列控应答器系统在钢桁梁桥上的应用研究

2018-12-15陈德伟

铁路通信信号工程技术 2018年11期

陈德伟

(中铁二院工程集团有限责任公司，成都 610031)

1 概述

目前,我国高铁线路不断的往西部地区延伸，绵延不断的高山峡谷使西部地区高铁线路的桥隧占比很高，其中能大跨度穿越大江大河的钢桁梁结构铁路桥日渐涌现。如图1所示，钢桁梁结构铁路桥较混凝土桥梁具有金属构造物丰富且庞大的特点。

目前高铁列控系统的基础部件应答器在此类线路尚无现成的应用经验，并且现行相关规范、标准也未有专门的规定或说明。为了保证新建高铁联调联试的顺利进行以及开通后列控系统安全可靠的运用，在编制列控工程数据前，应答器系统在钢桁梁结构桥上能否安全可靠工作是必须回答的一个关键问题。

2 研究的必要性

2.1 应答器系统结构及信息传输简述

应答器设备是采用电磁耦合原理实现车地间通信的电磁设备，是列控系统的重要组成部分，它布置于CTCS-2/CTCS-3线路的车站及区间的特定地点，实现高速点式信息的传输，保证动车组列车安全运行。

应答器系统主要包括地面设备和车载设备两部分。如图2所示，地面设备包括地面应答器和轨旁电子单元LEU；车载设备主要是指应答器车载查询器BTM和车载天线单元。

图1 钢桁梁结构铁路桥透视图(上层四线、下层双线)Fig.1 Perspective of steel truss girder railway bridge(four lines for the upper level and double lines for the lower level)

图2 应答器系统结构原理图Fig.2 Structure diagram of the balise system

如图3所示，在列车运行过程中，BTM主机通过车载天线不断向地面发送27 MHz能量，车载天线经过应答器上方时，应答器被激活后向车载天线发送4.2 MHz上行信号。

2.2 钢桁梁桥对应答器系统工作的可能影响

如图4所示，钢桁梁桥由丰富的金属闭合环构成，闭合环因吸收应答器系统工作时发射的能量产生电流，该电流产生磁通，当金属物闭合环中的电流发生变化时，该磁通也发生变化，该磁通可能影响应答器接口“A”的正常工作，从而影响应答器与车载设备间信息的可靠传递，造成“丢点”现象，即列车经过地面应答器时，车载列控主机并没有收到应答器报文，进而危及列车运行安全。

图3 应答器系统频率信号传输示意图Fig.3 Schematic diagram of the balise system frequency signal transmission

图4 钢桥环境影响应答器的电气原理图Fig.4 Electrical schematic diagram of steel bridge affecting the balise system

为保证应答器系统能安全可靠地工作，需提前对设于钢桁梁桥上的应答器系统进行研究，为列控系统设计提供数据支撑。

3 研究内容

3.1 应答器系统在钢桁梁桥上的上行场强分布

《应答器技术条件（暂行）》（科技运函[2004]114号）第5.1.1条对应答器接口“A”物理层的一项技术要求是有效作用长度须在0.5 ～2.2 m范围内，有效作用长度就是车载天线沿行车方向移动时BTM能够解码的距离，该距离为上行场强分布的主要衡量标准，是判断应答器系统能否正常工作的重要参数。

在周围丰富的钢结构环境中，应答器系统工作的电磁环境较混凝土铁路桥发生变化，可能导致发往车载天线的场强分布不达标，因此需开展应答器系统在钢桁梁桥上的上行场强分布研究。

3.2 应答器系统在钢桁梁桥上的信息传输可靠性

铁路总公司企标《高速铁路信号工程施工技术规程》（Q/CR 9607-2015）第9.2.4条及第9.2.10条均对地面应答器安装周围无金属区环境提出要求，以确保车-地间信息传输可靠性。无金属区之外如图1所示在应答器四周分布钢结构金属网对车—地间信息传输可靠性的影响，国内相关研究尚属空白。

