軌道交通計(jì)軸功能模擬仿真系統(tǒng)設(shè)計(jì)

顧家泉 李立明

［摘要］簡(jiǎn)要介紹基于計(jì)軸的軌道交通控制仿真系統(tǒng)的組成與結(jié)構(gòu)，深入分析仿真系統(tǒng)中對(duì)現(xiàn)有軌道交通計(jì)軸系統(tǒng)以及相關(guān)信號(hào)控制設(shè)備的仿真思路，闡述了仿真系統(tǒng)的實(shí)用價(jià)值和現(xiàn)實(shí)意義。

［關(guān)鍵詞］軌道交通計(jì)軸

［中圖分類號(hào)］U284.47［文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼］A［文章編號(hào)］2095-3437（2014）12-0083-02 引言

計(jì)軸系統(tǒng)是廣泛應(yīng)用于鐵路與城市軌道交通信號(hào)系統(tǒng)中的用于檢測(cè)列車位置的基礎(chǔ)設(shè)備，其主要功能是通過(guò)檢測(cè)車軸經(jīng)過(guò)車輪傳感器產(chǎn)生的輪軸脈沖，判斷由兩個(gè)計(jì)軸器組成的計(jì)軸區(qū)段內(nèi)的車軸數(shù)量，從而給出計(jì)軸區(qū)段的列車占用/空閑狀態(tài)。

軌道交通計(jì)軸功能模擬仿真系統(tǒng)根據(jù)計(jì)軸工作原理，在沙盤模型模擬列車轉(zhuǎn)向架通過(guò)計(jì)軸區(qū)段時(shí)實(shí)際計(jì)軸系統(tǒng)的運(yùn)行工況，完全將運(yùn)用計(jì)軸作為列車位置檢測(cè)設(shè)備的列車運(yùn)行控制系統(tǒng)的工作狀況展現(xiàn)出來(lái)，以滿足課堂教學(xué)展示，實(shí)驗(yàn)仿真模擬的實(shí)際需求，著力解決信號(hào)系統(tǒng)中計(jì)軸設(shè)備原理抽象、課堂理論教學(xué)難以講授的關(guān)鍵問(wèn)題。

一、計(jì)軸工作原理

城市軌道交通計(jì)軸系統(tǒng)主要由車輪傳感器、軌旁電子盒及室內(nèi)控制單元組成。車輪傳感器安裝在鋼軌的軌腰上，當(dāng)車輪傳感器工作時(shí)，發(fā)送端產(chǎn)生一定強(qiáng)度的磁場(chǎng)并被接收端接收，當(dāng)有車輪經(jīng)過(guò)傳感器時(shí)，接受端所接受的磁場(chǎng)發(fā)生變化，由此產(chǎn)生輪軸脈沖，經(jīng)軌旁電子盒初步處理后送室內(nèi)控制單元進(jìn)行運(yùn)算，從而得出一個(gè)計(jì)軸區(qū)段內(nèi)的車軸數(shù)量，并將計(jì)軸區(qū)段的占用/空閑狀態(tài)傳送給列車運(yùn)行控制設(shè)備。

當(dāng)列車運(yùn)行控制設(shè)備獲得計(jì)軸系統(tǒng)送來(lái)的區(qū)段狀態(tài)后，控制軌旁信號(hào)機(jī)點(diǎn)燈以向司機(jī)傳達(dá)是否準(zhǔn)許進(jìn)入前方計(jì)軸區(qū)段的命令，同時(shí)控制行車值班員監(jiān)視面板上的計(jì)軸區(qū)段光帶亮滅供運(yùn)營(yíng)人員監(jiān)督當(dāng)前列車位置。

二、仿真系統(tǒng)需求

根據(jù)實(shí)際工作原理及教學(xué)展示要求，仿真系統(tǒng)的功能需求主要包括以下內(nèi)容：

● 運(yùn)用計(jì)軸原理檢測(cè)列車位置，模擬軌道交通信號(hào)控制；

● 在控制顯示面板（以下簡(jiǎn)稱“面板”）上顯示信號(hào)機(jī)狀態(tài)、計(jì)軸區(qū)段狀態(tài)以及區(qū)段內(nèi)車軸數(shù)量；

仿真系統(tǒng)的整體組成及控制系統(tǒng)采用如下方案：

仿真系統(tǒng)的鋼軌及車輛轉(zhuǎn)向架采用高仿真的制式模型，計(jì)軸器采用光電門傳感器。將光電門傳感器固定在硬質(zhì)塑料板上，共劃分為四段計(jì)軸區(qū)段，鋼軌模型穿過(guò)傳感器的門式缺口并固定在合適位置，使得模擬轉(zhuǎn)向架模型在鋼軌上運(yùn)行經(jīng)過(guò)門式時(shí)缺口恰能夠遮擋住光電門的發(fā)光元件產(chǎn)生矩形脈沖。

