《地鐵車輛低頻設(shè)備電磁環(huán)境復(fù)合測(cè)試裝置及方法》

摘要：作為維持列車運(yùn)行的重要安全保證，應(yīng)答器系統(tǒng)用以地面向列車信息傳輸?shù)狞c(diǎn)式設(shè)備，能向車載子系統(tǒng)發(fā)送報(bào)文信息的傳輸設(shè)備。應(yīng)答器的電磁兼容抗干擾水平也是當(dāng)下的重要議題。本文介紹一種新的電磁兼容測(cè)試方案，用以更好的降低目前主流測(cè)試方法的高成本。

前言：

截止 2021 年年底，中國(guó)已有 51 個(gè)城市開通軌道交通，運(yùn)營(yíng)線路總長(zhǎng)度 8708 公里。作為維持列車運(yùn)行的重要安全保證，Balise 應(yīng)答器用以地面向列車信息傳輸?shù)狞c(diǎn)式設(shè)備，一種能向車載子系統(tǒng)發(fā)送報(bào)文信息的傳輸設(shè)備，既可以傳送固定信息，也可連接軌旁單元傳送可變信息。

應(yīng)答器的電磁兼容抗干擾水平也是當(dāng)下的重要議題。應(yīng)答器傳輸模塊(Balise TransmissionModule, BTM)作為列車超速保護(hù)(Automatic Train Protection, ATP)設(shè)備的重要組成部分,在列車實(shí)際運(yùn)行過程中,因其處于一個(gè)復(fù)雜的電磁環(huán)境,可能會(huì)在車地通信時(shí)受到電磁干擾發(fā)生通信故障,從而引起 ATP 系統(tǒng)故障報(bào)警。ERTMS/ETCS 下的技術(shù)資料 Test Specification for EurobaliseFFFIS (REF : SUBSET-085)和(REF : SUBSET-036)中提出了應(yīng)答器系統(tǒng)的電磁兼容性要求。并且歐洲標(biāo)準(zhǔn)EN50121 系列中的也對(duì)軌道車輛環(huán)境的電磁兼容性做了要求。車輛在運(yùn)營(yíng)前必須通過電磁兼容的相關(guān)測(cè)試才能上崗運(yùn)行。

1.測(cè)試目的

此EMC電磁兼容性試驗(yàn)的目的是測(cè)量軌道交通車輛底部設(shè)備包括牽引電機(jī)和牽引逆變器以及輔助逆變器發(fā)出的低頻干擾磁場(chǎng)，并確保此類低頻干擾磁場(chǎng)不會(huì)影響安裝在車底上和與之對(duì)應(yīng)的地面BTM應(yīng)答器傳輸系統(tǒng)的正常工作。BTM系統(tǒng)的敏感工作頻率在3.5 MHz~5 MHz之間。

2.主流測(cè)試方式

目前主流機(jī)構(gòu)的測(cè)試方法如下圖所示。通過移除BTM 天線并在原位置安裝 MFP Loop 天線來測(cè)試車輛運(yùn)行中對(duì) BTM 天線的輻射發(fā)射值。

圖 1: 主流測(cè)試方法

應(yīng)控制車輛輻射水平，使之與軌旁應(yīng)答器上行線路信號(hào)強(qiáng)度相兼容。根據(jù) BTM 信號(hào)系統(tǒng)對(duì)車輛的要求，車輛在頻率范圍為3.5 MHz~5 MHz 的輻射一般有具體相對(duì)應(yīng)的限值要求。

目前市面上使用的技術(shù)是通過圖 1 所示，MFP loop 天線通過射頻線纜連接接收機(jī)的方式進(jìn)行。記錄整段工況的瞬時(shí)最大值。對(duì)人的操作要求比較高，也無法用記錄輻射與車輛速度等 相關(guān)的參數(shù)信息。

