軌道交通機電核心系統(tǒng)探討
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摘要從城市軌道交通建設者的角度，梳理總結了機電核心系統(tǒng)建設環(huán)節(jié)中存在的電磁兼容問題。從電磁環(huán)境影響、機電核心系統(tǒng)、重點設備機房評價、頻帶干擾等方面，詳細闡述了招標采購階段選擇的電磁兼容評價標準。針對工程實施階段，建議成立管理小組，并對管理計劃、隱患分析報告、測試計劃及測試報告等環(huán)節(jié)提出了完善電磁兼容管理的建議。
關鍵詞城市軌道交通;機電核心系統(tǒng);電磁兼容
T/CAMET04017．2—2019《城市軌道交通全自動運行系統(tǒng)規(guī)范第2部分:核心設備產品》提出:“全自動運行系統(tǒng)是基于現代計算機、通信、控制和系統(tǒng)集成技術，由信號、車輛、綜合監(jiān)控、通信、站臺門等與列車運行相關的設備組成，實現列車運行全過程自動化的系統(tǒng)。”由此可知，城市軌道交通的信號系統(tǒng)、車輛、綜合監(jiān)控系統(tǒng)、通信系統(tǒng)、站臺門等共同構成機電核心系統(tǒng)。這是個強電與弱電共存的復雜系統(tǒng)，存在著各種類型的電磁干擾，可能給機電核心系統(tǒng)運行的可靠性、列車運行的安全性及人員健康帶來嚴重的影響。如果能在機電核心系統(tǒng)的建設環(huán)節(jié)，正確識別電磁干擾隱患，從技術上采取相應的抑制或防護措施，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電核心系統(tǒng)設備能在電磁環(huán)境中安全、穩(wěn)定、可靠地工作，有效降低對乘客及工作人員健康的影響。
1EMC問題研究的相關現狀
國際電工委員會(IEC)對EMC的定義為:電子、電氣系統(tǒng)或設備在所處的電磁環(huán)境中能正常工作，同時不會對其環(huán)境中的其他事物產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)或設備本身在執(zhí)行應有功能的過程中，伴隨電壓、電流作用而產生的，不利于其他系統(tǒng)、設備、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)或設備，在執(zhí)行應有功能的過程中，承受相應標準、相應規(guī)定范圍內的電磁能量干擾的能力。目前，在城市軌道交通機電核心系統(tǒng)建設環(huán)節(jié)，對EMC問題及其影響的理解通常不夠全面和深刻。這主要表現在:1)在機電核心系統(tǒng)的采購階段，業(yè)主方會編制各系統(tǒng)的電磁兼容要求，并納入招標文件用戶需求書中的“通用技術要求”章節(jié)。而該要求所參照的EMC標準、涉及的范圍及深度缺乏統(tǒng)一的認識和籌劃。2)在機電核心系統(tǒng)的設計階段，各系統(tǒng)供貨商缺少對城市軌道交通運行環(huán)境中存在的干擾源及其干擾機理進行定量、定性分析，缺少對所有易受干擾源干擾的設備進行有效的界定。3)在機電核心系統(tǒng)設計、制造及安裝階段，大多數系統(tǒng)供貨商僅僅向業(yè)主方提供部分設備的EMC第三方實驗室檢測報告，并未提出針對EMC隱患分析結果而采取的EMC優(yōu)化措施和方法。4)在機電核心系統(tǒng)調試及試運行階段，各系統(tǒng)供貨商未對現場的EMC環(huán)境(包含機房和軌旁)進行充分測試和評估，也未采取有效隔離手段來降低電磁干擾到可接受的程度，而是往往等到出現了影響運行的電磁騷擾事件時才進行補救。對于UGT(城市軌道交通運輸)系統(tǒng)而言，在GB/T32590．1—2016《軌道交通城市軌道交通運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EMC提出了明確的要求?？梢?，關注EMC問題是城市軌道交通建設過程中不可或缺的環(huán)節(jié)，將會對即將建成的機電核心系統(tǒng)的可靠性、可操作性以及安全性產生深遠的影響。
2招標采購階段的EMC標準選擇
