基于時域測試的傳導騷擾分析系統

張 博，徐 躍，馬英杰

(1.中車青島四方機車車輛股份有限公司，山東 青島 266000；2.北京航天測控技術有限公司，北京 100041)

0 引言

隨著電子技術的迅猛發展，機車可靠性、安全性等性能要求相應的提高，機車上裝配的電力電子設備和電氣設備越來越多，機車內強電、弱電等各種信號在一個有限的空間內交織，電磁環境愈加復雜惡劣，例如，高壓、變頻、網絡通訊、微機控制等多種電子設備和電纜線束等；既有大功率的輻射信號源，又有高靈敏度的傳感器和通訊設備，這些電子設備的電磁性能增加了機車內電磁環境的復雜性。如果電磁環境的影響導致這些設備出現故障，例如性能不穩定的設備在某些工況下出現死機等故障，有的甚至不能正常工作，導致竄車等險情，有造成重大經濟損失的隱患。[1]

電磁兼容性是影響其性能可靠性的關鍵問題之一[2]，因此獲取機車重要部件電磁特性參數，為后續客觀評估機車電磁兼容狀態提供了依據，同時也為后續新機車的電磁兼容性設計的提升提供可參考的依據。

Joos等學者提出在軌道電路信號中，下行信號比上行信號更容易受電磁干擾的影響[3]。Pozzobon等指出列車底部存在很多大功率的牽引供電設備，造成電磁環境復雜，BTM天線工作也會受此影響[4]。Kroger等指出制動控制系統結構復雜，各種傳感器遍布列車的各個位置，電磁干擾對其影響顯著，尤其是檢測周圍的溫度傳感器和監測列車速度的速度傳感器對電磁干擾的敏感度很高[5- 6]。Midya等指出弓網離線放電產生的電磁干擾是高速鐵路主要的電磁干擾源之一[7]。

天津大學姚剛等提出了幾種實用的電磁兼容技術和電磁兼容試驗[8]。河北工業大學電器研究所蔣棟等根據電磁兼容的干擾源、傳播途徑和敏感設備三要素分析了靜態電器中電磁兼容的基本技術和具體實現方法[9]。三峽大學文武等系統分析了電力系統的干擾源、傳播途徑以及抑制干擾的措施, 指出了電力系統電磁兼容今后的研究方向和難點[10]。國電自動化研究院梁志成等分析了電快速瞬變脈沖群干擾對微機保護裝置的影響，針對微機保護裝置的不同端口提出了相應的抑制措施[11]。北京二七機車廠電氣公司齊富彬等提出了消除或減弱騷擾源、阻斷傳播路徑及增強電子裝置電磁兼容能力的方案和措施[12]。海軍大連艦艇學院陸永紅等給出了艦空導彈武器系統實彈射擊時電磁兼容的檢查內容和方法[13]。大連理工大學的王玉峰通過分析電力系統中的電磁干擾源、對設備產生干擾的耦合途徑，用數據挖掘中的決策樹分類方法生成了一個電磁干擾預測模型，實現了一種從復雜電磁環境數據中提取信息的方法[14]。大連海事大學王爾申等研究了一種船載終端系統的電磁兼容可靠性設計[15]。海軍工程大學盧海翔通過對數據進行挖掘分析，也一定程度地實現了對導彈系統的電磁兼容性預測[16]。上海交通大學俞磊等對核電電磁兼容的發展和測試進行了研究，給出了有效合理的完成AP1000電磁兼容測試的相關措施[17]。上海航天電子技術研究所袁企鄉等解決了方艙結構系統集成的測發控系統帶來電磁兼容問題，為新型運載火箭提供了方艙結構測發控系統[18]。西南交通大學謝華君等著重從機車布線、屏蔽和接地三方面進行了優化分析[19]。中國航空無線電電子研究所任振興等實現了從分系統電磁干擾源、耦合路徑、信號完整性和結構搭接屏蔽的電磁兼容優化設計[20]。中航工業西安航空計算技術研究所王勃等介紹了一種典型機載電子設備在復雜電磁環境下的電磁安全性設計情況[21]。

