原萍 徐會(huì)彬 柴曉冬

摘要：計(jì)軸器作為軌道交通信號(hào)的基礎(chǔ)設(shè)備已經(jīng)在不同工程環(huán)境和線路條件下廣泛應(yīng)用。本文結(jié)合軌道交通信號(hào)與控制專業(yè)信號(hào)基礎(chǔ)課程教學(xué)中涉及的計(jì)軸器進(jìn)行詳析，主要介紹計(jì)軸器組成、原理及其軟件設(shè)計(jì)。以此為實(shí)現(xiàn)著眼服務(wù)工程以培養(yǎng)解決實(shí)際問(wèn)題為終極目標(biāo)的，強(qiáng)調(diào)實(shí)用的信號(hào)基礎(chǔ)實(shí)踐教學(xué)建設(shè)之目的。

關(guān)鍵詞：城市軌道交通；基于通信的列車控制系統(tǒng)；計(jì)軸器

中圖分類號(hào)：G642.3 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1674-9324（2015）49-0078-02

一、引言

上海工程技術(shù)大學(xué)城市軌道交通信號(hào)與控制專業(yè)是“卓越工程師”試點(diǎn)專業(yè)，專業(yè)培養(yǎng)與上海申通地鐵集團(tuán)建立了密切的合作關(guān)系，依托申通集團(tuán)維保通號(hào)公司的場(chǎng)地、技術(shù)和設(shè)備等資源，開展了專業(yè)實(shí)習(xí)基地的建設(shè)，現(xiàn)已建成蒲匯塘實(shí)訓(xùn)中心和梅隴實(shí)訓(xùn)中心。2014年已經(jīng)有53名卓越班學(xué)生在基地完成了19周的專業(yè)實(shí)習(xí)項(xiàng)目3個(gè)，其中涉及到計(jì)軸器的實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目。此外，與上海申通地鐵集團(tuán)有限公司培訓(xùn)中心合作，建設(shè)的地鐵試驗(yàn)線包含無(wú)源信標(biāo)、有源信標(biāo)、計(jì)軸器、無(wú)線接入節(jié)點(diǎn)AP（Access Point）、波導(dǎo)管等信號(hào)硬件設(shè)備，同時(shí)配備的卡斯柯CBTC信號(hào)系統(tǒng)和泰雷茲CBTC信號(hào)系統(tǒng)都是以計(jì)軸器為后備模式的。為此，有必要對(duì)計(jì)軸器做深入認(rèn)識(shí)。

二、計(jì)軸器的特點(diǎn)

計(jì)軸器同軌道電路一樣是用于檢測(cè)區(qū)間空閑與否的設(shè)備，經(jīng)驗(yàn)表明，計(jì)軸的可用性一般都達(dá)到了完全同樣功能的軌道電路的五倍以上。也就是說(shuō)它與軌道電路相比有很多優(yōu)點(diǎn)?？蓺w納如下：

1.不受道床電阻影響；

2.鋼軌表面生銹不會(huì)影響對(duì)列車的檢測(cè)；

3.對(duì)軌道區(qū)段的長(zhǎng)度沒(méi)有限制，其防護(hù)區(qū)段長(zhǎng)度可達(dá)20km；

4.牽引回流和接地線連接無(wú)限制；

5.磁頭可靠性和抗干擾能力較強(qiáng)；

6.可適應(yīng)列車高速行駛；

7.軟硬件均采用模塊化設(shè)計(jì)，所以現(xiàn)場(chǎng)配置靈活；

8.具有自我診斷和報(bào)警功能。

三、計(jì)軸器的組成與結(jié)構(gòu)

計(jì)軸器由室內(nèi)設(shè)備和室外設(shè)備組成。室內(nèi)設(shè)備即用于計(jì)數(shù)處理的計(jì)軸主機(jī)（簡(jiǎn)稱ACE）；室外設(shè)備由計(jì)軸點(diǎn)設(shè)備組成，計(jì)軸點(diǎn)設(shè)備包括安裝在鋼軌腰線上的磁頭（簡(jiǎn)稱SK）和安放電子檢測(cè)器（簡(jiǎn)稱EAK）的電子盒。

