鐵路數(shù)字信號電纜抗外界干擾素力的影響因素及控制

豆蕊，王慧

(西安西電光電纜有限責(zé)任公司,陜西西安，710082）

0 引言

由于鐵路在高速行駛中需要進行多種通信，其通信距離可以達(dá)到數(shù)十公里，甚至數(shù)百公里，所以實現(xiàn)可靠的實時通信是一個亟待解決的問題。通過對車輛內(nèi)部人員的實時了解，實現(xiàn)了對車輛的實時信息傳遞。當(dāng)發(fā)生意外或緊急情況時，可以提供報警信息。公安部門在接到110報警后，可以通過撥打110報警，及時向鐵路公司求助，以便及時解決事故。近幾年，我國的通信技術(shù)工作者們發(fā)現(xiàn)，鐵路信號的傳播受到了多種因素的影響，信號的準(zhǔn)確性、持續(xù)性和安全性都受到了嚴(yán)重的影響。因此，在不增加干擾信號、減小現(xiàn)有干擾信號幅度的前提下，保證有效信號的暢通是改造線路的關(guān)鍵。

1 鐵路數(shù)字信號電纜的干擾形式

1.1 電磁干擾

電磁干擾是一種無法避免的干擾，它不但會對電子產(chǎn)品產(chǎn)生影響，而且會對器件的晶片產(chǎn)生損傷。由于地球電磁環(huán)境的影響，各種干擾的強度也會有差異。電磁波對信號線纜的影響是不斷發(fā)生的。這種干擾有傳導(dǎo)干擾和輻射干擾兩類，它們的作用方向和作用的大小不同。前者是通過傳導(dǎo)的，后者是通過輻射來實現(xiàn)的。電磁干擾可使列車信號強度下降，并在接近接收機時中斷消失。

1.2 環(huán)境干擾

由于各地氣候條件的差異，對鐵路信號的傳遞造成了很大的影響。在空間上，當(dāng)列車進入山區(qū)隧道或偏遠(yuǎn)地段時，其信號強度會顯著降低；就氣候而言，不同地區(qū)的風(fēng)力、濕度、溫度等指標(biāo)的差異，會對信號的品質(zhì)造成一定的影響。它會在不同的情況下對信號發(fā)送和接收設(shè)備產(chǎn)生干擾。通信理論認(rèn)為，當(dāng)頻段較高時，頻段較大，則意味著較高的載頻會導(dǎo)致較大的頻寬。但是它通過障礙物的能力卻是越弱。尤其是新疆和西藏等落后地區(qū)，通信水平不高，需要在這些區(qū)域架設(shè)大量的通訊線路，以改善其通訊能力。因此，在不增加干擾信號、減小現(xiàn)有干擾信號幅度的前提下，保證有效信號的暢通是改造線路的關(guān)鍵。

1.3 諧波干擾

動力系統(tǒng)安全可靠，是電網(wǎng)安全、平穩(wěn)、經(jīng)濟運行的關(guān)鍵。其工作狀況直接關(guān)系著電網(wǎng)的安全、可靠、平穩(wěn)地運營。但動力系統(tǒng)在正常工作時產(chǎn)生了諧波，對整個電力系統(tǒng)正常運行的信號有極大的影響。在動力系統(tǒng)中產(chǎn)生了巨大的諧波，引起了整個電網(wǎng)電壓的畸變，對供電系統(tǒng)中各種電子設(shè)備的工作質(zhì)量也產(chǎn)生了很大的影響，從而導(dǎo)致了系統(tǒng)的能量損失，更嚴(yán)重時還會產(chǎn)生系統(tǒng)的共振，引起裝置的破壞。例如：在一般工作條件下，因為線路電壓、電流值的改變，會產(chǎn)生較大的諧波，進而影響通信系統(tǒng)的傳輸能力，使信息在規(guī)定的時限內(nèi)無法及時送達(dá)接收器。當(dāng)供電發(fā)生故障時，因為電力的傳輸，會導(dǎo)致供電不均勻，導(dǎo)致供電失步，嚴(yán)重影響電網(wǎng)的穩(wěn)定與安全。當(dāng)電網(wǎng)發(fā)生短路時，電力分配和電壓的大幅下降將會對并聯(lián)的穩(wěn)定產(chǎn)生不利的影響，進而使整個電網(wǎng)脫序。

