基于狀態機的計軸處理模型研究＊

高 玉 王洪波

（1.西安鐵路職業技術學院電子信息系，710014，西安；2.西安市地下鐵道有限責任公司，710018，西安∥第一作者，高級講師）

目前城市軌道交通信號系統廣泛采用基于無線通信的列車自動控制（CBTC）技術。由于計軸器具有設備安裝簡單、抗干擾能力強、不受軌道和供電回流條件限制等特點，CBTC通常采用計軸器代替軌道電路實現軌道區段空閑／占用檢查。西門子ACM100型計軸器利用車輪有限狀態機模型進行車輪運行方向的判斷和車軸計數的處理，有效地提高了計軸系統的抗干擾能力和容錯能力。

1 車輪傳感器原理

ACM100型計軸器由軌旁設備和室內設備組成。軌旁設備包括雙置車輪傳感器（WSD）、電纜連接盒等設備；室內設備包括計軸處理模塊（ACMs）、電源系統及以太網交換機等設備。多套ACMs通過以太網接口組成一個計軸系統。

WSD內裝兩個檢測單元，每個檢測單元都有一個LC振蕩電路，其通電工作時，即在WSD周圍產生電磁場。當車輪進入磁場范圍時，引起磁場變化，檢測單元檢測到此變化即在 WSD輸出端產生脈沖信號。該信號通過專用電纜向ACMs傳送，ACMs對接收到的脈沖信號時序和車輪有限狀態機（FSM）進行評估，可判斷車輪運行方向，實現車軸計數。此外ACMs通過比較駛入軌道區段車輪的計入值與駛出軌道區段車輪的計出值，可判別軌道區段空閑／占用狀態，并通過軌道繼電器接點提供給聯鎖系統。WSD裝置原理如圖1所示。

圖1 車輪傳感器原理

WSD的兩個檢測單元間隔一定距離安裝，使兩個檢測單元延時觸發信號。ACMs根據兩個檢測單元觸發信號的順序來判斷車輪運行方向。如果車輪從左向右通過WSD，車輪未接近WSD時，兩個檢測單元都不觸發信號，如圖2a）中的①；當車輪接近WSD時，左側檢測單元首先觸發信號，如圖2a）中的②；當車輪處于兩個檢測單元正上方時，兩個檢測單元都觸發信號，如圖2a）中的③；車輪繼續運行，左側檢測單元觸發信號消失，如圖2a）中的④；當車輪駛離 WSD時，兩個檢測單元觸發信號都消失，如圖2a）中的⑤。如果車輪從右向左通過WSD，檢測單元則按⑤－④－③－②－①順序觸發信號；如果檢測單元按①－②－③－②－①順序觸發信號，說明車輪在 WSD上方進行了折返運行。

2 車輪有限狀態機

ACM100型計軸器的FSM由無脈沖信號、通道1觸發信號、雙通道觸發信號、通道2觸發信號等4種狀態組成，如圖3所示。FSM狀態與圖2所示的WSD檢測信號觸發過程一致。對于單通道觸發信號狀態，即通道1觸發信號或通道2觸發信號狀態，根據前一狀態的類型其又可分為前狀態－無脈沖信號和前狀態－雙通道觸發信號2個子狀態。當車輪通過WSD時，FSM狀態按一定方向和順序進行周期轉換。FSM有5個計數器，分別以r、i、g、x、a表示計數，用于FSM狀態和車軸的統計。

圖2 車輪傳感器檢測信號觸發原理

圖3 車輪有限狀態機

（1）若車輪從左向右通過 WSD，每個FSM狀態按順時針方向轉換一周，r則遞增4；

（2）若車輪從右向左通過 WSD，每個FSM狀態按逆時針方向轉換一周，i則遞增4；

（3）若FSM狀態在通道1觸發信號和通道1觸發信號之間進行轉換，x則遞增1；

（4）若FSM狀態在無脈沖信號和雙通道觸發信號之間進行轉換，g則遞增1；

（5）a為當前一組車軸的計數值，每當FSM從無脈沖信號狀態開始，轉換到雙通道觸發信號狀態，又再次轉換到無脈沖信號狀態，a則遞增1。

3 車輪有限狀態機評估

車輪檢測單元故障、電源電壓波動、列車制動產生的電磁波干擾，以及車輪折返可導致WSD不能觸發信號，或者車軸計數錯誤。ACMs對WSD檢測信號和FSM進行評估，可有效地消除干擾因素對車軸計數的影響。如果以下3個條件之一滿足，說明FSM狀態較長時間未發生變化，ACMs即開始對當前采集到的一組檢測信號的時序和FSM進行評估。