3.本方案裝置介紹

針對(duì)上述缺點(diǎn)，這里設(shè)計(jì)出一種專門針對(duì)城軌BTM 的低頻測(cè)試系統(tǒng)。符合技術(shù)規(guī)范的 要求，擴(kuò)展性強(qiáng)，適用于各種城軌車輛?？梢韵扔涗浲瑫r(shí)分析結(jié)果，也可以保存原始數(shù)據(jù)后期分析，節(jié)省測(cè)試時(shí)間。滿足城軌車輛的以及軌道工程車輛的低頻 EMI 診斷。具有EMI 檢測(cè)工況溯源，實(shí)現(xiàn)高效、自動(dòng)化測(cè)量，具有易操作、模塊化的優(yōu)點(diǎn)，具有顯著的應(yīng)用價(jià)值。

同時(shí)，此測(cè)量系統(tǒng)的造價(jià)市面價(jià)值遠(yuǎn)小于由接收機(jī)或者頻譜儀組成的測(cè)試系統(tǒng)。

圖 2 ：原理圖

本系統(tǒng)涉及地鐵車輛應(yīng)答器等低頻設(shè)備工作環(huán)境符合性測(cè)試裝置及方法，所述低頻設(shè)備 指最高工作頻率在10M 以內(nèi)的設(shè)備，所述裝置包括天線、NI 采集設(shè)備和上位機(jī)， 所述天線、 NI 采集設(shè)備和上位機(jī)依次連接，所述NI 采集設(shè)備的前置阻抗為 50歐姆，動(dòng)態(tài)范圍大于60dB。 本系統(tǒng)實(shí)質(zhì)是發(fā)現(xiàn)了示波器在地鐵車輛應(yīng)答器這類低頻設(shè)備工作環(huán)境符合性測(cè)試時(shí)的一種 應(yīng)用，然后以低成本的這種示波器設(shè)備即NI 采集設(shè)備，取代傳統(tǒng)測(cè)試裝置中的接收機(jī)，從而極大程度的節(jié)省裝置成本。

下面結(jié)合具體實(shí)施例和附圖對(duì)本設(shè)計(jì)作進(jìn)一步詳細(xì)說明。下面實(shí)施例涉及一種地鐵車輛應(yīng)答器工作環(huán)境符合性測(cè)試裝置，如圖 2 所示，該裝置包括天線、 NI采集設(shè)備和上位機(jī)， 天線、 NI 采集設(shè)備和上位機(jī)依次連接。

天線采用 MFP loop 天線。

NI采集設(shè)備為NI采集卡，其插裝在上位機(jī)的卡槽中。

上位機(jī)采用筆記本電腦。

本實(shí)施例采用的 NI 采集卡型號(hào)為 NIPXI 5105，它是一種數(shù)字示波器。它的前置阻抗為 50 歐姆，與接收機(jī)相同，這對(duì)本設(shè)計(jì)方案而言，是非常必要的。

這種帶有前置抗混疊濾波器的采集卡的參數(shù)如圖3 所示。此采集卡在使用 50歐姆前置 阻抗的情況下的動(dòng)態(tài)范圍為 72dBc，高于 CISPR 16-1-1 標(biāo)準(zhǔn)中最小范圍 60dB 的要求， 也接近 于 R&S ESR 系列接收機(jī) 75dB 的范圍，表明該采集卡測(cè)量精度能滿足相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求。

圖 3 ：NI PXI 5105采集卡參數(shù)

根據(jù)奈奎斯特采樣定理，在進(jìn)行模擬/數(shù)字信號(hào)的轉(zhuǎn)換過程中，當(dāng)采樣頻率大于信號(hào)中 最高頻率的 2 倍時(shí)，采樣之后的數(shù)字信號(hào)能完整地保留原始信號(hào)中的信息，一般實(shí)際應(yīng)用中， 采樣頻率為信號(hào)最高頻率的 2.56~4 倍為佳?？梢?，對(duì)于最高頻率在 4MHz-6MHz (地鐵車輛應(yīng)答器系統(tǒng)的工作頻率一般小于5MHz) 的待測(cè)信號(hào)， NI PXI 5105 采集卡 60Ms/s 的采樣速率完成可以滿足信號(hào)的完整記錄。

