地铁列车司机室高频电磁暴露安全性评估

为了有效评估地铁列车司机室在高频电磁环境下的安全性,利用基于有限元法的三维电磁仿真软件(HFSS),构建B型地铁列车无线通信天线电磁辐射条件下的司机室高频电磁环境模型(其中人体模型为坐姿,由人头、躯干和四肢组成,人头模型由头皮、颅骨和大脑3层组织构成),研究地铁司机的职业电磁暴露问题。结果表明:当天线的输入功率达到其最大值50 W时,人体模型的比吸收率最大值为0.523mW·kg-1,电场强度为11.96V·m-1,磁场强度为0.23A·m-1,皆低于国际非电离辐射委员会制定的职业电磁暴露限值;说明在此电磁环境下,司机室内的高频电磁辐射不会对地铁司机的健康造成危害。     

典型地铁站台射频天线电磁暴露安全评估

为有效评估典型地铁站台射频天线对乘客电磁暴露的安全性,设计地铁站台无线通信系统吸顶天线和乘客人体模型,利用基于有限元的电磁仿真软件,构建吸顶天线辐射下的地铁站台乘客候车电磁环境模型,研究候车乘客的公众电磁暴露问题。结果表明:天线分别工作在900和2 440 MHz时,人体组织的平均比吸收率最大值分别为4.441×10-7和1.165×10^-6W·kg^-1,电场强度最大值分别为0.139和0.148V·m^-1,平均比吸收率在人体组织内的衰减均大于电场强度的衰减;2 440MHz时的射频电磁能量在颅内的穿透能力小于900MHz时;所有计算值均低于国际非电离辐射委员会制定的公众电磁暴露限值,说明地铁站台射频天线对乘客的电磁暴露不会构成健康威胁。     

GSM-R基站高空区域电磁环境影响分析

目前GSM-R基站电磁辐射环境的监测只能在一定高度范围进行，高空区域电磁环境分析也只能依据理论计算。随着无人机技术的发展，提出利用无人机搭载电磁环境监测系统，对基站高空区域的电磁辐射环境进行监测，可以丰富电磁环境影响分析的技术手段。选取高铁沿线的一个GSM-R基站，通过现场实测，获取GSM-R基站天线垂直面和水平面射频综合场强的高空分布情况，并与理论计算值进行对比分析；用实测数据可以确定基站高空中的电磁辐射超标区域，用于指导新建GSM-R基站的电磁环境影响评价。     

高速铁路站台电磁环境分析

为研究高速铁路站台区域电磁环境是否满足国际非电离辐射防护委员会(ICNIRP)规定的工频电磁场曝露限值,通过数值计算,得到并分析了站台区域工频电磁场的分布规律。针对接触网导线和整个站台空间存在的"大尺寸区域小尺寸元件"问题,运用有限元分析软件ANSYS,建立人体、接触网、列车以及站台的等效模型,计算得到站台上的电场强度和磁感应强度。结果表明,站台上电磁场强度与监测点到接触网导线对地投影点的水平距离密切相关;列车对站台上工频电场屏蔽效果明显,白色安全线处人体胸部与头部电场的最大屏蔽系数分别为90.9%,74.5%;列车对站台上工频磁场屏蔽作用较小;无列车停靠时,头部的最大电场强度达到4 678V/m,接近ICNIRP导则规定的工频电场公众暴露限值5 kV/m。     

基于改进遗传算法的车车直接通信毫米波喇叭天线研究

现有车载天线不适用毫米波通信系统，因此亟须研究适用于车车通信系统的毫米波天线。首先，对比现有喇叭天线的特点，确定圆锥喇叭天线为车载天线，通过等效源法求得天线的远场辐射方向图，根据设计要求确定天线的中心频率和增益；其次，基于传统经验公式和电磁仿真软件HFSS进行建模仿真，得到天线的特性参数，通过仿真结果对比得到喇叭天线的开口直径和波导尺寸对天线电压反射系数的影响；最后，利用改进遗传算法对天线进行结构优化，使得波导尺寸和开口直径参数达到最优。结果表明：在天线主频率下，优化后的天线增益为22.2 dB，电压驻波比为1.01，并有较好的方向性，满足车车直接通信系统中车载天线具有较高增益和较强端射能力的要求。     

