基于库检系统的BTM电磁干扰研究与防护

陈曦

应答器传输系统是中国列车运行控制系统中的重要组成部分,装备在CTCS-2/3级的列控系统中,以安全点式信息传输方式实现地面设备向车载设备传输信息。当天线单元通过或者停在应答器上方时,则构成应答器与车载设备间的信息传输通道。根据《应答器传输系统技术条件》（TB/T 3485—2017）,应答器传输系统由地面设备和车载设备组成。地面设备包括有源应答器、无源应答器和地面电子单元（LEU）；车载设备包括天线单元和应答器传输模块（BTM）。应答器传输系统设备构成见图1［1］。

图1 应答器传输系统设备构成

图1 中接口“A”是应答器与BTM的空间电磁耦合接口。如果该接口处存在较强的电磁干扰,则会影响应答器上行数据传输,进而影响BTM设备对应答器信息的解码,导致列车不能及时有效地获得线路信息,造成列车晚点,影响列车运行效率,严重时甚至导致行车危险。

本文对一起典型的应答器系统干扰问题进行分析,提出现场运用解决建议,研究动车组出入库BTM检测系统技术方案,以达到对干扰进行监测和预防的目的。

1 问题分析

经分析车载BTM记录数据,确认BTM均可接收到丢失应答器的上行链路信号能量,但无法解码,其他能够解码成功的应答器信息也存在误码率较高的情况［2］。车辆回库后,对应答器信号接收功能进行测试,BTM主机发送27.095 MHz射频能量信号的幅度和频率均正常、接收应答器信息的相关功能正常,但误码率较高。车辆降弓后,误码率恢复正常。综合车载记录数据以及列车回库后的测试结果,可初步判断误码率较高与车辆牵引、供电等强电系统造成的电磁干扰有关［4］。

为了进一步排查干扰源及干扰路径,使用频谱分析仪测量BTM天线端口的信号频谱［5］。不同工况下干扰频谱的峰值见表1。噪声频谱见图2。

图2 噪声频谱

表1 不同工况干扰排查

通过降弓以及升弓后逐一切断负载等一系列排查措施,最终确定干扰源为辅助逆变器设备。为进一步确定干扰路径,逐一采取以下措施。

1）切断动车组电源,使用UPS为BTM供电。测量干扰结果并无改善,说明干扰并非通过电源耦合至BTM。

2）调整BTM设备信号线走线路径。测量干扰结果并无改善,说明干扰并非通过信号线耦合至

BTM。

3）更换天线位置,将BTM天线远离车体环境。测量BTM主机端接收到的干扰大幅降低,说明干扰途径主要为空间耦合。

由此可确定,电磁干扰由辅助逆变器产生,经过车辆回流系统,直接通过空间耦合至BTM天线,从而造成BTM解码误码率升高,导致丢失应答器信息。

根据《应答器传输系统技术规范》（Q/CR 716—2019）,BTM及天线单元在2.5～6 MHz频段内应能承受峰值不大于-60 dBm的环境噪声［6］。在降弓或升弓切断辅助逆变器的情况下,电磁干扰满足要求；而在辅助逆变器工作的情况下,不论是否开启其他负载设备,其峰值均为-55 dBm左右,比限值大5 dB。在动态行车情况下,其电磁干扰值一般会超过静态下的测量值。

2 防护措施

解决电磁干扰问题,可通过提升受扰设备的抗扰能力、切断或改变干扰路径、整改干扰源3个方面进行。

在提升抗扰性能方面,应答器信号为中心频率4.234 MHz、频偏282.24 kHz的FSK信号。而由于干扰信号频率与应答器信号频段重合,因此BTM自身无法将此干扰滤除,并且BTM设备为标准设备,无法通过修改工作频率避免干扰［7］。另外,BTM设备为安全设备,较难通过降噪和纠错等设计,来提升自身对带内信号的抗干扰能力。因此,工程上较难通过提升BTM抗干扰能力解决此类问题。

切断或改变干扰路径是现场运用中较为快速解决此类问题的方式。在不改变BTM设备及干扰源设备的情况下,可尝试如下解决方案。

1）调整回流线走向,与之连接的金属物尽量远离BTM天线,甚至切断与BTM天线附近的回流走线。

2）若干扰主要是通过空间耦合进入BTM天线,可考虑增加金属罩板。但应考虑金属罩板尺寸问题,避免对BTM设备本身工作性能产生影响［10］。

3）调整钢轨回流,使其尽量平均分布在两侧轴端,从而平衡通过钢轨的回流,降低不平衡电流带来的电磁干扰。

4）调整干扰源、受扰设备以及干扰路径上的接地线缆,从而改变干扰传播路径,降低耦合至BTM的干扰。

整改干扰源是从根本上解决问题的方法。常用的EMI电磁干扰抑制手段有:干扰源外部端口增加磁环；增加滤波器,将2～6 MHz干扰滤除；对干扰源设备内部电路参数调整也会有一定改善。以上方法在现场运用中可综合考虑实施。