由上可見，上述采集卡能滿足相關(guān)技術(shù)規(guī)范對(duì)應(yīng)用于上述測(cè)試的數(shù)據(jù)采集設(shè)備的要求。

在采用接收機(jī)采集天線的輸出的傳統(tǒng)模式下，本實(shí)施例實(shí)質(zhì)是發(fā)現(xiàn)了示波器在地鐵車輛應(yīng)答器這類低頻設(shè)備(通常而言，最高工作頻率應(yīng)在 10M 以內(nèi)，否則，示波器成本將升高，會(huì)逐漸失去用其取代接收機(jī)的意義)工作環(huán)境符合性測(cè)試時(shí)的一種應(yīng)用，尋求以低成本的這種示波器，取代傳統(tǒng)接收機(jī)的一種可能性。本實(shí)施例推出的這種針對(duì)特定工況的測(cè)試裝置， 在滿足相關(guān)技術(shù)規(guī)范要求的同時(shí)， 能極大程度降低裝置成本， 裝置成本只有接收機(jī)的六分之一到八分之一。

除此之外，采用本實(shí)施例裝置取代接收機(jī)，還能帶來一些附加好處：

本實(shí)施例裝置采用數(shù)字濾波器持續(xù)采集方式，最終獲得的數(shù)據(jù)是輻射騷擾信號(hào)大小與時(shí)間的關(guān)系曲線，而且支持多通道采集，在同一時(shí)鐘頻率下可同時(shí)采集多路信號(hào)，借助上位機(jī)程序植入的便利性，可方便的開展輻射與行車工況等的分析，有利于溯源低頻輻射干擾來源，達(dá)到診斷目的。

本實(shí)施例裝置相比于接收機(jī)，不僅裝置成本低，而且裝置的可擴(kuò)展性強(qiáng)。

4.具體實(shí)施方法

利用上述裝置進(jìn)行地鐵車輛應(yīng)答器等低頻設(shè)備工作環(huán)境符合性測(cè)試，方法介紹如下：

1. 移除 BTM 天線，并在原位置安裝 MFP loop 天線；

2. 連接 MFP loop 天線與 NI 采集卡；

3. 通過上位機(jī)控制采集卡，獲得采集數(shù)據(jù)；

4. 在電腦端分析采集數(shù)據(jù)，研判結(jié)果是否符合預(yù)期。

此外，通過上位機(jī)控制 NI 采集卡的采樣速率和采樣時(shí)間等，也可以獲得輻射騷擾信號(hào)大小與時(shí)間的關(guān)系曲線。這種可反映測(cè)試過程中數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)變化的記錄，相比于接收機(jī)獲得的區(qū)段最大值，具有更好的應(yīng)用價(jià)值。

NI 采集卡具有 8 個(gè)通道，同一時(shí)鐘頻率下可同時(shí)采集多路信號(hào)。比如通過連接速度傳 感器可加入列車的速率信號(hào)，也可以通過在列車進(jìn)線處加裝電流鉗增加入線電流信號(hào)。通過絕對(duì)時(shí)間軸下的速率和入線電流，可判斷行車工況，評(píng)估所測(cè)低頻磁場(chǎng)與列車工況的聯(lián)系， 便于找出最大發(fā)射工況，以便溯源低頻輻射干擾來源，達(dá)到診斷目的。

