陳德偉

(中鐵二院工程集團有限責任公司，成都 610031)

1 概述

目前,我國高鐵線路不斷的往西部地區(qū)延伸，綿延不斷的高山峽谷使西部地區(qū)高鐵線路的橋隧占比很高，其中能大跨度穿越大江大河的鋼桁梁結構鐵路橋日漸涌現(xiàn)。如圖1所示，鋼桁梁結構鐵路橋較混凝土橋梁具有金屬構造物豐富且龐大的特點。

目前高鐵列控系統(tǒng)的基礎部件應答器在此類線路尚無現(xiàn)成的應用經驗，并且現(xiàn)行相關規(guī)范、標準也未有專門的規(guī)定或說明。為了保證新建高鐵聯(lián)調聯(lián)試的順利進行以及開通后列控系統(tǒng)安全可靠的運用，在編制列控工程數(shù)據(jù)前，應答器系統(tǒng)在鋼桁梁結構橋上能否安全可靠工作是必須回答的一個關鍵問題。

2 研究的必要性

2.1 應答器系統(tǒng)結構及信息傳輸簡述

應答器設備是采用電磁耦合原理實現(xiàn)車地間通信的電磁設備，是列控系統(tǒng)的重要組成部分，它布置于CTCS-2/CTCS-3線路的車站及區(qū)間的特定地點，實現(xiàn)高速點式信息的傳輸，保證動車組列車安全運行。

應答器系統(tǒng)主要包括地面設備和車載設備兩部分。如圖2所示，地面設備包括地面應答器和軌旁電子單元LEU；車載設備主要是指應答器車載查詢器BTM和車載天線單元。

圖1 鋼桁梁結構鐵路橋透視圖(上層四線、下層雙線)Fig.1 Perspective of steel truss girder railway bridge(four lines for the upper level and double lines for the lower level)

圖2 應答器系統(tǒng)結構原理圖Fig.2 Structure diagram of the balise system

如圖3所示，在列車運行過程中，BTM主機通過車載天線不斷向地面發(fā)送27 MHz能量，車載天線經過應答器上方時，應答器被激活后向車載天線發(fā)送4.2 MHz上行信號。

2.2 鋼桁梁橋對應答器系統(tǒng)工作的可能影響

如圖4所示，鋼桁梁橋由豐富的金屬閉合環(huán)構成，閉合環(huán)因吸收應答器系統(tǒng)工作時發(fā)射的能量產生電流，該電流產生磁通，當金屬物閉合環(huán)中的電流發(fā)生變化時，該磁通也發(fā)生變化，該磁通可能影響應答器接口“A”的正常工作，從而影響應答器與車載設備間信息的可靠傳遞，造成“丟點”現(xiàn)象，即列車經過地面應答器時，車載列控主機并沒有收到應答器報文，進而危及列車運行安全。

圖3 應答器系統(tǒng)頻率信號傳輸示意圖Fig.3 Schematic diagram of the balise system frequency signal transmission

圖4 鋼橋環(huán)境影響應答器的電氣原理圖Fig.4 Electrical schematic diagram of steel bridge affecting the balise system

為保證應答器系統(tǒng)能安全可靠地工作，需提前對設于鋼桁梁橋上的應答器系統(tǒng)進行研究，為列控系統(tǒng)設計提供數(shù)據(jù)支撐。

3 研究內容

3.1 應答器系統(tǒng)在鋼桁梁橋上的上行場強分布

《應答器技術條件（暫行）》（科技運函[2004]114號）第5.1.1條對應答器接口“A”物理層的一項技術要求是有效作用長度須在0.5 ～2.2 m范圍內，有效作用長度就是車載天線沿行車方向移動時BTM能夠解碼的距離，該距離為上行場強分布的主要衡量標準，是判斷應答器系統(tǒng)能否正常工作的重要參數(shù)。

在周圍豐富的鋼結構環(huán)境中，應答器系統(tǒng)工作的電磁環(huán)境較混凝土鐵路橋發(fā)生變化，可能導致發(fā)往車載天線的場強分布不達標，因此需開展應答器系統(tǒng)在鋼桁梁橋上的上行場強分布研究。

3.2 應答器系統(tǒng)在鋼桁梁橋上的信息傳輸可靠性

鐵路總公司企標《高速鐵路信號工程施工技術 規(guī) 程 》（Q/CR 9607-2015） 第9.2.4條 及 第9.2.10條均對地面應答器安裝周圍無金屬區(qū)環(huán)境提出要求，以確保車-地間信息傳輸可靠性。無金屬區(qū)之外如圖1所示在應答器四周分布鋼結構金屬網對車—地間信息傳輸可靠性的影響，國內相關研究尚屬空白。

鋼桁梁上的應答器系統(tǒng)，車-地間信息傳輸主要面臨兩方面的不利因素：一方面是鋼桁梁產生的電磁干擾影響通信信道信號傳輸，降低信號信噪比，導致誤碼率增加；另一方面是鋼桁梁環(huán)境下的金屬物體吸收了傳輸信號，從而影響系統(tǒng)的可靠性。因此需開展應答器系統(tǒng)在鋼桁梁橋上的信息傳輸可靠性研究。

