郭玉華， 張金寶

(1. 中國(guó)鐵道科學(xué)研究院 通信信號(hào)研究所, 北京 100081; 2. 北京交通大學(xué) 電子信息工程學(xué)院, 北京 100044)

隨著高速鐵路的迅速發(fā)展，鐵路運(yùn)輸?shù)陌踩珕?wèn)題也日益突出。我國(guó)參照歐洲列車(chē)控制系統(tǒng) (ETCS)制定了中國(guó)列車(chē)控制系統(tǒng)(CTCS)，其中點(diǎn)式應(yīng)答器系統(tǒng)扮演著重要的角色。由于我國(guó)國(guó)產(chǎn)動(dòng)車(chē)組在引進(jìn)、消化、吸收和再創(chuàng)新過(guò)程中，引進(jìn)了來(lái)自多個(gè)國(guó)家不同廠商的技術(shù)。由于各設(shè)備提供商電磁兼容設(shè)計(jì)防護(hù)理念不同，導(dǎo)致各型國(guó)產(chǎn)動(dòng)車(chē)組車(chē)載BTM設(shè)備電磁防護(hù)水平差異明顯；加之高速動(dòng)車(chē)組經(jīng)歷的過(guò)分相過(guò)程及本身高速運(yùn)行所需的上千瓦牽引功率的轉(zhuǎn)換，使得高速動(dòng)車(chē)組的電磁環(huán)境極其復(fù)雜、運(yùn)行條件非常嚴(yán)酷，由電磁干擾導(dǎo)致的BTM故障問(wèn)題頻出。

本文針對(duì)動(dòng)車(chē)組車(chē)載BTM設(shè)備的電磁干擾防護(hù)進(jìn)行研究，從BTM工作原理入手，建立BTM設(shè)備電磁兼容模型，并以某型動(dòng)車(chē)組實(shí)際運(yùn)行情況為例，分析其動(dòng)車(chē)組車(chē)載BTM電磁兼容性。

1 動(dòng)車(chē)組車(chē)載BTM設(shè)備電磁兼容建模

1.1 車(chē)載BTM設(shè)備工作原理

點(diǎn)式應(yīng)答器系統(tǒng)由車(chē)載設(shè)備和地面設(shè)備兩大部分組成，圖1為系統(tǒng)原理框圖。車(chē)載設(shè)備包括車(chē)載BTM天線、天線電纜、車(chē)載解碼器和應(yīng)答器傳輸模塊BTM(Bails Transmission Module)。車(chē)載解碼器的作用主要是對(duì)應(yīng)答器報(bào)文進(jìn)行解碼還原，此外還包含載頻發(fā)生器與功率放大器。地面設(shè)備包括有源應(yīng)答器、無(wú)源應(yīng)答器和地面電子單元LEU(Landside Electronic Unit)。其中車(chē)載天線安裝在列車(chē)的底部，通過(guò)同軸電纜信號(hào)線與列車(chē)上應(yīng)答器傳輸模塊BTM相連接，車(chē)載天線利用電磁耦合技術(shù)，實(shí)現(xiàn)與地面應(yīng)答器天線之間的能量和數(shù)據(jù)傳輸。

無(wú)源應(yīng)答器一般置在列車(chē)運(yùn)行路線上，不需要外加電源，其工作過(guò)程為車(chē)載BTM發(fā)送頻率為27 MHz的功率波，當(dāng)機(jī)車(chē)通過(guò)無(wú)源應(yīng)答器上方時(shí)，此功率波激活無(wú)源應(yīng)答器開(kāi)始工作，無(wú)源應(yīng)答器于是將存儲(chǔ)區(qū)內(nèi)的信息(如地理位置、列車(chē)目的運(yùn)行信息、路線信息、固定限速信息等)讀取出來(lái)通過(guò)編碼器編碼后，經(jīng)FSK調(diào)制(中心頻率為4.23 MHz，調(diào)制頻偏282 kHz)，以586 kbit/s的速率通過(guò)應(yīng)答器的4.23 MHz天線發(fā)送，BTM天線接收到此信息，先將有用信號(hào)濾波，經(jīng)過(guò)放大后，再進(jìn)行解調(diào)，解碼，最后將有用信息傳送給ATP等車(chē)載設(shè)備。

1.2 應(yīng)答器-車(chē)載BTM設(shè)備信號(hào)傳輸模型

BTM信號(hào)調(diào)制方式是二進(jìn)制頻移鍵控2FSK，載波頻率為4.23 MHz，頻偏為±282 kHz，碼率為564 kbit/s，當(dāng)接收到“0”時(shí)，發(fā)送載頻為3.948 MHz，當(dāng)接收到“1"時(shí)，發(fā)送載頻為4.512 MHz的調(diào)制信號(hào)。Rect(t)為歸一化時(shí)域方波，BTM報(bào)文信號(hào)見(jiàn)圖2，表示為

cos{2π[(fc+Δfc)+(2bk-1)(fm+Δfm)]t+

φ(kTb)}+n(t)

