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