EMS型磁浮列车悬浮静磁场电磁环境仿真研究

为量化评估常导电磁悬浮(EMS)型磁浮列车的电磁环境风险，在确定位于磁浮列车悬浮架两侧的直线电机转子励磁线圈为辐射源的基础上，采用有限元软件COMSOL Multiphysics，建立长定子轨道和EMS型磁浮列车三维结构模型，对直线电机的悬浮电磁特性以及它在周围空间和磁浮列车车厢内产生的静磁场进行仿真计算，并将车厢内的磁通密度计算结果与静磁场暴露限值标准进行对比。结果表明：长定子直线电机在励磁电流为25 A时，悬浮间隙中心线处磁通密度最大模值约为0.9 T，悬浮电磁力约为19.7 kN·m^-1；磁浮列车夹层位置处磁通密度最大模值在9.39～53.6 uT范围内，车厢内磁通密度最大模值约为6.93 uT；悬浮励磁线圈在车厢内产生的磁通密度最大值远低于国际非电离辐射防护委员会(ICNIRP)对一般公众推荐的400 mT静磁暴露限值，且满足标准EN 45502-2-1—2003和GB 16174.2—2015中小于1 mT的静磁场暴露控制限值。     

弓网电弧对航空器仪表着陆系统的电磁干扰影响研究

为探究电气化铁路产生的弓网电弧对航空器仪表着陆系统的电磁干扰,选取达成铁路复线电分相、锚段关节、普通点等典型位置,针对仪表着陆系统的工作频段,开展了弓网电弧的辐射测试。考虑环境因素,通过距离换算获得各典型位置10m处的弓网电弧辐射强度;应用电磁传播理论,推得电气化铁路垂直穿越航空器下滑道时的电磁骚扰最强点;以信号防护率为评估依据,结合弓网电弧实测数据,进行电磁兼容预测。结果表明,电分相处的电磁骚扰最大,在110MHz处电场强度的峰值检波数据达89.3dBμV/m;航向信号与骚扰场强之差只有9.2dB,低于防护率要求4.8dB。测试结果可为电气化铁路选线和机场选址的合理性和可行性提供技术依据。     

空间环境介质对应答器“A”接口性能的影响研究

针对应答器易受周围复杂空间电磁环境影响的问题,研究铁路现场各类损耗介质、无金属区内金属介质对应答器系统的射频场"A4"接口和上行链路场"A1"接口的影响。基于应答器系统简化电路对精简参考环和BTM天线建立FEKO模型,根据实测数据对模型的适用性进行验证,仿真各类损耗介质下电磁波的穿透特性和金属介质下电磁波的分布特征。基于该特性特征和真实应答器的输入输出特性(IO),得到了各类损耗介质和金属介质影响下应答器和BTM天线的有效作用范围。研究结果表明各类损耗介质不能超过其特定厚度,无金属区内的良导体最大横截面不能超过300mm×300mm。无砟道床钢筋网的绝缘节破损会大幅降低"A"接口的传输性能。     

应答器传输系统的电磁耦合机理及工程安装优化研究

应答器传输系统是一种基于电磁耦合机理的自动识别系统,目前已广泛应用于国内外的高速铁路及城市轨道交通系统。为了解决应答器传输系统在工程应用中存在的问题(如安装模式优化、系统可靠性等),有必要对该系统的电磁耦合机理做深入的研究,探究其蕴含磁现象的物理本质。本文深入分析了车载天线与地面应答器之间能量和数据的传输过程,建立了应答器I/O特性、射频磁场分布、信号辐射模式等理论模型,给出了计算应答器作用距离的一般步骤;并在此基础上,研究了地面应答器横向、纵向2种安装模式的本质差异,评估了2种安装模式对不同安装高度、横向偏移的适应性,给出了2种安装模式的优化参数。实测数据与理论分析相符,表明该理论分析方法能够有效地分析应答器系统的物理本质,对于应答器系统的优化、工程安装模式的选择具有一定的指导意义。     