( 1 )

判決誤碼性能為

( 2 )

應(yīng)答器-車(chē)載BTM設(shè)備信號(hào)傳輸BER曲線見(jiàn)圖3。

1.3 車(chē)底電磁騷擾源模型

車(chē)底BTM天線模型見(jiàn)圖4，主要包括車(chē)底板，車(chē)底鋼架，供排氣系統(tǒng)及其接地線和電源線。其接地線直接與車(chē)底鋼架相連，長(zhǎng)度約為15 cm，電源線與接地線平行放置。由于研究重點(diǎn)在于監(jiān)測(cè)BTM天線附近的磁場(chǎng)，本模型并未加入BTM天線，而是在BTM天線中心點(diǎn)距車(chē)底距離(車(chē)底鋼架邊緣)l分別為0.1、0.2、0.3、0.4、0.5、0.6 m共6個(gè)位置處的磁場(chǎng)進(jìn)行仿真計(jì)算。

1.4 車(chē)載BTM電磁干擾分析

車(chē)載BTM設(shè)備有2種報(bào)文：長(zhǎng)報(bào)文(1 023 bit)和短報(bào)文(341 bit)。根據(jù)應(yīng)答器傳輸系統(tǒng)的可靠性、可用性、可維護(hù)性和安全性要求上行鏈路和下行鏈路在傳輸中心區(qū)域的誤碼率BER應(yīng)該小于10-6,見(jiàn)圖3。車(chē)載BTM設(shè)備工作正常的充要條件是應(yīng)答器報(bào)文傳輸?shù)男旁氡却笥?3 dB。

車(chē)載BTM設(shè)備連接示意見(jiàn)圖5。應(yīng)答器報(bào)文傳輸過(guò)程中，有可能受天線端口的空間磁場(chǎng)騷擾、電源線和信號(hào)線端口的傳導(dǎo)騷擾，使得應(yīng)答器報(bào)文傳輸?shù)男旁氡认陆?，?dǎo)致車(chē)載BTM設(shè)備發(fā)生電磁干擾故障。

2 BTM受到電磁干擾案例研究

某列動(dòng)車(chē)組在運(yùn)行過(guò)程中，其一端車(chē)體的ATP系統(tǒng)和計(jì)算機(jī)報(bào)出雙系故障，導(dǎo)致列車(chē)緊急制動(dòng)，檢查發(fā)現(xiàn)：

(1) 將故障車(chē)的BTM裝置與正常車(chē)對(duì)換后故障現(xiàn)象依舊存在；

(2) 對(duì)故障車(chē)轉(zhuǎn)向架接地情況進(jìn)行檢查，確認(rèn)該車(chē)已加裝軸端接地裝置，且狀態(tài)良好；

(3) 動(dòng)車(chē)組升弓、合VCB，ATP啟動(dòng)后，未報(bào)故障；

(4) 降弓投主控僅用車(chē)輛蓄電池供電時(shí)，重啟ATP設(shè)備未報(bào)故障；

(5) 動(dòng)車(chē)組升弓、合VCB，使用外接BTM天線，天線放置在車(chē)側(cè)時(shí)，重啟ATP設(shè)備未報(bào)故障；天線放置在車(chē)下原BTM天線附近時(shí)，ATP設(shè)備報(bào)“BTM故障”、“安全計(jì)算機(jī)雙系故障”；

(6) 升弓、合VCB狀態(tài)下，旋司機(jī)室“停放”旋鈕后，客室空調(diào)停止時(shí)ATP設(shè)備未報(bào)故障；

(7) 更換新的BTM主機(jī)、BTM天線后，動(dòng)車(chē)組升弓、合VCB后故障未消除。

2.1 電磁騷擾源分析

BTM啟動(dòng)過(guò)程中，必須發(fā)送啟動(dòng)測(cè)試數(shù)據(jù)包，該數(shù)據(jù)包譯碼錯(cuò)誤將導(dǎo)致啟動(dòng)故障。故障BTM設(shè)備通過(guò)BTM射頻前端和主機(jī)之間的非屏蔽同軸線直接傳輸啟動(dòng)測(cè)試數(shù)據(jù)包，車(chē)底BTM天線接收到磁場(chǎng)騷擾后，將導(dǎo)致啟動(dòng)測(cè)試數(shù)據(jù)傳輸信號(hào)信噪比下降，引起誤碼，導(dǎo)致電磁兼容故障。