時域測量技術具有數字信號處理能力，在進行電磁干擾測量時，其能夠實時仿真傳統模擬設備的各種測量模式，如峰值檢測模式、平均值檢測模式、 RMS檢測模式和類峰值檢測模式等。同時，它還可以引入一些新的分析理念，例如相位譜、短時譜、統計評估以及基于FFT的時-頻分析方法等。時域技術能夠允許對整個信號譜內的幅度和相位信息進行并行處理，其測量時間至少可以縮短一個數量級，并且能夠完成精確高效的EMI測量。

本文擬研制一套基于時域的傳導騷擾的分布式多點同步測試系統。可同步測試主回路、輔助回路、網絡系統回路、車載信號系統回路等，獲得電磁干擾頻譜特性，分析電磁干擾傳遞路徑。

1 基于時域測試的傳導騷擾分析系統概述

構建基于波形記錄儀/示波器+測試傳感器的同步測試系統，采集主機采用高性能示波器，每臺機器具備4～8個采集通道，采集精度可按需配置。開發可視化好有良好人機交互界面的操作軟件，自動完成數據解壓、清洗、分析的過程。

2 基于時域測試的傳導騷擾分析系統平臺設計

2.1 平臺總體結構

針對機車主回路、輔助回路、網絡系統回路、車載信號系統回路電磁干擾特性數據采集管理問題，建設同步測試系統，實現電磁干擾特性數據的采集、管理、分析等工作。平臺總體結構如圖1所示。

圖1 基于時域測試的傳導騷擾分析系統平臺設計總體結構

根據上圖，同步測試系統的主要架構如下。

1)數據采集：實現對車上部件的電磁干擾數據采集；數據采集方式為通過操作波形分析儀/示波器進行數據采集；數據采集完成后，將對數據按照標準格式進行解析，提取、過濾等，為后續數據管理奠定基礎；

2)測試數據管理：提供對裝備測試數據的管理，包括測試數據的管理、瀏覽、發布、導入導出、判讀、快速查詢等功能；

3)系統管理：提供對系統使用人員、權限、操作日志等信息內容的管理。

2.2 系統組成

同步測試系統組成如圖2所示。

圖2 系統組成

2.3 網絡拓撲

在列車的主回路、輔助回路、網絡系統回路、車載信號系統回路等部件上部署傳感器，通過筆記本來控制波形分析儀/示波器進行數據采集，采集完成后，進行數據的解碼、壓縮、存儲。技術人員可通過筆記本進行數據訪問，進行數據后續的分析。同時，筆記本數據可導出給其他終端系統，進行數據分析。系統的網絡拓撲結構如圖3所示。

圖3 網絡拓撲

3 基于時域測試的傳導騷擾分析系統設計

3.1 數據采集硬件系統組成

同步測試系統由便攜終端計算機、以太網交換機、示波記錄儀、交流電流探頭等組成。

3.2 數據采集分析軟件

3.2.1 數據采集軟件

數據采集軟件可實現通過硬件驅動與波形記錄儀/示波器進行通信，采集波形記錄儀/示波器數據，可支持對最大30 MHz頻率范圍內的測試信號的采樣，同時采用預置流程進行采集數據的自動化解碼、轉換、清洗、存儲等內容。數據采集軟件的總體架構如圖4所示。

圖4 硬件系統總體結構框圖

根據圖4，數據采集根據通信配置文件進行數據內容的采集，采集完成后，對數據幀內容進行解析，生成原始數據，對原始數據進行轉換、處理、運算，得到有效數據，存入實時數據庫中，同時，數據采集功能提供數據查詢接口，供數據管理系統進行數據提取、分析。

圖5 數據采集軟件總體架構

數據采集的功能組成包括通信配置管理、數據通信、數據解析、數據預處理、數據轉換、數據存儲等。

1)通信配置管理。

通信配置管理功能包括基礎參數配置、量綱配置、校準信息配置等內容。其中，基礎參數配置實現對不同采集設備以及傳感器數據的管理以及通信參數的配置；量綱配置實現對采集數據的計算量綱配置；校準信息配置實現對原數據內容的校準算法。

