中低速磁浮交通信号系统车地通信电磁抗干扰研究

刘宁宁，蔡晓蕾，郝明雷，李高科

（1. 北京市地铁运营有限公司 通信信号分公司，北京 100080；2. 中国铁道科学研究院集团有限公司 电子计算技术研究所，北京 100081；3. 铁科院（北京）工程咨询有限公司，北京 100081）

2017年12月30日，北京市中低速磁浮交通示范线（简称：北京S1线）石厂站至金安桥站（7站6区间）开始载客试运营。在北京S1线开通调试及载客试运营的过程中，列车经常性紧急停车，影响乘客的出行安全，同时，降低了服务质量。为解决北京S1线出现的紧急停车问题，相关人员进行了长期的跟踪研究及试验，发现是由于外部电磁干扰[1-2]影响了车地通信，引起通信中断，从而造成列车的紧急停车。

为解决发现的车地通信问题，本文通过现场布置示波器、录波仪等设备采集各种工况下的有效信号及干扰信号，通过增加硬件设备的方式，进行现场测试、实验及理论分析，找出信号干扰的原因，并提出了有针对性的抑制干扰的措施。经现场测试，本文采用的方法取得了良好的效果，解决了北京S1线车地通信时的电磁干扰问题，同时，为后续中低速磁浮交通的建设和维护积累了相关经验。

1 北京S1线概述

1.1 线路概述

北京S1线的线路全长10.2 km，起点石厂站，终点苹果园站，全线设8座车站。北京S1线配属列车10列，采用中低速磁浮列车。列车为6节编组，全部为动车，采用直线电机牵引。当列车速度高于电空转换速度（7 km/h）时，常用制动为电制动；当列车速度低于电空转换速度时，常用制动为气液制动，气液制动通过控制车辆上的闸片和地面轨道侧面接触摩擦进行制动。

中低速磁浮交通和轮轨交通的区别是，列车没有轮对，运行时车体和轨道没有接触。为保护乘客安全，北京S1线站台设有接地轨[3-4]，车体通过接地电刷与接地轨连接，直接接地。列车在区间运行时，车体仅通过电刷与供电负级轨连接，负级轨到牵引变电所通过64D接地漏电保护电路与地连接。

1.2 信号系统概述

北京S1线信号系统主要由列车自动监控（ATS，Automatic Train Supervision）子系统、计算机联锁（CI，Computer Interlocking）子系统、列车自动防护（ATP，Automatic Train Protection）子系统、列车自动运行（ATO，Automatic Train Operation）子系统构成[6-8]，采用基于感应环线[5]的移动闭塞系统（FZL200系统）进行车地双向通信，实现移动闭塞。

FZL200系统采用H20型车地双向通信（TWC，Train to Wayside Communication）系统实现车地双向通信功能。TWC系统技术参数为：（1）车到地通信：载频54.55 kHz，频偏 400 Hz，速率1 200 bit/s，调制方式 FSK；（2）地到车通信：载频35.8 kHz，频偏400 Hz，速率1 200 bit/s，调制方式FSK。

TWC系统的设备按安装的位置可分为3部分：轨旁室内设备、轨旁室外设备和车载设备。轨旁室内设备包括发送设备、切换设备、环线检测滤波设备、接收设备和防雷单元；轨旁室外设备包括馈电电缆、始端/终端匹配设备和环线电缆；车载设备包括电源、发送设备、接收设备、交叉点提取设备、发送天线和接收天线。

TWC系统主要实现发码、解码、提取交叉点功能。轨旁室内发送设备把区域控制器（ZC，Zone Controller）的控车命令转换为模拟信号发送到轨旁室外设备，轨旁室外设备把信号通过环线向空间发送，车载接收设备通过接收天线接收空间的信号解码后传送给车载ATP；车载发送设备把车载ATP的反馈信息转换为模拟信号后经过发送天线向空间发射，轨旁室外设备环线感应到信号后传送给轨旁室内接收设备，解码后传送给ZC；通过识别环线边界和交叉点，车载ATP可以实现位置初始化和位置校正。

2 车地通信干扰分析

车地通信干扰主要是指电磁干扰，电磁干扰是指电磁骚扰引起的设备、传输通道或系统性能的下降。电磁干扰由电磁骚扰源发射的电磁能量，经过耦合途径传输到敏感设备。形成电磁干扰的3个基本要素是电磁骚扰源、耦合途径、敏感设备。

2.1 车载TWC设备干扰分析

车载TWC天线安装情况为，每列车有2个TWC发送天线、2个TWC接收天线，前发送和前接收天线安装在列车车头端和车尾端的第一转向架上，后发送和后接收天线安装在列车车头端和车尾端的第三转向架上。在现场车地设备联调期间发现，车载TWC接收设备在列车运行过程中出现不同程度的接收误码及通信中断的现象。

2.1.1 实验设计

本文针对上述情况，分别测试了以下工况时的信号波形。

（1）地面TWC设备断电，用示波器分别测量列车正常牵引情况下和切除牵引系统条件下的信号波形，如图1所示，黄色波形为前接收天线信号波形，青色波形为后接收天线信号波形。