車(chē)載BTM天線電磁環(huán)境數(shù)值仿真采用CONCEPT II電磁場(chǎng)仿真軟件，使用矩量法和積分方程對(duì)供排氣系統(tǒng)的電源供電不穩(wěn)時(shí)，BTM車(chē)載天線附近產(chǎn)生的磁場(chǎng)強(qiáng)度進(jìn)行數(shù)值計(jì)算。仿真中車(chē)底環(huán)境建模物理結(jié)構(gòu)和尺寸參考某型動(dòng)車(chē)組車(chē)底的真實(shí)布局和尺寸進(jìn)行1∶1建模，進(jìn)而能夠模擬真實(shí)動(dòng)車(chē)組中車(chē)載BTM天線的電磁環(huán)境。供排氣系統(tǒng)的電源線、接地線供電不穩(wěn)分以下4種情況進(jìn)行討論：

(1) 供排氣系統(tǒng)接地線接觸良好，電源線上串入干擾；

(2) 供排氣系統(tǒng)接地線接觸不良，電源線上串入干擾；

(3) 供排氣系統(tǒng)接地線接觸良好，并串入干擾，電源線上無(wú)干擾；

(4) 供排氣系統(tǒng)接地線接觸不良，并串入干擾，電源線上無(wú)干擾。

BTM上行通信頻段為4.234 MHz±500 kHz，為涵蓋其頻段，本仿真計(jì)算的頻率范圍設(shè)為3～5 MHz，頻譜分辨率為100 kHz。仿真中，通過(guò)地線與車(chē)底間電阻值的變化，模擬接地線接觸是否良好。仿真計(jì)算結(jié)果見(jiàn)圖7、圖8，圖中l(wèi)為天線中心點(diǎn)距離車(chē)底距離。

從上述仿真結(jié)果可見(jiàn)：

(1) 由圖7所示結(jié)果，供排氣系統(tǒng)電源線上存在干擾時(shí)，在3～5 MHz頻率范圍內(nèi)感應(yīng)到BTM天線中心位置的磁場(chǎng)騷擾約為10-4mA/m。當(dāng)供排氣系統(tǒng)地線接觸不良時(shí)，感應(yīng)到BTM天線中心位置的磁場(chǎng)騷擾略微升高。

(2) 由圖8所示結(jié)果，供排氣系統(tǒng)地線上串入2 000 V干擾時(shí)，在3～5 MHz頻率范圍內(nèi)感應(yīng)到BTM天線中心位置的磁場(chǎng)騷擾為0.1 A/m。當(dāng)?shù)鼐€接觸不良時(shí)，感應(yīng)到BTM天線中心位置的磁場(chǎng)騷擾略微減小。

(3) 對(duì)比圖7、圖8所示結(jié)果，從供排氣系統(tǒng)接地線引入的磁場(chǎng)騷擾強(qiáng)度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于電源線，騷擾強(qiáng)度增加約50 dB。

(4) 圖6、圖7中同一頻率磁場(chǎng)騷擾強(qiáng)度隨距離的衰減特性較為明顯，基本符合l1.5衰減的趨勢(shì)。

2.2 車(chē)底磁場(chǎng)騷擾試驗(yàn)

測(cè)試主要測(cè)量車(chē)下BTM天線附近電磁環(huán)境、BTM車(chē)載設(shè)備主要信號(hào)電纜、端口上共模騷擾電流。測(cè)量頻段主要針對(duì)BTM上行通信頻段：4.234 MHz±500 kHz(BTM的通信帶寬為±200 kHz，頻偏約為280 kHz)。

(1) 車(chē)載BTM設(shè)備正常工作試驗(yàn)

BTM車(chē)載設(shè)備正常工作接收信號(hào)測(cè)量結(jié)果見(jiàn)圖9，其信號(hào)端口電平為：FSK比特0頻點(diǎn)3.9 MHz/73 dBuV(行車(chē))/56.78 dBuV(啟機(jī))，F(xiàn)SK比特1頻點(diǎn)4.516 MHz/72 dBuV(行車(chē))/58.07 dBuV(啟機(jī))。測(cè)量結(jié)果表明，BTM設(shè)備行車(chē)過(guò)車(chē)中，接收信號(hào)比啟動(dòng)測(cè)試數(shù)據(jù)傳輸信號(hào)強(qiáng)度大14 dB。

