鐵路機車運行監測語音提示系統設計

邱建東，蔣兆遠，湯旻安

（1.蘭州交通大學機電技術研究所，甘肅蘭州 730070；2.蘭州理工大學機電工程學院，甘肅蘭州 730050）

鐵路機車運行監測語音提示系統設計

邱建東1，蔣兆遠1，湯旻安2

（1.蘭州交通大學機電技術研究所，甘肅蘭州 730070；2.蘭州理工大學機電工程學院，甘肅蘭州 730050）

根據鐵路單司機值乘改革的需要，設計了基于高性能AVR單片機的嵌入式機車運行狀態監測語音提示系統．系統基于RS485總線的多機通信網絡，從機載設備中提取數據，并運用內嵌式專家系統對機車運行狀態進行監控，對設備故障進行初判，對運行關鍵位進行瞭望，并模擬副司機進行語音提示．經現場實際使用，起到了良好的效果．

機車；狀態監測；多機通信；內嵌專家系統

鐵路傳統的機務值乘模式是雙司機作業，正司機負責主要的機車操控，副司機負責協助正司機進行設備檢查、觀察瞭望、故障處理等．隨著鐵路改革，單司機值乘方式正慢慢成為主流，這種值乘模式雖然能有效地節約成本，但是給機車乘務員帶來了很大的精神和身體壓力，造成行車安全隱患．如果能夠設計一套系統，盡可能模擬副司機的工作，在機車運行到需要注意的關鍵位置或者機車設備故障時，給正司機準確清晰的語音提示，就能夠有效幫助司機盡快度過轉型的不適應階段，同時有效促進司機標準化操作，確保行車安全．基于此思想，通過機載信息平臺的數據共享方式，設計了嵌入式機車運行狀態監測語音提示系統，該系統能夠作為一個車載信息共享處理平臺，補充LKJ機車監控裝置的報警提示信息，部分模擬原副司機的一些工作職能，從而更好地為“單司機”值乘模式做好服務．

1 系統結構設計

系統主要模擬副司機3方面的工作職能：1）機車運行關鍵位提示；2）設備運行狀態檢查；3）設備故障診斷．其中，機車運行關鍵位是機車運行中的一些需要司機重點關注的公里標．雙司機模式下，在這些“關鍵位”副司機都會提示司機進行某些操作或者提高注意力．副司機呼喚應答的主要內容有：防護信號注意、慢行注意、儀表注意、尾部風壓注意、信號注意等等．

系統模擬副司機這3方面工作，需要提取必要的信息．這3方面的信息源主要來自機車的TAX箱、電氣控制柜、微機柜和其他機載檢測裝備．TAX箱又稱機車安全信息綜合監測裝置，是一個開放式信息平臺，所有與列車運行及安全檢測設備有關的數據信息均能通過TAX箱485接口周期地向外傳送，方便用戶獲取．機車電氣控制柜內的開關量信號，能夠反映劈相機狀態、主接地狀態及各種通風機工作狀態等輔助設備狀態．機車微機柜內可以得到主變壓器、副變壓器原邊副邊的電壓電流、牽引電機電樞電壓電流、牽引電機勵磁電流等模擬信號，這些信號反映了機車主體設備工作情況，且已調理成適合A/D轉換的電平信號．此外，目前機車上也安裝了很多在線檢測裝置，例如增壓器在線監測系統，這些裝置一般都提供對外輸出接口和協議，可以充分利用其檢測信息來輔助機車運行狀態判別．

機車工作環境惡劣，電磁環境復雜，本系統需要從TAX箱、微機柜、電氣控制柜內采集數據，而且又需要在兩端司機室進行語音提示，信號傳輸距離比較長，因此可靠的通信設計是本系統的成敗關鍵．目前機車上安裝的很多檢測裝置都具有RS485接口，而且TAX箱的信號基礎模式也是RS485，因此本系統設計了基于RS485總線的多機串行通信系統．系統的體系結構如圖1所示．

系統基于RS485總線構建了一個單總線多機通信系統，是一種主從式廣播構架．系統包含一臺主機，多臺從機，各從機之間不互相通信．系統的主機主要處理從機發送過來的信息，并根據信息進行語音播報．從機根據設置不同，分別進行關鍵位置信息提取、開關量信號提取、模擬量信號轉換提取、與機載其他監測裝置通信及信息獲取等功能．

