鐵路數(shù)字信號(hào)電纜抗外界干擾素力的影響因素及控制

豆蕊，王慧

(西安西電光電纜有限責(zé)任公司,陜西西安，710082）

0 引言

由于鐵路在高速行駛中需要進(jìn)行多種通信，其通信距離可以達(dá)到數(shù)十公里，甚至數(shù)百公里，所以實(shí)現(xiàn)可靠的實(shí)時(shí)通信是一個(gè)亟待解決的問題。通過對(duì)車輛內(nèi)部人員的實(shí)時(shí)了解，實(shí)現(xiàn)了對(duì)車輛的實(shí)時(shí)信息傳遞。當(dāng)發(fā)生意外或緊急情況時(shí)，可以提供報(bào)警信息。公安部門在接到110報(bào)警后，可以通過撥打110報(bào)警，及時(shí)向鐵路公司求助，以便及時(shí)解決事故。近幾年，我國(guó)的通信技術(shù)工作者們發(fā)現(xiàn)，鐵路信號(hào)的傳播受到了多種因素的影響，信號(hào)的準(zhǔn)確性、持續(xù)性和安全性都受到了嚴(yán)重的影響。因此，在不增加干擾信號(hào)、減小現(xiàn)有干擾信號(hào)幅度的前提下，保證有效信號(hào)的暢通是改造線路的關(guān)鍵。

1 鐵路數(shù)字信號(hào)電纜的干擾形式

1.1 電磁干擾

電磁干擾是一種無法避免的干擾，它不但會(huì)對(duì)電子產(chǎn)品產(chǎn)生影響，而且會(huì)對(duì)器件的晶片產(chǎn)生損傷。由于地球電磁環(huán)境的影響，各種干擾的強(qiáng)度也會(huì)有差異。電磁波對(duì)信號(hào)線纜的影響是不斷發(fā)生的。這種干擾有傳導(dǎo)干擾和輻射干擾兩類，它們的作用方向和作用的大小不同。前者是通過傳導(dǎo)的，后者是通過輻射來實(shí)現(xiàn)的。電磁干擾可使列車信號(hào)強(qiáng)度下降，并在接近接收機(jī)時(shí)中斷消失。

1.2 環(huán)境干擾

由于各地氣候條件的差異，對(duì)鐵路信號(hào)的傳遞造成了很大的影響。在空間上，當(dāng)列車進(jìn)入山區(qū)隧道或偏遠(yuǎn)地段時(shí)，其信號(hào)強(qiáng)度會(huì)顯著降低；就氣候而言，不同地區(qū)的風(fēng)力、濕度、溫度等指標(biāo)的差異，會(huì)對(duì)信號(hào)的品質(zhì)造成一定的影響。它會(huì)在不同的情況下對(duì)信號(hào)發(fā)送和接收設(shè)備產(chǎn)生干擾。通信理論認(rèn)為，當(dāng)頻段較高時(shí)，頻段較大，則意味著較高的載頻會(huì)導(dǎo)致較大的頻寬。但是它通過障礙物的能力卻是越弱。尤其是新疆和西藏等落后地區(qū)，通信水平不高，需要在這些區(qū)域架設(shè)大量的通訊線路，以改善其通訊能力。因此，在不增加干擾信號(hào)、減小現(xiàn)有干擾信號(hào)幅度的前提下，保證有效信號(hào)的暢通是改造線路的關(guān)鍵。

1.3 諧波干擾

動(dòng)力系統(tǒng)安全可靠，是電網(wǎng)安全、平穩(wěn)、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的關(guān)鍵。其工作狀況直接關(guān)系著電網(wǎng)的安全、可靠、平穩(wěn)地運(yùn)營(yíng)。但動(dòng)力系統(tǒng)在正常工作時(shí)產(chǎn)生了諧波，對(duì)整個(gè)電力系統(tǒng)正常運(yùn)行的信號(hào)有極大的影響。在動(dòng)力系統(tǒng)中產(chǎn)生了巨大的諧波，引起了整個(gè)電網(wǎng)電壓的畸變，對(duì)供電系統(tǒng)中各種電子設(shè)備的工作質(zhì)量也產(chǎn)生了很大的影響，從而導(dǎo)致了系統(tǒng)的能量損失，更嚴(yán)重時(shí)還會(huì)產(chǎn)生系統(tǒng)的共振，引起裝置的破壞。例如：在一般工作條件下，因?yàn)榫€路電壓、電流值的改變，會(huì)產(chǎn)生較大的諧波，進(jìn)而影響通信系統(tǒng)的傳輸能力，使信息在規(guī)定的時(shí)限內(nèi)無法及時(shí)送達(dá)接收器。當(dāng)供電發(fā)生故障時(shí)，因?yàn)殡娏Φ膫鬏?，?huì)導(dǎo)致供電不均勻，導(dǎo)致供電失步，嚴(yán)重影響電網(wǎng)的穩(wěn)定與安全。當(dāng)電網(wǎng)發(fā)生短路時(shí)，電力分配和電壓的大幅下降將會(huì)對(duì)并聯(lián)的穩(wěn)定產(chǎn)生不利的影響，進(jìn)而使整個(gè)電網(wǎng)脫序。

