軌道交通機(jī)電核心系統(tǒng)探討
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摘要從城市軌道交通建設(shè)者的角度，梳理總結(jié)了機(jī)電核心系統(tǒng)建設(shè)環(huán)節(jié)中存在的電磁兼容問題。從電磁環(huán)境影響、機(jī)電核心系統(tǒng)、重點(diǎn)設(shè)備機(jī)房評(píng)價(jià)、頻帶干擾等方面，詳細(xì)闡述了招標(biāo)采購(gòu)階段選擇的電磁兼容評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。針對(duì)工程實(shí)施階段，建議成立管理小組，并對(duì)管理計(jì)劃、隱患分析報(bào)告、測(cè)試計(jì)劃及測(cè)試報(bào)告等環(huán)節(jié)提出了完善電磁兼容管理的建議。
關(guān)鍵詞城市軌道交通;機(jī)電核心系統(tǒng);電磁兼容
T/CAMET04017．2—2019《城市軌道交通全自動(dòng)運(yùn)行系統(tǒng)規(guī)范第2部分:核心設(shè)備產(chǎn)品》提出:“全自動(dòng)運(yùn)行系統(tǒng)是基于現(xiàn)代計(jì)算機(jī)、通信、控制和系統(tǒng)集成技術(shù)，由信號(hào)、車輛、綜合監(jiān)控、通信、站臺(tái)門等與列車運(yùn)行相關(guān)的設(shè)備組成，實(shí)現(xiàn)列車運(yùn)行全過程自動(dòng)化的系統(tǒng)?！庇纱丝芍?，城市軌道交通的信號(hào)系統(tǒng)、車輛、綜合監(jiān)控系統(tǒng)、通信系統(tǒng)、站臺(tái)門等共同構(gòu)成機(jī)電核心系統(tǒng)。這是個(gè)強(qiáng)電與弱電共存的復(fù)雜系統(tǒng)，存在著各種類型的電磁干擾，可能給機(jī)電核心系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性、列車運(yùn)行的安全性及人員健康帶來嚴(yán)重的影響。如果能在機(jī)電核心系統(tǒng)的建設(shè)環(huán)節(jié)，正確識(shí)別電磁干擾隱患，從技術(shù)上采取相應(yīng)的抑制或防護(hù)措施，就能有效避免或降低EMC(電磁兼容)問題帶來的危害，從而確保城市軌道交通機(jī)電核心系統(tǒng)設(shè)備能在電磁環(huán)境中安全、穩(wěn)定、可靠地工作，有效降低對(duì)乘客及工作人員健康的影響。
1EMC問題研究的相關(guān)現(xiàn)狀
國(guó)際電工委員會(huì)(IEC)對(duì)EMC的定義為:電子、電氣系統(tǒng)或設(shè)備在所處的電磁環(huán)境中能正常工作，同時(shí)不會(huì)對(duì)其環(huán)境中的其他事物產(chǎn)生不能承受的電磁干擾的能力。EMC包括EMI(電磁干擾)及EMS(電磁耐受性)兩部分。EMI是指系統(tǒng)或設(shè)備本身在執(zhí)行應(yīng)有功能的過程中，伴隨電壓、電流作用而產(chǎn)生的，不利于其他系統(tǒng)、設(shè)備、有生命或無生命物體的電磁騷擾。EMS是指處在一定環(huán)境中的系統(tǒng)或設(shè)備，在執(zhí)行應(yīng)有功能的過程中，承受相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)、相應(yīng)規(guī)定范圍內(nèi)的電磁能量干擾的能力。目前，在城市軌道交通機(jī)電核心系統(tǒng)建設(shè)環(huán)節(jié)，對(duì)EMC問題及其影響的理解通常不夠全面和深刻。這主要表現(xiàn)在:1)在機(jī)電核心系統(tǒng)的采購(gòu)階段，業(yè)主方會(huì)編制各系統(tǒng)的電磁兼容要求，并納入招標(biāo)文件用戶需求書中的“通用技術(shù)要求”章節(jié)。而該要求所參照的EMC標(biāo)準(zhǔn)、涉及的范圍及深度缺乏統(tǒng)一的認(rèn)識(shí)和籌劃。