2 鐵路信號干擾造成的不利影響

2.1 安全性問題

溫州高鐵事件的最大原因在于通訊系統(tǒng)的信號傳遞出現(xiàn)了問題，由此可以看出，正確、及時地傳遞鐵路信號是非常重要的。由于外部環(huán)境的影響，鐵路信號在行車過程中很容易出現(xiàn)交通事故，嚴(yán)重影響了行車安全。如果前后兩個方向的車輛都沒有收到來自另一個方向的信號，那么就不能正確地判斷出該車輛的運行狀態(tài)，進而影響到車輛的駕駛性能，降低對道路的判斷和反應(yīng)，從而提高了事故的發(fā)生概率。如工作人員的疏忽，可能造成交通事故。由于缺乏對周邊交通環(huán)境的正確認(rèn)識，使得相關(guān)的交通管理系統(tǒng)無法對其進行正確的決策與控制，從而影響到交通的安全性和效率。因此，對交通信號路口交通控制進行優(yōu)化，可以有效地降低車輛通行效率，減少交通延誤，成為交通管制領(lǐng)域的一個重要課題。

2.2 效率性問題

鐵路信號的干擾，將會對其“時效性”產(chǎn)生直接的影響，并對相鄰的高速列車運行的安全性產(chǎn)生重要的影響。由于時間上的偏差太大，導(dǎo)致了對工作人員的辨識。高速行駛的鐵路對行車安全的要求很高，對安全部位的控制也很困難，對駕駛員的生命安全構(gòu)成了極大的威脅。它的監(jiān)測數(shù)據(jù)通常是起伏的，特別是在列車運行過程中，它的變化幅度可以達(dá)到40～60倍。在接收到的原始信號后，需要對其進行相應(yīng)的處理，從而使其在傳輸過程中所需要的時間更長，從而影響到信號的處理效率，從而限制了有關(guān)車輛的高速控制。這種數(shù)據(jù)在確保數(shù)據(jù)精度的前提下，會占用較多的內(nèi)存，特別是對音頻、振動等高速數(shù)據(jù)的錄制。同時，隨著資料來源的增多，數(shù)據(jù)的處理方式也越來越復(fù)雜，數(shù)據(jù)的處理也越來越困難。為了保證數(shù)據(jù)的穩(wěn)定性和可靠性，必須采取一些預(yù)處理技術(shù)。

2.3 可靠性問題

隨著我國鐵路工程建設(shè)的不斷深入，我國對鐵路通信設(shè)備的可靠性要求越來越高，對通信設(shè)備、光纜設(shè)備的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)、技術(shù)服務(wù)的需求也越來越大。鐵路運行管理方式從線路走向線網(wǎng)，這就需要 AFC設(shè)備的維修與管理。如何提高鐵路運輸企業(yè)的經(jīng)營管理與經(jīng)營決策，已經(jīng)成為我國鐵路運輸企業(yè)可持續(xù)發(fā)展的一個重要課題。所有的干擾都要盡量排除，以保證信號的暢通。隨著 AFC體系結(jié)構(gòu)的規(guī)范化改革，AFC系統(tǒng)的維護與管理系統(tǒng)已不僅僅局限于設(shè)備層面的維護，更高層次的 SC/LC/MLC對系統(tǒng)的維護也有了新的要求。由于電網(wǎng)的諧波和 EMI對鐵路信號造成了嚴(yán)重的影響，使整個通訊系統(tǒng)的可靠性大大下降，在傳輸?shù)倪^程中，信號很有可能會被切斷，從而導(dǎo)致信號的傳輸失效。信號的干擾和延遲阻塞是一種常見的現(xiàn)象，它不但會影響到系統(tǒng)的可靠性和性能，也會影響到整個系統(tǒng)的工作效率和工作效率，同時也會對系統(tǒng)的穩(wěn)定造成一定的影響，最終造成系統(tǒng)的突然崩潰。為此，各技術(shù)單位要盡快提升應(yīng)急響應(yīng)能力，并盡快突破技術(shù)瓶頸。

3 增強信號電纜抗干擾能力的策略

3.1 25Hz頻率軌道電路的干擾應(yīng)對策略

25Hz的頻率軌道電路主要受到導(dǎo)電干擾，而導(dǎo)電干擾通常是由于軌道間的電流不平衡造成的，這種現(xiàn)象有兩種：一是脈沖電流不均勻，二是電流不均勻，會導(dǎo)致變壓器飽和，導(dǎo)致線路內(nèi)的電流出現(xiàn)凹陷。本文提出了三種方法：增加扼流變壓器的鐵心飽和電流，增加氣隙；為了增強其抗干擾性，在扼流變壓器上增加了抗干擾性；為了增強系統(tǒng)的安全性能，在負(fù)荷側(cè)加入了過流和過電壓保護。該方法采用25Hz同步諧振的方法，使信號得到增強，25hz軌道電路簡圖如下圖1所示。這種控制策略能夠在一定程度上抑制電機的電磁轉(zhuǎn)矩波動，并能很好地解決電機的速度響應(yīng)問題，從而改善其穩(wěn)定性。首先，在控制電纜上增加備用電纜，經(jīng)實驗驗證，該備用電纜能大幅度降低干擾電壓，并且安裝過程簡單，無需額外投入，能有效減少干擾。其次，由于其性能穩(wěn)定，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，在正常運行時仍能穩(wěn)定運行。