另一方面，通信配置可設置波形記錄儀的采集參數，比如采集通道、采集頻率、觸發條件、幅度等內容。

2)數據通信。

數據通信主要通過驅動程序對波形記錄儀/示波器進行數據采集，采集時根據已設置的參數進行數據采集。

對于示波記錄儀設備，由于其采樣頻率高，且存儲的數據量較大，在本系統中，主要采用將示波記錄儀中的數據文件進行提取，通過網絡傳輸到筆記本中，進行離線處理。

而對于示波器設備，若采樣率為500 k/s～1 M/s，那么1 s中數據量為51.2～102.4萬Byte，那么如果軟件采樣率為1 Hz，那么1 s內需要處理的數據量將達到51.2～102.4萬Byte，對于如此大數據量的數據，軟件可進行實時采集，但是無法實時在波形顯示上同時顯示如此多的數據。若要進行波形數據的實時顯示，只能進行數據采樣(比如平均采樣)，從51.2～102.4萬Byte提取1 000個數據進行波形顯示，此時可能造成波形顯示無法反映數據變化的情況。示波器設備采樣率越低，波形數據顯示越能真實反映數據變化情況。

對于示波記錄儀以及示波器設備，采集完成都可將數據文件存儲在指定的存儲路徑下，之后進行離線分析。

3)數據解析。

數據解析模塊在處理每幀數據時，按照先后順序可以分為兩個階段：準備階段和解碼階段。

準備階段：首先從配置文件中讀取幀格式的配置信息，包括幀計數的位置等；然后讀取參數數據表中的所有幀參數的基本信息、位置信息、處理信息；最后根據參數的位置信息建立參數解碼時使用的幀索引表，該表以幀計數作為索引，每個索引對應一個動態數組，數組中存放了該幀所包含參數的參數指針。

解碼階段：當收到一幀源碼時，首先根據幀計數的位置從源碼中獲得幀計數；然后找到該幀計數的索引表；最后根據索引表依次取出該幀中的參數信息，根據參數的位置信息獲取參數源碼，根據參數的處理信息，將源碼轉化為工程值(包括類型轉換和量綱轉換)。

4)數據預處理。

在數據采集過程中，在受到傳感器、轉換器傳輸過程中的干擾，使得數據中經常出現異常跳變。因此，數據預處理主要是針對異常跳變進行剔除野值處理或數據擬合。

5)數據轉換。

數據轉換模塊根據參數定義中的處理方法對原始參數數值進行處理，得到參數的工程量數據。處理方法包括直讀、列表、曲線、公式以及表達式等。

6)數據存儲。

測試數據收集轉換后，根據不同數據形式，比如實時數據、文件數據，進行測試數據的存儲。

對于實時數據，存入相應的數據庫中，在數據庫的建立過程中，可建立多級測試數據的索引機制，比如測試數據索引、測試日期索引、測試項目索引等，通過多級索引機制可實現快速數據查詢。

索引是海量信息資源快速查找的一種有效的手段，數據存儲系統主要利用Hash索引或樹索引進行全局索引設計。其中，Hash索引通過散列模式進行數據的索引管，樹索引通過樹結構方式進行數據索引的建立。

另一方面，對于測試數據，也可采用NOSQL數據庫或內存數據庫，建立測試數據的鍵值對，從而提高海量測試數據的查詢性能。

3.2.2 數據管理

數據管理功能實現試驗數據的快速查詢、定位和查詢結果導出。對結構化數據和非結構化數據進行統一搜索查詢，支持數據項樹狀瀏覽，單項參數檢索、多項參數的組合查詢、多表檢索、全文檢索等，系統還提供多種數據導航方式包括關鍵字查詢、組合查詢和模糊查詢、允許用戶根據一個活多個對象屬性進行查詢，支持數據視圖查詢，支持全文搜索，支持多次試驗的參數數據對比、分析查詢。

數據管理實現測試數據的管理、瀏覽、快速查詢、回放、數據分析等。

1)提供測試數據的導航能力，可采用測試任務、測試項目等數據組織模式進行組織；

2)提供測試數據的查詢功能，可通過數據檢索功能來實現方便高效的管控數據管理功能；

3)提供測試數據瀏覽和回放功能，選擇測試過程中采集的結構化參數數據，進行數據回放，并通過可視化方式進行數據的曲線展示等。

數據導航實現對數據的樹形導航功能，用戶能夠迅速準確的定位到所選大類或某一個具體的數據對象。樹形導航能對系統內的各類數據進行導航定位，數據分類關聯非常清晰，比如數據的從屬關系在樹中很清楚的展現，用戶可以自定義數據結構樹，該樹上可以掛接各類數據信息。樹形結構的數據導航功能支持用戶自定義，無限層次化。