(2) 車(chē)載BTM設(shè)備受到車(chē)底電磁騷擾測(cè)量

故障端BTM接收到的差模騷擾信號(hào)測(cè)量結(jié)果見(jiàn)圖10。

在負(fù)載全開(kāi)的工況下，差模騷擾在FSK比特0頻點(diǎn)(3.9 MHz)的強(qiáng)度明顯高于FSK比特1頻點(diǎn)4.5 MHz，實(shí)測(cè)值為：3.95 MHz/64.06 dBuV，4.516 MHz/50.52 dBuV。對(duì)比BTM正常工作信號(hào)接收電平，在FSK比特0頻點(diǎn)(3.9 MHz)，BTM接收信號(hào)需要56 dBuV的接收電平可以正常工作，也即故障BTM設(shè)備啟機(jī)過(guò)程中的接收信號(hào)信噪比為

-6 dB<13 dB

( 3 )

所以，負(fù)載全開(kāi)工況下，故障端差模騷擾信號(hào)淹沒(méi)FSK比特0頻點(diǎn)信號(hào)，導(dǎo)致BTM車(chē)載設(shè)備啟動(dòng)測(cè)試數(shù)據(jù)包發(fā)生誤碼，引起啟動(dòng)故障。

故障BTM設(shè)備行車(chē)過(guò)程中的接收信號(hào)信噪比為

( 4 )

即故障BTM設(shè)備行車(chē)過(guò)程中，BTM設(shè)備正常。

(3) 車(chē)載BTM設(shè)備電磁騷擾源排查試驗(yàn)

故障車(chē)負(fù)載全開(kāi)工況下，車(chē)底BTM天線端口接收信號(hào)為：3.95 MHz/65 dBuV，4.516 MHz/53.33 dBuV；使用50 Ω負(fù)載阻抗代替BTM天線，BTM天線端口接收信號(hào)為3.951 MHz/41.59 dBuV，4.516 MHz/39.37 dBuV。所以BTM受到的騷擾信號(hào)通過(guò)車(chē)底BTM天線進(jìn)入設(shè)備。

故障車(chē)關(guān)閉供排氣后，測(cè)量結(jié)果見(jiàn)圖11，由此可見(jiàn)關(guān)閉供排氣后，故障端差模騷擾信號(hào)在FSK比特0頻點(diǎn)大幅降低，BTM啟動(dòng)測(cè)試數(shù)據(jù)包信號(hào)完全不受差模騷擾的影響。

故障車(chē)未做任何改動(dòng)，改變列車(chē)位置，負(fù)載全開(kāi)工況下，車(chē)底BTM天線端口接收信號(hào)為測(cè)量值見(jiàn)圖12，由此可得結(jié)論：不同工作環(huán)境使得騷擾強(qiáng)度有所降低，且頻率降低(避開(kāi)3.95 MHz)；通過(guò)重新連接供排氣接線(電源線和地線)，進(jìn)一步降低了BTM通信頻帶內(nèi)的騷擾強(qiáng)度約5 dB。

(4) 車(chē)載BTM設(shè)備電磁兼容故障整改建議

應(yīng)急措施：由于BTM設(shè)備行車(chē)過(guò)車(chē)中，接收信號(hào)比啟動(dòng)測(cè)試數(shù)據(jù)傳輸信號(hào)強(qiáng)度大14 dB。因此，緊急狀況下，可以關(guān)閉供排氣系統(tǒng)，先啟動(dòng)車(chē)載BTM設(shè)備，然后開(kāi)始正常行車(chē)。

常規(guī)措施：優(yōu)化車(chē)載BTM啟動(dòng)測(cè)試數(shù)據(jù)傳輸方式，如通過(guò)背板排線直接在BTM射頻前端和主機(jī)之間傳輸啟動(dòng)測(cè)試數(shù)據(jù)包。

3 結(jié)束語(yǔ)

動(dòng)車(chē)組車(chē)載BTM設(shè)備報(bào)文數(shù)據(jù)傳輸差錯(cuò)將導(dǎo)致多種車(chē)載BTM電磁兼容問(wèn)題，且故障現(xiàn)象差異很大。常規(guī)的電磁騷擾測(cè)量試驗(yàn)難以對(duì)此類(lèi)電磁兼容問(wèn)題形成一致的結(jié)論。尤其是前面給出的例子，同樣的電磁環(huán)境，BTM車(chē)載設(shè)備在不同條件下表現(xiàn)出截然不同的響應(yīng)。因此，本文提出更為合理和科學(xué)的研究與試驗(yàn)方法建議是：

(1) 研究分析車(chē)載BTM設(shè)備工作原理，找出設(shè)備的電磁防護(hù)的弱點(diǎn)。

(2) 用合理試驗(yàn)的手段，逐一排查電磁騷擾進(jìn)入車(chē)載BTM的途徑。

(3) 以應(yīng)答器報(bào)文數(shù)據(jù)傳輸BER作為依據(jù)，分析電磁兼容問(wèn)題，并形成整改建議。

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