中低速磁浮信號車地通信電磁干擾研究與實現

趙東亮

(通號城市軌道交通技術有限公司，北京 100070)

1 概述

北京市中低速磁浮交通示范線（北京S1線）的線路全長10.2 km，起點石廠站，終點蘋果園站，全線設8座車站。北京S1線配屬列車10列，采用中低速磁浮列車。2017年12月30日，石廠站至金安橋站7站6區間開始載客試運營。

北京S1線信號系統采用基于感應環線的移動閉塞系統（FZL200系統），系統主要由列車自動監控（ATS）、計算機聯鎖（CI）、列車自動防護（ATP）、列車自動運行（ATO）子系統構成。系統采用感應環線進行車地雙向通信，實現了移動閉塞。

北京S1線列車采用6節編組，全部為動車，采用直線電機牽引。當列車速度在電空轉換速度（7 km/h）以上時，常用制動采用電制動。當列車速度在電空轉換速度以下時，常用制動采用氣液制動。氣液制動通過控制車輛上的閘片和地面軌道側面接觸摩擦進行制動。

中低速磁浮交通和輪軌交通的區別是，列車沒有輪對，運行時車體和軌道沒有接觸。在北京S1線，為了乘客保護，在站臺設有接地軌，車體通過接地電刷與接地軌連接直接接地。列車在區間運行時，列車通過回流電刷與供電負極軌連接，負極軌到牽引變電所通過64D接地漏電保護電路與地連接。

在北京S1線開通調試及載客試運營的過程中，出現了影響車地通信的外部干擾，引起車地通信中斷，造成列車緊急停車，對乘客服務質量造成影響。

2 車地通信系統介紹

FZL200型系統采用H20型TWC系統實現車地雙向通信功能。FZL200系統車地通信TWC子系統技術參數如下。

車到地通信：載頻54.55 kHz；頻偏：400 Hz，速率1 200 bit/s；調制方式：FSK。

地到車通信：載頻35.8 kHz；頻偏：400 Hz，速率1 200 bit/s；調制方式：FSK。

TWC系統設備按位置可分3部分：軌旁室內設備、軌旁室外設備和車載設備。TWC軌旁室內設備包括發送設備、切換設備、環線檢測濾波設備、接收設備和防雷單元；TWC軌旁室外設備包括饋電電纜、始端/終端匹配設備和環線電纜；車載設備包括電源、發送設備、接收設備、交叉點提取設備、發送天線和接收天線。

TWC系統主要實現發碼、解碼、提取交叉點功能。

軌旁室內發送設備把ZC的控車命令轉換為模擬信號發送到軌旁室外設備，軌旁室外設備把信號通過環線向空間發送，車載接收設備通過接收天線接收空間的信號解碼后傳給車載ATP。車載發送設備把車載ATP的反饋信息轉換為模擬信號后，經過發送天線向空間發射，軌旁室外設備環線感應到信號后，送給軌旁室內接收設備，解碼后轉給ZC。

通過識別環線邊界和交叉點，車載ATP可以實現位置初始化和位置校正。

3 車地通信干擾分析

電磁干擾是指電磁騷擾引起的設備、傳輸通道或系統性能的下降。電磁干擾由電磁騷擾源發射的電磁能量，經過耦合途徑傳輸到敏感設備。形成電磁干擾后果必須具備3個基本要素：電磁騷擾源、耦合途徑和敏感設備。

3.1 車載TWC設備干擾分析

在現場車地設備聯調期間發現車載TWC接收設備在列車運營過程中出現不同程度的接收誤碼及通信中斷的現象。

每個車端有2個TWC發送天線、2個TWC接收天線，前發送和前接收天線安裝在MC1/MC2端第一轉向架上，后發送和后接收天線安裝在MC1/MC2端第三轉向架上。

針對車載TWC接收天線受干擾情況，分別測試了以下工況。

1）地面TWC設備斷電，用示波器測量列車正常運行情況下/切除頭車牽引系統條件下列車靜止、惰行、牽引和制動情況下的信號波形。

2）地面TWC設備上電，用示波器測量列車正常運行條件下/切除頭車牽引系統列車靜止、惰行、牽引和制動情況下的信號波形。

測量的波形如圖1、2所示，其中黃色波形為前接收天線波形，青色波形為后接收天線波形。

圖1 地面TWC設備斷電時車載TWC天線波形Fig.1 On-board TWC antenna waveform when wayside TWC not working

根據試驗結果得出以下結論：

1）列車在牽引/制動/惰行條件下對TWC接收天線信號均存在干擾，牽引制動時干擾信號明顯大于惰行時干擾信號；

2）和前接收天線相比，后接收天線距離直線電機距離更近，后接收天線受干擾的程度明顯強于前接收天線；

3）后天線接收到的干擾信號幅度高于有用信號幅度（最高可達3倍），干擾信號存在地對車通信頻率35.8 kHz帶內分量，影響車載TWC接收信號波形和解碼功能；

4）在頭車切除牽引的情況下，車輛在牽引、制動和惰行等工況下對TWC天線接收信號影響較小。

根據以上試驗結果，技術人員又進行了以下試驗：

1）改變后接收天線的位置（安裝位置移至第4/第5轉向架）不能有效的遠離干擾源；

2）對被干擾對象（接收天線本身）進行屏蔽，不能有效的抑制干擾信號；

3）單獨布置TWC接收天線至車載機柜的連接電纜不能有效的抑制干擾信號。

通過對上述試驗的分析總結，發現車載TWC接收天線干擾信號來源于車輛牽引電機。由于車輛牽引、制動等動作的不斷變換，使得電機產生不同頻率的干擾信號，通過空間耦合到車載接收天線上，造成車載TWC接收天線收到頻帶內的干擾信號，最終導致誤碼及通信中斷。