5.測(cè)試數(shù)據(jù)處理和分析

現(xiàn)代地鐵列車一般有四種基本行車工況。入線電壓基本維持在額定范圍。入線電流在保障輔助設(shè)備持續(xù)運(yùn)行的基礎(chǔ)上，隨著牽引電機(jī)的功率而呈現(xiàn)比例關(guān)系。如表 1 所示，列車啟動(dòng)過程中，伴隨著牽引功率的增加和入線電流的增大，列車持續(xù)加速。一段加速時(shí)間后，進(jìn)入電流穩(wěn)定輸入和牽引持續(xù)輸出的工況。列車員停止加速后，列車進(jìn)入惰行區(qū)間，此時(shí)牽引電機(jī)停止工作，入線電流僅為輔助設(shè)備所需電流，行車速度會(huì)緩慢減小。隨著列車員進(jìn)行制動(dòng)減速操作，列車啟動(dòng)常用電制動(dòng)程序。牽引電機(jī)變?yōu)槟芰炕厥盏陌l(fā)電機(jī)，提供制動(dòng)反向阻力。同時(shí)電流反向輸出給供電網(wǎng)絡(luò)，進(jìn)行能量回收，入線口電壓會(huì)有所增加。

表 1：行車參數(shù)關(guān)系表

列車上的主要電力設(shè)備和干擾源有如下所示：

電制動(dòng)系統(tǒng)；

? 牽引系統(tǒng)(高速斷路器、牽引逆變器、牽引電機(jī)和電抗器)；

? 輔助電源系統(tǒng)(濾波電抗器、輔助逆變器和充電機(jī))；

? 空調(diào)系統(tǒng)；

? 軌道信號(hào)系統(tǒng)；

? 門禁系統(tǒng)和乘客信息交互系統(tǒng)。

上述系統(tǒng)特別是牽引系統(tǒng)對(duì)外輻射情況是與行車工況息息相關(guān)的。所以，結(jié)合行車工況，有利于對(duì)干擾的溯源，可大大提高列車低頻輻射診斷的效率。如在低頻輻射超標(biāo)的情況下，可通過通斷各個(gè)列車子系統(tǒng)，進(jìn)行特性工況測(cè)試，從而快速找出發(fā)射源，從而更為有的放矢的實(shí)施下一步的整改工作。

經(jīng)過采集的數(shù)據(jù)，以 TDMS 文件形式存儲(chǔ)在筆記本電腦上，保存的 TDMS 文件是具有時(shí) 間刻度的連續(xù)時(shí)域信號(hào)。通常情況下，該數(shù)據(jù)在實(shí)時(shí)采集后，同時(shí)在上位機(jī)端進(jìn)行 FFT 變換和峰值保持處理，得到一張二維頻譜圖。

也可以在用戶選擇后，在測(cè)試過程中，僅采集和保存數(shù)據(jù)(以 TDMS 文件形式存儲(chǔ))， 在后期再進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。數(shù)據(jù)的后期處理流程如圖 4 所示。

1)設(shè)置時(shí)域數(shù)據(jù)起始點(diǎn)，以過濾掉前期不符合測(cè)試工況的數(shù)據(jù)；

2)進(jìn)行 FFT 變換和峰值保持處理；

3)進(jìn)行濾波，僅保存監(jiān)測(cè)頻段內(nèi)的數(shù)據(jù)；

4)將時(shí)間數(shù)據(jù)插入步驟 3)所得的二維頻譜圖中，得到一張涉及時(shí)間、頻率和信號(hào)幅 值的三維頻譜圖；

5) 將采集的速率、入線電流等數(shù)據(jù)，通過對(duì)齊時(shí)間軸的方式，插入所述三維頻譜圖中。

圖 4：數(shù)據(jù)處理流程

6．結(jié)束語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)的方法，其優(yōu)點(diǎn)在于節(jié)省測(cè)試成本。相比于接收機(jī)，不僅裝置成本低，而且裝置的可擴(kuò)展性強(qiáng)。獲得的數(shù)據(jù)是輻射騷擾信號(hào)大小與時(shí)間的關(guān)系曲線，而且支持多通道采集，在同一時(shí)鐘頻率下可同時(shí)采集多路信號(hào)，借助上位機(jī)程序植入的便利性，可方便的開展輻射與行車工況等的分析，有利于溯源低頻輻射干擾來源，達(dá)到診斷目的。

審核編輯 ：李倩