大胜关大桥段通信信号电磁干扰测试研究_耿天霜.pdf

2023 年 6 月 10 日第 7 卷 第 11 期现代信息科技Modern Information TechnologyJun.2023 Vol.7 No.1142422023.062023.06收稿日期：2022-12-06大胜关大桥段通信信号电磁干扰测试研究耿天霜1，卢滢2，贾静2（1.南京地铁建设有限责任公司，江苏 南京 210017；2.中铁上海设计院集团有限公司，上海 200070）摘 要：随着电子设备在轨道交通中的广泛应用，设备间的电磁干扰也越来越受到关注。文中对地铁和高铁并行、直流和交流并存、钢桥横跨长江等多种特殊条件叠加工况下的电磁干扰进行研究，通过外部电磁环境测试和现场模拟测试数据进行分析及理论计算，来评估大胜关大桥段宁和城际轨道交通通信信号设备受电磁干扰的影响程度，并提出相关防护措施。研究成果对类似项目具有一定的借鉴作用。关键词：电磁干扰；轨道交通；大胜关大桥中图分类号：TP39；U285 文献标识码：A 文章编号：2096-4706（2023）11-0042-06Research on Electromagnetic Interference Testing of Communication Signals in the Dashengguan Bridge SectionGENG Tianshuang1,LU Ying2,JIA Jing2(1.Nanjing Metro Construction Co.,Ltd.,Nanjing 210017,China;2.China Railway Shanghai Design Institute Group Corporation Limited,Shanghai 200070,China)Abstract:With the wide application of electronic equipments in rail transit,more and more attention has been paid to the electromagnetic interference among equipments.In this paper,the electromagnetic interference(EMI)of subway and high-speed railway parallel,DC and AC coexist,steel bridge across the Yangtze River and other special conditions are studied.Through analysis and theoretical calculation of the external electromagnetic environment test and field simulation test data,the influence degree of electromagnetic interference on communication signal equipment of Ninghe intercity rail transit in Dashengguan bridge section is evaluated,and the relevant protective measures are put forward.The research results can be used for reference for similar projects.Keywords:electromagnetic interference;rail transit;Dashengguan Bridge0 引 言电气化铁路的发展维度掌控国家经济命脉，轨道交通系统建设是关乎国民出行的重大工程，但是电子装置、高精度数字化装备的大量投用导致电磁环境恶化，是制约轨道交通发展的主要因素之一，如何解决这对矛盾业已成为热点话题。