2 鐵路信號(hào)干擾造成的不利影響

2.1 安全性問題

溫州高鐵事件的最大原因在于通訊系統(tǒng)的信號(hào)傳遞出現(xiàn)了問題，由此可以看出，正確、及時(shí)地傳遞鐵路信號(hào)是非常重要的。由于外部環(huán)境的影響，鐵路信號(hào)在行車過程中很容易出現(xiàn)交通事故，嚴(yán)重影響了行車安全。如果前后兩個(gè)方向的車輛都沒有收到來自另一個(gè)方向的信號(hào)，那么就不能正確地判斷出該車輛的運(yùn)行狀態(tài)，進(jìn)而影響到車輛的駕駛性能，降低對(duì)道路的判斷和反應(yīng)，從而提高了事故的發(fā)生概率。如工作人員的疏忽，可能造成交通事故。由于缺乏對(duì)周邊交通環(huán)境的正確認(rèn)識(shí)，使得相關(guān)的交通管理系統(tǒng)無法對(duì)其進(jìn)行正確的決策與控制，從而影響到交通的安全性和效率。因此，對(duì)交通信號(hào)路口交通控制進(jìn)行優(yōu)化，可以有效地降低車輛通行效率，減少交通延誤，成為交通管制領(lǐng)域的一個(gè)重要課題。

2.2 效率性問題

鐵路信號(hào)的干擾，將會(huì)對(duì)其“時(shí)效性”產(chǎn)生直接的影響，并對(duì)相鄰的高速列車運(yùn)行的安全性產(chǎn)生重要的影響。由于時(shí)間上的偏差太大，導(dǎo)致了對(duì)工作人員的辨識(shí)。高速行駛的鐵路對(duì)行車安全的要求很高，對(duì)安全部位的控制也很困難，對(duì)駕駛員的生命安全構(gòu)成了極大的威脅。它的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)通常是起伏的，特別是在列車運(yùn)行過程中，它的變化幅度可以達(dá)到40～60倍。在接收到的原始信號(hào)后，需要對(duì)其進(jìn)行相應(yīng)的處理，從而使其在傳輸過程中所需要的時(shí)間更長(zhǎng)，從而影響到信號(hào)的處理效率，從而限制了有關(guān)車輛的高速控制。這種數(shù)據(jù)在確保數(shù)據(jù)精度的前提下，會(huì)占用較多的內(nèi)存，特別是對(duì)音頻、振動(dòng)等高速數(shù)據(jù)的錄制。同時(shí)，隨著資料來源的增多，數(shù)據(jù)的處理方式也越來越復(fù)雜，數(shù)據(jù)的處理也越來越困難。為了保證數(shù)據(jù)的穩(wěn)定性和可靠性，必須采取一些預(yù)處理技術(shù)。

2.3 可靠性問題

隨著我國(guó)鐵路工程建設(shè)的不斷深入，我國(guó)對(duì)鐵路通信設(shè)備的可靠性要求越來越高，對(duì)通信設(shè)備、光纜設(shè)備的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)、技術(shù)服務(wù)的需求也越來越大。鐵路運(yùn)行管理方式從線路走向線網(wǎng)，這就需要 AFC設(shè)備的維修與管理。如何提高鐵路運(yùn)輸企業(yè)的經(jīng)營(yíng)管理與經(jīng)營(yíng)決策，已經(jīng)成為我國(guó)鐵路運(yùn)輸企業(yè)可持續(xù)發(fā)展的一個(gè)重要課題。所有的干擾都要盡量排除，以保證信號(hào)的暢通。隨著 AFC體系結(jié)構(gòu)的規(guī)范化改革，AFC系統(tǒng)的維護(hù)與管理系統(tǒng)已不僅僅局限于設(shè)備層面的維護(hù)，更高層次的 SC/LC/MLC對(duì)系統(tǒng)的維護(hù)也有了新的要求。由于電網(wǎng)的諧波和 EMI對(duì)鐵路信號(hào)造成了嚴(yán)重的影響，使整個(gè)通訊系統(tǒng)的可靠性大大下降，在傳輸?shù)倪^程中，信號(hào)很有可能會(huì)被切斷，從而導(dǎo)致信號(hào)的傳輸失效。信號(hào)的干擾和延遲阻塞是一種常見的現(xiàn)象，它不但會(huì)影響到系統(tǒng)的可靠性和性能，也會(huì)影響到整個(gè)系統(tǒng)的工作效率和工作效率，同時(shí)也會(huì)對(duì)系統(tǒng)的穩(wěn)定造成一定的影響，最終造成系統(tǒng)的突然崩潰。為此，各技術(shù)單位要盡快提升應(yīng)急響應(yīng)能力，并盡快突破技術(shù)瓶頸。