钢桁梁上的应答器系统，车-地间信息传输主要面临两方面的不利因素：一方面是钢桁梁产生的电磁干扰影响通信信道信号传输，降低信号信噪比，导致误码率增加；另一方面是钢桁梁环境下的金属物体吸收了传输信号，从而影响系统的可靠性。因此需开展应答器系统在钢桁梁桥上的信息传输可靠性研究。

3.3 车载BTM在钢桁梁桥上的下行场强金属干扰

钢桁梁桥上的应答器系统车载BTM，钢结构金属网将对BTM天线的工作产生两方面的不利影响：一方面是金属网对于天线辐射能量的吸收，其主要由金属网的固有谐振频率、金属材质、几何尺寸等原因决定；另一方面是金属网对于BTM天线内部谐振状态的影响，进而影响天线的阻抗，其主要由金属物体与BTM天线距离决定。

当天线辐射能量被金属网吸收有限时，则不影响对地面应答器的激活以及应答器信号发生器的工作；反之，有影响。当金属网对天线阻抗的影响使得BTM功放输出电流显著增大时，则会导致BTM功耗过高而烧损；反之，则无不利影响。因此需开展车载BTM在钢桁梁桥上的下行场强金属干扰研究。

4 研究方法

4.1 应答器系统在钢桁梁桥上的上行场强分布研究

应答器上行场强分布主要体现在车-地设备间系统沿行车方向的作用距离，因此在上行场强分布研究中，主要以应答器的水平作用距离作为衡量的指标，其测试连接示意如图5所示。

图5 上行场强分布测试连接示意图Fig.5 Connection diagram of uplink field strength distribution test

应答器设于钢轨线路中间位置，车载天线安装在额定高度、无偏移情况下，移动天线经过应答器上方，逐渐接近并激活应答器，记录此时天线位置为a。最终移出应答器激活范围，记录此时天线位置为b；通过观察BTM解码状态，确认应答器是否被激活；测量a、b两位置间沿轨道方向的距离，即为应答器与车载天线的系统作用距离。

当a、b间距离在0.5 ～2.2 m范围内时，则可以判断此钢桁梁桥上丰富的金属物对应答器系统的上行场强分布没有不利影响；反之，则有影响。

4.2 应答器系统在钢桁梁桥上的信息传输可靠性研究

应答器在钢桁梁桥上的信息传输可靠性研究通过应答器I/O特性测试和静态干扰测试完成。

第一步，采用应答器报文读取器测试应答器I/O特性，其测试连接示意如图6所示。

图6 I/O特性测试连接示意图Fig.6 Connection diagram of I/O characteristic test

将应答器报文读取器放置于应答器上方，测试其能否正常接收应答器报文。

第二步，采用频谱仪进行静态干扰测试研究，其测试连接示意如图7所示。

图7 静态干扰测试连接示意图Fig.7 Connection diagram of static interference test

采用频谱仪获取接收天线感应到的周围环境频谱信息，扫频宽度为2～30 MHz，覆盖应答器车-地系统设备间信道频率范围。在应答器车载查询器安装使用及维护手册中指出BTM主机和天线周围，当干扰信号强度超过-29 dBm时，BTM将会发生丢点的异常情况。

因此，可通过测试应答器报文读取器能否正常接收到报文，并比较频谱仪获得的干扰能量是否在标准规定的范围，去判断应答器系统在钢桁梁桥上能否可靠进行信息传输。

4.3 车载BTM在钢桁梁桥上的下行场强金属干扰研究

BTM下行场强金属干扰研究可通过测量BTM功放输出电流随着车载天线逐渐接近轨枕时的数据，并分析数据的变化来完成，其测试连接示意如图8所示。

图8 车载BTM下行场强金属干扰测试连接示意图Fig.8 Connection diagram of onboard BTM downlink field strength test with mental interference

在测试研究过程中，天线逐渐接近钢轨并最终达到最恶劣的金属干扰状态，其电流的变化趋势说明周围金属环境对于天线辐射能量的吸收情况，以及对天线本身谐振状态的影响。当BTM功放输出电流为减小趋势且较明显时，则说明车载天线在外界金属干扰条件下，无法工作在预定的谐振频点，不会导致BTM功耗过高而损坏；反之，则会对BTM工作产生不利影响。