从 20 世纪六七十年代起，对轨道交通系统周围电磁场的研究就已经开始，主要的研究方法集中在理论推导和现场实测，同时由于高速列车系统十分复杂，之前的学者往往将系统整体作为对象进行研究和测试。单秦提出针对高速动车组电磁兼容性研究的局限性问题，采用了电磁拓扑法和电磁兼容基本理论对高速动车组整车的电磁兼容性进行了研究。霍宏艳选取了高速动车组三种典型的电磁骚扰源进行研究，在一定程度上描述了动车组的骚扰源模型，等等。但是，目前基于复杂环境和极端工况下的高铁对轨道交通的电磁干扰影响还没有全面、成体系的分析，需要更深入的研究。本文重点针对高铁对轨道交通专用无线通信设备、信号 CBTC 系统设备、车地无线系统设备的影响进行测试分析，并提出电磁干扰防护措施。通过对大胜关大桥段外部环境、搭建通信信号模拟系统测试等方法分别对地铁 CBTC 系DOI:10.19850/ki.2096-4706.2023.11.010统（802.11b 的 DSSS 模式下天线和波导管覆盖方式及 FHSS模式下的天线覆盖方式）、TETRA 系统（800 MHz 的天线覆盖方式）及 PIS 系统（802.11g 和 802.11a 模式下的天线覆盖方式及 TD-LTE 模式下的天线覆盖方式）进行场强覆盖、网络性能、服务质量（TETRA）测试，并对比测试时沪汉蓉或京沪高铁有列车经过时是否造成影响，以及 CBTC 与PIS 工作于相同频段时是否造成相互影响。研究结论和成果将是对轨道交通特殊地段通信信号无线系统方案的一次重大优化和改进。其研究成果可填补国内在相关领域研究的空白，可为轨道交通无线专业人员提供一定的参考、借鉴和指导。1 研究背景1.1 项目概况南京大胜关长江大桥位于既有南京长江大桥上游 20 km处，是宁和城际轨道交通线、京沪高速铁路（350 km/h）和沪汉蓉客运专线（250 km/h）同桥并行的越江通道，为六线铁路横跨长江的全钢结构大桥。大桥中间四线为京沪高铁和沪汉蓉客运专线，宁和城际轨道交通上、下行线路分别位于沪汉蓉铁路和京沪高铁外侧。随着国内轨道交通技术的不断发展，电子设备广泛应43432023.062023.06第 11期用，而设备间的电磁干扰也越来越受到关注。针对地铁和高铁并行、直流和交流并存、钢桥横跨长江等多种特殊条件叠加下的工况在国内尚属首次，有必要对电磁兼容性进行研究和探讨。1.2 设备概况 大胜关大桥段宁和城际轨道交通通信信号设备有：沿上下行列车运行方向右侧每间隔 100 m 设置信号 CBTC 或 PIS系统用 AP 箱及天线，引桥上设置有无线直放站。2 研究方案通过外部电磁环境测试和现场模拟测试以及理论计算，来评估大胜关大桥段宁和城际轨道交通通信信号设备受电磁干扰的影响程度。2.1 外部电磁环境测试2.1.1 测试项目电磁环境测试。主要针对 CBTC 系统、TETRA 系统及PIS 系统频点在大胜关大桥段的干扰信号进行测试，为工程设计频率规划提供参考。铁路干扰测试。通过对铁路动车组经过前的电磁环境与动车组经过时的电磁环境进行比较以判断铁路动车组运行状态下，是否对地铁 CBTC 系统、TETRA 系统及 PIS 系统造成干扰。测试时京沪高铁尚未开通，仅沪汉蓉有列车在运行，且无双车交会情况发生。2.1.2 测试点选取在大胜关大桥主桥和引桥轨道交通侧分别选取 5 个和 2个点进行测试，测试点位置如图 1 所示。2.1.3 测试方法主要采用电磁环境测试和电磁环境测试两种方法1-3进行测试。电磁环境测试：1）对于宁和城际轨道交通大胜关大桥区间线路每 500 m 选取一个测试点。2）测试时间选在当地时间 7:30 12:00 以及 13:30 18:00 范围内；每测试点测试时间不小于 30 min。3）根据测试仪表读数、测试天线增益、馈线损耗等数据，计算出天线输入端干扰电平。4）测试频段包括 CBTC 频段、TETRA 频段、PIS 频段，对于 CBTC系统、PIS 系统测试外部的 SSID、频段、RSSI 值。