圖1 25hz軌道電路簡圖

其次，應(yīng)選用帶有金屬防護的控制電纜，以防止電干擾。其中，變壓器端子的使用情況如表1所示。調(diào)試人員在對設(shè)備進行調(diào)試時，應(yīng)仔細(xì)檢查電線是否夠粗，是否符合要求。

表1 變壓器端子使用情況

在選擇金屬屏蔽層時，要充分考慮到所需要的電磁干擾，選擇合適的金屬護罩，以達(dá)到減小干擾和過電壓的目的。在弱電回路中，由于電力的干擾，使其無法進行抗干擾，使用金屬保護的控制電纜，可以使電力對線路的損壞減至最小；同時，為了便于使用，可以適當(dāng)減小金屬的厚度。而對于強電回路，除了高壓配電裝置外，沒有金屬防護的控制電纜可能會造成干擾。最后，由于電網(wǎng)的干擾會對整個線路造成很大的影響，所以必須采取多種安全措施，除常規(guī)的電流、電壓、頻率保護之外，還要考慮孤島效應(yīng)，從而避免線路的損傷，在安裝的時候，要在不同的線路上設(shè)置一根控制線，這樣就能減少電流的損失，同時也能保證系統(tǒng)的安全。

3.2 采用ZPW2000軌道電路應(yīng)對干擾

UM71是ZPW2000的原型，它的特點是：通過使用空心導(dǎo)線，可以降低50Hz的牽引電流，并能很好地切斷ZPW2000的電源，達(dá)到平衡運行的目的；ZPW2000在使用偶次諧波技術(shù)的同時，還可以在電壓穩(wěn)定和頻率穩(wěn)定的基礎(chǔ)上得到進一步的提高；在系統(tǒng)發(fā)生較大的擾動時，該系統(tǒng)具有較強的響應(yīng)能力，能有效地抑制電壓、頻率變化，改善系統(tǒng)的電壓、頻率動態(tài)特性。除50 Hz外，牽引電流還會出現(xiàn)偶次、奇次諧波，并且由于列車的功率因數(shù)太小、高次諧波的影響，會導(dǎo)致電力系統(tǒng)的能耗下降。它所包含的能量要比偶次諧波大得多，而且頻率越低，所包含的能量就越多，ZPW2000采用了偶次諧波，這樣就可以減少牽引電流對信號設(shè)備的影響。當(dāng)頻率偏移為奇數(shù)時，最多只能影響到兩個諧振分量，因此，對其的干擾微乎其微。為進一步改善網(wǎng)絡(luò)的吞吐性能和頻譜利用率，本文主要采用動態(tài)多波束技術(shù)和寬頻通信技術(shù)，利用ZPW2000軌道電路應(yīng)對干擾。ZPW-2000A軌道電路構(gòu)成如下圖2所示。

圖2 ZPW-2000A軌道電路構(gòu)成簡圖

雖然通過改善PCB的EMI性能可以保證PCB的設(shè)計質(zhì)量，但是在PCB組裝完畢后，仍需要將PCB安裝到測試平臺上，通過TDR或示波器對實際PCB參數(shù)與模擬期望的結(jié)果進行對比。通過對試驗數(shù)據(jù)的分析，軌道電路現(xiàn)場測量值如表2所示。可以對模型和生產(chǎn)工藝進行改善，從而為今后的研究提供更好（更少的限制）的決策提供依據(jù)。

表2 軌道電路現(xiàn)場測量值

通過Matlab等軟件，對試驗數(shù)據(jù)進行分析，發(fā)現(xiàn)其規(guī)律。在此基礎(chǔ)上，本文還對不同的信號模式、不同的濾波器進行了分析，并對其幅頻特征進行了分析。通過調(diào)節(jié)參數(shù)，可以使模型的性能得到改善，從而使模型的效果得到進一步的改善。

3.3 綜合性的抗干擾措施

在挑選裝備時要慎重。采用BT.AT等電氣化牽引電源，增加牽引環(huán)的對稱性，使其對信號設(shè)備產(chǎn)生的感應(yīng)電流最小。利用電容補償技術(shù)對信號進行補償，能較好地抑制諧波的產(chǎn)生；在建設(shè)牽引供電系統(tǒng)前，應(yīng)對其進行合理的規(guī)劃。為實現(xiàn)直接供電，在輸電線路中引入架空回流，可以提高輸電線路的對稱性。另外，為了減小導(dǎo)線與導(dǎo)線之間的直接接觸，應(yīng)合理配置扼流變壓器：對牽引供電系統(tǒng)進行了優(yōu)化。改善了回流線、列車室、信號室等的報警功能。最重要的是，在完全失壓的情況下，可以使用警報器與藥量傳感器保持15米以上的間隔，使其不受干擾的影響。

