基于狀態(tài)機(jī)的計(jì)軸處理模型研究＊

高 玉 王洪波

（1.西安鐵路職業(yè)技術(shù)學(xué)院電子信息系，710014，西安；2.西安市地下鐵道有限責(zé)任公司，710018，西安∥第一作者，高級(jí)講師）

目前城市軌道交通信號(hào)系統(tǒng)廣泛采用基于無(wú)線通信的列車自動(dòng)控制（CBTC）技術(shù)。由于計(jì)軸器具有設(shè)備安裝簡(jiǎn)單、抗干擾能力強(qiáng)、不受軌道和供電回流條件限制等特點(diǎn)，CBTC通常采用計(jì)軸器代替軌道電路實(shí)現(xiàn)軌道區(qū)段空閑／占用檢查。西門(mén)子ACM100型計(jì)軸器利用車輪有限狀態(tài)機(jī)模型進(jìn)行車輪運(yùn)行方向的判斷和車軸計(jì)數(shù)的處理，有效地提高了計(jì)軸系統(tǒng)的抗干擾能力和容錯(cuò)能力。

1 車輪傳感器原理

ACM100型計(jì)軸器由軌旁設(shè)備和室內(nèi)設(shè)備組成。軌旁設(shè)備包括雙置車輪傳感器（WSD）、電纜連接盒等設(shè)備；室內(nèi)設(shè)備包括計(jì)軸處理模塊（ACMs）、電源系統(tǒng)及以太網(wǎng)交換機(jī)等設(shè)備。多套ACMs通過(guò)以太網(wǎng)接口組成一個(gè)計(jì)軸系統(tǒng)。

WSD內(nèi)裝兩個(gè)檢測(cè)單元，每個(gè)檢測(cè)單元都有一個(gè)LC振蕩電路，其通電工作時(shí)，即在WSD周圍產(chǎn)生電磁場(chǎng)。當(dāng)車輪進(jìn)入磁場(chǎng)范圍時(shí)，引起磁場(chǎng)變化，檢測(cè)單元檢測(cè)到此變化即在 WSD輸出端產(chǎn)生脈沖信號(hào)。該信號(hào)通過(guò)專用電纜向ACMs傳送，ACMs對(duì)接收到的脈沖信號(hào)時(shí)序和車輪有限狀態(tài)機(jī)（FSM）進(jìn)行評(píng)估，可判斷車輪運(yùn)行方向，實(shí)現(xiàn)車軸計(jì)數(shù)。此外ACMs通過(guò)比較駛?cè)胲壍绤^(qū)段車輪的計(jì)入值與駛出軌道區(qū)段車輪的計(jì)出值，可判別軌道區(qū)段空閑／占用狀態(tài)，并通過(guò)軌道繼電器接點(diǎn)提供給聯(lián)鎖系統(tǒng)。WSD裝置原理如圖1所示。

圖1 車輪傳感器原理

WSD的兩個(gè)檢測(cè)單元間隔一定距離安裝，使兩個(gè)檢測(cè)單元延時(shí)觸發(fā)信號(hào)。ACMs根據(jù)兩個(gè)檢測(cè)單元觸發(fā)信號(hào)的順序來(lái)判斷車輪運(yùn)行方向。如果車輪從左向右通過(guò)WSD，車輪未接近WSD時(shí)，兩個(gè)檢測(cè)單元都不觸發(fā)信號(hào)，如圖2a）中的①；當(dāng)車輪接近WSD時(shí)，左側(cè)檢測(cè)單元首先觸發(fā)信號(hào)，如圖2a）中的②；當(dāng)車輪處于兩個(gè)檢測(cè)單元正上方時(shí)，兩個(gè)檢測(cè)單元都觸發(fā)信號(hào)，如圖2a）中的③；車輪繼續(xù)運(yùn)行，左側(cè)檢測(cè)單元觸發(fā)信號(hào)消失，如圖2a）中的④；當(dāng)車輪駛離 WSD時(shí)，兩個(gè)檢測(cè)單元觸發(fā)信號(hào)都消失，如圖2a）中的⑤。如果車輪從右向左通過(guò)WSD，檢測(cè)單元?jiǎng)t按⑤－④－③－②－①順序觸發(fā)信號(hào)；如果檢測(cè)單元按①－②－③－②－①順序觸發(fā)信號(hào)，說(shuō)明車輪在 WSD上方進(jìn)行了折返運(yùn)行。