N混凝土结构桥混凝土结构桥钢结构桥地铁京沪高铁胡汉蓉铁路地铁江西江东1234567图 1 测试点位置示意图电磁环境测试：1）测试铁路无列车通过时的电磁环境。2）测试铁路列车通过后的电磁环境。3）通过对两次的电磁环境进行比较，判断铁路在列车运行时对 CBTC 系统、TETRA 系统和 PIS 系统造成的影响。2.2 现场模拟测试 2.2.1 测试项目对地铁 CBTC 系统（802.11b 的 DSSS 模式下天线和波导管覆盖方式及 FHSS 模式下的天线覆盖方式）、TETRA系统（800 MHz 的天线覆盖方式）及 PIS 系统（802.11g 和802.11a 模式下的天线覆盖方式及 TD-LTE 模式下的天线覆盖方式）进行场强覆盖、网络性能、服务质量（TETRA）测试，并对比测试时沪汉蓉或京沪高铁有列车经过时是否造成影响。测试 CBTC 与 PIS 工作于相同频段时是否造成相互影响。2.2.2 测试设备及系统CBTC（DSSS）安装 7 套轨旁设备，彼此间隔 200 m；CBTC（FHSS）安装 3 套轨旁设备，彼此间隔 200 m；CBTC（波导管）长 200 m；TETRA 及 TD-LTE 各安装 1 套设备，天线（或发射设备）；PIS（a/g）安装 7 套轨旁设备。各系统均独立使用各自独立的天馈系统和地面设备，经相同的光缆和设备与测试系统相连。测试系统布置示意图如图 2 所示。PISAPPISAPPISAPPISAPCBTCAPPISAPCBTCAP光电转换光电转换光电转换光电转换光电转换光电转换光电转换光电转换以太网线24芯光缆及电源线交换机高架桥上地面100 mCBTCAPFHSS光电转换100 m100 mCBTCAPFHSS光电转换CBTCAPFHSS光电转换100 m100 m100 m天馈线固定服务器TETRA基站LTE-BBU馈线TETRA天线LTE-RRU高架桥楼梯处45 m波导管100 m100 m图 2 测试系统布置示意图耿天霜，等：大胜关大桥段通信信号电磁干扰测试研究44442023.062023.06第 11期现代信息科技2.2.3 测试方法通过光缆远程连接测试仪器和设备，在桥下临时机房内采集白天高铁通过时，产生的电气化干扰对于轨道交通通信信号系统影响的数据。通过长时间（30 天）的测试以及 7 个信号发射源、3 个数据采集点（桥头、桥中和桥尾）采集数据，避免随机因素对于测试结果的影响。根据测试仪表、软件读取结果，得到场强及性能测试结果，并在列车经过时记录测试结果，进行比较，判断是否有影响4。2.2.4 测试内容测试高铁动车组列车经过时的场强覆盖、漫游性能、吞吐量、丢包等。3 结论分析3.1 外部电磁环境测试3.1.1 电磁环境测试TETRA 电磁环境测试过程发现，在较宽频段（812.6 814.2 MHz；857.6 859.2 MHz），测试点 1 至测试点 7 在均无在用信号。对于个别使用频点可根据测试点 1 至测试点7 的 TETRA 电磁环境测试结果做进一步分析，以判断是否被使用。CBTC 电磁环境测试结果显示，在各信道内电平值最大值均小于-80 dBm。PIS 电磁结果显示，在测试点 1 至测试 7 均无在用信号。CBTC、TETRA、PIS 电磁环境测试结果如图 3 所示。3.1.2 干扰测试TETRA 干扰测试主要是对列车经过前和经过后频谱进行分析，分析发现列车经过时产生的干扰信号对 TETRA 所使用的频段不产生干扰。CBTC 干扰测试中发现测试点 1 至测试点 5 位置 2.4 GHz频段干扰信号频段均较窄，对 CBTC 信号不会产生影响。测试点 6 和测试点 7 频谱均有“毛刺”现象，造成这原因可能是由于附近有采用 FHSS 调频技术 WLAN 信号，该信号功率较小，为-80 dBm 左右，应不会对 CBTC 信号产生影响。PIS 系统干扰测试显示，5.8 GHz 频段内没有干扰信号。