3 增強(qiáng)信號(hào)電纜抗干擾能力的策略

3.1 25Hz頻率軌道電路的干擾應(yīng)對(duì)策略

25Hz的頻率軌道電路主要受到導(dǎo)電干擾，而導(dǎo)電干擾通常是由于軌道間的電流不平衡造成的，這種現(xiàn)象有兩種：一是脈沖電流不均勻，二是電流不均勻，會(huì)導(dǎo)致變壓器飽和，導(dǎo)致線路內(nèi)的電流出現(xiàn)凹陷。本文提出了三種方法：增加扼流變壓器的鐵心飽和電流，增加氣隙；為了增強(qiáng)其抗干擾性，在扼流變壓器上增加了抗干擾性；為了增強(qiáng)系統(tǒng)的安全性能，在負(fù)荷側(cè)加入了過流和過電壓保護(hù)。該方法采用25Hz同步諧振的方法，使信號(hào)得到增強(qiáng)，25hz軌道電路簡(jiǎn)圖如下圖1所示。這種控制策略能夠在一定程度上抑制電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩波動(dòng)，并能很好地解決電機(jī)的速度響應(yīng)問題，從而改善其穩(wěn)定性。首先，在控制電纜上增加備用電纜，經(jīng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，該備用電纜能大幅度降低干擾電壓，并且安裝過程簡(jiǎn)單，無需額外投入，能有效減少干擾。其次，由于其性能穩(wěn)定，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，在正常運(yùn)行時(shí)仍能穩(wěn)定運(yùn)行。

圖1 25hz軌道電路簡(jiǎn)圖

其次，應(yīng)選用帶有金屬防護(hù)的控制電纜，以防止電干擾。其中，變壓器端子的使用情況如表1所示。調(diào)試人員在對(duì)設(shè)備進(jìn)行調(diào)試時(shí)，應(yīng)仔細(xì)檢查電線是否夠粗，是否符合要求。

表1 變壓器端子使用情況

在選擇金屬屏蔽層時(shí)，要充分考慮到所需要的電磁干擾，選擇合適的金屬護(hù)罩，以達(dá)到減小干擾和過電壓的目的。在弱電回路中，由于電力的干擾，使其無法進(jìn)行抗干擾，使用金屬保護(hù)的控制電纜，可以使電力對(duì)線路的損壞減至最小；同時(shí)，為了便于使用，可以適當(dāng)減小金屬的厚度。而對(duì)于強(qiáng)電回路，除了高壓配電裝置外，沒有金屬防護(hù)的控制電纜可能會(huì)造成干擾。最后，由于電網(wǎng)的干擾會(huì)對(duì)整個(gè)線路造成很大的影響，所以必須采取多種安全措施，除常規(guī)的電流、電壓、頻率保護(hù)之外，還要考慮孤島效應(yīng)，從而避免線路的損傷，在安裝的時(shí)候，要在不同的線路上設(shè)置一根控制線，這樣就能減少電流的損失，同時(shí)也能保證系統(tǒng)的安全。