基于脉冲激励的地铁运营引起邻近建筑物内振动预测方法

根据振动系统传递特性,提出一种新的环境振动预测方法——实测脉冲传递函数预测方法。通过脉冲试验测得振源与邻近建筑物内测点的振动加速度,计算得到振动系统的振动响应传递函数;将实测的地铁运营振源的振动加速度代入传递函数公式,实现对建筑物内测点的振动加速度时程、频谱、1/3倍频程和z振级的预测。应用该方法预测隧道中心楼内测点振动加速度结果表明:隧道结构与隧道中心楼内测点振动加速度传递函数峰值频段为30～50Hz,隧道中心楼内振动加速度峰值频段为40～60Hz;土层和隧道中心楼基础结构对60Hz以上频段的振动具有很强的衰减作用,楼房基础结构有效地隔断了70Hz以上的高频振动。该方法可用于预测地铁运营引起的建筑物内振动。     

LTE在地铁乘客信息系统无线传输中的应用

研究目的:随着我国城市轨道交通建设的高速发展,乘客对于信息系统的需求也日益提高,轨道交通行业市场的深度产业升级正驱动行业无线专网迈向宽带化,需要在高速条件下实时进行移动宽带接人。LTE凭借其覆盖距离广、带宽高、并发用户数多、抗干扰能力强、安全可靠等特点,正在成为轨道交通行业无线专网发展新技术的选择。为此,本文通过分析和研究LTE在地铁乘客信息系统无线传输中的应用,对地铁设计施工中遇见的类似问题起到参考作用。研究结论:通过研究得出:(1)建议地铁乘客信息系统的无线网络子系统采用TD-LTE技术,使用频率为1795~1 805 MHz,系统包括设置在控制中心的交换设备、设置在车站的基带设备(BBU)、设置在区间的远端设备(RRU)和合路设备、车载的无线设备和发射天线以及区间隧道内敷设的光缆等;(2)长距离地下隧道建议采用RRU级联进行延伸覆盖,建议系统采用小区合并方式,减少小区数目,降低切换发生的次数;(3)提出的系统方案可对今后城市轨道交通无线网络设计提供参考。     

利用高速铁路轨道不平顺谱估算不平顺限值的方法

基于车辆-轨道耦合动力学理论,结合我国高速铁路轨道不平顺的管理模式,提出利用高速铁路轨道不平顺谱进行不同管理等级轨道不平顺限值估算的方法。以中国高速铁路无砟轨道不平顺谱激扰作用下中国典型高速车辆在板式无砟轨道上运行为例,进行350km/h行车速度条件下轨道高低、轨向、水平、轨距不平顺各管理等级(Ⅰ~Ⅳ级)对应限值的估算,并与传统单一谐波(波长为10、40m)激扰作用下计算获得的限值和国内外高速铁路轨道不平顺标准对比分析。结果表明,采用本文所提的限值估算方法,以包含多种波长成分的随机不平顺作为输入激扰,相比单一谐波的计算方式考虑更为全面,可反映轨道不平顺各波长成分对行车品质的共同作用;相比国内外高速铁路轨道不平顺标准,在本文仿真计算条件下,利用高速铁路轨道不平顺谱估算的各管理等级轨道不平顺限值总体居于国内外标准之间。因此,本文利用高速铁路轨道不平顺谱进行轨道不平顺限值估算的方法是可行的,为采用动力学仿真手段获取轨道不平顺理论限值提供了一种新途径。     

城市轨道交通地下线振动环境影响分析

采用城市轨道交通环境影响评价中的振动预测方法,通过北京、上海、广州10条运营线路的环保验收调查报告和轨道减振性能测试评估报告提供的实测数据和预测结果进行对比分析,结果表明:在一定的车速、埋深及区段等工程条件下,若按交通干线两侧昼、夜间振动限值标准进行评价,地下线的环境振动影响范围约20 m。地下线的振动影响主要取决于线路的线型、埋深,尤其与敏感点的距离、运行速度关系较大。地铁隧道上方5 m以内的建筑,环境振动无明显变化;5～20 m振动级衰减比较明显。正线区间比车场线及出、入段线敏感点的振动级高4～6 dB;出段线比入段线敏感点的振动级高2 dB左右。建议根据振动影响范围,做好轨道交通及其沿线用地规划。地下线路应合理选线,尤其要避免下穿环境敏感建筑;沿线规划控制应预留振动防护距离,在防护范围内不宜新建敏感建筑;对特殊敏感区段,可以考虑在夜间时段采取限速的措施。     