另外，應(yīng)根據(jù)實際情況和相關(guān)法律規(guī)定，合理設(shè)置吸上線。針對特定電路的需要和特殊情況，對其進行了優(yōu)化，以達(dá)到設(shè)計的目的。為防止設(shè)備損壞，布線系統(tǒng)中的器件應(yīng)具備抵抗內(nèi)部傳導(dǎo)和外部干擾的能力。電力干擾會給電力線路帶來很大的影響，甚至?xí)?dǎo)致系統(tǒng)的惡性故障，從而威脅到電力系統(tǒng)的安全。所以，控制電纜必須要有防護措施，同時要做好可靠的接地工作，才能滿足技術(shù)上的安全使用。

4 鐵路數(shù)字信號電纜發(fā)展前景預(yù)測

為提高企業(yè)的經(jīng)營管理水平，降低數(shù)字信號電纜決策的盲目性，就需要在預(yù)測數(shù)字信號電纜的發(fā)展趨勢時，對其進行合理的設(shè)計，并對其今后的發(fā)展進行長期的規(guī)劃。掌握我國的經(jīng)濟形勢和未來發(fā)展趨勢，減少未來的不確定性，減少決策的風(fēng)險，確保政策的順利執(zhí)行，并展望了今后的發(fā)展方向：

4.1 確定對象

目標(biāo)的確定是今后的預(yù)報工作的第一步，因為預(yù)測對象的不同，所涉及的內(nèi)容和項目、所需要的資料以及所使用的方法都不一樣。“預(yù)測”指的是根據(jù)我國目前的實際情況，提出預(yù)報方案，編制預(yù)測工作計劃，編制預(yù)算，調(diào)集力量，組織實施，以保證數(shù)字信號電纜發(fā)展的有計劃有步驟地進行。另外，要根據(jù)預(yù)報對象選取適當(dāng)?shù)念A(yù)測手段，比如要充分考慮統(tǒng)計預(yù)報的重要意義和特點的可解釋性，所以在選擇預(yù)報方法時要謹(jǐn)慎。

4.2 搜集資料

要想預(yù)測將來的發(fā)展趨勢，就必須有充足的資料。只要有了足夠的資料，他就可以做出正確的判斷。在今后的發(fā)展計劃中，對有關(guān)數(shù)據(jù)進行調(diào)研、收集和預(yù)測是預(yù)測未來發(fā)展的重要步驟。海量數(shù)據(jù)的采集與存儲十分便捷，但是如何在數(shù)據(jù)中發(fā)現(xiàn)隱含的規(guī)則，并對其進行預(yù)測。

4.3 選擇

根據(jù)預(yù)測對象和實際應(yīng)用的特點，選擇了預(yù)測的方法。有時，可以使用許多不同的預(yù)測方法來實現(xiàn)相同的目標(biāo)。預(yù)測方法的選擇，將直接影響到預(yù)報的可靠性和準(zhǔn)確性。運用電力線纜的發(fā)展趨勢預(yù)報技術(shù)，其核心是建立一個能夠描述和概括研究對象特征和變化規(guī)律的數(shù)學(xué)模型，并運用數(shù)學(xué)模型進行計算和處理，以獲得預(yù)測結(jié)果。

4.4 修正的分析

分析判斷，是指從搜集到的資料中，綜合分析、判斷、推理，將感性的認(rèn)識提升為理性，從現(xiàn)象到實質(zhì)，并預(yù)測未來的發(fā)展與改變。在作出分析和判斷后，通常還會根據(jù)已有的數(shù)據(jù)，對已有的預(yù)測做出評估和修改。在以后的工作中，應(yīng)繼續(xù)向方程組中注入新的資料，并不斷地增大方程式的樣本量，并對其進行修改，以使其與實際情況更為接近，從而提高預(yù)測精度。

4.5 編寫報告

數(shù)字信號電纜預(yù)測報告應(yīng)包括預(yù)測的主要工作過程，包括預(yù)測對象、預(yù)測對象及有關(guān)因素的分析結(jié)論、主要數(shù)據(jù)和數(shù)據(jù)、預(yù)測方法的選擇與建模、預(yù)測結(jié)論的評價、分析和修正。該報告應(yīng)當(dāng)基于數(shù)據(jù)分析和有關(guān)的數(shù)據(jù)。

5 結(jié)論

影響鐵路信號受干擾的原因有很多，本文所述的三個方面只是主要的干擾源。為防止信號干擾對軌道交通的負(fù)面影響，今后的鐵路建設(shè)必須充分利用現(xiàn)有的通訊設(shè)備，為多種信號的傳送提供穩(wěn)定、可靠的條件，以方便在不同的環(huán)境、不同的情況下，選擇最優(yōu)的通訊方式，以取得最好的通訊效果。