2)在機(jī)電核心系統(tǒng)的設(shè)計(jì)階段，各系統(tǒng)供貨商缺少對(duì)城市軌道交通運(yùn)行環(huán)境中存在的干擾源及其干擾機(jī)理進(jìn)行定量、定性分析，缺少對(duì)所有易受干擾源干擾的設(shè)備進(jìn)行有效的界定。3)在機(jī)電核心系統(tǒng)設(shè)計(jì)、制造及安裝階段，大多數(shù)系統(tǒng)供貨商僅僅向業(yè)主方提供部分設(shè)備的EMC第三方實(shí)驗(yàn)室檢測(cè)報(bào)告，并未提出針對(duì)EMC隱患分析結(jié)果而采取的EMC優(yōu)化措施和方法。4)在機(jī)電核心系統(tǒng)調(diào)試及試運(yùn)行階段，各系統(tǒng)供貨商未對(duì)現(xiàn)場(chǎng)的EMC環(huán)境(包含機(jī)房和軌旁)進(jìn)行充分測(cè)試和評(píng)估，也未采取有效隔離手段來降低電磁干擾到可接受的程度，而是往往等到出現(xiàn)了影響運(yùn)行的電磁騷擾事件時(shí)才進(jìn)行補(bǔ)救。對(duì)于UGT(城市軌道交通運(yùn)輸)系統(tǒng)而言，在GB/T32590．1—2016《軌道交通城市軌道交通運(yùn)輸管理和指令控制系統(tǒng)第1部分:系統(tǒng)原理和基本概念》中對(duì)EMC提出了明確的要求?？梢?，關(guān)注EMC問題是城市軌道交通建設(shè)過程中不可或缺的環(huán)節(jié)，將會(huì)對(duì)即將建成的機(jī)電核心系統(tǒng)的可靠性、可操作性以及安全性產(chǎn)生深遠(yuǎn)的影響。
2招標(biāo)采購(gòu)階段的EMC標(biāo)準(zhǔn)選擇
在國(guó)際范圍上，EMC標(biāo)準(zhǔn)的制定已經(jīng)有了80多年的發(fā)展歷程。起初，由CISPR(國(guó)際無線電子干擾標(biāo)準(zhǔn)化特別委員會(huì))對(duì)各種用電設(shè)備和系統(tǒng)提出了相關(guān)的電磁干擾發(fā)射限值和測(cè)量方法。隨著電子、電氣設(shè)備的迅速發(fā)展，為了解決日趨增多的EMC問題，世界各大標(biāo)準(zhǔn)化組織和各國(guó)標(biāo)準(zhǔn)化機(jī)構(gòu)也陸續(xù)制定了許許多多的EMC標(biāo)準(zhǔn)，大致可分為:①基礎(chǔ)標(biāo)準(zhǔn)，如GB/T6113《無線電騷擾和抗擾度測(cè)量設(shè)備和測(cè)量方法規(guī)范》系列標(biāo)準(zhǔn)等;②通用標(biāo)準(zhǔn)，如GB17799．4—2012《電磁兼容通用標(biāo)準(zhǔn)工業(yè)環(huán)境中的發(fā)射》等;③產(chǎn)品族標(biāo)準(zhǔn)，如GB9254—2008《信息技術(shù)設(shè)備的無線電騷擾限值和測(cè)量方法》等;④專用產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)。EMC標(biāo)準(zhǔn)不僅種類繁多、專業(yè)性強(qiáng)，而且各專業(yè)系統(tǒng)間的接口還存在著復(fù)雜的關(guān)聯(lián)性。因此，對(duì)不同專業(yè)的招標(biāo)文件通用技術(shù)條件而言，難以選擇合適的EMC標(biāo)準(zhǔn)。在建設(shè)環(huán)節(jié)的招標(biāo)采購(gòu)階段，應(yīng)從電磁環(huán)境影響、機(jī)電核心系統(tǒng)、重點(diǎn)設(shè)備機(jī)房評(píng)價(jià)、頻帶干擾等方面的評(píng)價(jià)來選擇EMC標(biāo)準(zhǔn)。
2．1對(duì)電磁環(huán)境影響評(píng)價(jià)的標(biāo)準(zhǔn)
