車體環境。測量BTM主機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生,經過車輛回流系統,直接通過空間耦合至BTM天線,從而造成BTM解碼誤碼率升高,導致丟失應答器信息。

根據《應答器傳輸系統技術規范》（Q/CR 716—2019）,BTM及天線單元在2.5～6 MHz頻段內應能承受峰值不大于-60 dBm的環境噪聲［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載設備,其峰值均為-55 dBm左右,比限值大5 dB。在動態行車情況下,其電磁干擾值一般會超過靜態下的測量值。

2 防護措施

解決電磁干擾問題,可通過提升受擾設備的抗擾能力、切斷或改變干擾路徑、整改干擾源3個方面進行。

在提升抗擾性能方面,應答器信號為中心頻率4.234 MHz、頻偏282.24 kHz的FSK信號。而由于干擾信號頻率與應答器信號頻段重合,因此BTM自身無法將此干擾濾除,并且BTM設備為標準設備,無法通過修改工作頻率避免干擾［7］。另外,BTM設備為安全設備,較難通過降噪和糾錯等設計,來提升自身對帶內信號的抗干擾能力。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場運用中較為快速解決此類問題的方式。在不改變BTM設備及干擾源設備的情況下,可嘗試如下解決方案。

1）調整回流線走向,與之連接的金屬物盡量遠離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入BTM天線,可考慮增加金屬罩板。但應考慮金屬罩板尺寸問題,避免對BTM設備本身工作性能產生影響［10］。

3）調整鋼軌回流,使其盡量平均分布在兩側軸端,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）調整干擾源、受擾設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；增加濾波器,將2～6 MHz干擾濾除；對干擾源設備內部電路參數調整也會有一定改善。以上方法在現場運用中可綜合考慮實施。

3 BTM庫檢系統技術方案

針對電磁干擾的問題,預防大于解決。若能在車輛使用過程中,對設備性能進行檢測,及時發現干擾問題或者BTM性能問題,則可及早采取有針對性的維修措施。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。該系統能夠在列車出入庫時,對車輛干擾進行定量檢測。當電磁干擾指標超過設定閾值時,及時發出預警,指導現場維護人員進行問題排查。

當前,對BTM的故障排查,主要采用庫內靜態測試的方法,忽略了BTM設備在實際運行過程中,其他車載設備對BTM的電磁干擾以及地面環境因素?，F階段,亟需一種可以在動車組運行狀態下進行檢測的技術手段,由此前的故障后入庫靜態檢測變為常態化檢測。針對動態檢測的BTM庫檢系統,其功能包含對動車組車載BTM設備相關數據的采集,采集內容包括BTM天線發射的射頻激勵信號及2～6 MHz頻帶內信號。

庫檢系統總體結構見圖3,包括數據采集層、服務層和用戶層。數據采集層負責對動車組車載BTM設備進行數據采集,采集內容包括BTM天線發射的27 MHz射頻激勵信號以及2～6 MHz干擾信號。系統支持同時接入多套數據采集設備,可以根據現場股道數量進行靈活配置。服務層負責接收、存儲、分析來自數據采集層的數據。由于數據采集設備多安裝在室外,為保護檢測數據的安全,防止有人通過數據傳輸通道侵入檢測預警服務器,在服務層部署防火墻進行安全防護。用戶層負責接收來自服務層的消息推送,以及對服務層的數據進行管理。

圖3 庫檢系統總體結構圖

軌旁檢測設備主要由開機磁鋼、庫檢環線、電子標簽、機車識別單元、關機磁鋼和軌旁處理中心組成。軌旁檢測設備結構見圖4,其中承擔主要功能的庫檢環線由2個接收環線組成,一個接收BTM天線發出的射頻能量,另一個用來采集動車組產生的應答器帶內干擾信號。軌旁處理中心負責整個測試過程的任務調度和數據處理,通過有線或無線的方式向檢測預警服務器回傳數據。

圖4 軌旁檢測設備結構圖

BTM庫檢系統以大量BTM檢測數據為樣本,以故障檢修記錄、各廠家BTM設備參數指標為條件,進行大數據統計和分析,針對性地制定出BTM性能狀態的判定閾值,在每次動車組通過時給出動車組BTM性能狀態判定。當檢測到異常時,系統發出預警信息。通過大量數據的統計,還可以實現對BTM整個生命周期性能指標的監測,不僅在性能指標超過閾值時發出預警信息,而且在檢測到性能降低時（不超過閾值）,及時發現其變化,發出提示信息。

動車組運行過程中,車載記錄器平臺可以實時記錄各應答器的作用范圍、解碼幀數、應答器報文誤碼率等信息。將車載記錄器平臺的運行數據導入BTM庫檢系統,可以更具體地分析出BTM丟失應答器信息故障原因,從而定位到是車載設備問題還是地面設備問題。如果發現丟失應答器信息,但是庫檢系統檢測設備正常,通過車載記錄器平臺的運行數據,發現多列動車組在通過特定應答器時,作用范圍偏低、解碼幀數低、誤碼率高等情況,則可以推斷為應答器故障。通過分析動車組運行數據,發現通過的大部分應答器都出現作用范圍偏低、解碼幀數低、誤碼率高等情況,則可以推斷為車載故障。

目前該套系統已經在武漢局管內部署實施,通過對現場過車情況的實時監測,在2020年11月15日監測到動車組CR400AF-2172-00端BTM設備出現性能降低。檢修維護人員對其狀態進行了反饋,立即更換備品,更換后設備性能恢復正常。BTM庫檢系統通過對動車組的常態化檢測,可及時在動車組BTM設備性能降低時預警,指導電務、車輛人員進行環境排查,達到了較好的狀態監測和故障預警效果。

5 結論

電磁干擾問題是所有應答器系統設備廠商、車輛設計單位、牽引供電單位以及運營管理單位共同面臨的技術難題。此類問題對列車正常運行影響較大,并且解決難度較高。針對該問題,提出了預防措施及解決方案,并進行了驗證,降低了此類問題的發生率,為后續鐵路建設與運營維護提供參考,確保鐵路健康平穩運行,保障旅客出行安全。