3.2 采用ZPW2000軌道電路應(yīng)對(duì)干擾

UM71是ZPW2000的原型，它的特點(diǎn)是：通過使用空心導(dǎo)線，可以降低50Hz的牽引電流，并能很好地切斷ZPW2000的電源，達(dá)到平衡運(yùn)行的目的；ZPW2000在使用偶次諧波技術(shù)的同時(shí)，還可以在電壓穩(wěn)定和頻率穩(wěn)定的基礎(chǔ)上得到進(jìn)一步的提高；在系統(tǒng)發(fā)生較大的擾動(dòng)時(shí)，該系統(tǒng)具有較強(qiáng)的響應(yīng)能力，能有效地抑制電壓、頻率變化，改善系統(tǒng)的電壓、頻率動(dòng)態(tài)特性。除50 Hz外，牽引電流還會(huì)出現(xiàn)偶次、奇次諧波，并且由于列車的功率因數(shù)太小、高次諧波的影響，會(huì)導(dǎo)致電力系統(tǒng)的能耗下降。它所包含的能量要比偶次諧波大得多，而且頻率越低，所包含的能量就越多，ZPW2000采用了偶次諧波，這樣就可以減少牽引電流對(duì)信號(hào)設(shè)備的影響。當(dāng)頻率偏移為奇數(shù)時(shí)，最多只能影響到兩個(gè)諧振分量，因此，對(duì)其的干擾微乎其微。為進(jìn)一步改善網(wǎng)絡(luò)的吞吐性能和頻譜利用率，本文主要采用動(dòng)態(tài)多波束技術(shù)和寬頻通信技術(shù)，利用ZPW2000軌道電路應(yīng)對(duì)干擾。ZPW-2000A軌道電路構(gòu)成如下圖2所示。

圖2 ZPW-2000A軌道電路構(gòu)成簡(jiǎn)圖

雖然通過改善PCB的EMI性能可以保證PCB的設(shè)計(jì)質(zhì)量，但是在PCB組裝完畢后，仍需要將PCB安裝到測(cè)試平臺(tái)上，通過TDR或示波器對(duì)實(shí)際PCB參數(shù)與模擬期望的結(jié)果進(jìn)行對(duì)比。通過對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析，軌道電路現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量值如表2所示?？梢詫?duì)模型和生產(chǎn)工藝進(jìn)行改善，從而為今后的研究提供更好（更少的限制）的決策提供依據(jù)。

表2 軌道電路現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量值

通過Matlab等軟件，對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)其規(guī)律。在此基礎(chǔ)上，本文還對(duì)不同的信號(hào)模式、不同的濾波器進(jìn)行了分析，并對(duì)其幅頻特征進(jìn)行了分析。通過調(diào)節(jié)參數(shù)，可以使模型的性能得到改善，從而使模型的效果得到進(jìn)一步的改善。

3.3 綜合性的抗干擾措施

在挑選裝備時(shí)要慎重。采用BT.AT等電氣化牽引電源，增加牽引環(huán)的對(duì)稱性，使其對(duì)信號(hào)設(shè)備產(chǎn)生的感應(yīng)電流最小。利用電容補(bǔ)償技術(shù)對(duì)信號(hào)進(jìn)行補(bǔ)償，能較好地抑制諧波的產(chǎn)生；在建設(shè)牽引供電系統(tǒng)前，應(yīng)對(duì)其進(jìn)行合理的規(guī)劃。為實(shí)現(xiàn)直接供電，在輸電線路中引入架空回流，可以提高輸電線路的對(duì)稱性。另外，為了減小導(dǎo)線與導(dǎo)線之間的直接接觸，應(yīng)合理配置扼流變壓器：對(duì)牽引供電系統(tǒng)進(jìn)行了優(yōu)化。改善了回流線、列車室、信號(hào)室等的報(bào)警功能。最重要的是，在完全失壓的情況下，可以使用警報(bào)器與藥量傳感器保持15米以上的間隔，使其不受干擾的影響。

另外，應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況和相關(guān)法律規(guī)定，合理設(shè)置吸上線。針對(duì)特定電路的需要和特殊情況，對(duì)其進(jìn)行了優(yōu)化，以達(dá)到設(shè)計(jì)的目的。為防止設(shè)備損壞，布線系統(tǒng)中的器件應(yīng)具備抵抗內(nèi)部傳導(dǎo)和外部干擾的能力。電力干擾會(huì)給電力線路帶來很大的影響，甚至?xí)?dǎo)致系統(tǒng)的惡性故障，從而威脅到電力系統(tǒng)的安全。所以，控制電纜必須要有防護(hù)措施，同時(shí)要做好可靠的接地工作，才能滿足技術(shù)上的安全使用。

4 鐵路數(shù)字信號(hào)電纜發(fā)展前景預(yù)測(cè)

為提高企業(yè)的經(jīng)營(yíng)管理水平，降低數(shù)字信號(hào)電纜決策的盲目性，就需要在預(yù)測(cè)數(shù)字信號(hào)電纜的發(fā)展趨勢(shì)時(shí)，對(duì)其進(jìn)行合理的設(shè)計(jì)，并對(duì)其今后的發(fā)展進(jìn)行長(zhǎng)期的規(guī)劃。掌握我國(guó)的經(jīng)濟(jì)形勢(shì)和未來發(fā)展趨勢(shì)，減少未來的不確定性，減少?zèng)Q策的風(fēng)險(xiǎn)，確保政策的順利執(zhí)行，并展望了今后的發(fā)展方向：