城市軌道交通項(xiàng)目中可能影響人體健康的電磁輻射，主要來自于牽引變電站高壓設(shè)施產(chǎn)生的工頻電磁場(chǎng)和高頻電磁輻射，以及專用的無線電設(shè)施設(shè)備產(chǎn)生的射頻電磁輻射等。GB8702—2014《電磁環(huán)境控制限值》定義了電磁環(huán)境中控制公眾暴露的評(píng)價(jià)和管理方法。其中，下列產(chǎn)生電場(chǎng)、磁場(chǎng)、電磁場(chǎng)的設(shè)施或設(shè)備可以豁免:①100kV以下電壓等級(jí)的交流輸變電設(shè)施;②向無屏蔽空間發(fā)射0．1MHz～300GHz電磁場(chǎng)的，且其等效輻射功率小于規(guī)定上限值的設(shè)施或設(shè)備。由此可見，從電磁環(huán)境保護(hù)管理角度，城市軌道交通項(xiàng)目?jī)H需要考慮110kV變電站所產(chǎn)生的電磁場(chǎng)騷擾(其工頻電場(chǎng)強(qiáng)度控制限值為10kV/m)，并按HJ24—2014《環(huán)境影響評(píng)價(jià)技術(shù)導(dǎo)則輸變電工程》中的電磁環(huán)境影響評(píng)價(jià)工作等級(jí)進(jìn)行三級(jí)評(píng)價(jià)。由于工頻磁場(chǎng)強(qiáng)度控制限值未在GB8702—2014中定義，故可參考ICNIRP(國(guó)際非電離輻射防護(hù)委員會(huì))制定的《限制時(shí)變電場(chǎng)、磁場(chǎng)及電磁場(chǎng)暴露的導(dǎo)則》，將對(duì)公眾全天輻射時(shí)的限值100μT(如果用磁場(chǎng)強(qiáng)度表示，相當(dāng)于80A/m)作為工頻磁場(chǎng)的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。
2．2機(jī)電核心系統(tǒng)的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)
為確保各機(jī)電核心系統(tǒng)設(shè)備能在工作電磁環(huán)境中安全、穩(wěn)定、可靠地工作，機(jī)電核心系統(tǒng)設(shè)備的電磁兼容性應(yīng)滿足GB/T24338《軌道交通電磁兼容》系列標(biāo)準(zhǔn)或EN50121《鐵路應(yīng)用電磁兼容》系列標(biāo)準(zhǔn)的要求。這2個(gè)標(biāo)準(zhǔn)雖存在對(duì)應(yīng)關(guān)系，卻也存在一定的差異。此外，同一標(biāo)準(zhǔn)的不同版本也存在差異。例如，GB/T24338．4—2018的“發(fā)射試驗(yàn)和限值”部分規(guī)定了機(jī)箱端口的發(fā)射限值，且該限值要求與EN50121-3-2:2015的要求對(duì)應(yīng)。但在最新版的EN50121-3-2:2016/A1:2019標(biāo)準(zhǔn)中，“發(fā)射試驗(yàn)和限值”部分卻取消了機(jī)箱端口的發(fā)射限值規(guī)定。故業(yè)主應(yīng)選擇統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)及版本來納入各機(jī)電核心系統(tǒng)招標(biāo)文件，以免產(chǎn)生矛盾，對(duì)評(píng)判造成不必要的困擾。此外，有些業(yè)主在招標(biāo)時(shí)采用GB4824—2019《工業(yè)、科學(xué)和醫(yī)療設(shè)備射頻騷擾特性限值和測(cè)量方法》，或與之相對(duì)應(yīng)的EN55011:2016《工業(yè)、科學(xué)和醫(yī)療設(shè)備-射頻干擾特性-限值和測(cè)量方法》作為列車車載設(shè)備必須執(zhí)行的電磁兼容標(biāo)準(zhǔn)。相較于GB/T24338．4或EN50121-3-2系列標(biāo)準(zhǔn)，GB4824—2019與EN55011:2016將列車車載設(shè)備的傳導(dǎo)發(fā)射限值提高了20dB。由此，業(yè)主方應(yīng)該在實(shí)際項(xiàng)目中進(jìn)一步確認(rèn)該取值的合理性。