2 車輪有限狀態(tài)機(jī)

ACM100型計(jì)軸器的FSM由無(wú)脈沖信號(hào)、通道1觸發(fā)信號(hào)、雙通道觸發(fā)信號(hào)、通道2觸發(fā)信號(hào)等4種狀態(tài)組成，如圖3所示。FSM狀態(tài)與圖2所示的WSD檢測(cè)信號(hào)觸發(fā)過(guò)程一致。對(duì)于單通道觸發(fā)信號(hào)狀態(tài)，即通道1觸發(fā)信號(hào)或通道2觸發(fā)信號(hào)狀態(tài)，根據(jù)前一狀態(tài)的類型其又可分為前狀態(tài)－無(wú)脈沖信號(hào)和前狀態(tài)－雙通道觸發(fā)信號(hào)2個(gè)子狀態(tài)。當(dāng)車輪通過(guò)WSD時(shí)，F(xiàn)SM狀態(tài)按一定方向和順序進(jìn)行周期轉(zhuǎn)換。FSM有5個(gè)計(jì)數(shù)器，分別以r、i、g、x、a表示計(jì)數(shù)，用于FSM狀態(tài)和車軸的統(tǒng)計(jì)。

圖2 車輪傳感器檢測(cè)信號(hào)觸發(fā)原理

圖3 車輪有限狀態(tài)機(jī)

（1）若車輪從左向右通過(guò) WSD，每個(gè)FSM狀態(tài)按順時(shí)針?lè)较蜣D(zhuǎn)換一周，r則遞增4；

（2）若車輪從右向左通過(guò) WSD，每個(gè)FSM狀態(tài)按逆時(shí)針?lè)较蜣D(zhuǎn)換一周，i則遞增4；

（3）若FSM狀態(tài)在通道1觸發(fā)信號(hào)和通道1觸發(fā)信號(hào)之間進(jìn)行轉(zhuǎn)換，x則遞增1；

（4）若FSM狀態(tài)在無(wú)脈沖信號(hào)和雙通道觸發(fā)信號(hào)之間進(jìn)行轉(zhuǎn)換，g則遞增1；

（5）a為當(dāng)前一組車軸的計(jì)數(shù)值，每當(dāng)FSM從無(wú)脈沖信號(hào)狀態(tài)開(kāi)始，轉(zhuǎn)換到雙通道觸發(fā)信號(hào)狀態(tài)，又再次轉(zhuǎn)換到無(wú)脈沖信號(hào)狀態(tài)，a則遞增1。

3 車輪有限狀態(tài)機(jī)評(píng)估

車輪檢測(cè)單元故障、電源電壓波動(dòng)、列車制動(dòng)產(chǎn)生的電磁波干擾，以及車輪折返可導(dǎo)致WSD不能觸發(fā)信號(hào)，或者車軸計(jì)數(shù)錯(cuò)誤。ACMs對(duì)WSD檢測(cè)信號(hào)和FSM進(jìn)行評(píng)估，可有效地消除干擾因素對(duì)車軸計(jì)數(shù)的影響。如果以下3個(gè)條件之一滿足，說(shuō)明FSM狀態(tài)較長(zhǎng)時(shí)間未發(fā)生變化，ACMs即開(kāi)始對(duì)當(dāng)前采集到的一組檢測(cè)信號(hào)的時(shí)序和FSM進(jìn)行評(píng)估。

（1）條件1：若 WSD觸發(fā)一個(gè)檢測(cè)信號(hào)后，超過(guò)tcoll（1 s）時(shí)間沒(méi)有再觸發(fā)新的檢測(cè)信號(hào)，見(jiàn)圖4a），可判斷列車已全部通過(guò)WSD。

（2）條件2：若WSD單通道觸發(fā)信號(hào)或雙通道觸發(fā)信號(hào)的脈沖寬度大于tstat（0.1 s），見(jiàn)圖4b），可判斷車輪以較慢速度通過(guò)WSD。

（3）條件3：若WSD兩個(gè)通道觸發(fā)脈沖信號(hào)下降沿的間隔時(shí)間大于ttrail（12 ms），見(jiàn)圖4c），可判斷車輪以較慢速度通過(guò)WSD。