（1）條件1：若 WSD觸發一個檢測信號后，超過tcoll（1 s）時間沒有再觸發新的檢測信號，見圖4a），可判斷列車已全部通過WSD。

（2）條件2：若WSD單通道觸發信號或雙通道觸發信號的脈沖寬度大于tstat（0.1 s），見圖4b），可判斷車輪以較慢速度通過WSD。

（3）條件3：若WSD兩個通道觸發脈沖信號下降沿的間隔時間大于ttrail（12 ms），見圖4c），可判斷車輪以較慢速度通過WSD。

圖4 車輪檢測信號時序

3.1 車輪檢測信號時序評估

ACMs對WSD檢測信號時序進行評估，可以監測WSD故障和干擾導致的計軸錯誤，保證車軸計數結果的正確性。

3.1.1 檢測信號脈沖寬度評估

如果當前一組檢測信號中有寬度大于tshort（≤12 ms）的脈沖，無論對駛入軌道區段車輪的計入，還是對駛出軌道區段車輪的計出，ACMs都應向聯鎖系統給出軌道區段占用表示；如果當前一組檢測信號中有寬度小于tshort（≤12 ms）的脈沖，則可判斷該脈沖為雜散干擾信號，應被忽略，見圖4b）。

3.1.2 最短脈沖序列長度評估

如果當前一組檢測信號的總長度T小于tshort（條件1），見圖4d），則可判斷該組脈沖既不是由多個車輪觸發產生，也不是由單個車輪觸發產生，其應作為雜散干擾信號被忽略。說明如下：

（1）列車最高運行速度可達到vmax＝400 k m／h，如果列車以此速度運行，則要求車輪的輪徑大于865 mm。該輪徑的車輪觸發檢測信號的長度為wmin／865＋dsmin，可計算出一節車輛的車輪觸發信號的總長度

式中：

wmin／865——最大輪徑為865 mm的車輪使單個檢測單元觸發信號的長度，通常 wmin／865≥340 mm；

dsmin——兩個檢測單元觸發信號的間隔距離，通常dsmin≥50 mm。

列車運行速度越低，L值越小，根據式（1）、式（2）計算出

式中Ln為車輛第一個車輪中心到最后一個車輪中心距離。一節車輛至少包括一個固定軸距DL（≥2.1 m），因此Ln應大于DL，顯然與式（3）矛盾，由此可判斷該組脈沖不是由多個車輪觸發產生。

（2）車輪運行速度v＝（wmin／865＋dsmin）／T。由于T≤tshort，可計算出 v≥（wmin／865＋dsmin）／tshort。由于列車相鄰車軸間距dnb≤20 m，可計算出兩個相鄰車輪觸發檢測信號的最大間隔時間T′≤dnb／［（wmin／865＋dsmin）／tshort］，計算結果 T′≤0.615 s。由于T′≤tcoll，可判斷該組檢測信號不是由單個車輪觸發產生，而是由多個車輪觸發產生，因此T≥T′；此外T′≥tshort，計算出T≥tshort，計算結果與條件1矛盾，由此也可判斷該組脈沖不是由單個車輪觸發產生。

3.2 車軸計數值評估

ACMs對FSM計數器進行評估，可判斷車輪運行方向，實現車軸計數。若車軸計數器a等于零，說明WSD未觸發雙通道信號，則ACMs不計軸；若a不等于零，可判斷有車輪通過 WSD，通過比較r和i可確定車軸計數值，結果如下：

（1）若r＝i，可判斷車輪在 WSD上方進行了折返，則該車軸不計數。

（2）若r≥i，且r為z值的4倍，g和x均保持為零，則可判斷車輪從左向右通過WSD，FSM狀態按圖2a）中①－②－③－④－⑤順序進行了無故障遍歷，車軸計數結果正確，總計軸值增加a。

（3）若i≤r，且i為a值的4倍，g和x均保持為零，則可判斷車輪從右向左通過WSD，FSM狀態按圖2a）中⑤－④－③－②－①順序進行了無故障遍歷，車軸計數結果正確，總計軸值減去a。

3.3 計軸錯誤監測

ACMs對FSM計數器進行評估，可監測WSD故障和各種干擾導致的計軸錯誤。一旦計軸出現錯誤，ACMs依據故障－安全原則給出軌道區段占用表示。

（1）車輪傳感器供電故障。計軸器電源電壓波動或WSD連接電纜斷裂都會對車輪傳感器供電產生影響，導致兩個檢測單元同時觸發信號。當供電恢復后，兩個檢測單元觸發信號又同時消失，使g遞增1。因此若g≠0，則可以判斷 WSD供電發生故障，ACMs應給出軌道區段占用表示。

（2）列車渦流制動干擾。列車渦流制動產生的電磁干擾可觸發單通道信號，導致FSM產生與正常方向相反的狀態轉換。一旦渦流制動產生的隨機干擾量超過規定值，ACMs應給出軌道區段占用表示。通常渦流制動導致FSM狀態轉換錯誤的允許次數小于1＋a／rimax，其中rimax為受渦流制動干擾的車輪數。