2．3重點(diǎn)設(shè)備機(jī)房的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)
根據(jù)交通運(yùn)輸部2019年頒布的《交通運(yùn)輸部辦公廳關(guān)于印發(fā)城市軌道交通初期運(yùn)營(yíng)前安全評(píng)估技術(shù)規(guī)范第1部分:地鐵和輕軌的通知》，在線路初期運(yùn)營(yíng)前，應(yīng)對(duì)信號(hào)、通信等重點(diǎn)設(shè)備機(jī)房進(jìn)行電磁兼容測(cè)試，可采用GB50174—2017《數(shù)據(jù)中心設(shè)計(jì)規(guī)范》作為機(jī)房電磁兼容的執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)。
2．4頻帶干擾的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)
為確保城市軌道交通車地?zé)o線通信系統(tǒng)有足夠的保護(hù)，以防止其他在ISM(工業(yè)、科學(xué)、醫(yī)療)頻段及LTE(長(zhǎng)期演進(jìn))頻段工作的無線通信設(shè)備干擾，需對(duì)城市軌道交通工程全線的車站(含站廳和站臺(tái))、隧道區(qū)間(含風(fēng)井)、車輛段、停車場(chǎng)及控制中心等區(qū)域的無線電磁環(huán)境進(jìn)行全面測(cè)試及評(píng)價(jià)，此項(xiàng)評(píng)價(jià)可采用GB/T51211—2016《城市軌道交通無線局域網(wǎng)寬帶工程技術(shù)規(guī)范》和T/CAMET04005．1—2018《城市軌道交通車地綜合通信系統(tǒng)(LTE-M)總體規(guī)范第一部分:系統(tǒng)需求》等標(biāo)準(zhǔn)。
3工程實(shí)施階段的EMC管理
為了確保城市軌道交通機(jī)電核心系統(tǒng)所有電氣和電子設(shè)備的設(shè)計(jì)和制造能滿足電磁兼容的相關(guān)要求，也為了確保在工作電磁環(huán)境中運(yùn)行的設(shè)備無質(zhì)量和性能的退化或功能的損失，業(yè)主方應(yīng)在建設(shè)環(huán)節(jié)的工程實(shí)施階段，監(jiān)督并參與各承包商的EMC管理活動(dòng)。建議業(yè)主方能在建設(shè)環(huán)節(jié)增設(shè)專門的EMC管理小組，將技術(shù)和組織管理相結(jié)合，以解決EMC問題。
3．1EMC管理計(jì)劃
城市軌道交通機(jī)電核心系統(tǒng)的承包商應(yīng)在合同簽訂后1個(gè)月內(nèi)，編制并向業(yè)主提交EMC管理計(jì)劃。該計(jì)劃包括EMC管理的組織機(jī)構(gòu)、所提供的主要子系統(tǒng)涉及EMC的描述、列出所采用的EMC標(biāo)準(zhǔn)、工程各階段為示范和保證EMC性能所執(zhí)行的活動(dòng)與任務(wù)、列出須提交給業(yè)主EMC成果文件等內(nèi)容。
3．2EMC隱患分析報(bào)告
城市軌道交通機(jī)電核心系統(tǒng)的承包商應(yīng)在設(shè)計(jì)聯(lián)絡(luò)開始前1個(gè)月，編制各專業(yè)系統(tǒng)的EMC隱患分析初步報(bào)告。該隱患分析包括識(shí)別設(shè)備對(duì)EMI的易感性、EMI的設(shè)備或系統(tǒng)來源、干擾發(fā)生的相應(yīng)后果、緩解EMI的建議措施，還包括該系統(tǒng)同其他安裝于城市軌道交通電磁環(huán)境中的接口系統(tǒng)之間的電磁兼容性，以及本系統(tǒng)內(nèi)部的電磁兼容性等。城市軌道交通機(jī)電核心系統(tǒng)的承包商應(yīng)在設(shè)計(jì)聯(lián)絡(luò)過程中充分識(shí)別EMC的隱患，提出EMC的控制措施和解決方案，并在設(shè)計(jì)聯(lián)絡(luò)完成后1個(gè)月內(nèi)，編制并向業(yè)主提交1份終版的EMC隱患分析報(bào)告。