CBTC、TETRA、PIS 干扰测试结果如图 4 所示。CBTCTETRAPIS图 3 CBTC、TETRA、PIS 电磁环境测试图CBTCTETRAPIS图 4 CBTC、TETRA、PIS 干扰测试图3.2 现场模拟测试3.2.1 TETRA 测试发现在场强满足要求条件下，服务质量不会因为高铁列车经过而改变；在较远测试点服务质量下降，应判断为信号受到桥体屏蔽场强较弱导致，与列车经过无明显联系。选取测试点 3 的测试结果，如表 1 所示。3.2.2 CBTC 测试显示天线方式下，网络性能在列车经过时有偶然性降低，表现为短时吞吐量下降，时延增加，丢包率增加，但因持续时间短，整体性能未见明显影响；波导管方式下列车经过未见明显影响（车载接收天线距离波导管 40 cm）；非冗余方式下整体性能未见明显下降；跳频模式下列车经过未见明显影响。选取测试点 2 的测试结果，如表 2 和图 5 所示。表 1 测试点 3 TETRA 测试结果表测试项目TETRA测试信道851.250 MHz测试地点测试点 3设备配置国家码 460 网络码 888组号 10011001、10011002发射功率/dBm33测试方式组呼（持续 30 s）测试时间2013.6.27 天气情况阴无车时测试结果场强/dBm-65BER/%0接通率/%100掉话率/%0有车时测试结果场强/dBm-65BER/%0接通率/%100掉话率/%045452023.062023.06第 11期3.2.3 PIS 测试显示2.4 GHz 及 5.8 GHz 两种模式下网络性能在列车经过时均有偶然性降低，表现为短时吞吐量下降，时延增加，丢包率增加，但因持续时间短，整体性能未见明显影响；5.8 GHz 相对 2.4 GHz 模式衰减较大，场强降低对带宽、时延、丢包率的影响较大；2.4 GHz 及 5.8 GHz 两种模式的带宽均不稳定，且均为 mesh 方式搭建，与常用的轨旁 AP+车载客户端方式不同，在车载客户端与测试客户端间的无线通道可能引入二次干扰，仅具参考价值；LTE 模式在较近距离场强覆盖良好的情况下，网络性能比较稳定，列车经过未见明显影响，在表 2 测试点 2 无车时的测试结果测试项目CBTC（DSSS 天线）测试信道1、11测试地点测试点 2设备配置802.11b发射功率/dBm15测试方式冗余（两侧 AP 都打开）测试时间2013.7.3天气情况晴无车时场强（RSSI）/dBm信噪比（S/N）/dBm吞吐量/（Mbit/s）时延/ms丢包率-35、-39-965.77940.01%（压力 800 Kbit/s）有车时场强（RSSI）信噪比（S/N）/dBm吞吐量/（Mbit/s）时延/ms丢包率-35、-39-965.82640%（压力 800 Kbit/s）（a）无车时 throughput （b）无车时 response time （c）无车时 lostdata （d）有车时 throughput（01:25 京沪高往西）（e）有车时 response time（00:25 京沪高往东）（f）有车时 lostdata（00:45 京沪高往西沪汉蓉往东）图 5 测试点 2 CBTC 测试结果图耿天霜，等：大胜关大桥段通信信号电磁干扰测试研究46462023.062023.06第 11期现代信息科技超过 1 km 距离场强覆盖减弱情况下，网络性能在列车经过时有偶然性降低，表现为短时吞吐量下降，时延增加，丢包率增加，但因持续时间短，整体性能未见明显影响。选取测试点 2 位置 2.4 GHz 模式下的测试结果，如表 3 和图 6 所示。其中，无车时前期测试时测试客户端 2.4 GHz 频段使用了802.11g 模式，该模式下可用带宽较低（后期改为 802.11n）。