圖2 地面TWC設備正常工作時車載TWC天線波形Fig.2 On-board TWC antenna waveform when wayside TWC working

3.2 地面TWC設備干擾分析

北京S1線載客試運營以來，通過軟件優化等措施車地通信逐步下降。但是2019年6月以來，列車在區間車地通信中斷引發列車降級問題高發。

發生通信中斷的原因是地面TWC無法接收車載TWC發送的信號，通過在地面設備室架設示波器及錄波儀對問題高發的區段地面接收信號進行錄波，確定為TWC地面設備接收到異常干擾信號導致無法解出有效信號，進而引發地面與車載的通信中斷問題，具體波形如圖3、4所示。

圖3 正常情況下地面TWC接收到信號波形Fig.3 Signal waveform received by wayside TWC under nomal condition

圖4 通信中斷時地面TWC接收到信號波形Fig.4 Signal waveform received by wayside TWC under EMI conditions

與地鐵運營通號公司技術人員通過頻譜分析，發現的干擾信號頻率主要為57～58 kHz，該干擾信號頻率在TWC有效信號接收頻帶范圍（52～58 kHz）內，通過TWC環線檢測濾波板固有的帶通濾波難以濾除，且由于干擾信號能量是有效信號能量的4～5倍，導致地面TWC無法解析出有效信號而造成車地通信中斷，波形及頻譜如圖5所示。

圖5 通信中斷時干擾信號與有效信號頻譜對比Fig.5 Frequency spectrum contrast of effective and interference signals under EMI conditions

（圖5中黃色線為信號輸出的54.55 kHz能量，紅色線為干擾信號58 kHz的能量，干擾信號完全淹沒了有效信號）

為進一步分析干擾原因，委托第三方進行了電磁干擾診斷測試。經過現場測試，確定干擾源為車輛牽引變流器和輔助變流器，車輛的牽引變流器和輔助變流器在54.55 kHz頻點附近有較為明顯的諧波電流。干擾路徑為空間輻射耦合。

4 采取的措施

為實現電磁兼容，采用的技術措施就是從分析電磁騷擾源、耦合途徑和敏感設備著手，抑制騷擾源，消除或減弱騷擾的耦合，降低敏感設備對騷擾的響應。

在沒有有效辦法抑制騷擾源和消除耦合途徑的情況下，采用在車載TWC和地面TWC增加針對性措施降低騷擾對車地通信的影響。

4.1 車載TWC設備采取的措施

根據車載TWC設備干擾分析，后接收天線受干擾的程度明顯強于前接收天線。采取再增加一個后接收天線和原后接收天線級聯的方法，進行干擾信號抵消，降低干擾信號，增強有效信號。

車載天線布置方案如下：保持原天線位置不變，在車頭的第3轉向架處（即后發送天線正后方）增加一個TWC接收天線，新增加的接收天線橫向與另一個后接收天線并行，高度與其他天線相同，其安裝位置示意如圖6所示。

圖6 車載TWC天線安裝示意Fig.6 Installation diagram of on-board TWC antenna

由于TWC天線的設計原理是采用“切割磁感應線圈”的工作原理，當列車上的TWC接收天線經過環線產生磁場后，天線產生感應電流，并由TWC車載設備提取相應的有效信號。假設干擾信號從單一方向進入，通過兩個并聯且反向安裝的TWC接收天線（正反方向）后，產生干擾信號的電流方向反向，從而抵消來自車輛兩個方向的干擾信號，其工作原理如圖7所示。

圖7 干擾信號抵消原理Fig.7 Counteracting principle of interference signals

根據上述方案進行現場試驗驗證，其測試結果如圖8所示。由圖8可得：天線級聯方案可以實現對干擾信號明顯的抵消，而對有效信號有一定增強。

圖8 天線級聯前后波形Fig.8 Waveform before and after two receiving antennas cascaded

采取再增加一個后接收天線和原后接收天線級聯的方法，實現了干擾信號明顯抵消，干擾信號的幅度大幅減小。按照該方法在10列車完成改造后，車載接收通信中斷次數大幅度降低，保障了S1線順利載客試運營。

4.2 地面TWC設備采取的措施

根據車地通信中斷故障分析定位情況，結合測得的干擾信號頻率及能量，在既有地面TWC環線檢測板（濾波器通帶52～58 kHz）的基礎上，開發新型環線檢測板（濾波器通帶53～56 kHz），濾除57～58 kHz干擾信號。

新型環線檢測板在車地通信故障高發區段進行驗證，發現可以濾除57～58 kHz的干擾信號，通信中斷次數大幅度減少。

目前，新型環線檢測板已經在北京S1線正線全部進行了更新替換。替換完成后，車地通信中斷日平均次數和故障高發時相比下降了95%以上，取得了明顯的效果。

5 結語

北京S1線列車車底電磁環境比較復雜，對車地通信造成了干擾，引起了車地通信中斷。通過試驗和排查分析，確定了干擾原因，并在TWC設備上采取了針對性的抑制措施，車地通信中斷大幅度下降，取得了明顯的效果。

車地通信干擾問題的診斷解決，為保證北京S1線的平穩運行起到了重要作用，為后續中低速磁浮交通的建設和維護積累了經驗。