數據分析可以實現數據的FFT分析、濾波分析、最大值、最小值分析，原始數據截取，圖形化顯示等功能。快速傅立葉變換FFT是離散傅立葉變換的快速算法, 可以將一個信號變換到頻域。針對濾波分析功能，選擇兩種濾波類型：FIR有限沖擊相應濾波(矩形窗，漢寧窗，海明窗等)、和IIR無限沖擊相應濾波(貝塞爾，巴特沃斯，切比雪夫)；可以設置4種響應類型：低通、高通、帶通、帶阻；可以選擇濾波性能指標，包括指定階數、采樣頻率、截止頻率，通帶最大衰減、阻帶最小衰減。支持對數據的常用數據分析方法，具體如下：分析數據的平均值、均方差、標準差、相對誤差(最大誤差、最小誤差)等；分析數據的最大值、最小值；數據分析后的結果可進行顯示，在顯示過程中，可通過不同圖形方式進行數據展示。

數據采用列表方式進行集中展示，通過測試數據歷史列表、測試數據當前列表方式進行數據展示。數據結果顯示的一個重要方面為對數據波形的顯示，數據波形顯示包括對數據波形的操作以及對數據波形的檢索。

按照不同信息對測試數據進行統計，可以按照圖表的形式進行在線顯示和生成文檔。

3.2.3 系統管理

系統管理包括用戶管理、備份管理、權限管理、日志管理等功能。

用戶管理實現對組織機構及人員的管理，按照部門組織機構模型，在組織機構下可建立人員信息檔案，對所有機構人員進行管理。

系統可對涉及的文件、記錄等信息進行備份。系統提供安全的備份機制，以保障系統的穩定運行。系統可定期提醒用戶進行數據備份。備份管理包括數據庫優化、備份管理、數據恢復等功能。

角色權限是信息管理系統的基本信息組成部分，系統需根據公司、實驗室人員、職位實際管理情況，設置不同的角色，每個角色可以具有不同的操作權限。通過建立角色與實際人員職位的對應關系，實現對業務流轉、操作權限的統一管理。系統不同用戶角色的權限均可自定義。系統可對不同角色(權限不同)的使用人員推送審核、處理通知等。

日志管理的主要功能是對所有用戶的日志進行查詢和對業務日志、應用日志、操作系統日志的分類管理。

4 基于時域測試的傳導騷擾分析系統關鍵技術

4.1 頻譜數據壓縮技術

頻譜監測數據真實記錄各頻段的電平信息，管理人員通過對這些數據的分析，得到頻率的使用情況、發現異常信號等，如果丟失了數據中的任何一段信息，在分析過程中都會出現偏差。因此必須做到保持數據在壓縮及解壓縮過程中的無失真。因此需采用無損壓縮算法對頻譜數據進行壓縮。

Huffman算法、字典壓縮算法的代表LZ77算法及其改進算法LZW算法等是3種可選取的統計壓縮算法，對比3種不同的壓縮方法，可進行分析比較，確定電磁頻譜數據的適合壓縮方法。

比如采用20 MHz帶寬的示波器進行數據采樣，采樣頻率為2 kHz，數據點共有10 000點，對于上述數據進行壓縮對比后，顯示為如表1。

表1 算法對比表格

從表1中的結果可見，LZW算法可以實現最高的壓縮率，更加適合本系統中使用的頻譜數據文件。

4.2 數據預處理技術

數據預處理主要涉及對于測試采集數據的自動化清洗過程，主要的過程包括數據處理、數據清洗、數據轉換等內容。

1)數據處理。

(1)模擬式分析。對時間和幅值都連續的時間歷程信號采用各種模擬技術進行分析，如模擬濾波、模擬示波、模擬頻率計、信號分析儀等。

(2)數字式分析。對模擬信號經過時間上離散化和幅值上定量化后的數字信號進行的分析如頻譜分析、數字濾波、平穩數據分析、數據模型預測等。

針對電磁干擾數據特點，在本項目中可采用模擬式或數字式方式對數據進行處理。

2)數據清洗。

在實際運行數據中，由于受到很多干擾因素如惡劣的外界環境影響，因而在運行數據中存在著普遍的非平穩噪聲數據等現象。為了改善數據質量，節約處理時間，需要對獲取的數據進行預處理。針對本項目數據，擬合計算擬采用最小二乘法，野值剔除擬采用3 σ法。