圖4 車輪檢測(cè)信號(hào)時(shí)序

3.1 車輪檢測(cè)信號(hào)時(shí)序評(píng)估

ACMs對(duì)WSD檢測(cè)信號(hào)時(shí)序進(jìn)行評(píng)估，可以監(jiān)測(cè)WSD故障和干擾導(dǎo)致的計(jì)軸錯(cuò)誤，保證車軸計(jì)數(shù)結(jié)果的正確性。

3.1.1 檢測(cè)信號(hào)脈沖寬度評(píng)估

如果當(dāng)前一組檢測(cè)信號(hào)中有寬度大于tshort（≤12 ms）的脈沖，無(wú)論對(duì)駛?cè)胲壍绤^(qū)段車輪的計(jì)入，還是對(duì)駛出軌道區(qū)段車輪的計(jì)出，ACMs都應(yīng)向聯(lián)鎖系統(tǒng)給出軌道區(qū)段占用表示；如果當(dāng)前一組檢測(cè)信號(hào)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(hào)，應(yīng)被忽略，見(jiàn)圖4b）。

3.1.2 最短脈沖序列長(zhǎng)度評(píng)估

如果當(dāng)前一組檢測(cè)信號(hào)的總長(zhǎng)度T小于tshort（條件1），見(jiàn)圖4d），則可判斷該組脈沖既不是由多個(gè)車輪觸發(fā)產(chǎn)生，也不是由單個(gè)車輪觸發(fā)產(chǎn)生，其應(yīng)作為雜散干擾信號(hào)被忽略。說(shuō)明如下：

（1）列車最高運(yùn)行速度可達(dá)到vmax＝400 k m／h，如果列車以此速度運(yùn)行，則要求車輪的輪徑大于865 mm。該輪徑的車輪觸發(fā)檢測(cè)信號(hào)的長(zhǎng)度為wmin／865＋dsmin，可計(jì)算出一節(jié)車輛的車輪觸發(fā)信號(hào)的總長(zhǎng)度

式中：

wmin／865——最大輪徑為865 mm的車輪使單個(gè)檢測(cè)單元觸發(fā)信號(hào)的長(zhǎng)度，通常 wmin／865≥340 mm；

dsmin——兩個(gè)檢測(cè)單元觸發(fā)信號(hào)的間隔距離，通常dsmin≥50 mm。

列車運(yùn)行速度越低，L值越小，根據(jù)式（1）、式（2）計(jì)算出

式中Ln為車輛第一個(gè)車輪中心到最后一個(gè)車輪中心距離。一節(jié)車輛至少包括一個(gè)固定軸距DL（≥2.1 m），因此Ln應(yīng)大于DL，顯然與式（3）矛盾，由此可判斷該組脈沖不是由多個(gè)車輪觸發(fā)產(chǎn)生。

（2）車輪運(yùn)行速度v＝（wmin／865＋dsmin）／T。由于T≤tshort，可計(jì)算出 v≥（wmin／865＋dsmin）／tshort。由于列車相鄰車軸間距dnb≤20 m，可計(jì)算出兩個(gè)相鄰車輪觸發(fā)檢測(cè)信號(hào)的最大間隔時(shí)間T′≤dnb／［（wmin／865＋dsmin）／tshort］，計(jì)算結(jié)果 T′≤0.615 s。由于T′≤tcoll，可判斷該組檢測(cè)信號(hào)不是由單個(gè)車輪觸發(fā)產(chǎn)生，而是由多個(gè)車輪觸發(fā)產(chǎn)生，因此T≥T′；此外T′≥tshort，計(jì)算出T≥tshort，計(jì)算結(jié)果與條件1矛盾，由此也可判斷該組脈沖不是由單個(gè)車輪觸發(fā)產(chǎn)生。

3.2 車軸計(jì)數(shù)值評(píng)估

ACMs對(duì)FSM計(jì)數(shù)器進(jìn)行評(píng)估，可判斷車輪運(yùn)行方向，實(shí)現(xiàn)車軸計(jì)數(shù)。若車軸計(jì)數(shù)器a等于零，說(shuō)明WSD未觸發(fā)雙通道信號(hào)，則ACMs不計(jì)軸；若a不等于零，可判斷有車輪通過(guò) WSD，通過(guò)比較r和i可確定車軸計(jì)數(shù)值，結(jié)果如下：

