列車運行前方動態監控系統設計

王鵬，兀偉，敬偉，王航宇

（1.西安工業大學電子信息工程學院，陜西西安710032；2.西安航空職業技術學院電子工程系，陜西西安710089）

隨著通信與測控、以及自動化技術的發展和業務不斷增加，列車運行監控裝置種把計算機技術應用于鐵路行車安全的車載電子設備，以實現列車自動防護系統的功能。它能夠接收地面信息，具有列車運行速度的監控、記錄、顯示等功能，能有效防止列車超速及保證列車及時停車，并能通無線傳輸的方式在地面計算機上以圖形曲線、數字報表等形式再現列車運行過程，為分析機車運用質量、電務和工務設備質量、車務及調度工作質量等提供依據，便于機務部門進行科學化、現代化管理，有助于提高機務管理干部及機車乘務員的綜合技術水平。因此，機車運行監控裝置也得到不斷的發展和完善，按照整體規劃、資源方便分期建設的思路考慮形成了列車運行前方動態監視監控系統[1]。

1 列車運行前方動態監控系統設計要求[2]

1）識別功能：兩個攝像裝置送來的機車前方圖像進行處理，完成線路、股道上景物的識別。

2）監控功能：可以實施對機車運行的監控，并且通過語音和現實等方式提示和報警；

3）記錄功能：列車行進間的圖像信息和日期、時間、機型、機車號、裝置編號、出現險情時的速度、公里標、最近一架信號機編號等數據信息

4）傳輸功能：可以通過鐵路專用網絡實現車載設備與地面設備的信息交互；

5）人機交互功能：可以對設備進行設定參數，并且在屏幕上顯示當前機車速度及速度曲線、公里標、燈型、機車前方線路上3～5 km內目標對象、本設備單元故障提示、機車運行方向等工況信息、實時時鐘等相關信息。

6）可以在顯示屏上以數字或圖形形式直觀、真實、實時反映進路上的所有圖像畫面。并且能夠反映出距各種最近的障礙物、色燈、標志牌等目標距機車的精確距離等信息。

7）通過語音方式提示和報警，還可通過顯示方式在顯示屏上顯示出來，并控制機車減速或停車，對機車實施常用制動和緊急制動。

2 監控系統組成

本系統由電源單元，監控單元，圖像采集單元，圖像數據傳輸單元，預留接口，操作終端等幾部分組成，其結構圖如圖1所示。

圖1 系統結構框圖Fig.1 Structure block diagram of system

1）電源單元主要負責給各個單元供電，可滿足DC24 V和DC110 V輸入，功率250 W；

除此之外，休閑運動還需要學校予以一定的支持，為學生進行休閑運動提供良好的場地條件，教師也應該加強對于休閑運動方式、項目的研究，從而以更加專業化的形式給予學生正確的指導。學校也可以定期舉辦休閑運動項目的活動，如組織學生在節假日，一起走出校門和深入大自然之中，開展郊游、登山、騎山地自行車、徒步越野等一系列空域、陸域、水域休閑體育項目。這些休閑項目操作簡單，對于學生的要求較低，而且這些休閑體育項目都是對于日常基本動作技能的練習，對于學生日常生活有著很好的幫助，能夠使學生在日常生活當中也進行自身的鍛煉，加強了學生的身體素質。

2）監控單元可根據圖像單元對景物識別結果得到的相應信息進行分類識別處理，通過操作終端顯示，并且根據實時情況可以通過制動執行機構對列車發出停車或減速指令；

3）圖像采集單元主要完成對機車前方動態目標的捕捉，并且對實時圖像的處理和存儲；

4）圖像數據傳輸單元主要負責圖像和數據信息實時傳輸，并且可以接收地面設備向車載設備傳輸各種指令；

5）操作終端主要實現人機信息的交互。

3 系統設計

3.1 硬件設計

3.1.1 微 處理器的選擇

本系統中的CPU采用性能強大的混合信號系統級主板S3C2440。選擇這種主板，主要考慮以下幾點：

1）列車制動時，制動管及制動缸的壓力變化非常快，監視這兩路壓力變化的過程要求采樣速率小于1/100 s，且制動壓力范圍大，因此需要16位A/D，該主板自帶多通道16位A/D，轉換速率為100 ksps，完全滿足實際需求。

3）該主板具有內置的兩路帶回差的模擬比較器可方便的用于列車啟動自動喚醒。

4）列車運行當中有大量的圖像和實時數據需要處理，所以計算工作量大，實時性要求高，而S3C2440采用流水線指令結構，70%指令執行時間為一個或兩個系統時鐘周期，使用400 MHz主頻，指令周期平均執行時間只有0.01 μs，可以很好地滿足系統速度快、精度高的要求。