3 BTM库检系统技术方案

针对电磁干扰的问题,预防大于解决。若能在车辆使用过程中,对设备性能进行检测,及时发现干扰问题或者BTM性能问题,则可及早采取有针对性的维修措施。为此,武汉局和北京交大思诺科技股份有限公司共同研制了BTM库检系统。该系统能够在列车出入库时,对车辆干扰进行定量检测。当电磁干扰指标超过设定阈值时,及时发出预警,指导现场维护人员进行问题排查。

当前,对BTM的故障排查,主要采用库内静态测试的方法,忽略了BTM设备在实际运行过程中,其他车载设备对BTM的电磁干扰以及地面环境因素。现阶段,亟需一种可以在动车组运行状态下进行检测的技术手段,由此前的故障后入库静态检测变为常态化检测。针对动态检测的BTM库检系统,其功能包含对动车组车载BTM设备相关数据的采集,采集内容包括BTM天线发射的射频激励信号及2～6 MHz频带内信号。

库检系统总体结构见图3,包括数据采集层、服务层和用户层。数据采集层负责对动车组车载BTM设备进行数据采集,采集内容包括BTM天线发射的27 MHz射频激励信号以及2～6 MHz干扰信号。系统支持同时接入多套数据采集设备,可以根据现场股道数量进行灵活配置。服务层负责接收、存储、分析来自数据采集层的数据。由于数据采集设备多安装在室外,为保护检测数据的安全,防止有人通过数据传输通道侵入检测预警服务器,在服务层部署防火墙进行安全防护。用户层负责接收来自服务层的消息推送,以及对服务层的数据进行管理。

图3 库检系统总体结构图

轨旁检测设备主要由开机磁钢、库检环线、电子标签、机车识别单元、关机磁钢和轨旁处理中心组成。轨旁检测设备结构见图4,其中承担主要功能的库检环线由2个接收环线组成,一个接收BTM天线发出的射频能量,另一个用来采集动车组产生的应答器带内干扰信号。轨旁处理中心负责整个测试过程的任务调度和数据处理,通过有线或无线的方式向检测预警服务器回传数据。

图4 轨旁检测设备结构图

BTM库检系统以大量BTM检测数据为样本,以故障检修记录、各厂家BTM设备参数指标为条件,进行大数据统计和分析,针对性地制定出BTM性能状态的判定阈值,在每次动车组通过时给出动车组BTM性能状态判定。当检测到异常时,系统发出预警信息。通过大量数据的统计,还可以实现对BTM整个生命周期性能指标的监测,不仅在性能指标超过阈值时发出预警信息,而且在检测到性能降低时（不超过阈值）,及时发现其变化,发出提示信息。

动车组运行过程中,车载记录器平台可以实时记录各应答器的作用范围、解码帧数、应答器报文误码率等信息。将车载记录器平台的运行数据导入BTM库检系统,可以更具体地分析出BTM丢失应答器信息故障原因,从而定位到是车载设备问题还是地面设备问题。如果发现丢失应答器信息,但是库检系统检测设备正常,通过车载记录器平台的运行数据,发现多列动车组在通过特定应答器时,作用范围偏低、解码帧数低、误码率高等情况,则可以推断为应答器故障。通过分析动车组运行数据,发现通过的大部分应答器都出现作用范围偏低、解码帧数低、误码率高等情况,则可以推断为车载故障。

目前该套系统已经在武汉局管内部署实施,通过对现场过车情况的实时监测,在2020年11月15日监测到动车组CR400AF-2172-00端BTM设备出现性能降低。检修维护人员对其状态进行了反馈,立即更换备品,更换后设备性能恢复正常。BTM库检系统通过对动车组的常态化检测,可及时在动车组BTM设备性能降低时预警,指导电务、车辆人员进行环境排查,达到了较好的状态监测和故障预警效果。

5 结论

电磁干扰问题是所有应答器系统设备厂商、车辆设计单位、牵引供电单位以及运营管理单位共同面临的技术难题。此类问题对列车正常运行影响较大,并且解决难度较高。针对该问题,提出了预防措施及解决方案,并进行了验证,降低了此类问题的发生率,为后续铁路建设与运营维护提供参考,确保铁路健康平稳运行,保障旅客出行安全。