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与流程

1.本发明涉及轨道交通emi测试和验证领域，具体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。


背景技术：

2.截止2019年年底，中国内地已有40个城市开通轨道交通，运营线路总长度6882.13公里。balise应答器作为地面向列车传输信息的点式设备，能向车载子系统发送报文信息，既可以传送固定信息，也可连接轨旁单元传送可变信息，是维持列车安全运行的重要手段。
3.应答器传输模块(balise transmission module,btm)作为列车自动保护(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。
4.因此，应答器的电磁兼容抗干扰水平是当下的重要议题。ertms/etcs下的技术资料test specification for eurobalise fffis(ref:subset-085)和(ref:subset-036)中提出了应答器系统的电磁兼容性要求。所以，测量运行中列车对应答器的电磁干扰强度，即可预判该应答器是否能在该列车环境下正常工作。
5.应答器系统要求车辆在频率范围为3.5mhz～5mhz的辐射一般不得超过47dbua/m。目前主流机构的测试方法如图1所示。移除btm天线，在原位置安装mfp loop天线，接收机通过射频线缆采集mfp loop天线的输出，获取最大输出值，以此判断列车对btm天线的辐射干扰强度。
6.上述方法存在如下缺点：
7.1、装置成本高。一台接收机价值超过60万元，而且还需额外配备相应的标准化软件，都造成测试成本增加。另外，上述测试在运行中的列车上进行，搬运及测试过程中，设备损伤风险不可避免，这无疑又进一步增加了企业负担。
8.2、接收机只能记录单通道信号，无扩展能力。
9.3、接收机只能记录时段最大值，不能结合行车速度等对数据进行深入分析，不利于干扰工况溯源和进行进一步的整改分析。
10.4、上述接收机和标准化测试软件，对测试人员经验和技术要求较高，需要一定的测试经验。且标准化软件没有结合实际工况进行优化，测试周期无法压缩，试验场地承租费用昂贵，达15万/6-8小时，较长的测试周期造成企业较大的场地承租费用开支。