3.3 車載BTM在鋼桁梁橋上的下行場強金屬干擾

鋼桁梁橋上的應答器系統(tǒng)車載BTM，鋼結構金屬網將對BTM天線的工作產生兩方面的不利影響：一方面是金屬網對于天線輻射能量的吸收，其主要由金屬網的固有諧振頻率、金屬材質、幾何尺寸等原因決定；另一方面是金屬網對于BTM天線內部諧振狀態(tài)的影響，進而影響天線的阻抗，其主要由金屬物體與BTM天線距離決定。

當天線輻射能量被金屬網吸收有限時，則不影響對地面應答器的激活以及應答器信號發(fā)生器的工作；反之，有影響。當金屬網對天線阻抗的影響使得BTM功放輸出電流顯著增大時，則會導致BTM功耗過高而燒損；反之，則無不利影響。因此需開展車載BTM在鋼桁梁橋上的下行場強金屬干擾研究。

4 研究方法

4.1 應答器系統(tǒng)在鋼桁梁橋上的上行場強分布研究

應答器上行場強分布主要體現(xiàn)在車-地設備間系統(tǒng)沿行車方向的作用距離，因此在上行場強分布研究中，主要以應答器的水平作用距離作為衡量的指標，其測試連接示意如圖5所示。

圖5 上行場強分布測試連接示意圖Fig.5 Connection diagram of uplink field strength distribution test

應答器設于鋼軌線路中間位置，車載天線安裝在額定高度、無偏移情況下，移動天線經過應答器上方，逐漸接近并激活應答器，記錄此時天線位置為a。最終移出應答器激活范圍，記錄此時天線位置為b；通過觀察BTM解碼狀態(tài)，確認應答器是否被激活；測量a、b兩位置間沿軌道方向的距離，即為應答器與車載天線的系統(tǒng)作用距離。

當a、b間距離在0.5 ～2.2 m范圍內時，則可以判斷此鋼桁梁橋上豐富的金屬物對應答器系統(tǒng)的上行場強分布沒有不利影響；反之，則有影響。

4.2 應答器系統(tǒng)在鋼桁梁橋上的信息傳輸可靠性研究

應答器在鋼桁梁橋上的信息傳輸可靠性研究通過應答器I/O特性測試和靜態(tài)干擾測試完成。

第一步，采用應答器報文讀取器測試應答器I/O特性，其測試連接示意如圖6所示。

圖6 I/O特性測試連接示意圖Fig.6 Connection diagram of I/O characteristic test

將應答器報文讀取器放置于應答器上方，測試其能否正常接收應答器報文。

第二步，采用頻譜儀進行靜態(tài)干擾測試研究，其測試連接示意如圖7所示。

圖7 靜態(tài)干擾測試連接示意圖Fig.7 Connection diagram of static interference test

采用頻譜儀獲取接收天線感應到的周圍環(huán)境頻譜信息，掃頻寬度為2～30 MHz，覆蓋應答器車-地系統(tǒng)設備間信道頻率范圍。在應答器車載查詢器安裝使用及維護手冊中指出BTM主機和天線周圍，當干擾信號強度超過-29 dBm時，BTM將會發(fā)生丟點的異常情況。

因此，可通過測試應答器報文讀取器能否正常接收到報文，并比較頻譜儀獲得的干擾能量是否在標準規(guī)定的范圍，去判斷應答器系統(tǒng)在鋼桁梁橋上能否可靠進行信息傳輸。

4.3 車載BTM在鋼桁梁橋上的下行場強金屬干擾研究

BTM下行場強金屬干擾研究可通過測量BTM功放輸出電流隨著車載天線逐漸接近軌枕時的數(shù)據(jù)，并分析數(shù)據(jù)的變化來完成，其測試連接示意如圖8所示。

圖8 車載BTM下行場強金屬干擾測試連接示意圖Fig.8 Connection diagram of onboard BTM downlink field strength test with mental interference

在測試研究過程中，天線逐漸接近鋼軌并最終達到最惡劣的金屬干擾狀態(tài)，其電流的變化趨勢說明周圍金屬環(huán)境對于天線輻射能量的吸收情況，以及對天線本身諧振狀態(tài)的影響。當BTM功放輸出電流為減小趨勢且較明顯時，則說明車載天線在外界金屬干擾條件下，無法工作在預定的諧振頻點，不會導致BTM功耗過高而損壞；反之，則會對BTM工作產生不利影響。

5 總結

本文提出的研究內容、方法已在近期開通的有鋼桁梁結構橋的CTCS-2級線路上開展現(xiàn)場測試研究，研究結論不僅指導了具體項目的信號工程設計，還在有鋼桁梁橋的工程項目上經過聯(lián)調聯(lián)試以及開通以來安全運行的實踐檢驗。

由此可見，上述研究內容及方法具有科學、全面的特點，可在國內有鋼桁梁橋的高鐵項目上推廣使用。