（1）若r＝i，可判斷車輪在 WSD上方進(jìn)行了折返，則該車軸不計(jì)數(shù)。

（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(guò)WSD，F(xiàn)SM狀態(tài)按圖2a）中①－②－③－④－⑤順序進(jìn)行了無(wú)故障遍歷，車軸計(jì)數(shù)結(jié)果正確，總計(jì)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(guò)WSD，F(xiàn)SM狀態(tài)按圖2a）中⑤－④－③－②－①順序進(jìn)行了無(wú)故障遍歷，車軸計(jì)數(shù)結(jié)果正確，總計(jì)軸值減去a。

3.3 計(jì)軸錯(cuò)誤監(jiān)測(cè)

ACMs對(duì)FSM計(jì)數(shù)器進(jìn)行評(píng)估，可監(jiān)測(cè)WSD故障和各種干擾導(dǎo)致的計(jì)軸錯(cuò)誤。一旦計(jì)軸出現(xiàn)錯(cuò)誤，ACMs依據(jù)故障－安全原則給出軌道區(qū)段占用表示。

（1）車輪傳感器供電故障。計(jì)軸器電源電壓波動(dòng)或WSD連接電纜斷裂都會(huì)對(duì)車輪傳感器供電產(chǎn)生影響，導(dǎo)致兩個(gè)檢測(cè)單元同時(shí)觸發(fā)信號(hào)。當(dāng)供電恢復(fù)后，兩個(gè)檢測(cè)單元觸發(fā)信號(hào)又同時(shí)消失，使g遞增1。因此若g≠0，則可以判斷 WSD供電發(fā)生故障，ACMs應(yīng)給出軌道區(qū)段占用表示。

（2）列車渦流制動(dòng)干擾。列車渦流制動(dòng)產(chǎn)生的電磁干擾可觸發(fā)單通道信號(hào)，導(dǎo)致FSM產(chǎn)生與正常方向相反的狀態(tài)轉(zhuǎn)換。一旦渦流制動(dòng)產(chǎn)生的隨機(jī)干擾量超過(guò)規(guī)定值，ACMs應(yīng)給出軌道區(qū)段占用表示。通常渦流制動(dòng)導(dǎo)致FSM狀態(tài)轉(zhuǎn)換錯(cuò)誤的允許次數(shù)小于1＋a／rimax，其中rimax為受渦流制動(dòng)干擾的車輪數(shù)。

3.4 折返車輪評(píng)估

列車折返過(guò)程包括列車正向運(yùn)行、減速停穩(wěn)、改變運(yùn)行方向、反向運(yùn)行等過(guò)程。列車折返分為在WSD上方有車輪折返和在WSD上方無(wú)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(shí)有車輪在 WSD上方，這種情況可導(dǎo)致折返車輪計(jì)軸錯(cuò)誤，ACMs應(yīng)給出軌道區(qū)段占用表示。

1）車輪運(yùn)行到WSD正上方觸發(fā)雙通道信號(hào)后折返。

（1）若折返車輪觸發(fā)信號(hào)的脈沖寬度大于tstat，則該車輪不參與當(dāng)前一組車輪的評(píng)估，需要單獨(dú)評(píng)估；

（2）若列車折返時(shí)加速快，該車輪正向和反向運(yùn)行2次觸發(fā)雙通道信號(hào)的時(shí)間tstat正和tstat反均小于0.1 s，則車輪從反向運(yùn)行開(kāi)始到駛離WSD時(shí)的最長(zhǎng)時(shí)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(yùn)行的最大起動(dòng)加速度。可計(jì)算出兩個(gè)通道脈沖信號(hào)下降沿的最小間隔時(shí)間為dsmin／［（tstat正＋tstat反＋ttrail反）×bmax］＝78.6 ms。由于計(jì)算結(jié)果大于ttrail，該車輪不參與當(dāng)前一組車輪的評(píng)估，需要單獨(dú)評(píng)估。