铁路32m混凝土箱梁结构噪声的时变特性研究

基于车-线-桥耦合振动和瞬态声辐射理论,提出一种混凝土箱梁低频结构噪声的数值预测方法 ,以分析结构噪声的时变特性。采用板/壳单元模拟箱梁,求解车-线-桥耦合振动系统,得到时域内箱梁局部振动响应。将该响应作为声辐射模型的边界条件,采用瞬态边界元法求解结构噪声场。以32m混凝土简支箱梁为例,将计算结果与实测数据进行对比验证。结果表明:计算值与实测值在时域和频域内均吻合良好;振动与噪声的1/3倍频程显著频带分别为31.5~63Hz和40~80Hz;振动响应大小由作用在箱梁上的轮对数决定,不同时刻振动响应的频谱特性变化较小;邻跨声辐射的影响不可忽略,简化分析中可取两跨计算。     

地铁车辆以磨耗车轮通过钢弹簧浮置板轨道时的较好平稳性速度

[目的]为使地铁乘客获得较好的乘车体验,探究轨道线路铺设浮置板时车体平稳性较好的通过速度区间。[方法]利用仿真软件建立了地铁车辆-浮置板轨道-路基的动力学模型,分析了标准车轮及磨耗车轮通过地铁有无钢弹簧浮置板轨道时的车体振动状况。对比了不同速度条件下,增设浮置板前后车体垂向平稳性指标时域及频域的变化;对比了车体在浮置板轨道系统下,车体以磨耗车轮与标准车轮通过时,车体的垂向振动加速度等参数时域及频域的变化规律。[结果及结论]不同速度时,浮置板会使列车的平稳性指标增大,相比无浮置板时平均增长了5.8%;横向平稳性指标在速度低于60 km/h时,其对平稳性指标有减小作用。浮置板系统中,磨耗车轮的存在会加剧车体垂向振动,这种现象在列车高速行驶时表现更突出。地铁车辆通过轨道时的垂向振动加速度频率主要集中在低频区段的0～10 Hz,横向振动加速度频率区段主要集中在0～30 Hz。地铁车辆通过存在浮置板路段且速度在48～60 km/h区间时,磨耗车轮的车体垂向平稳性指标在1.8左右,横向平稳性指标在1.1左右,数值均较低,即车体振动及横向运动较小,平稳性较好。     

双线盾构隧道下穿既有建筑物诱发地表变形规律分析

盾构下穿建(构)筑物施工不可避免对地层及上层建筑产生影响,而双线隧道穿越同一建筑物同时存在着二次扰动,且同时由于建筑物与地层之间的作用,诱发的地表变形影响更为复杂。以南京地铁三号线常府街~夫子庙区间双线隧道下穿刘公巷7号楼具体工况为例,结合经验公式和数值模拟进行对比分析,研究存在建筑物情况下的地表变形规律。研究结果表明:建筑物的存在使得地表沉降曲线呈非对称形式,且存在建筑物范围内沉降曲线相对平缓,而PECK预测地表沉降槽为对称曲线,且相对数值模拟结果偏大,表明地面建筑物对地层变形具有直接的约束作用;采用peck公式预测存在地面建筑物的地表沉降时,应根据现场实测数据反算确定经验参数,从而考虑建筑物刚度的影响。     

沪通长江大桥主桥风—车—桥动力响应研究

将轨道不平顺作为系统的内部激励,风载荷作为外部激励,考虑静风力和脉动风力,采用自编程序TYWTB建立车桥耦合系统动力学模型,进行不同风速激励下不同速度列车通过桥梁时的系统动力响应分析,并对车辆的安全性和舒适性进行评价。结果表明:随着风速的增加,车桥系统的动力响应增大,中跨最大垂向动挠度和横向动位移均出现在行车侧上弦;随着车速的增加,车桥系统的动力响应增大,桥上车辆的安全性和舒适性随车速的增加而降低;桥面风速等于或小于25m·s^-1时,160~250km·h^-1车速范围内车辆响应未超限值;当桥面风速达到30m·s^-1时,160~250km·h^-1范围内动车横向加速度均超限,拖车在车速250km·h^-1时轮重减载率超限,行车安全无法保证;由于沪通长江大桥桥梁对车辆受风面的遮挡,平均风速达到25m·s^-1时仍能保证车辆的运行安全和乘坐舒适,满足《铁路技术管理规程》的相关要求;沪通长江大桥铁路桥面采用了钢箱结构,增强了竖向、横向刚度和抗扭刚度,使得桥梁在风场和列车的共同作用下整体性能良好。     