圖1 系統結構Fig.1 Thestructure ofsystem

圖2 多機通信拓撲Fig.2 Network topology ofmulti-m achine communication

2 硬件系統設計

由于本系統是基于RS485總線的多機系統，通信的構架是核心，其次是主機及分機設計．本系統最終處理結果是要給司機一個準確清晰的語音提示，因此，語音裝置設計也是本系統的重要內容．

2.1 多機通信系統設計

RS485是一個差分數據傳輸、支持多點通信的電氣規范接口．它的優點是噪聲抑制能力和抗干擾能力強，傳輸距離遠，具有多站能力，用戶可以利用單一的RS-485接口方便地建立起設備網絡．根據系統的設計思想，多機通信的拓撲結構如圖2所示．

系統設計時為了減少傳輸信號毛刺，在總線末端設計了匹配電阻（圖1中的R1、R2）以吸收總線上反射信號，其阻值與總線的特性阻抗相當．

另外在電源、總線差分信號正負端之間及地之間接入3個10 k電阻形成電阻網絡，用來提高總線懸浮狀態（沒有信號傳輸）時的抗干擾能力．當總線懸浮時，正端電平大約為3.2V，負端電平大約為1.6V，壓差1.6V左右，即使有干擾信號也形不成串行通信的起始信號0，增加了總線抗干擾的能力．

系統選用MAX1480B芯片做信號處理．MAX1480B是完備的電氣隔離型的RS485/RS232數據通信接口芯片，采用混合微電路結構．可確保數據傳輸的可靠性．接口電路如圖3所示，74HC86芯片的3腳和9腳連接到MCU的串口，其12腳是該模塊的使能端．

2.2 單片機選型及主從機設計

主機CPU單片機選擇了ATMEL公司的ATMEGA128[1]，這款單片機性價比很高，具有32×8個通用寄存器，128 kbyte的系統內可編程flash，可進行萬次擦寫，片內還有萬次可擦寫4 kbyteEEPROM及4 kbyte SRAM．ATMEGA128資源豐富，通過相關寄存器的設置可以很容易的控制具有SPI接口的語音芯片，其內部的存儲空間基本能夠滿足系統內嵌式專家系統的規則庫存儲要求[2]，是符合系統要求性價比最高的芯片選擇．中央控制單元圍繞單片機設計，主要還有晶振電路、指示燈電路、復位電路、JTAG電路等，因為都是通用電路，文中不一一累述[1-2]．從機CPU選擇了同系列的ATMEGA16，其內存較少．

主機主要實現功能是訪問各從機，根據通信協議與各從機通信，解碼從機發送信息并進行語音播報．因此，主機主要功能模塊是通信及語音播放模塊．核心技術體現在軟件編程中．

從機主要任務是采集TAX箱及設備狀態信息，因此需要根據各采集點的不同而設計．但是通信模塊是其必不可少的配置．除此之外，主要是A/D轉化模塊及數字量輸入/輸出模塊．

圖3 數據通信模塊Fig.3 Data communicationmodule

圖4 數字量輸入接口Fig.4 Digital inputinterface

圖5 語音處理單元Fig.5 Voiceprocessing unit

圖6 二級功率放大Fig.6 Two levelsof poweramplification

MCU的GPIO口均可作為數字輸入端口使用．其原理如圖4所示，數字量輸入的有效直流電壓為最小55 V，具有光耦隔離作用，隔離電壓為2500Vrms（最小）．數字量的輸出的直流有效電壓為12V，單路最大電壓為2 A[3]．

2.3 語音模塊設計

系統語音模塊由語音芯片和功放電路組成．語音芯片選用美國ISD公司的ISD4003，可進行8分鐘的長時語音錄放，將需要播報的語音都提前錄制在芯片中，按照地址調用．考慮到機車嘈雜的環境，播放的語音聲音要大，系統專門設計采用了二級功放設計，分別選用LM 386和TDA2822芯片[3]，可獲得清晰大音量的聲音．揚聲器選用1W 8，經現場驗證，其音量及清晰度完全能夠滿足機車運行的嘈雜環境．其設計電路如圖5和圖6所示[4]．

