車號自動識別地面裝置的設計及探究

周文波

（沈陽鐵路局科研所，遼寧 沈陽 110013）

1 系統概述

鐵路車號識別系統是鐵路運輸信息化的重要組成部分，系統的基本功能是在列車以小于160KM/H速度運行過程中自動采集列車運行的基本信息如車輛的屬性、車型、車號、車種，車速等信息。系統設備分為車上標簽和車下地面識別裝置。每輛機車或貨車車底安裝電子標簽，在需要讀取車號的地方安裝地面識別系統，當列車經過地面識別系統時，地面識別系統采用微波射頻技術，自動識別車輛電子標簽信息，標簽信息存儲在本地設備上，需要時通過GPRS或者串口傳輸給上位機。為鐵路運輸指揮和貨車管理提供實時準確的列車信息。

2 系統功能分析

系統具備以下功能：

2.1 列車標簽讀取功能

當列車經過地面采集識別裝置系統時，車號自動識別系統可以對列車的標簽進行撲捉及讀取。系統可以在低車速的一定范圍內穩定讀取車號的功能同時可以判斷列車是否通過的功能。

2.2 數據存儲功能

車號自動識別系統采集到列車數據時，同步在本地存儲卡上存儲數據，防止數據直接傳輸發生錯誤導致數據丟失。

2.3 數據傳輸功能

車號自動識別系統附加接口（RS232、RS485、RJ45以太網、GPRS），可以在需要時選擇不同的數據傳輸方式。

2.4 適應全天候的工作環境

由于車號自動識別系統是安裝在室外的裝置，所有系統應具備很強的適應性及穩定性，適應酷熱嚴寒雨雪等極端天氣。

3 系統總體設計

3.1 系統的硬件構成

車號識別系統是一種鐵路貨車和機車電子標簽讀出裝置，由主機、天線、車輪傳感器（磁鋼）等三部分組成。

①天線發射微波信號并接收標簽反射回來的調制信號，天線承受的荷載應大于4.9KN，抗震動沖擊應符合GJB-150-1986的有關規定。天線技術性能符合以下要求 a.增益小于9.6dB b.電壓駐波比不大于1.5 c.半功率束寬120°（E面）45°（H面）

②車輪傳感器（磁鋼）起到探測列車到來的作用，當機車速度小于160KM/H時通過磁鋼對車輪的感應開啟主機電源，自動打開和關閉功放。在不工作時，可以把功放關閉，以減少對環境和工作人員的微波輻射。

③主機內包含線性電源、射頻組件的解碼板和磁鋼板、PC104控制板等部件。主機自動判斷內部溫度控制冷卻風扇的啟停，不需人工干預。系統設置保護電路，在未接天線時打開功放，也不會燒毀檢波電路。

3.2 系統的軟件構成

系統設計三種通訊協議，適應不同的使用要求。

①實時解碼、實時采集車輪傳感器信息，然后實時上傳，即當標簽在讀取區域時不斷的進行解碼并通過串口實時輸出標簽信息，并實時上傳采集的車輪傳感器通過時間信息；

②當列車通過后，將列車的車號信號和車輪時間信息生成報文再通過串口上傳；

③實時解碼車號標簽，通過串口以固定的115200波特率上傳。

這三種協議可以根據實際使用要求進行選譯。

4 系統原理及詳細設計

4.1 鐵路車號識別系統的組成原理

其中天線水平安裝于鐵軌中間，天線通過射頻電纜與車號主機相連。車輪傳感器安裝在專用夾具上，然后夾具通過螺栓安裝于鐵軌底部。車號主機通常安裝于室內。

板狀天線是一個定向極化天線，讀取范圍120度，駐波比<1.4，在本系統中實現電磁波的射和標簽信號接收的功能。

射頻源產生射頻信號，經功率放大電路向外發射射頻信號。功率放大電路可通過控制端控制功率放大電路的開關。接收到的標簽信號經檢波電路傳至信號調理電路。為防止輸出接口開路燒毀檢波電路，射頻組件設計了保護電路。

信號調理電路實現檢波信號調理功能，將信號幅值調整到與解碼板相兼容的范圍內。解碼板是本系統的核心，完成車號解碼的功能，完成功放控制功能，完成與上位機通訊的功能，接收功放控制指令、傳輸解碼后的標簽信息功能。