表 3 测试点 2 在 2.4 GHz 模式下的测试结果测试项目PIS（天线）测试信道11（2.4 GHz）测试地点测试点 2设备配置mesh-802.11g发射功率动态控制测试方式非冗余（仅一侧有 AP）测试时间2013.5.23天气情况阴无车时场强（RSSI）/dBm信噪比（S/N）/dBm吞吐量/（Mbit/s）时延/ms丢包率（压力 800 Kbit/s）/%-78-974.27350.78有车时场强（RSSI）/dBm信噪比（S/N）/dBm吞吐量/（Mbit/s）时延/ms丢包率（压力 800 Kbit/s）/%-78-973.72640.93 （a）无车时 throughput （b）无车时 response time （c）无车时 lostdata （d）有车时 throughput（01:05 京沪高交汇）（e）有车时 response time（01:50 京沪高往西）（f）有车时 lostdata（00:45 京沪高往东）图 6 测试点 2 位置 PIS 测试结果图47472023.062023.06第 11期3.2.4 干扰测试CBTC 与 PIS 使用相同频率（2.4 GHz）时的相互干扰测试（CBTC 信道为 1、11，PIS 为 1）发现：CBTC 与 PIS 均进行满载吞吐量测试，CBTC 性能未见明显下降（因 CBTC有无冲突的 11 信道），而 PIS 性能有明显下降，应当判断若都使用完全相同的信道，双方性能均会有明显下降；PIS 满载情况下 CBTC 的基本性能（轻载）未见明显下降；CBTC 满载情况下 PIS 的基本性能（轻载）未见明显下降。测试点 2 在不同条件下的吞吐量如图 7 所示。3.3 电磁影响计算根据电信线路遭受强电线路危险影响的容许值（GB 68301986）、铁路通信设计规范（TB 100062016）及交流电力和交流电气化铁道装置发生故障时对电信系统产生耦合时的人身安全极限值（ITU-T 建议 K.33）中的有关规定，通过计算得出，大胜关大桥段轨道交通区间电缆选取屏蔽系数不大于 0.1 的电缆可满足规范对有线电信线路影响容许值的规定5。4 防护措施根据对大胜关大桥段电磁干扰的理论分析和现场测试，提出防护措施如下：1）提高电缆屏蔽系数。采用高抗干扰屏蔽电缆。对于沿电气化铁道敷设的干线电缆，采用屏蔽系数不大于 0.1 的电缆。通信系统全线敷设的一根 20P 电缆在大胜关桥区间改用光缆。2）在大胜关大桥段电缆槽采用复合环氧树酯材质带盖的槽式复合型防腐屏蔽电缆槽，增强屏蔽作用并隔离强电影响。3）漏缆夹具采用高铁专用夹具。5 结 论本文主要是以信号的波导自由无线、通信及信号的无线天线作为研究对象，通过现场模拟测试数据分析计算各无线 （a）CBTC 独立工作 （b）同时进行吞吐量测试 CBTC （c）PIS 独立工作 （d）同时进行吞吐量测试 PIS图 7 测试点 2 在不同条件下的吞吐量测试结果图设备的电磁兼容性，研究结论和成果直接应用到宁和城际轨道交通工程通信信号系统中，同时可为其他工程项目中遇到的电气化铁道接触网对无线系统及无线设备的影响提供借鉴，并为更好的建设高质量的无线通信信号系统打好技术基础。参考文献：1 王守三.电磁兼容的使用技术、技巧和工艺 M.北京：机械工业出版社，2007：91-114.2 郑军奇.EMC（电磁兼容）设计与测试案例分析：第2版 M.北京：电子工业出版社，2010.30-32.3 姜笑.铁路 GSM-R 系统电磁环境测试的分析与对应策略 D.北京：北京邮电大学，2011.4 梁高光，于雪，刘丽玲，等.基站电磁环境仿真研究 C/第 22 届全国电磁兼容学术会议论文选.成都：人民邮电出版社，2012：308-3145 焦健.城市轨道交通强弱电系统同址共建电磁兼容问题研究 D.北京：北京邮电大学，2012.作者简介：耿天霜（1980.10），男，汉族，江苏通州人，高级工程师，本科，研究方向：交通运输；卢滢（1971.10），女，汉族，江苏镇江人，正高级工程师，本科，研究方向：无线通信；贾静（1984.04），女，汉族，江苏扬州人，高级工程师，本科，研究方向：电气工程与自动化。耿天霜，等：大胜关大桥段通信信号电磁干扰测试研究