中低速磁浮交通信號系統車地通信電磁抗干擾研究

劉寧寧，蔡曉蕾，郝明雷，李高科

（1. 北京市地鐵運營有限公司 通信信號分公司，北京 100080；2. 中國鐵道科學研究院集團有限公司 電子計算技術研究所，北京 100081；3. 鐵科院（北京）工程咨詢有限公司，北京 100081）

2017年12月30日，北京市中低速磁浮交通示范線（簡稱：北京S1線）石廠站至金安橋站（7站6區間）開始載客試運營。在北京S1線開通調試及載客試運營的過程中，列車經常性緊急停車，影響乘客的出行安全，同時，降低了服務質量。為解決北京S1線出現的緊急停車問題，相關人員進行了長期的跟蹤研究及試驗，發現是由于外部電磁干擾[1-2]影響了車地通信，引起通信中斷，從而造成列車的緊急停車。

為解決發現的車地通信問題，本文通過現場布置示波器、錄波儀等設備采集各種工況下的有效信號及干擾信號，通過增加硬件設備的方式，進行現場測試、實驗及理論分析，找出信號干擾的原因，并提出了有針對性的抑制干擾的措施。經現場測試，本文采用的方法取得了良好的效果，解決了北京S1線車地通信時的電磁干擾問題，同時，為后續中低速磁浮交通的建設和維護積累了相關經驗。

1 北京S1線概述

1.1 線路概述

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。列車為6節編組，全部為動車，采用直線電機牽引。當列車速度高于電空轉換速度（7 km/h）時，常用制動為電制動；當列車速度低于電空轉換速度時，常用制動為氣液制動，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。為保護乘客安全，北京S1線站臺設有接地軌[3-4]，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，車體僅通過電刷與供電負級軌連接，負級軌到牽引變電所通過64D接地漏電保護電路與地連接。

1.2 信號系統概述

北京S1線信號系統主要由列車自動監控（ATS，Automatic Train Supervision）子系統、計算機聯鎖（CI，Computer Interlocking）子系統、列車自動防護（ATP，Automatic Train Protection）子系統、列車自動運行（ATO，Automatic Train Operation）子系統構成[6-8]，采用基于感應環線[5]的移動閉塞系統（FZL200系統）進行車地雙向通信，實現移動閉塞。

FZL200系統采用H20型車地雙向通信（TWC，Train to Wayside Communication）系統實現車地雙向通信功能。TWC系統技術參數為：（1）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；（2）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系統的設備按安裝的位置可分為3部分：軌旁室內設備、軌旁室外設備和車載設備。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；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區域控制器（ZC，Zone Controller）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送給車載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傳送給軌旁室內接收設備，解碼后傳送給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。

2 車地通信干擾分析

車地通信干擾主要是指電磁干擾，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。形成電磁干擾的3個基本要素是電磁騷擾源、耦合途徑、敏感設備。

2.1 車載TWC設備干擾分析

車載TWC天線安裝情況為，每列車有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列車車頭端和車尾端的第一轉向架上，后發送和后接收天線安裝在列車車頭端和車尾端的第三轉向架上。在現場車地設備聯調期間發現，車載TWC接收設備在列車運行過程中出現不同程度的接收誤碼及通信中斷的現象。

2.1.1 實驗設計

本文針對上述情況，分別測試了以下工況時的信號波形。

（1）地面TWC設備斷電，用示波器分別測量列車正常牽引情況下和切除牽引系統條件下的信號波形，如圖1所示，黃色波形為前接收天線信號波形，青色波形為后接收天線信號波形。

圖1 地面TWC設備斷電時車載TWC信號波形

（2）地面TWC設備上電，用示波器測量列車正常制動情況下和切除制動系統情況下的信號波形，如圖2所示，黃色波形為前接收天線信號波形，青色波形為后接收天線信號波形。

圖2 地面TWC設備上電時車載TWC信號波形

2.1.2 實驗結論

根據實驗結果可得出以下結論：

（1）和前接收天線相比，后接收天線與直線電機距離更近，受干擾的程度明顯強于前接收天線；

（2）后接收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），干擾信號的頻率分量在地到車通信載頻35.8 kHz的頻帶內，影響車載TWC的信號接收和解碼；

（3）在切除牽引的情況下，對TWC天線接收信號的影響較小。

2.1.3 改進分析測試及結論

根據以上實驗結論，本文進行了以下測試：

（1）改變后接收天線的位置，將安裝位置移至第4和第5轉向架，經測試，均不能有效遠離干擾源；

（2）對被干擾對象（接收天線本身）進行屏蔽，經測試，不能有效抑制干擾信號；

（3）單獨布置TWC接收天線的饋纜，經測試，不能有效抑制干擾信號。

綜上，本文認為車載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TWC接收天線上，使得車載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。

2.2 地面TWC設備干擾分析

北京S1線載客試運營以來，多次使用軟件優化等措施來解決車地通信故障，但效果均不明顯。特別是2019年6月以來，列車在運行過程中，因車地通信中斷而引起列車降級的問題高發。

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，通過在地面設備室內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，進而引發車地通信中斷問題。

通過頻譜分析發現，干擾信號頻率主要為57 kHz～58 kHz，該干擾信號頻率在TWC有效信號接收頻帶范圍（52 kHz～58 kHz）內，通過TWC環線檢測濾波版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。

為進一步分析干擾原因，本文進行了電磁干擾診斷測試，確定干擾源為車輛牽引變流器和輔助變流器，其在54.55 kHz頻點有較為明顯的諧波電流，干擾路徑為空間輻射耦合。

3 抗干擾措施研究

為實現電磁兼容，通常采用分析電磁騷擾源、耦合途徑和敏感設備的技術措施來抑制騷擾源、消除或減弱騷擾的耦合、降低敏感設備對騷擾的響應。

本文在尚未有效抑制騷擾源和消除耦合途徑的情況下，在車載TWC和地面TWC設備上增加針對性措施，降低騷擾對車地通信的影響。

3.1 車載TWC設備抗干擾措施

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。本文采取增加一個后接收天線并將其與原后接收天線級聯的方法，進行干擾信號抵消，從而降低干擾信號，增強有效信號。

車載天線布置方案為，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，其安裝位置如圖3所示。

圖3 新增車載TWC天線安裝示意

由于TWC天線設計基于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4所示。

圖4 干擾信號抵消原理

根據上述方案進行現場驗證， 驗證結果如圖5所示，天線級聯方案對干擾信號明顯抵消，而對有效信號有一定增強。

圖5 天線級聯前后信號波形

本文方法使得干擾信號明顯抵消、幅度減小。北京S1線配屬的10列列車按該方法完成改造后，車載接收通信中斷次數大幅降低，保障了北京S1線順利載客試運營。

3.2 地面TWC設備抗干擾措施

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 kHz～58 kHz）的基礎上，開發新型環線檢測板（濾波器通帶53 kHz～56 kHz），濾除57 kHz～58 kHz的干擾信號。

對新型環線檢測板在車地通信故障高發區段進行了驗證，驗證結果表明，其可有效濾除57 kHz～58 kHz的干擾信號，通信中斷次數大幅減少。

目前，新型環線檢測板已在北京S1線正線全部更新替換。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，取得了顯著效果。

4 結束語

北京S1線列車車底電磁環境較復雜，對車地通信造成了干擾，引起車地通信中斷。本文通過實驗和排查分析，確定了干擾原因，并在TWC設備上采取了針對性的抑制措施，車地通信中斷頻率大幅下降，取得了顯著效果。本文對車地通信干擾問題的診斷與解決，為保障北京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。