在國際范圍上，EMC標準的制定已經有了80多年的發(fā)展歷程。起初，由CISPR(國際無線電子干擾標準化特別委員會)對各種用電設備和系統(tǒng)提出了相關的電磁干擾發(fā)射限值和測量方法。隨著電子、電氣設備的迅速發(fā)展，為了解決日趨增多的EMC問題，世界各大標準化組織和各國標準化機構也陸續(xù)制定了許許多多的EMC標準，大致可分為:①基礎標準，如GB/T6113《無線電騷擾和抗擾度測量設備和測量方法規(guī)范》系列標準等;②通用標準，如GB17799．4—2012《電磁兼容通用標準工業(yè)環(huán)境中的發(fā)射》等;③產品族標準，如GB9254—2008《信息技術設備的無線電騷擾限值和測量方法》等;④專用產品標準。EMC標準不僅種類繁多、專業(yè)性強，而且各專業(yè)系統(tǒng)間的接口還存在著復雜的關聯性。因此，對不同專業(yè)的招標文件通用技術條件而言，難以選擇合適的EMC標準。在建設環(huán)節(jié)的招標采購階段，應從電磁環(huán)境影響、機電核心系統(tǒng)、重點設備機房評價、頻帶干擾等方面的評價來選擇EMC標準。
2．1對電磁環(huán)境影響評價的標準
城市軌道交通項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施產生的工頻電磁場和高頻電磁輻射，以及專用的無線電設施設備產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價和管理方法。其中，下列產生電場、磁場、電磁場的設施或設備可以豁免:①100kV以下電壓等級的交流輸變電設施;②向無屏蔽空間發(fā)射0．1MHz～300GHz電磁場的，且其等效輻射功率小于規(guī)定上限值的設施或設備。由此可見，從電磁環(huán)境保護管理角度，城市軌道交通項目僅需要考慮110kV變電站所產生的電磁場騷擾(其工頻電場強度控制限值為10kV/m)，并按HJ24—2014《環(huán)境影響評價技術導則輸變電工程》中的電磁環(huán)境影響評價工作等級進行三級評價。由于工頻磁場強度控制限值未在GB8702—2014中定義，故可參考ICNIRP(國際非電離輻射防護委員會)制定的《限制時變電場、磁場及電磁場暴露的導則》，將對公眾全天輻射時的限值100μT(如果用磁場強度表示，相當于80A/m)作為工頻磁場的評價標準。
2．2機電核心系統(tǒng)的評價標準
為確保各機電核心系統(tǒng)設備能在工作電磁環(huán)境中安全、穩(wěn)定、可靠地工作，機電核心系統(tǒng)設備的電磁兼容性應滿足GB/T24338《軌道交通電磁兼容》系列標準或EN50121《鐵路應用電磁兼容》系列標準的要求。這2個標準雖存在對應關系，卻也存在一定的差異。此外，同一標準的不同版本也存在差異。例如，GB/T24338．4—2018的“發(fā)射試驗和限值”部分規(guī)定了機箱端口的發(fā)射限值，且該限值要求與EN50121-3-2:2015的要求對應。但在最新版的EN50121-3-2:2016/A1:2019標準中，“發(fā)射試驗和限值”部分卻取消了機箱端口的發(fā)射限值規(guī)定。故業(yè)主應選擇統(tǒng)一的標準及版本來納入各機電核心系統(tǒng)招標文件，以免產生矛盾，對評判造成不必要的困擾。此外，有些業(yè)主在招標時采用GB4824—2019《工業(yè)、科學和醫(yī)療設備射頻騷擾特性限值和測量方法》，或與之相對應的EN55011:2016《工業(yè)、科學和醫(yī)療設備-射頻干擾特性-限值和測量方法》作為列車車載設備必須執(zhí)行的電磁兼容標準。相較于GB/T24338．4或EN50121-3-2系列標準，GB4824—2019與EN55011:2016將列車車載設備的傳導發(fā)射限值提高了20dB。由此，業(yè)主方應該在實際項目中進一步確認該取值的合理性。
2．3重點設備機房的評價標準
根據交通運輸部2019年頒布的《交通運輸部辦公廳關于印發(fā)城市軌道交通初期運營前安全評估技術規(guī)范第1部分:地鐵和輕軌的通知》，在線路初期運營前，應對信號、通信等重點設備機房進行電磁兼容測試，可采用GB50174—2017《數據中心設計規(guī)范》作為機房電磁兼容的執(zhí)行標準。
2．4頻帶干擾的評價標準