3)數據轉換。

數據轉換模塊根據參數定義中的處理方法對原始參數數值進行處理，得到參數的工程量數據。處理方法包括直讀、列表、曲線、公式以及表達式等。

在數據轉換過程中，可安裝預先制定的轉換流程進行數據轉換。

4.3 數據分析技術

對于電磁頻譜，可采用FFT分析、濾波分析、最大值、最小值分析等分析方法進行分析。FFT是一種DFT的高效算法，可分為按時間抽取算法和按頻率抽取算法，在本項目中，提供基礎的FFT方法進行數據分析。對于濾波分析，提供兩種濾波類型：FIR有限沖擊相應濾波(矩形窗，漢寧窗，海明窗等)和IIR無限沖擊相應濾波(貝塞爾，巴特沃斯，切比雪夫)。

5 基于時域測試的傳導騷擾分析系統實現

5.1 系統實現

該系統實現傳導類騷擾信號測試以及傳導類騷擾多點同步測試，可以實時查看數據波形，具有濾波、數據處理等后處理功能，可以為現車故障分析提供數據支撐。

該系統在主回路、輔助回路、網絡系統回路、車載信號系統回路等部件上部署傳感器，進行電磁干擾特性數據的采集；通過便攜終端計算機、以太網交換機、示波記錄儀、交流電流探頭構建測試系統；采集主機采用高性能波形記錄儀/示波器，每臺機器具備4～8個采集通道，采樣率可按需配置。

采集主機可通過高性能波形記錄儀/示波器，進行實時數據采集，可對示波記錄儀一次測試過程的數據進行記錄和分析，自動完成數據解壓、清洗、分析，提供FFT、濾波、最大值、最小值等數據分析手段，允許用戶進行原始數據截取，可進行圖形化實時顯示數據，提供測試數據存儲功能，可進行歷次試驗測試數據的存儲，提供測試數據管理能力，可實現對歷史試驗測試數據的查詢；可通過搭建的同步測試系統，基于示波器或波形記錄儀進行電磁傳導騷擾測試，實現同步測試功能。

基于時域測試的傳導騷擾分析系統界面如圖6所示。

圖6 基于時域測試的傳導騷擾分析系統界面

5.2 系統測試

通過示波記錄儀進行數據采集，生成.csv格式的數據文件，將數據文件上傳至便攜終端計算機，該系統是部署在該計算機上的，運行軟件，維護車型、車輛、測試設備等基礎信息，建立工程，進行采集參數和通道參數的設置，設置完成這些基本信息之后，進行數據分析。

數據分析方法有基礎、FFT、巴特沃斯、FIR、IIR等分析方法。該分析是集成了FFT、巴特沃斯、FIR、IIR等算法模塊，通過系統自動調用這些算法模塊實現相應的分析功能。

數據分析結果展示如圖7～11所示。

圖7 基礎分析

圖8 FFT分析

圖9 巴特沃斯分析

圖10 FIR分析

圖11 IIR分析

5.3 測試總結

針對現有條件下機車傳導騷擾特性的分析，設計了一套基于時域的傳導騷擾分析系統。其中，軟件運行在本地計算機上，通過網絡傳輸實現數據文件的實時傳輸，解決了人工作業時數據拷貝不便的問題，基于FFT、巴特沃斯、FIR、IIR等算法模塊進行數據的分析，通過集成圖像控件繪制分析后的曲線圖，解決了人工作業分析效率低下的問題，該系統與機車測試作業完美配合，提高了整體的作業效率。經過實際運行測試，軟件與示波記錄儀通信穩定，算法計算效率高，圖像加載快捷，數據解析顯示正確，測試結果達到了本文預期設定的目標。

6 結束語

本文實現了一種基于時域測試的傳導騷擾分析系統，用于實現同步測試主回路、輔助回路、網絡系統回路、車載信號系統回路等，獲得電磁干擾頻譜特性，分析電磁干擾傳遞路徑。

實現了電磁干擾頻譜特性的頻譜特性、傳遞路徑的研究工作，采用分布式多點同步測試技術，在機上部分分系統回路部署傳感器，進行多路信號的同步采集。

實現了測試數據的實時化、自動化解壓、清洗、分析，降低對技術人員要求，使技術人員關注其專業方向的事情，提高數據分析的效率。

實現了測試數據的集中管理，將歷次試驗過程中的電磁測試數據進行收集整理，將測試數據作為一種資產進行有效組織管理，提升了數據管理的效率。