3.1.2 系 統硬件結構

系統硬件結構如圖2所示[3-5]。

圖2 硬件結構圖Fig.2 Block diagram of system hardware

列車運行前方動態監控系統硬件部分主要由主控板、紅外熱成像攝像機、圖像數據傳輸模塊組成。紅外熱成像攝像機采用FILR T400，攝像機通過RS232與主控板連接，通過串口命令方式控制攝像機的動作，然后通過高速傳輸接口，把拍攝圖像傳入大容量存儲器中。圖像數據傳輸模塊采用雙卡V7000網絡視頻編碼器，它是一個集視頻采集、實時壓縮、無線傳輸等功能為一體的嵌入式設備，設備接通電源之后就可以獨立工作，首先把采集的視頻圖像經H.264算法進行壓縮編碼，然后將壓縮后的視頻數據傳輸到視頻監控流媒體服務器中，用戶可以通過客戶端監控軟件登錄流媒體服務器進行實時視頻瀏覽、監控和管理。主控板通過RS232與V7000連接，通過串口命令控制實時圖像和數據的發生與接收。

3.1.3 電 路原理圖

硬件電路以S3C2440為核心，包括硬盤接口電路，調試接口電路，振蕩電路，復位電路，控制開關矩陣接口，數傳模塊接口電路，視頻采集接口和計算機通訊接口[6]，如圖3所示。

S3C2440為32位CMOS微處理器，具有豐富的資源，引腳多達289個，因篇幅有限，本文僅給出部分關鍵的連接引腳，其他引腳未在圖中畫出。圖中74LCX16245為低電壓雙向總線驅動器，電源電路2.3～3.6 V，本文用3.3 V，端口可接受5 V電壓。用于連接CPU和硬盤的IDE接口。JTAG接口用于軟件調試。控制開關為4×4開關矩陣，開關矩陣未在圖中畫出，僅給出接口。系統時鐘12 MHz，32 768 Hz用于實時時鐘。CPU復位采用上電復位。數傳模塊接口用于連接短距離無線通訊模塊。MAX232是TTL電平和RS232電平的轉換芯片，可以直接和計算機通訊。狀態指示可提示3種信息，分別是運行、報警和故障。運行和故障由指示燈實現，報警由蜂鳴器實現。

3.2 軟件設計

在本系統中操作系統平臺采用MICROSOFT WINDOWS CE，軟件開發平臺采用EVC，界面設計符合一般操作習慣。主控軟件主要包括文件管理模塊、控制模塊、信息處理模塊、異常處理模塊等4個部分。軟件框架如圖4所示。

1）文件管理模塊①信息（包括列車運行數據，車輛報警信息）存儲、處理、轉存等；②相關語音信息存儲。

圖3 硬件原理圖Fig.3 Schematic of hardware

圖4 系統軟件框圖Fig.4 Block diagram of system software

2）控制模塊①報警信息控制；②控制機車減速或停車，對機車實施常用制動和緊急制動；③圖像的實時傳輸；④列車運行數據實時傳輸；⑤主控與圖像采集單元信息交互；⑥主控與MMI信息交互；⑦列車運行相關參數設置。

3）信息處理模塊①列車運行工況信息發送、接收；②TAX箱數據接收；③故障儀數據接收；④列車運行速度采集；⑤圖像采集單元數據發送、接收；⑥制動曲線計算；⑦列車行駛當中三種狀態的處理。

4）異常處理模塊①當主設備出現異常，立即啟動從機，使得整個系統保持連續工作；②當接口（串口，I/O等）出現數據異常，采取重發機制，保證系統數據正常。

4 運行界面

系統運行界面如圖5所示，屏幕上進行以下綜合信息顯示：1）當前機車速度及速度曲線、公里標、燈型；2）機車前方線路上3～5 km內目標對象及距離；3）目標對象的性質和安全等級；4）本設備單元故障提示；5）機車運行方向等工況信息；6）實時時鐘。

5 結束語

圖5 系統運行界面Fig.5 System operation interface

作為列車安全運行設備，列車運行前方動態監控系統有效地對列車安全運行進行實時監控。實際運行結果表明，系統各模塊工作正常，統功能完備，技術先進，使用方便可靠，性能良好，達到了對列車運行過程實施監控的目的，實現了機車運行管理自動化和機車操縱規范化。由于系統采用的模塊化的思想，所以系統中模塊的劃分清晰且功能直觀，各項功能的添加、剪裁以及參數修改等維護工作也十分方便，滿足的了現場使用要求。對我國列車監控系統的開發研究具有重要的意義。

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