《地铁车辆低频设备电磁环境复合测试装置及方法》

摘要：作为维持列车运行的重要安全保证，应答器系统用以地面向列车信息传输的点式设备，能向车载子系统发送报文信息的传输设备。应答器的电磁兼容抗干扰水平也是当下的重要议题。本文介绍一种新的电磁兼容测试方案，用以更好的降低目前主流测试方法的高成本。

前言：

截止 2021 年年底，中国已有 51 个城市开通轨道交通，运营线路总长度 8708 公里。作为维持列车运行的重要安全保证，Balise 应答器用以地面向列车信息传输的点式设备，一种能向车载子系统发送报文信息的传输设备，既可以传送固定信息，也可连接轨旁单元传送可变信息。

应答器的电磁兼容抗干扰水平也是当下的重要议题。应答器传输模块(Balise TransmissionModule, BTM)作为列车超速保护(Automatic Train Protection, ATP)设备的重要组成部分,在列车实际运行过程中,因其处于一个复杂的电磁环境,可能会在车地通信时受到电磁干扰发生通信故障,从而引起 ATP 系统故障报警。ERTMS/ETCS 下的技术资料 Test Specification for EurobaliseFFFIS (REF : SUBSET-085)和(REF : SUBSET-036)中提出了应答器系统的电磁兼容性要求。并且欧洲标准EN50121 系列中的也对轨道车辆环境的电磁兼容性做了要求。车辆在运营前必须通过电磁兼容的相关测试才能上岗运行。

1.测试目的

此EMC电磁兼容性试验的目的是测量轨道交通车辆底部设备包括牵引电机和牵引逆变器以及辅助逆变器发出的低频干扰磁场，并确保此类低频干扰磁场不会影响安装在车底上和与之对应的地面BTM应答器传输系统的正常工作。BTM系统的敏感工作频率在3.5 MHz~5 MHz之间。

2.主流测试方式

目前主流机构的测试方法如下图所示。通过移除BTM 天线并在原位置安装 MFP Loop 天线来测试车辆运行中对 BTM 天线的辐射发射值。

图 1: 主流测试方法

应控制车辆辐射水平，使之与轨旁应答器上行线路信号强度相兼容。根据 BTM 信号系统对车辆的要求，车辆在频率范围为3.5 MHz~5 MHz 的辐射一般有具体相对应的限值要求。

目前市面上使用的技术是通过图 1 所示，MFP loop 天线通过射频线缆连接接收机的方式进行。记录整段工况的瞬时最大值。对人的操作要求比较高，也无法用记录辐射与车辆速度等 相关的参数信息。

3.本方案装置介绍

针对上述缺点，这里设计出一种专门针对城轨BTM 的低频测试系统。符合技术规范的 要求，扩展性强，适用于各种城轨车辆。可以先记录同时分析结果，也可以保存原始数据后期分析，节省测试时间。满足城轨车辆的以及轨道工程车辆的低频 EMI 诊断。具有EMI 检测工况溯源，实现高效、自动化测量，具有易操作、模块化的优点，具有显著的应用价值。

同时，此测量系统的造价市面价值远小于由接收机或者频谱仪组成的测试系统。

图 2 ：原理图

本系统涉及地铁车辆应答器等低频设备工作环境符合性测试装置及方法，所述低频设备 指最高工作频率在10M 以内的设备，所述装置包括天线、NI 采集设备和上位机， 所述天线、 NI 采集设备和上位机依次连接，所述NI 采集设备的前置阻抗为 50欧姆，动态范围大于60dB。 本系统实质是发现了示波器在地铁车辆应答器这类低频设备工作环境符合性测试时的一种 应用，然后以低成本的这种示波器设备即NI 采集设备，取代传统测试装置中的接收机，从而极大程度的节省装置成本。

下面结合具体实施例和附图对本设计作进一步详细说明。下面实施例涉及一种地铁车辆应答器工作环境符合性测试装置，如图 2 所示，该装置包括天线、 NI采集设备和上位机， 天线、 NI 采集设备和上位机依次连接。

天线采用 MFP loop 天线。

NI采集设备为NI采集卡，其插装在上位机的卡槽中。

上位机采用笔记本电脑。

本实施例采用的 NI 采集卡型号为 NIPXI 5105，它是一种数字示波器。它的前置阻抗为 50 欧姆，与接收机相同，这对本设计方案而言，是非常必要的。

这种带有前置抗混叠滤波器的采集卡的参数如图3 所示。此采集卡在使用 50欧姆前置 阻抗的情况下的动态范围为 72dBc，高于 CISPR 16-1-1 标准中最小范围 60dB 的要求， 也接近 于 R&S ESR 系列接收机 75dB 的范围，表明该采集卡测量精度能满足相关标准要求。

图 3 ：NI PXI 5105采集卡参数

根据奈奎斯特采样定理，在进行模拟/数字信号的转换过程中，当采样频率大于信号中 最高频率的 2 倍时，采样之后的数字信号能完整地保留原始信号中的信息，一般实际应用中， 采样频率为信号最高频率的 2.56~4 倍为佳。可见，对于最高频率在 4MHz-6MHz (地铁车辆应答器系统的工作频率一般小于5MHz) 的待测信号， NI PXI 5105 采集卡 60Ms/s 的采样速率完成可以满足信号的完整记录。