（一）磁頭

磁頭是依據(jù)電磁感應(yīng)原理，利用列車走行輪對(duì)引起線圈中磁場(chǎng)的變化從而實(shí)現(xiàn)將磁能轉(zhuǎn)換成電能的轉(zhuǎn)換裝置。饋送給發(fā)射磁頭的高頻電流產(chǎn)生的交變磁場(chǎng)繞過(guò)鋼軌在接收磁頭感應(yīng)出交變磁場(chǎng)，發(fā)送線圈T所產(chǎn)生的磁通環(huán)繞過(guò)鋼軌后形成兩個(gè)磁通Ф1和Ф2，如圖1所示。Ф1和Ф2以不同的路徑相反的方向穿過(guò)接收線圈R，它們會(huì)隨著有無(wú)列車輪對(duì)通過(guò)磁頭而發(fā)生變化，當(dāng)無(wú)車輪切割磁力線時(shí)，Ф1大于Ф2，產(chǎn)生的感應(yīng)交流壓VR與勵(lì)磁電壓VT同頻同相，反義，有車通過(guò)時(shí)，Ф1小于Ф2，VR與VT同頻反相，此時(shí)由于輪緣的屏蔽作用，VR電壓幅度很低。工程中相位的變化通過(guò)安裝過(guò)程調(diào)整，計(jì)軸器也正是利用這種相位變化來(lái)檢測(cè)有無(wú)輪對(duì)通過(guò)計(jì)軸點(diǎn)，以便于EAK進(jìn)行判斷。

（二）電子檢測(cè)器

電子檢測(cè)器（EAK）除給磁頭供電和監(jiān)控磁頭工作外，主要用于檢測(cè)并計(jì)算輪軸脈沖，同時(shí)向計(jì)軸主機(jī)發(fā)送計(jì)數(shù)和監(jiān)控信息的報(bào)文。電子檢測(cè)器的工作部件實(shí)際是電子單元，主要由模擬板和ISDN板（母板運(yùn)算板）組成，其中模擬板負(fù)責(zé)生成發(fā)送信號(hào)、放大接收信號(hào)、調(diào)相、生成車輪脈沖、生成穩(wěn)壓輸出；模擬板接著將生成的車輪脈沖發(fā)送到ISDN板。ISDN板則負(fù)責(zé)計(jì)算車輪脈沖、判斷計(jì)數(shù)方向、監(jiān)督磁頭工作、監(jiān)督EAK自檢、編碼報(bào)文、使用ISDN協(xié)議向ACE機(jī)柜發(fā)送計(jì)數(shù)和診斷數(shù)據(jù)。另外，EAK的黃色部分是給電子單元加的外殼，很像給電子單元加的黃色罩子，所以一般也俗稱電子檢測(cè)器為黃帽子。

（三）計(jì)軸主機(jī)

計(jì)軸主機(jī)又稱計(jì)軸評(píng)估器（簡(jiǎn)記ACE），主機(jī)由ACE子架、電源板，CPU奔騰板（數(shù)據(jù)處理和監(jiān)視板板）、串行輸入輸出（I/O）板和并行I/O板（閉塞信息板），電源數(shù)據(jù)耦合單元（PDCU）等組成。其中串行I/O板用于計(jì)軸主機(jī)之間的連接，以及系統(tǒng)的狀態(tài)監(jiān)測(cè)。閉塞信息I/O板是計(jì)軸系統(tǒng)和聯(lián)鎖之間的數(shù)據(jù)接口板，所有進(jìn)出聯(lián)鎖的信息都要經(jīng)過(guò)該電路板。控制診斷板主要用于分析所接收到的車輪傳感器的信號(hào)，緩存來(lái)自磁頭的信息。數(shù)據(jù)處理和監(jiān)視板是中央處理單元，它以微處理器為核心構(gòu)成了故障-安全型微機(jī)系統(tǒng)，提供雙通道的監(jiān)控和比較功能。電源板為計(jì)軸主機(jī)（5v）和計(jì)軸檢測(cè)器（70V）供電。為了將室內(nèi)和室外設(shè)備從電氣上進(jìn)行隔離，每一個(gè)直接連接的車輪傳感器都需要一個(gè)與之相對(duì)應(yīng)的放大觸發(fā)和帶通濾波板。