2）對(duì)于車輪的一部分駛?cè)隬SD位置，只觸發(fā)了單通道信號(hào)就開(kāi)始折返。由于該車輪正向運(yùn)行和反向運(yùn)行兩次觸發(fā)信號(hào)的運(yùn)行方向不同，該車輪不計(jì)入到當(dāng)前一組車軸。說(shuō)明如下：

（1）若折返車輪正向運(yùn)行觸發(fā)單通道信號(hào)的時(shí)間tstat正≥tstat，或者車輪通過(guò)WSD后無(wú)通道觸發(fā)信號(hào)的時(shí)間大于tcoll，或者車輪反向運(yùn)行觸發(fā)單通道或雙通道信號(hào)的時(shí)間tstat反大于0.1 s，或者車輪反向運(yùn)行觸發(fā)雙通道脈沖信號(hào)下降沿的間隔時(shí)間大于ttrail，ACMs則重新開(kāi)始對(duì)下一組車軸進(jìn)行計(jì)數(shù)。

（2）若列車折返加速快，該車輪正向和反向運(yùn)行2次觸發(fā)雙通道信號(hào)的時(shí)間tstat正和tstat反小于0.1 s，則車輪從折返開(kāi)始到駛離 WSD時(shí)的最長(zhǎng)時(shí)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。可計(jì)算出兩個(gè)通道脈沖信號(hào)下降沿的最小間

隔時(shí)間為dsmin／［（tstat正＋tcoll＋tstat反＋tstat反＋ttrail反）×bmax］＝12.7 ms。由于計(jì)算結(jié)果大于ttrail，ACMs重新開(kāi)始對(duì)下一組車軸進(jìn)行計(jì)數(shù)。

3.4.2 WSD上方無(wú)車輪的列車折返

如果列車折返時(shí)在 WSD上方?jīng)]有車輪，由于折返車輪正向運(yùn)行和反向運(yùn)行兩次觸發(fā)信號(hào)的運(yùn)行方向不同，該車輪不計(jì)入當(dāng)前一組車軸。說(shuō)明如下：

1）若折返車輪改變運(yùn)行方向期間，無(wú)通道觸發(fā)信號(hào)的時(shí)間大于tcoll，或者車輪折返后，反向運(yùn)行觸發(fā)單通道或雙通道信號(hào)的時(shí)間tstat反大于0.1 s，或者車輪反向運(yùn)行觸發(fā)雙通道脈沖信號(hào)下降沿的間隔時(shí)間大于ttrail，ACMs則重新開(kāi)始對(duì)下一組車軸進(jìn)行計(jì)數(shù)。

2）若列車折返時(shí)加速快，折返車輪反向運(yùn)行觸發(fā)信號(hào)的時(shí)間均小于0.1 s，則車輪從折返開(kāi)始到駛離 WSD時(shí)的最長(zhǎng)時(shí)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(jì)算出兩個(gè)通道脈沖信號(hào)下降沿的最小間隔時(shí)間為dsmin／［（tcoll＋tstat反＋tstat反＋ttrail反）×bmax］＝13.8 ms，由于結(jié)果大于ttrail（12 ms），ACMs重新開(kāi)始對(duì)下一組車軸進(jìn)行計(jì)數(shù)。

4 結(jié)語(yǔ)

西安地鐵1號(hào)線CBTC系統(tǒng)采用了西門(mén)子新型ACM100計(jì)軸器，實(shí)現(xiàn)軌道區(qū)段空閑／占用檢查。目前CBTC系統(tǒng)已開(kāi)通運(yùn)行近1年，計(jì)軸器工作穩(wěn)定，各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)和功能均達(dá)到了相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范的要求。計(jì)軸器在城市軌道交通領(lǐng)域具有廣闊的發(fā)展前景，國(guó)內(nèi)供應(yīng)商有必要借鑒國(guó)外計(jì)軸器的先進(jìn)技術(shù)，進(jìn)一步研究和優(yōu)化計(jì)軸處理模型，不斷提高國(guó)產(chǎn)計(jì)軸器的技術(shù)水平。

［1］ 鐘小偉.西門(mén)子AzS（M）350 M 型微機(jī)計(jì)軸設(shè)備系統(tǒng)［J］.都市快軌交通，2004（s1）：116.

［2］ 馮圣華.計(jì)軸系統(tǒng)在廣州地鐵中的應(yīng)用［J］.都市快軌交通，2006（6）：80.