由上可见，上述采集卡能满足相关技术规范对应用于上述测试的数据采集设备的要求。

在采用接收机采集天线的输出的传统模式下，本实施例实质是发现了示波器在地铁车辆应答器这类低频设备(通常而言，最高工作频率应在 10M 以内，否则，示波器成本将升高，会逐渐失去用其取代接收机的意义)工作环境符合性测试时的一种应用，寻求以低成本的这种示波器，取代传统接收机的一种可能性。本实施例推出的这种针对特定工况的测试装置， 在满足相关技术规范要求的同时， 能极大程度降低装置成本， 装置成本只有接收机的六分之一到八分之一。

除此之外，采用本实施例装置取代接收机，还能带来一些附加好处：

本实施例装置采用数字滤波器持续采集方式，最终获得的数据是辐射骚扰信号大小与时间的关系曲线，而且支持多通道采集，在同一时钟频率下可同时采集多路信号，借助上位机程序植入的便利性，可方便的开展辐射与行车工况等的分析，有利于溯源低频辐射干扰来源，达到诊断目的。

本实施例装置相比于接收机，不仅装置成本低，而且装置的可扩展性强。

4.具体实施方法

利用上述装置进行地铁车辆应答器等低频设备工作环境符合性测试，方法介绍如下：

1. 移除 BTM 天线，并在原位置安装 MFP loop 天线；

2. 连接 MFP loop 天线与 NI 采集卡；

3. 通过上位机控制采集卡，获得采集数据；

4. 在电脑端分析采集数据，研判结果是否符合预期。

此外，通过上位机控制 NI 采集卡的采样速率和采样时间等，也可以获得辐射骚扰信号大小与时间的关系曲线。这种可反映测试过程中数据实时变化的记录，相比于接收机获得的区段最大值，具有更好的应用价值。

NI 采集卡具有 8 个通道，同一时钟频率下可同时采集多路信号。比如通过连接速度传 感器可加入列车的速率信号，也可以通过在列车进线处加装电流钳增加入线电流信号。通过绝对时间轴下的速率和入线电流，可判断行车工况，评估所测低频磁场与列车工况的联系， 便于找出最大发射工况，以便溯源低频辐射干扰来源，达到诊断目的。

5.测试数据处理和分析

现代地铁列车一般有四种基本行车工况。入线电压基本维持在额定范围。入线电流在保障辅助设备持续运行的基础上，随着牵引电机的功率而呈现比例关系。如表 1 所示，列车启动过程中，伴随着牵引功率的增加和入线电流的增大，列车持续加速。一段加速时间后，进入电流稳定输入和牵引持续输出的工况。列车员停止加速后，列车进入惰行区间，此时牵引电机停止工作，入线电流仅为辅助设备所需电流，行车速度会缓慢减小。随着列车员进行制动减速操作，列车启动常用电制动程序。牵引电机变为能量回收的发电机，提供制动反向阻力。同时电流反向输出给供电网络，进行能量回收，入线口电压会有所增加。

表 1：行车参数关系表

行车工况	牵引力	速度	入线电流	入线电压
加速	增加或者恒定	增加	正值	恒定
均速	恒定抵消阻力	稳定	稳定正值	恒定

列车上的主要电力设备和干扰源有如下所示：

电制动系统；

➢ 牵引系统(高速断路器、牵引逆变器、牵引电机和电抗器)；

➢ 辅助电源系统(滤波电抗器、辅助逆变器和充电机)；

➢ 空调系统；

➢ 轨道信号系统；

➢ 门禁系统和乘客信息交互系统。

上述系统特别是牵引系统对外辐射情况是与行车工况息息相关的。所以，结合行车工况，有利于对干扰的溯源，可大大提高列车低频辐射诊断的效率。如在低频辐射超标的情况下，可通过通断各个列车子系统，进行特性工况测试，从而快速找出发射源，从而更为有的放矢的实施下一步的整改工作。

经过采集的数据，以 TDMS 文件形式存储在笔记本电脑上，保存的 TDMS 文件是具有时 间刻度的连续时域信号。通常情况下，该数据在实时采集后，同时在上位机端进行 FFT 变换和峰值保持处理，得到一张二维频谱图。

也可以在用户选择后，在测试过程中，仅采集和保存数据(以 TDMS 文件形式存储)， 在后期再进行数据处理。数据的后期处理流程如图 4 所示。

1)设置时域数据起始点，以过滤掉前期不符合测试工况的数据；

2)进行 FFT 变换和峰值保持处理；

3)进行滤波，仅保存监测频段内的数据；

4)将时间数据插入步骤 3)所得的二维频谱图中，得到一张涉及时间、频率和信号幅 值的三维频谱图；

5) 将采集的速率、入线电流等数据，通过对齐时间轴的方式，插入所述三维频谱图中。

图 4：数据处理流程

6．结束语

本文设计的方法，其优点在于节省测试成本。相比于接收机，不仅装置成本低，而且装置的可扩展性强。获得的数据是辐射骚扰信号大小与时间的关系曲线，而且支持多通道采集，在同一时钟频率下可同时采集多路信号，借助上位机程序植入的便利性，可方便的开展辐射与行车工况等的分析，有利于溯源低频辐射干扰来源，达到诊断目的。

审核编辑 ：李倩