軌道交通信號基礎實踐課程中的計軸器

原萍 徐會彬 柴曉冬

摘要：計軸器作為軌道交通信號的基礎設備已經在不同工程環境和線路條件下廣泛應用。本文結合軌道交通信號與控制專業信號基礎課程教學中涉及的計軸器進行詳析，主要介紹計軸器組成、原理及其軟件設計。以此為實現著眼服務工程以培養解決實際問題為終極目標的，強調實用的信號基礎實踐教學建設之目的。

關鍵詞：城市軌道交通；基于通信的列車控制系統；計軸器

中圖分類號：G642.3 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2015）49-0078-02

一、引言

上海工程技術大學城市軌道交通信號與控制專業是“卓越工程師”試點專業，專業培養與上海申通地鐵集團建立了密切的合作關系，依托申通集團維保通號公司的場地、技術和設備等資源，開展了專業實習基地的建設，現已建成蒲匯塘實訓中心和梅隴實訓中心。2014年已經有53名卓越班學生在基地完成了19周的專業實習項目3個，其中涉及到計軸器的實訓項目。此外，與上海申通地鐵集團有限公司培訓中心合作，建設的地鐵試驗線包含無源信標、有源信標、計軸器、無線接入節點AP（Access Point）、波導管等信號硬件設備，同時配備的卡斯柯CBTC信號系統和泰雷茲CBTC信號系統都是以計軸器為后備模式的。為此，有必要對計軸器做深入認識。

二、計軸器的特點

計軸器同軌道電路一樣是用于檢測區間空閑與否的設備，經驗表明，計軸的可用性一般都達到了完全同樣功能的軌道電路的五倍以上。也就是說它與軌道電路相比有很多優點。可歸納如下：

1.不受道床電阻影響；

2.鋼軌表面生銹不會影響對列車的檢測；

3.對軌道區段的長度沒有限制，其防護區段長度可達20km；

4.牽引回流和接地線連接無限制；

5.磁頭可靠性和抗干擾能力較強；

6.可適應列車高速行駛；

7.軟硬件均采用模塊化設計，所以現場配置靈活；

8.具有自我診斷和報警功能。

三、計軸器的組成與結構

計軸器由室內設備和室外設備組成。室內設備即用于計數處理的計軸主機（簡稱ACE）；室外設備由計軸點設備組成，計軸點設備包括安裝在鋼軌腰線上的磁頭（簡稱SK）和安放電子檢測器（簡稱EAK）的電子盒。

（一）磁頭

磁頭是依據電磁感應原理，利用列車走行輪對引起線圈中磁場的變化從而實現將磁能轉換成電能的轉換裝置。饋送給發射磁頭的高頻電流產生的交變磁場繞過鋼軌在接收磁頭感應出交變磁場，發送線圈T所產生的磁通環繞過鋼軌后形成兩個磁通Ф1和Ф2，如圖1所示。Ф1和Ф2以不同的路徑相反的方向穿過接收線圈R，它們會隨著有無列車輪對通過磁頭而發生變化，當無車輪切割磁力線時，Ф1大于Ф2，產生的感應交流壓VR與勵磁電壓VT同頻同相，反義，有車通過時，Ф1小于Ф2，VR與VT同頻反相，此時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安裝過程調整，計軸器也正是利用這種相位變化來檢測有無輪對通過計軸點，以便于EAK進行判斷。

（二）電子檢測器

電子檢測器（EAK）除給磁頭供電和監控磁頭工作外，主要用于檢測并計算輪軸脈沖，同時向計軸主機發送計數和監控信息的報文。電子檢測器的工作部件實際是電子單元，主要由模擬板和ISDN板（母板運算板）組成，其中模擬板負責生成發送信號、放大接收信號、調相、生成車輪脈沖、生成穩壓輸出；模擬板接著將生成的車輪脈沖發送到ISDN板。ISDN板則負責計算車輪脈沖、判斷計數方向、監督磁頭工作、監督EAK自檢、編碼報文、使用ISDN協議向ACE機柜發送計數和診斷數據。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器為黃帽子。

