軌道交通計軸功能模擬仿真系統設計

顧家泉 李立明

［摘要］簡要介紹基于計軸的軌道交通控制仿真系統的組成與結構，深入分析仿真系統中對現有軌道交通計軸系統以及相關信號控制設備的仿真思路，闡述了仿真系統的實用價值和現實意義。

［關鍵詞］軌道交通計軸

［中圖分類號］U284.47［文獻標識碼］A［文章編號］2095-3437（2014）12-0083-02 引言

計軸系統是廣泛應用于鐵路與城市軌道交通信號系統中的用于檢測列車位置的基礎設備，其主要功能是通過檢測車軸經過車輪傳感器產生的輪軸脈沖，判斷由兩個計軸器組成的計軸區段內的車軸數量，從而給出計軸區段的列車占用/空閑狀態。

軌道交通計軸功能模擬仿真系統根據計軸工作原理，在沙盤模型模擬列車轉向架通過計軸區段時實際計軸系統的運行工況，完全將運用計軸作為列車位置檢測設備的列車運行控制系統的工作狀況展現出來，以滿足課堂教學展示，實驗仿真模擬的實際需求，著力解決信號系統中計軸設備原理抽象、課堂理論教學難以講授的關鍵問題。

一、計軸工作原理

城市軌道交通計軸系統主要由車輪傳感器、軌旁電子盒及室內控制單元組成。車輪傳感器安裝在鋼軌的軌腰上，當車輪傳感器工作時，發送端產生一定強度的磁場并被接收端接收，當有車輪經過傳感器時，接受端所接受的磁場發生變化，由此產生輪軸脈沖，經軌旁電子盒初步處理后送室內控制單元進行運算，從而得出一個計軸區段內的車軸數量，并將計軸區段的占用/空閑狀態傳送給列車運行控制設備。

當列車運行控制設備獲得計軸系統送來的區段狀態后，控制軌旁信號機點燈以向司機傳達是否準許進入前方計軸區段的命令，同時控制行車值班員監視面板上的計軸區段光帶亮滅供運營人員監督當前列車位置。

二、仿真系統需求

根據實際工作原理及教學展示要求，仿真系統的功能需求主要包括以下內容：

● 運用計軸原理檢測列車位置，模擬軌道交通信號控制；

● 在控制顯示面板（以下簡稱“面板”）上顯示信號機狀態、計軸區段狀態以及區段內車軸數量；

仿真系統的整體組成及控制系統采用如下方案：

仿真系統的鋼軌及車輛轉向架采用高仿真的制式模型，計軸器采用光電門傳感器。將光電門傳感器固定在硬質塑料板上，共劃分為四段計軸區段，鋼軌模型穿過傳感器的門式缺口并固定在合適位置，使得模擬轉向架模型在鋼軌上運行經過門式時缺口恰能夠遮擋住光電門的發光元件產生矩形脈沖。

在仿真系統中，計軸器的車軸脈沖處理、區段狀態評估以及信號機、光帶的控制均由51單片機集中完成以簡化系統結構。模擬計軸器的光電門傳感器直接與51單片機連接作為控制系統的輸入，51單片機根據預設的程序進行處理后驅動各面板上的輸出顯示元件。

仿真系統設置一塊控制顯示面板以展示各軌旁設備的實時工作狀態。仿真系統的控制顯示面板如圖1所示：

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圖1仿真系統的控制顯示面板

三、 計軸仿真設計

根據實際原理，每個計軸點設兩個光電門傳感器，以檢測輪軸脈沖并判斷列車運行方向。一個計軸區段由兩個相鄰的計軸點構成。

光電門傳感器的特性是當中部的門式缺口未被遮擋時，輸出端輸出高電平（+5V），當被遮擋后，輸出低電平（0V）。由于一個計軸點的兩個傳感器并排放置，當車輪經過缺口時，某個時段會存在兩個傳感器同時反相，當51單片機同時檢測到兩個傳感器為低電平時，認為產生了一個輪軸脈沖，并通過檢測兩個傳感器反相的先后順序，確定列車運行的方向。

對于一個計軸點而言，既參與構成左側的計軸區段，也參與構成，因此，一個計軸點需要對參與左右區段運算的輪軸脈沖分設兩個變量，而對于一個區段而言，存在進入區段（加軸運算）以及離開區段（減軸運算）兩種方式。綜上，對于第N個計軸點，總共需要四個變量記錄車軸脈沖的數量：左區段減軸變量N_DEC_L、右區段減軸變量N_ADD_R、左區段減軸變量N_ADD_L、右區段減軸變量N_DEC_R。如圖2所示，區段I的軸數計算公式為：

區段I軸數=1_ADD_R+2_DEC_L-1_DEC_R-2_ADD_R。

當列車經過區段I運行過程中， 處于A、B、C、D、E五個位置時各變量的值如表1所示。

表1列車經過區段I運行各過程計軸變量變化表

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由于計軸點設置的四個變量均作單向累加運算，為防止軸數過多導致變量溢出，當證明計軸區段空閑后，各區段相關的四個變量進行自動清零重新開始計數。

仿真系統信號機按“雙紅燈防護”規則點亮，以保證一列車后方至少存在兩個紅燈進行防護。

四、 結語

整個仿真系統巧妙地將列車、軌道、計軸系統以及其它控制設備濃縮于一個小型的沙盤模型之中，在原理設計、硬件布置、模擬仿真等環節中充分考慮仿真系統的真實性及可看性，在課堂演示中取得了很好的效果，為整個軌道交通信號專業的理論教學提供了一種值得借鑒的方式，也為制作其它信號設備仿真演示系統積累了十分寶貴的經驗。

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［責任編輯：左蕓］