基于无模型自适应控制的高速列车ATO控制器

针对高速列车在多变复杂环境运行时,传统控制器出现的动力学模型不匹配和司机操作存在安全隐患的问题,提出一种基于无模型自适应控制(Model-Free Adaptive Control, MFAC)的高速列车自动驾驶控制器设计方案。首先,构建全格式动态数据列车模型,将列车的非线性特性转移到伪梯度中;其次,根据全格式动态数据列车模型设计无模型自适应控制律和列车控车原理,通过列车运行数据估计伪梯度,构建ATO控制器;最后,使用"兰州西—西宁"的动车组运行数据进行仿真,得到MFAC控制器作用下的速度追踪误差为0.254km/h,列车加速度冲击率区间主要分布于[0,0.1)中,约占总步长的83.8%,并与模糊自适应PID(ProportionIntegral-Derivative)在速度追踪、位移追踪和舒适度方面做了对比,结果表明该控制器的性能更优。     

水冷作用对地铁车站板式结构硬化翘曲影响现场试验

混凝土水化作用引起结构发生温度开裂,严重威胁混凝土的施工质量,造成车站结构渗漏。目前针对车站结构水化热温控技术的研究相对不足。为此,在混凝土结构中埋设换热管搭建地铁车站结构的水管冷却温控系统,开展地铁车站板式结构水化热水管冷却现场试验,实测车站结构的水化热温度和早期应变变化。首先,对比分析水管冷却技术对车站结构水化热的温控效果,并讨论水管冷却的换热机理;其次,分析车站板式结构的硬化变形行为,进一步探讨水管冷却对车站结构早期硬化热力行为的影响。研究表明：由换热管、水泵、水箱等设备构成的水管冷却系统可以用于地铁车站板式结构的水化热温控调节;与自然冷却相比,水管冷却通过加速内部混凝土与外界环境的热交换可降低车站结构水化热峰值温度3℃,提前水化进程约35 h;车站板式结构的水化热残余拉应力较块状结构和柱状结构略大,其水化热变形可分为受热“凹形”翘曲、散热翘曲恢复和散热“凸型”残余翘曲3个阶段;水管冷却可降低车站结构的早期峰值压应力、残余拉应力、温度翘曲应力约1/3,表明水管冷却系统可以有效控制车站结构的早期裂缝。研究结果对地下地铁车站结构早期开裂控制有一定的参考价值。     

减振扣件对地铁隧道-地表振动特性影响分析

研究目的:不同减振扣件对地铁隧道-地表环境振动的减振效果特性有所差异,列车运行引起的隧道和地表的振动在时域和频域上有较大区别,目前对减振扣件减振效果评价多采用不同断面进行对比分析,但其结果会受到隧道断面周围结构的影响。基于此,本文通过对普通扣件和减振扣件下列车运行引起的隧道结构及地表振动进行现场实测分析,并建立车辆-轨道-隧道-大地耦合动力分析数值模型,研究减振扣件对隧道结构-地表的减振效果。研究结论:(1)减振扣件能有效控制道床和隧道壁上的振动响应,当采用减振扣件后,道床上峰值变小且峰值出现频段向低频偏移,隧道壁上减振扣件在卓越频率范围内出现振动放大现象;(2)地面测点的振动加速度峰值和Z振级随距离振源的位置增加呈现出减小的趋势,但是在15~30 m范围内出现增大的现象,说明在该区域范围内出现振动放大的现象,但放大区间有所不同,应根据具体工程选择合适的扣件;(3)地面同一测点振动加速度峰值和Z振级呈现出W形的变化趋势,因此在进行地面振动控制时应充分考虑控制点所处位置,根据具体情况采用合理的控制措施;(4)本研究成果可为轨道交通中隧道和地表振动控制措施选择提供理论依据。