（三）計軸主機

計軸主機又稱計軸評估器（簡記ACE），主機由ACE子架、電源板，CPU奔騰板（數據處理和監視板板）、串行輸入輸出（I/O）板和并行I/O板（閉塞信息板），電源數據耦合單元（PDCU）等組成。其中串行I/O板用于計軸主機之間的連接，以及系統的狀態監測。閉塞信息I/O板是計軸系統和聯鎖之間的數據接口板，所有進出聯鎖的信息都要經過該電路板。控制診斷板主要用于分析所接收到的車輪傳感器的信號，緩存來自磁頭的信息。數據處理和監視板是中央處理單元，它以微處理器為核心構成了故障-安全型微機系統，提供雙通道的監控和比較功能。電源板為計軸主機（5v）和計軸檢測器（70V）供電。為了將室內和室外設備從電氣上進行隔離，每一個直接連接的車輪傳感器都需要一個與之相對應的放大觸發和帶通濾波板。

四、計軸器工作原理

計軸器是以安裝在鋼軌軌腰上的磁頭為探測手段，直接計取和檢驗通過列車的軸數，并通過運算比較器判別計軸軌道區段是否有車占用的信號基礎設備。圖2是假設列車運行方向由磁頭1指向磁頭2（由左向右）經過雙磁頭時，兩組磁頭產生的二進制軸脈沖，其組合成脈沖對有5種形態，即：00、10、11、01、00，顯然，“00”表示列車輪對未駛入磁頭區域；“10”表示列車輪對先駛入磁頭1，還未進入磁頭2；“11”表示列車輪對同時切割磁頭1和磁頭2；“01”表示列車輪對已駛出磁頭1，但仍在磁頭2中；后面的“00”表示列車輪對駛出磁頭區域。因此相對于雙磁頭的磁頭1形成碼序列為01100，磁頭2碼序列為00110。計軸主機就是根據兩脈沖對的組合時序來確定列車的運行方向。不難理解如果磁頭1形成碼序列為00110，磁頭2碼序列為01100，則列車先經過磁頭2，所以列車運行方向從右向左。計軸主機就是根據接收到1的先后順序，來判斷列車的運行方向。

五、計軸系統軟件設計

計軸系統是由線路上諸多計軸器構成的多點計軸體系，它是以軟件為主的容錯系統，實際中可以看到不同廠商設計出的計軸系統軟件和主機軟件不盡相同，但基本要求無外乎以下幾條。

一是計軸主機向指定的計軸器下發讀取軸數的命令，并對計軸器響應后回送的數據報文進行校驗、解包，從而獲得軸數信息或計軸器錯誤信息；

二是計軸主機向指定的輸出模塊下發寫模塊狀態命令，使模塊做相應輸出；

三是計軸主機間通過局域網建立網絡連接，將計軸復零數據、計軸器軸數、區段占用運算數據、軌道繼電器回采數據等互傳并比較，當比較一致時將上述數據作為有效數據；否者做無效處理，給出相應指示；

四是根據各區段的有效數據進行列車運行方向和軸數運算，判斷列車運行方向和區間是否占用，并控制區段軌道繼電器的動作。

五是有效控制計軸器復零。

典型供應商的計軸系統軟件設計一般采用面向對象的開發方法，而單一計軸主機軟件一般采用模塊化的生命周期法，主要包括需求分析、總體設計、詳細設計、編碼和測試維護等幾個階段，對模塊的劃分也遵循著高內聚和低耦合的原則。

六、結論

計軸器作為CBTC系統的后備模式，主要用于實時檢查所防護軌道區段是占用還是空閑，其作用等效于軌道電路，但又勝過軌道電路，目前在我國城市軌道交通無論是新線建設還是既有線路的改造信號系統大都采用CBTC的背景之下，計軸器普及應用顯而易見，正因如此，在信號基礎實踐教學中開設了計軸器實驗，現階段還停留在室外子系統的系統搭建、調試和波形測試，未來將通過大學生創新活動不斷完善系統設計、故障預置與排除故障等方面。

參考文獻：

[1]李夏陽.計軸自動閉塞系統應用及計軸設備發展前景探討[J].鐵道建筑技術，2010，（7）：75-80.

[2]王力.計軸設備在軌道交通信號領域的應用[J].鐵道通信信號，2011，47（1）：20-22.