四、計(jì)軸器工作原理

計(jì)軸器是以安裝在鋼軌軌腰上的磁頭為探測(cè)手段，直接計(jì)取和檢驗(yàn)通過(guò)列車的軸數(shù)，并通過(guò)運(yùn)算比較器判別計(jì)軸軌道區(qū)段是否有車占用的信號(hào)基礎(chǔ)設(shè)備。圖2是假設(shè)列車運(yùn)行方向由磁頭1指向磁頭2（由左向右）經(jīng)過(guò)雙磁頭時(shí)，兩組磁頭產(chǎn)生的二進(jìn)制軸脈沖，其組合成脈沖對(duì)有5種形態(tài)，即：00、10、11、01、00，顯然，“00”表示列車輪對(duì)未駛?cè)氪蓬^區(qū)域；“10”表示列車輪對(duì)先駛?cè)氪蓬^1，還未進(jìn)入磁頭2；“11”表示列車輪對(duì)同時(shí)切割磁頭1和磁頭2；“01”表示列車輪對(duì)已駛出磁頭1，但仍在磁頭2中；后面的“00”表示列車輪對(duì)駛出磁頭區(qū)域。因此相對(duì)于雙磁頭的磁頭1形成碼序列為01100，磁頭2碼序列為00110。計(jì)軸主機(jī)就是根據(jù)兩脈沖對(duì)的組合時(shí)序來(lái)確定列車的運(yùn)行方向。不難理解如果磁頭1形成碼序列為00110，磁頭2碼序列為01100，則列車先經(jīng)過(guò)磁頭2，所以列車運(yùn)行方向從右向左。計(jì)軸主機(jī)就是根據(jù)接收到1的先后順序，來(lái)判斷列車的運(yùn)行方向。

五、計(jì)軸系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

計(jì)軸系統(tǒng)是由線路上諸多計(jì)軸器構(gòu)成的多點(diǎn)計(jì)軸體系，它是以軟件為主的容錯(cuò)系統(tǒng)，實(shí)際中可以看到不同廠商設(shè)計(jì)出的計(jì)軸系統(tǒng)軟件和主機(jī)軟件不盡相同，但基本要求無(wú)外乎以下幾條。

一是計(jì)軸主機(jī)向指定的計(jì)軸器下發(fā)讀取軸數(shù)的命令，并對(duì)計(jì)軸器響應(yīng)后回送的數(shù)據(jù)報(bào)文進(jìn)行校驗(yàn)、解包，從而獲得軸數(shù)信息或計(jì)軸器錯(cuò)誤信息；

二是計(jì)軸主機(jī)向指定的輸出模塊下發(fā)寫模塊狀態(tài)命令，使模塊做相應(yīng)輸出；

三是計(jì)軸主機(jī)間通過(guò)局域網(wǎng)建立網(wǎng)絡(luò)連接，將計(jì)軸復(fù)零數(shù)據(jù)、計(jì)軸器軸數(shù)、區(qū)段占用運(yùn)算數(shù)據(jù)、軌道繼電器回采數(shù)據(jù)等互傳并比較，當(dāng)比較一致時(shí)將上述數(shù)據(jù)作為有效數(shù)據(jù)；否者做無(wú)效處理，給出相應(yīng)指示；

四是根據(jù)各區(qū)段的有效數(shù)據(jù)進(jìn)行列車運(yùn)行方向和軸數(shù)運(yùn)算，判斷列車運(yùn)行方向和區(qū)間是否占用，并控制區(qū)段軌道繼電器的動(dòng)作。

五是有效控制計(jì)軸器復(fù)零。

典型供應(yīng)商的計(jì)軸系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)一般采用面向?qū)ο蟮拈_發(fā)方法，而單一計(jì)軸主機(jī)軟件一般采用模塊化的生命周期法，主要包括需求分析、總體設(shè)計(jì)、詳細(xì)設(shè)計(jì)、編碼和測(cè)試維護(hù)等幾個(gè)階段，對(duì)模塊的劃分也遵循著高內(nèi)聚和低耦合的原則。

六、結(jié)論

計(jì)軸器作為CBTC系統(tǒng)的后備模式，主要用于實(shí)時(shí)檢查所防護(hù)軌道區(qū)段是占用還是空閑，其作用等效于軌道電路，但又勝過(guò)軌道電路，目前在我國(guó)城市軌道交通無(wú)論是新線建設(shè)還是既有線路的改造信號(hào)系統(tǒng)大都采用CBTC的背景之下，計(jì)軸器普及應(yīng)用顯而易見，正因如此，在信號(hào)基礎(chǔ)實(shí)踐教學(xué)中開設(shè)了計(jì)軸器實(shí)驗(yàn)，現(xiàn)階段還停留在室外子系統(tǒng)的系統(tǒng)搭建、調(diào)試和波形測(cè)試，未來(lái)將通過(guò)大學(xué)生創(chuàng)新活動(dòng)不斷完善系統(tǒng)設(shè)計(jì)、故障預(yù)置與排除故障等方面。

參考文獻(xiàn)：

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