磁鋼板通過接收車輪到達的信息，然后將電信號放大濾波，轉變為12v的數字I/O量傳遞到解碼板中。

4.2 車輪傳感器分布設計

將車輪傳感器安裝于靠近車號機柜一側的鐵軌上，其中1號傳感器與天線平行安裝，2號傳感器安裝在1號傳感器相鄰的軌枕空隙中，3號傳感器于1號傳感器相距5米安裝，4號傳感器與2號傳感器相距5米安裝。其示意圖如2。列車方向是根據列車如果先到達1號傳感器或3號傳感器，則列車為向左行駛；如果先到達2號傳感器或4號傳感器，則列車為向右行駛。其中如果需要識別機車標簽，則需要3和4號磁鋼，用于打開射頻功放，如不需要機車標簽，則不需要。1號傳感器用于識別列車類型，如貨車或者機車。2號傳感器用于識別列車方向。

磁鋼依其作用可將其分為開關機磁鋼，計軸判輛磁鋼（開門，關門磁鋼對）。

車輪傳感器分布框圖如下：

4.3 車號識別面板設計圖如下

圖1 鐵路車號識別系統原理框圖

圖2 車輪傳感器分布示意圖

圖3 車號識別面板設計圖

主機的后面板有電源開關、電源插座、串口1、串口2、天線接口和風扇。電源插座內含保險，并有一只備用保險。背板上兩串口分別實現兩種通訊協議。天線接口通過射頻電纜聯接天線。電源插座接入220VAC±10%。風扇會根據主機內溫度自動啟停，高于20℃時自動開啟，低于20℃時自動停止。當環境溫度高于65℃時自動停機，避免主機過熱損壞。

功放可以通過串口指令打開和關閉，對于帶有數字I/O控制的主機，功放也可以通過車輪傳感器打開。功放打開后延時一段時間自動關閉。在功放打開狀態下，如果再次收到“功放打開”的指令，或收到車輪傳感器的車輪信號，延時時間重新計時。對于帶有數字I/O的車號識別系統，可以接4路車輪傳感器，并根據車號傳感器的信號自動控制功放的開關。車輪傳感器可以用磁鋼，也可以用接近開關。如果您需要在每側安裝多于一只接近開關，直接并聯即可。對于用接近開關的情況，傳感器供電電壓12V，最大輸出電流1A。

4.4 通信協議的設計

系統主機串口1實現通訊協議1和通訊協議2。串口2實現通訊協議3。系統上電時功放為關閉狀態。可以通過串口指令打開或關閉功放。當功放打開后，30分鐘內未收到關閉功放指令，功放可以自動關閉。如果在此期間內再次收到“打開功放”指令，重新開始計時。

串口1波特率默認設置為19200。串口1波特率可以通過軟件方便的進行設置，車號主機可以記憶設置的參數，斷電不丟失。串口2波特率固定為115200，不能設置。

①具備實時性的通信協議設計：

該協議通過判斷車輪傳感器自動識別列車到達和離開讀取設備，然后打開或關閉功放。當列車到達后，天線開始發射電磁波，讀取車號標簽信息和車輪通過時間信息。當識別到車號標簽信息和車輪時間信息后，立即通過串口上傳標簽信息和車輪。當列車駛離后或者超過默認延遲時間后，設備自動關閉功放，回到初始狀態，等待下一次“打開功放”指令。本協議不但中含有標簽的全部信息，還含有標簽序號信息，每個標簽讀取次數的信息和車輪時間新，

②具備存儲性的通信協議設計：

本協議對車號用戶系統的CPU資源消耗較小。車號系統在收到車號標簽信息后不會立即上傳，而是保存在系統的緩沖區中，等列車駛離或者超過規定延遲時間后，生成報文再上傳給用戶。

5 結論

該車號識別系統地面裝置通過使用先進的軟硬件的設計方法，高精度的元器件選擇，保證了車號采集的及時性和準確性。有效提高鐵路貨運部門的運輸效率。

[1]劉瑞揚，王毓民.鐵路車號自動識別系統原理及應用.北京：中國鐵道出版社，2003.12

[2]畢勝.鐵路車號自動識別系統在天鐵的應用[M].天津：天津冶金，2012.9