图1 地面TWC设备断电时车载TWC信号波形

（2）地面TWC设备上电，用示波器测量列车正常制动情况下和切除制动系统情况下的信号波形，如图2所示，黄色波形为前接收天线信号波形，青色波形为后接收天线信号波形。

图2 地面TWC设备上电时车载TWC信号波形

2.1.2 实验结论

根据实验结果可得出以下结论：

（1）和前接收天线相比，后接收天线与直线电机距离更近，受干扰的程度明显强于前接收天线；

（2）后接收天线接收到的干扰信号幅度高于有用信号幅度（最高可达3倍），干扰信号的频率分量在地到车通信载频35.8 kHz的频带内，影响车载TWC的信号接收和解码；

（3）在切除牵引的情况下，对TWC天线接收信号的影响较小。

2.1.3 改进分析测试及结论

根据以上实验结论，本文进行了以下测试：

（1）改变后接收天线的位置，将安装位置移至第4和第5转向架，经测试，均不能有效远离干扰源；

（2）对被干扰对象（接收天线本身）进行屏蔽，经测试，不能有效抑制干扰信号；

（3）单独布置TWC接收天线的馈缆，经测试，不能有效抑制干扰信号。

综上，本文认为车载TWC接收天线干扰信号来源于车辆牵引电机。由于车辆牵引、制动等动作的不断变换，使得电机产生不同频率的干扰信号，通过空间耦合到车载TWC接收天线上，使得车载TWC接收天线收到频带内的干扰信号，最终导致误码及通信中断。

2.2 地面TWC设备干扰分析

北京S1线载客试运营以来，多次使用软件优化等措施来解决车地通信故障，但效果均不明显。特别是2019年6月以来，列车在运行过程中，因车地通信中断而引起列车降级的问题高发。

发生通信中断的原因是地面TWC无法接收车载TWC发送的信号，通过在地面设备室内架设示波器及录波仪对问题高发的区段地面接收信号进行录波，确定为TWC地面设备接收到异常干扰信号导致无法解出有效信号，进而引发车地通信中断问题。

通过频谱分析发现，干扰信号频率主要为57 kHz～58 kHz，该干扰信号频率在TWC有效信号接收频带范围（52 kHz～58 kHz）内，通过TWC环线检测滤波版固有的带通滤波难以滤除，且由于干扰信号能量是有效信号能量的4～5倍，导致地面TWC无法解析出有效信号而造成车地通信中断。

为进一步分析干扰原因，本文进行了电磁干扰诊断测试，确定干扰源为车辆牵引变流器和辅助变流器，其在54.55 kHz频点有较为明显的谐波电流，干扰路径为空间辐射耦合。

3 抗干扰措施研究

为实现电磁兼容，通常采用分析电磁骚扰源、耦合途径和敏感设备的技术措施来抑制骚扰源、消除或减弱骚扰的耦合、降低敏感设备对骚扰的响应。

本文在尚未有效抑制骚扰源和消除耦合途径的情况下，在车载TWC和地面TWC设备上增加针对性措施，降低骚扰对车地通信的影响。

3.1 车载TWC设备抗干扰措施

根据车载TWC设备干扰分析，后接收天线受干扰的程度明显强于前接收天线。本文采取增加一个后接收天线并将其与原后接收天线级联的方法，进行干扰信号抵消，从而降低干扰信号，增强有效信号。

车载天线布置方案为，保持原天线位置不变，在车头的第3转向架处（即后发送天线正后方）增加一个TWC接收天线，新增加的接收天线横向与另一个后接收天线并行，高度与其他天线相同，其安装位置如图3所示。

图3 新增车载TWC天线安装示意

由于TWC天线设计基于切割磁感应线圈的工作原理，当列车上的TWC接收天线经过环线产生磁场后，天线产生感应电流，并由TWC车载设备提取相应的有效信号。假设干扰信号从单一方向进入，通过两个并联且反向安装的TWC接收天线（正反方向）后，产生干扰信号的电流方向反向，从而抵消来自车辆两个方向的干扰信号，其工作原理如图4所示。

图4 干扰信号抵消原理

根据上述方案进行现场验证， 验证结果如图5所示，天线级联方案对干扰信号明显抵消，而对有效信号有一定增强。

图5 天线级联前后信号波形

本文方法使得干扰信号明显抵消、幅度减小。北京S1线配属的10列列车按该方法完成改造后，车载接收通信中断次数大幅降低，保障了北京S1线顺利载客试运营。

3.2 地面TWC设备抗干扰措施

根据车地通信中断故障分析定位情况，结合测得的干扰信号频率及能量，在既有地面TWC环线检测板（滤波器通带52 kHz～58 kHz）的基础上，开发新型环线检测板（滤波器通带53 kHz～56 kHz），滤除57 kHz～58 kHz的干扰信号。

对新型环线检测板在车地通信故障高发区段进行了验证，验证结果表明，其可有效滤除57 kHz～58 kHz的干扰信号，通信中断次数大幅减少。

目前，新型环线检测板已在北京S1线正线全部更新替换。替换完成后，车地通信中断日平均次数和故障高发时相比下降了95%以上，取得了显著效果。

4 结束语

北京S1线列车车底电磁环境较复杂，对车地通信造成了干扰，引起车地通信中断。本文通过实验和排查分析，确定了干扰原因，并在TWC设备上采取了针对性的抑制措施，车地通信中断频率大幅下降，取得了显著效果。本文对车地通信干扰问题的诊断与解决，为保障北京S1线的平稳运行起到了重要作用，为后续中低速磁浮交通的建设和维护积累了经验。