在仿真系統(tǒng)中，計(jì)軸器的車軸脈沖處理、區(qū)段狀態(tài)評(píng)估以及信號(hào)機(jī)、光帶的控制均由51單片機(jī)集中完成以簡(jiǎn)化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。模擬計(jì)軸器的光電門傳感器直接與51單片機(jī)連接作為控制系統(tǒng)的輸入，51單片機(jī)根據(jù)預(yù)設(shè)的程序進(jìn)行處理后驅(qū)動(dòng)各面板上的輸出顯示元件。

仿真系統(tǒng)設(shè)置一塊控制顯示面板以展示各軌旁設(shè)備的實(shí)時(shí)工作狀態(tài)。仿真系統(tǒng)的控制顯示面板如圖1所示：

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圖1仿真系統(tǒng)的控制顯示面板

三、 計(jì)軸仿真設(shè)計(jì)

根據(jù)實(shí)際原理，每個(gè)計(jì)軸點(diǎn)設(shè)兩個(gè)光電門傳感器，以檢測(cè)輪軸脈沖并判斷列車運(yùn)行方向。一個(gè)計(jì)軸區(qū)段由兩個(gè)相鄰的計(jì)軸點(diǎn)構(gòu)成。

光電門傳感器的特性是當(dāng)中部的門式缺口未被遮擋時(shí)，輸出端輸出高電平（+5V），當(dāng)被遮擋后，輸出低電平（0V）。由于一個(gè)計(jì)軸點(diǎn)的兩個(gè)傳感器并排放置，當(dāng)車輪經(jīng)過(guò)缺口時(shí)，某個(gè)時(shí)段會(huì)存在兩個(gè)傳感器同時(shí)反相，當(dāng)51單片機(jī)同時(shí)檢測(cè)到兩個(gè)傳感器為低電平時(shí)，認(rèn)為產(chǎn)生了一個(gè)輪軸脈沖，并通過(guò)檢測(cè)兩個(gè)傳感器反相的先后順序，確定列車運(yùn)行的方向。

對(duì)于一個(gè)計(jì)軸點(diǎn)而言，既參與構(gòu)成左側(cè)的計(jì)軸區(qū)段，也參與構(gòu)成，因此，一個(gè)計(jì)軸點(diǎn)需要對(duì)參與左右區(qū)段運(yùn)算的輪軸脈沖分設(shè)兩個(gè)變量，而對(duì)于一個(gè)區(qū)段而言，存在進(jìn)入?yún)^(qū)段（加軸運(yùn)算）以及離開(kāi)區(qū)段（減軸運(yùn)算）兩種方式。綜上，對(duì)于第N個(gè)計(jì)軸點(diǎn)，總共需要四個(gè)變量記錄車軸脈沖的數(shù)量：左區(qū)段減軸變量N_DEC_L、右區(qū)段減軸變量N_ADD_R、左區(qū)段減軸變量N_ADD_L、右區(qū)段減軸變量N_DEC_R。如圖2所示，區(qū)段I的軸數(shù)計(jì)算公式為：

區(qū)段I軸數(shù)=1_ADD_R+2_DEC_L-1_DEC_R-2_ADD_R。

當(dāng)列車經(jīng)過(guò)區(qū)段I運(yùn)行過(guò)程中， 處于A、B、C、D、E五個(gè)位置時(shí)各變量的值如表1所示。

表1列車經(jīng)過(guò)區(qū)段I運(yùn)行各過(guò)程計(jì)軸變量變化表

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由于計(jì)軸點(diǎn)設(shè)置的四個(gè)變量均作單向累加運(yùn)算，為防止軸數(shù)過(guò)多導(dǎo)致變量溢出，當(dāng)證明計(jì)軸區(qū)段空閑后，各區(qū)段相關(guān)的四個(gè)變量進(jìn)行自動(dòng)清零重新開(kāi)始計(jì)數(shù)。

仿真系統(tǒng)信號(hào)機(jī)按“雙紅燈防護(hù)”規(guī)則點(diǎn)亮，以保證一列車后方至少存在兩個(gè)紅燈進(jìn)行防護(hù)。

四、 結(jié)語(yǔ)

整個(gè)仿真系統(tǒng)巧妙地將列車、軌道、計(jì)軸系統(tǒng)以及其它控制設(shè)備濃縮于一個(gè)小型的沙盤模型之中，在原理設(shè)計(jì)、硬件布置、模擬仿真等環(huán)節(jié)中充分考慮仿真系統(tǒng)的真實(shí)性及可看性，在課堂演示中取得了很好的效果，為整個(gè)軌道交通信號(hào)專業(yè)的理論教學(xué)提供了一種值得借鑒的方式，也為制作其它信號(hào)設(shè)備仿真演示系統(tǒng)積累了十分寶貴的經(jīng)驗(yàn)。

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［責(zé)任編輯：左蕓］