技术实现要素：

11.本发明的目的在于，提供一种能降低地铁车辆应答器等低频设备工作环境符合性测试的成本的装置及方法。
12.本发明装置方案如下：一种地铁车辆应答器等低频设备工作环境符合性测试装置，所述低频设备指最高工作频率在10m以内的设备，所述装置包括天线和数据采集设备，
其特征在于，所述数据采集设备包括ni采集设备和上位机，所述天线、ni(national instruments)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。
13.所述ni采集设备为ni采集卡，其插装在所述上位机的卡槽中。
14.采集天线的输出采用接收机，在本领域已经成为一种约定俗成的搭配方案。ni采集卡又叫示波器采集卡，是一种数字示波器。在本发明之前，相关测试不应用示波器原因如下：
15.1、一般示波器测量精度远远低于接收机；
16.2、一般示波器的可测频率远远小于接收机。
17.另外，由于示波器与接收机采集原理等方面的不同，也没人想过用示波器替代接收机。
18.本发明实质是发现了示波器在地铁车辆应答器等低频设备工作环境符合性测试时，取代传统接收机的一种可能性，从而推出这种针对特定工况的测试装置，不仅能同样符合相关技术规范要求，而且能极大程度的降低该测试的装置成本，使装置成本总体只有原先的六分之一到八分之一。另外，本发明这种新的测试装置还具有很强的可扩展性，其数字滤波器持续采集，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关联分析，有利于溯源低频辐射干扰来源，达到诊断目的。
19.本发明方法方案如下：一种地铁车辆应答器等低频设备工作环境符合性测试方法，其特征在于，其采用上述装置完成测试。
20.利用上述装置完成测试时，获得的数据是辐射骚扰信号大小与时间的关系曲线，作为进一步方案，所述方法进一步收集列车的速率信号和入线电流，以便分析行车工况。
21.列车的所述速率信号和入线电流，通过所述装置采集得到。
22.列车的所述速率信号和入线电流，由列车的行车数据得到，如此可避免在安装速度和电流传感器上的耗时。
23.列车的所述速率信号和入线电流与行车工况之间存在如下关系：
[0024][0025]
所述装置工作在后期处理模式，或所述装置配置有不同的工作模式，其中包括后期处理模式，在后期处理模式中，测试时，所述装置仅对其实时采集的数据进行储存。
[0026]
所述方法还包括对采集的数据进行后期处理的流程，该流程包括如下步骤：
[0027]
5)选择数据范围；
[0028]
6)对选择的数据进行fft变换和峰值保持处理；
[0029]
7)根据待测设备工作频段对步骤2)数据进行滤波；
[0030]
8)将时间数据插入步骤3)所得到的二维频谱图，得到一张涉及时间、频率和信号幅值的三维频谱图。
[0031]
所述流程还包括：
[0032]
将获取的列车的速率信号和入线电流等数据，通过对齐时间轴的方式插入所述三维频谱图。
[0033]
有益效果：
[0034]
1)相比于采用接收机和天线进行设备工作环境符合性测试而言，采用本发明装置，能极大的降低装置成本；
[0035]
2)本发明装置可扩展性强；
[0036]
3)本发明方法获取的数据能反映列车磁场干扰强度随时间的变化情况，使扩展其他参数，进行深入分析成为可能；
[0037]
4)本发明方法通过对列车速率和入线电流的采集，分析列车车况，并建立列车车况与磁场干扰强度的联系，有利于溯源低频辐射干扰来源，达到诊断目的。
附图说明
[0038]
图1为主流测试方法的原理示意图；
[0039]
图2为本发明较佳实施例的测试方法的原理示意图；
[0040]
图3为数字示波器ni pxi 5105参数图；
[0041]
图4为本发明较佳实施例的测试方法的后期处理流程的流程示意图。
具体实施方式
[0042]
下面结合具体实施例和附图对本发明作进一步详细说明。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。
[0043]
天线采用mfp loop天线。
[0044]
ni采集设备为ni采集卡，其插装在上位机的卡槽中。
[0045]
上位机采用笔记本电脑。
[0046]
本实施例采用的ni采集卡型号为ni pxi 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，这对本发明方案而言，是非常必要的。
[0047]
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。
[0048]
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4-6mhz(地铁车辆应答器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。
[0049]
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。
[0050]
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。
[0051]
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：
[0052]
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。
[0053]
总之，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。
[0054]
另外，本实施例装置还具有操作简单的特点，对测试人员经验和技术要求较低，没有测试经验的新人，也可以快速上手。
[0055]
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：
[0056]
移除btm天线，并在原位置安装mfp loop天线，连接mfp loop天线与ni采集卡，并将ni采集卡插装在上位机的卡槽中。
[0057]
通过上位机控制ni采集卡的采样速率和采样时间等，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。
[0058]
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。
[0059]
此外，由于实际测试过程中时间紧迫，安装速率和电流电压传感器工序复杂耗时，可以让列车生产方或运营方导出测试过程中的行车数据，在比对绝对时间轴后，依据时间轴，将所述速率和入线电流信息导入到获得的频谱图中。
[0060]
入线电流电压以及车速和行车工况的关系
[0061]
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。
[0062]
表1
[0063][0064][0065]
列车上的主要电力设备和干扰源有如下所示：
[0066]
电制动系统；
[0067]
牵引系统(高速断路器、牵引逆变器、牵引电机和电抗器)；
[0068]
辅助电源系统(滤波电抗器、辅助逆变器和充电机)；
[0069]
空调系统；
[0070]
轨道信号系统；
[0071]
门禁系统和乘客信息交互系统。
[0072]
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，联系行车工况，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。
[0073]
在上位机端，数据可以一边记录一边分析结果，也可以先保存原始数据，后期再进行分析，以节省测试时间。两种方式的转换，用户可通过上位机进行选择。
[0074]
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。
[0075]
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。
[0076]
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；
[0077]
2)进行fft变换和峰值保持处理；
[0078]
3)进行滤波，仅保存监测频段内的数据；
[0079]
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；
[0080]
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。