2.4 工藝設計

機車運行環境非常惡劣．電磁干擾、灰塵、噪音、振動等都嚴重影響本系統的正常工作．電路EMC設計主要措施有：1）將電源功率區、數字電路區、模擬電路區設計成相對獨立區域，盡量減少互相干擾；2）各集成元器件地線電源線間分別100%接入去耦電容；3）信號線按照功率強弱分開布設，信號線上開孔盡量少；4）雙面印刷版三總線互相垂直，盡可能短，地線和電源線盡量成梳妝布設；5）數字電路中的有關邏輯器件相互靠近，與振蕩器遠離，具有存儲記憶的電路相互靠近，并與CPU總線靠近[4]．

3 軟件設計

該裝置在設計軟件的時候，主要分主從機軟件和地面系統測試軟件兩部分．

主機軟件主要是單片機內的程序設計，采用C語言編程，AVRStudio 4編譯環境下調試．主要實現功能有：1）與從機通信；2）獲得從機的數據幀；3）根據協議解碼，獲取比對信息；4）按照系統功能要求對數據進行比對處理；5）實現播放語音功能．

軟件實現的難點和關鍵環節有：1）主機、從機的實時準確通信；2）總線分時共用的協調問題；3）確保傳輸準確性的差錯控制；4）數據提取并快速轉換成需要制式；5）如何將數據進行比對處理；6）比對數據和語音對照的數據結構設計．

3.1 通信功能設計

多機通信系統的功能實現，統一的通信協議設計是基礎．系統中協議有2種幀格式：呼叫幀、應答幀，通信速率設為28800b/s．系統上電或復位后，主機需要將MAX1480B的DE引腳置1，允許其發送數據．分機的MAX1480B的DE引腳置0，處于接收數據的監聽狀態．主機在網絡發送呼叫幀廣播以后，每個從機都將接收到，并提取呼叫幀內的呼叫地址信息與自己地址比較，如果相符，則進行接收處理，否則拋掉．當分機確認廣播地址是自己的地址后，向主機發送應答幀，應答幀內包含本機地址與數據信息．主機接收到該應答幀后，進行解碼，提取數據信息，并根據內嵌專家系統的檢驗規則或者公里標信息，進行語音播報，并進入下一次循環．主機采用輪詢方式訪問各個主機，間隔周期設置成100 ms．本系統目前設置4個分機，分別是TAX箱、微機柜、電氣柜，以及機載增壓器檢測裝置，每秒鐘各分機最少發送2次應答幀，能夠滿足實時性要求．主機主程序，從機中斷服務程序流程如圖7所示．

網絡通信設計最核心的內容是控制好每個分機的收/發狀態，以防止各個分機在通信總線上的碰撞，造成數據錯誤或丟失．本通信系統是半雙工通信系統，總線是分時復用的．主程序需要對總線控制權做好分配工作，使各從機信號時間上完全隔離，保證能及時、正確地傳輸數據．要做到總線上設備在時序上的嚴格配合，在設計時主要考慮幾個要素即可：1）復位后，主機處于發送狀態，從機處于接收狀態；2）主機發送廣播信息內包含從機地址，從機串行中斷方式接收廣播，如果地址與本機地址不一致，則不做處理；3）從機接收廣播中地址吻合，則發送應答幀．芯片控制端DE/RE引腳的控制信號寬度應大于發送或接收幀信號的寬度[6]．

3.2 基于規則的內嵌式專家系統

系統從電子柜、微機柜提取開關量及模擬量信息，這些數據都反映著機車運行狀態，也提示這故障信息．但是能夠讓系統從抽象的數據信息得到具體的結論，需要專家系統的支持．

圖7 多機通信主/從機軟件流程圖Fig.7 The software flow ofmaster/slave inmultiprocessor communication

專家系統其實就是智能的計算機程序，是大量領域專家知識經驗的高度抽象，能夠模擬專家的決策過程．本系統設置了基于規則的內嵌式的專家系統，主要通過“IF（條件）THEN（結論）”的確定性判斷方式給司機進行提示建議．其可信度因子是隨著專家知識更新而不斷調整的．

主機得到從機應答幀以后，提取幀內數據，并根據從機號判斷數據的來源，對數據進行解碼后，根據事先設定的規則逐條進行判斷．某一條專家規則成立以后，根據規則編碼，提取對應的語音進行播報．由于系統設置的資源有限，只能比較粗略地對設備運行狀態和設備故障進行初步判斷，但是也基本達到了副司機的判斷水平．因為專家系統本身判斷的規則水平就高于一般工作人員，加之很多電壓電流信息也是副司機巡檢時難以得到的數據．