為確保城市軌道交通車地無線通信系統(tǒng)有足夠的保護，以防止其他在ISM(工業(yè)、科學、醫(yī)療)頻段及LTE(長期演進)頻段工作的無線通信設備干擾，需對城市軌道交通工程全線的車站(含站廳和站臺)、隧道區(qū)間(含風井)、車輛段、停車場及控制中心等區(qū)域的無線電磁環(huán)境進行全面測試及評價，此項評價可采用GB/T51211—2016《城市軌道交通無線局域網寬帶工程技術規(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》等標準。
3工程實施階段的EMC管理
為了確保城市軌道交通機電核心系統(tǒng)所有電氣和電子設備的設計和制造能滿足電磁兼容的相關要求，也為了確保在工作電磁環(huán)境中運行的設備無質量和性能的退化或功能的損失，業(yè)主方應在建設環(huán)節(jié)的工程實施階段，監(jiān)督并參與各承包商的EMC管理活動。建議業(yè)主方能在建設環(huán)節(jié)增設專門的EMC管理小組，將技術和組織管理相結合，以解決EMC問題。
3．1EMC管理計劃
城市軌道交通機電核心系統(tǒng)的承包商應在合同簽訂后1個月內，編制并向業(yè)主提交EMC管理計劃。該計劃包括EMC管理的組織機構、所提供的主要子系統(tǒng)涉及EMC的描述、列出所采用的EMC標準、工程各階段為示范和保證EMC性能所執(zhí)行的活動與任務、列出須提交給業(yè)主EMC成果文件等內容。
3．2EMC隱患分析報告
城市軌道交通機電核心系統(tǒng)的承包商應在設計聯絡開始前1個月，編制各專業(yè)系統(tǒng)的EMC隱患分析初步報告。該隱患分析包括識別設備對EMI的易感性、EMI的設備或系統(tǒng)來源、干擾發(fā)生的相應后果、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)內部的電磁兼容性等。城市軌道交通機電核心系統(tǒng)的承包商應在設計聯絡過程中充分識別EMC的隱患，提出EMC的控制措施和解決方案，并在設計聯絡完成后1個月內，編制并向業(yè)主提交1份終版的EMC隱患分析報告。
3．3EMC測試計劃
為了確保機電核心系統(tǒng)各專業(yè)承包商所交付的產品滿足合同規(guī)定的電磁兼容標準，需要建立針對性的測試流程。通過測試來判定機電核心系統(tǒng)是否滿足EMC的設計要求，是否與城市軌道交通的EMC環(huán)境相兼容，進而驗證承包商在各專業(yè)系統(tǒng)設計中采用了合理、有效、安全的電磁兼容措施。城市軌道交通機電核心系統(tǒng)的各專業(yè)承包商應在系統(tǒng)設備交付前3個月，編制并向業(yè)主提交本專業(yè)系統(tǒng)的EMC測試計劃。測試計劃應分為兩個階段:交付前測試和交付后測試。交付前的測試是指在第三方電磁兼容實驗室或得到業(yè)主許可的廠內實驗室進行的EMC測試。交付后測試是指在軌道交通安裝現場的電磁環(huán)境中進行的EMC測試。EMC測試計劃的編制應該嚴格契合EMC管理計劃中的EMC標準依據，并結合EMC隱患分析報告中所關注的風險點進行定義、測試和驗證。
3．4EMC測試報告
EMC測試工作完成后，城市軌道交通機電核心系統(tǒng)的各專業(yè)承包商應在其系統(tǒng)設備交付前1個月向業(yè)主提交實驗室EMC測試報告;在其系統(tǒng)開通試運營前1個月向業(yè)主提交現場EMC測試報告。EMC測試報告應包含測試結果，并提供符合合同及已建立的EMC要求證據。EMC測試報告通常包括以下部分內容:適用標準、被測設備、設備和電纜布置結構、測試場所、測試設備列表、度量單位、測試程序、報告的測試數據、正常條件和特殊條件、綜合結果、所需的簽名、測試報告附錄等。
4結語
機電核心系統(tǒng)是實現城市軌道交通統(tǒng)一指揮調度、保證列車運行安全、提高運輸效率和質量的關鍵技術設備。電磁干擾可能會導致機電核心系統(tǒng)設備故障，從而影響運營的安全和效率。如今，多個城市都在積極推進全自動無人駕駛線路(GOA4級別，即自動化等級為4級)的建設，對各專業(yè)系統(tǒng)設備的可靠性和安全性都提出了更高的要求。為了避免既有線運營中日益增多的EMC問題在未來建成的新線中重復出現，本文梳理并探討了招標采購階段EMC標準的選擇和工程實施階段的EMC管理，對新線建設中機電核心系統(tǒng)設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