3．3EMC測(cè)試計(jì)劃
為了確保機(jī)電核心系統(tǒng)各專業(yè)承包商所交付的產(chǎn)品滿足合同規(guī)定的電磁兼容標(biāo)準(zhǔn)，需要建立針對(duì)性的測(cè)試流程。通過測(cè)試來判定機(jī)電核心系統(tǒng)是否滿足EMC的設(shè)計(jì)要求，是否與城市軌道交通的EMC環(huán)境相兼容，進(jìn)而驗(yàn)證承包商在各專業(yè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)中采用了合理、有效、安全的電磁兼容措施。城市軌道交通機(jī)電核心系統(tǒng)的各專業(yè)承包商應(yīng)在系統(tǒng)設(shè)備交付前3個(gè)月，編制并向業(yè)主提交本專業(yè)系統(tǒng)的EMC測(cè)試計(jì)劃。測(cè)試計(jì)劃應(yīng)分為兩個(gè)階段:交付前測(cè)試和交付后測(cè)試。交付前的測(cè)試是指在第三方電磁兼容實(shí)驗(yàn)室或得到業(yè)主許可的廠內(nèi)實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行的EMC測(cè)試。交付后測(cè)試是指在軌道交通安裝現(xiàn)場(chǎng)的電磁環(huán)境中進(jìn)行的EMC測(cè)試。EMC測(cè)試計(jì)劃的編制應(yīng)該嚴(yán)格契合EMC管理計(jì)劃中的EMC標(biāo)準(zhǔn)依據(jù)，并結(jié)合EMC隱患分析報(bào)告中所關(guān)注的風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)進(jìn)行定義、測(cè)試和驗(yàn)證。
3．4EMC測(cè)試報(bào)告
EMC測(cè)試工作完成后，城市軌道交通機(jī)電核心系統(tǒng)的各專業(yè)承包商應(yīng)在其系統(tǒng)設(shè)備交付前1個(gè)月向業(yè)主提交實(shí)驗(yàn)室EMC測(cè)試報(bào)告;在其系統(tǒng)開通試運(yùn)營(yíng)前1個(gè)月向業(yè)主提交現(xiàn)場(chǎng)EMC測(cè)試報(bào)告。EMC測(cè)試報(bào)告應(yīng)包含測(cè)試結(jié)果，并提供符合合同及已建立的EMC要求證據(jù)。EMC測(cè)試報(bào)告通常包括以下部分內(nèi)容:適用標(biāo)準(zhǔn)、被測(cè)設(shè)備、設(shè)備和電纜布置結(jié)構(gòu)、測(cè)試場(chǎng)所、測(cè)試設(shè)備列表、度量單位、測(cè)試程序、報(bào)告的測(cè)試數(shù)據(jù)、正常條件和特殊條件、綜合結(jié)果、所需的簽名、測(cè)試報(bào)告附錄等。
4結(jié)語
機(jī)電核心系統(tǒng)是實(shí)現(xiàn)城市軌道交通統(tǒng)一指揮調(diào)度、保證列車運(yùn)行安全、提高運(yùn)輸效率和質(zhì)量的關(guān)鍵技術(shù)設(shè)備。電磁干擾可能會(huì)導(dǎo)致機(jī)電核心系統(tǒng)設(shè)備故障，從而影響運(yùn)營(yíng)的安全和效率。如今，多個(gè)城市都在積極推進(jìn)全自動(dòng)無人駕駛線路(GOA4級(jí)別，即自動(dòng)化等級(jí)為4級(jí))的建設(shè)，對(duì)各專業(yè)系統(tǒng)設(shè)備的可靠性和安全性都提出了更高的要求。為了避免既有線運(yùn)營(yíng)中日益增多的EMC問題在未來建成的新線中重復(fù)出現(xiàn)，本文梳理并探討了招標(biāo)采購(gòu)階段EMC標(biāo)準(zhǔn)的選擇和工程實(shí)施階段的EMC管理，對(duì)新線建設(shè)中機(jī)電核心系統(tǒng)設(shè)備的電磁兼容性管理有一定借鑒意義。
作者:陳光宇 單位:上海申通軌道交通研究咨詢有限公司