為了驗證其在線的準確性，系統專門配套設計了地面專家分析系統，將在線存儲的數據提取后，使用更多更復雜的專家規則進行判斷，并不斷地對內嵌式在線系統規則進行修正．地面分析系統采用VB設計，SQL數據庫，其運行界面如圖8所示[5-6]．

3.3 地面模擬測試源

系統需要在實驗室試驗和調試，但是沒有TAX源是個掣肘環節．為此，在系統設計的同時，還專門設計了模擬源軟件．

該軟件用VB設計，按照TAX的協議格式，和不同的測試要求，按照28800的波特率，通過計算機串口發出數據幀．調試時，還需要外接一個232-485的研華模塊，就能夠完全模擬TAX箱的數據源了．模擬源的界面如圖9所示．

4 裝車運行情況與結論

本系統在寧東地方鐵路、中鐵一局、中鐵三局等多家單位的運營機車上裝車應用，以先進、實用、穩定獲得了現場的肯定．該系統已經成為這些單位機車司乘人員、檢修人員、管理人員認可的機車大部件之一，成為行車主要設備并列入正常維護檢修范圍，系統相關配件也列入采購備用必須件范疇．

基于嵌入式的機車運行狀態監控語音提示系統的設計思想，緊扣鐵路新值乘制度實行給值乘工作帶來困難的客觀實際，結構原理雖然簡單，但是功能穩定，語音播放清晰，關鍵位置提取準確，有效地部分替代了副司機的職能，受到了現場的好評．本系統還作為“鐵路機車單值乘可視化安全監測預警系統的開發與應用”項目的有機組成部分，獲得了“2013年甘肅省機械工程學會科技進步二等獎”稱號，得到了專家和社會的認可．

圖8 地面專家分析系統Fig.8 Expertanalysissystem

圖9 測試軟件界面Fig.9 Testing software interface

[1]馬潮．AVR單片機嵌入式系統原理與應用實例[M]．北京：北京航空航天大學出版社，2007．

[2]沈建良．ATmega128單片機入門與提高[M]．北京：北京航空航天大學出版，2009．

[3]沈立春，林紅，鄧欣．自動語音提示系統在焦爐生產中的應用[J]．測控技術，2012，31（9）：141-143．

[4]郭治國，許新偉，苗衛東．全自動站場信息無線語音提示系統設計[J]．鐵道運輸與經濟，2005，27（6）：68-69．

[5]王崇華．機車語音記錄裝置的改進[J]．鐵路計算機應用，2013，22（7）：51-54．

[6]顏秋容，于濤，田利偉，等．車站列車進路語音提示與報警系統[J]．鐵道運輸與經濟，2007，29（7）：43-45．

[責任編輯 楊屹]

The design of voice promptsystem for locomotive runningmonitor

QIU Jiandong1，JIANG Zhaoyuan1，TangM inan2

(1.M echatronic T&R Institute,Lanzhou Jiaotong University,Gansu LanZhou730070,China;2.SchoolofM echanicaland Electronic Engineering,Lanzhou University of Technology,Gansu Lanzhou 730050,China)

According to theneed for the reform of the Railway Single Driversystem,a setof voicemonitoring system for locomotive runningstatusbased onhigh-performancem icrocontrollerAVRhasbeen designed.Running insingle-busmultiprocessor communication network based on RS485bus,thesystem extractsdata from airborneequipmentand usesembedded expertsystem tomonitor thestatusof the locomotiveequipment,to getprelim inary judgmentofequipment failure, to observe running criticalbitsand simulate co-drivervoiceprompts.The effectused in the actual field shows it canmeet the actual requirements very w ell.

locomotive;statusmonitoring;multiprocessor communication;embed expertsystem

TP3

A

1007-2373(2015)02-0038-05

10.14081/j.cnki.hgdxb.2015.02.009

2014-05-20

甘肅省自然科學基金（1208RJZA 292）；甘肅省科技支撐計劃（090GKCA 009，1304GKCA 023）

邱建東（1974-），男（漢族），高級工程師，qiupeter327@163.com．