4.1 確定對(duì)象

目標(biāo)的確定是今后的預(yù)報(bào)工作的第一步，因?yàn)轭A(yù)測(cè)對(duì)象的不同，所涉及的內(nèi)容和項(xiàng)目、所需要的資料以及所使用的方法都不一樣?！邦A(yù)測(cè)”指的是根據(jù)我國(guó)目前的實(shí)際情況，提出預(yù)報(bào)方案，編制預(yù)測(cè)工作計(jì)劃，編制預(yù)算，調(diào)集力量，組織實(shí)施，以保證數(shù)字信號(hào)電纜發(fā)展的有計(jì)劃有步驟地進(jìn)行。另外，要根據(jù)預(yù)報(bào)對(duì)象選取適當(dāng)?shù)念A(yù)測(cè)手段，比如要充分考慮統(tǒng)計(jì)預(yù)報(bào)的重要意義和特點(diǎn)的可解釋性，所以在選擇預(yù)報(bào)方法時(shí)要謹(jǐn)慎。

4.2 搜集資料

要想預(yù)測(cè)將來的發(fā)展趨勢(shì)，就必須有充足的資料。只要有了足夠的資料，他就可以做出正確的判斷。在今后的發(fā)展計(jì)劃中，對(duì)有關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行調(diào)研、收集和預(yù)測(cè)是預(yù)測(cè)未來發(fā)展的重要步驟。海量數(shù)據(jù)的采集與存儲(chǔ)十分便捷，但是如何在數(shù)據(jù)中發(fā)現(xiàn)隱含的規(guī)則，并對(duì)其進(jìn)行預(yù)測(cè)。

4.3 選擇

根據(jù)預(yù)測(cè)對(duì)象和實(shí)際應(yīng)用的特點(diǎn)，選擇了預(yù)測(cè)的方法。有時(shí)，可以使用許多不同的預(yù)測(cè)方法來實(shí)現(xiàn)相同的目標(biāo)。預(yù)測(cè)方法的選擇，將直接影響到預(yù)報(bào)的可靠性和準(zhǔn)確性。運(yùn)用電力線纜的發(fā)展趨勢(shì)預(yù)報(bào)技術(shù)，其核心是建立一個(gè)能夠描述和概括研究對(duì)象特征和變化規(guī)律的數(shù)學(xué)模型，并運(yùn)用數(shù)學(xué)模型進(jìn)行計(jì)算和處理，以獲得預(yù)測(cè)結(jié)果。

4.4 修正的分析

分析判斷，是指從搜集到的資料中，綜合分析、判斷、推理，將感性的認(rèn)識(shí)提升為理性，從現(xiàn)象到實(shí)質(zhì)，并預(yù)測(cè)未來的發(fā)展與改變。在作出分析和判斷后，通常還會(huì)根據(jù)已有的數(shù)據(jù)，對(duì)已有的預(yù)測(cè)做出評(píng)估和修改。在以后的工作中，應(yīng)繼續(xù)向方程組中注入新的資料，并不斷地增大方程式的樣本量，并對(duì)其進(jìn)行修改，以使其與實(shí)際情況更為接近，從而提高預(yù)測(cè)精度。

4.5 編寫報(bào)告

數(shù)字信號(hào)電纜預(yù)測(cè)報(bào)告應(yīng)包括預(yù)測(cè)的主要工作過程，包括預(yù)測(cè)對(duì)象、預(yù)測(cè)對(duì)象及有關(guān)因素的分析結(jié)論、主要數(shù)據(jù)和數(shù)據(jù)、預(yù)測(cè)方法的選擇與建模、預(yù)測(cè)結(jié)論的評(píng)價(jià)、分析和修正。該報(bào)告應(yīng)當(dāng)基于數(shù)據(jù)分析和有關(guān)的數(shù)據(jù)。

5 結(jié)論

影響鐵路信號(hào)受干擾的原因有很多，本文所述的三個(gè)方面只是主要的干擾源。為防止信號(hào)干擾對(duì)軌道交通的負(fù)面影響，今后的鐵路建設(shè)必須充分利用現(xiàn)有的通訊設(shè)備，為多種信號(hào)的傳送提供穩(wěn)定、可靠的條件，以方便在不同的環(huán)境、不同的情況下，選擇最優(yōu)的通訊方式，以取得最好的通訊效果。