3.4 折返車輪評估

列車折返過程包括列車正向運行、減速停穩、改變運行方向、反向運行等過程。列車折返分為在WSD上方有車輪折返和在WSD上方無車輪折返2種類型。

3.4.1 WSD上方有車輪的列車折返

若r＝i，則可判斷列車折返時有車輪在 WSD上方，這種情況可導致折返車輪計軸錯誤，ACMs應給出軌道區段占用表示。

1）車輪運行到WSD正上方觸發雙通道信號后折返。

（1）若折返車輪觸發信號的脈沖寬度大于tstat，則該車輪不參與當前一組車輪的評估，需要單獨評估；

（2）若列車折返時加速快，該車輪正向和反向運行2次觸發雙通道信號的時間tstat正和tstat反均小于0.1 s，則車輪從反向運行開始到駛離WSD時的最長時間為tstat正＋tstat反＋ttrail反，車輪速度最大可加速到（tstat正＋tstat反＋ttrail反）×bmax，其中bmax（≤3 m／s2）為列車反向運行的最大起動加速度?？捎嬎愠鰞蓚€通道脈沖信號下降沿的最小間隔時間為dsmin／［（tstat正＋tstat反＋ttrail反）×bmax］＝78.6 ms。由于計算結果大于ttrail，該車輪不參與當前一組車輪的評估，需要單獨評估。

2）對于車輪的一部分駛入WSD位置，只觸發了單通道信號就開始折返。由于該車輪正向運行和反向運行兩次觸發信號的運行方向不同，該車輪不計入到當前一組車軸。說明如下：

（1）若折返車輪正向運行觸發單通道信號的時間tstat正≥tstat，或者車輪通過WSD后無通道觸發信號的時間大于tcoll，或者車輪反向運行觸發單通道或雙通道信號的時間tstat反大于0.1 s，或者車輪反向運行觸發雙通道脈沖信號下降沿的間隔時間大于ttrail，ACMs則重新開始對下一組車軸進行計數。

（2）若列車折返加速快，該車輪正向和反向運行2次觸發雙通道信號的時間tstat正和tstat反小于0.1 s，則車輪從折返開始到駛離 WSD時的最長時間為tstat正＋tcoll＋tstat反＋tstat反＋ttrail反，車輪速度最大可加速到（tstat正＋tcoll＋tstat反＋tstat反＋ttrail反）×bmax?？捎嬎愠鰞蓚€通道脈沖信號下降沿的最小間

隔時間為dsmin／［（tstat正＋tcoll＋tstat反＋tstat反＋ttrail反）×bmax］＝12.7 ms。由于計算結果大于ttrail，ACMs重新開始對下一組車軸進行計數。

3.4.2 WSD上方無車輪的列車折返

如果列車折返時在 WSD上方沒有車輪，由于折返車輪正向運行和反向運行兩次觸發信號的運行方向不同，該車輪不計入當前一組車軸。說明如下：

1）若折返車輪改變運行方向期間，無通道觸發信號的時間大于tcoll，或者車輪折返后，反向運行觸發單通道或雙通道信號的時間tstat反大于0.1 s，或者車輪反向運行觸發雙通道脈沖信號下降沿的間隔時間大于ttrail，ACMs則重新開始對下一組車軸進行計數。

2）若列車折返時加速快，折返車輪反向運行觸發信號的時間均小于0.1 s，則車輪從折返開始到駛離 WSD時的最長時間為tcoll＋tstat反＋tstat反＋ttrail反，車輪速度最大可加速到（tcoll＋tstat反＋tstat反＋ttrail反）×bmax。可計算出兩個通道脈沖信號下降沿的最小間隔時間為dsmin／［（tcoll＋tstat反＋tstat反＋ttrail反）×bmax］＝13.8 ms，由于結果大于ttrail（12 ms），ACMs重新開始對下一組車軸進行計數。

4 結語

西安地鐵1號線CBTC系統采用了西門子新型ACM100計軸器，實現軌道區段空閑／占用檢查。目前CBTC系統已開通運行近1年，計軸器工作穩定，各項技術指標和功能均達到了相關技術標準和規范的要求。計軸器在城市軌道交通領域具有廣闊的發展前景，國內供應商有必要借鑒國外計軸器的先進技術，進一步研究和優化計軸處理模型，不斷提高國產計軸器的技術水平。

［1］ 鐘小偉.西門子AzS（M）350 M 型微機計軸設備系統［J］.都市快軌交通，2004（s1）：116.

［2］ 馮圣華.計軸系統在廣州地鐵中的應用［J］.都市快軌交通，2006（6）：80.