機電一體化技術在地鐵中的應用研究

鐘盛

（東莞市力源機電工程有限公司）

【摘要】近年來，隨著我國經濟社會的飛速發展，城鎮化進程穩步加快，越來越多的人口涌入城市，給城市交通帶來了巨大的壓力，為了緩解嚴峻的城市交通壓力，地鐵等軌道交通方式開始得到人們的關注與認可，在城市公共交通中發揮了重要的作用。地鐵作為一個龐大的機電一體化系統工程，涉及機械、電氣、電子、控制等諸多領域，機電一體化技術在其中得到了廣泛的應用。本文主要針對機電一體化技術在地鐵中的應用進行了簡要的闡述，并重點對其在地鐵AFC系統中的應用進行了詳細的分析與研究。

【關鍵詞】機電一體化 地鐵 AFC系統

二十一世紀以來，隨著我國城鎮化進程的不斷推進，城市基礎設施建設發展十分迅速，公共交通設施作為城市基礎設施的關鍵組成部分，更是得到了先行發展。隨著城市規模的不斷擴大以及城市人口的不斷增長，城市交通壓力不斷增長，交通擁堵以及環境污染等現象十分嚴峻，已經成為制約城市進一步發展的關鍵瓶頸。為了解決城市交通問題，以地鐵為代表的城市軌道交通發展迅速，其便捷、快速、安全、不占用城市空間等特點使其在許多城市得到了推廣與應用，在一些大城市中已經成為城市公共交通的主動脈。

地鐵作為一個復雜的系統性工程，涉及機械、電氣、電子、控制等諸多領域，是機電一體化技術應用的典型代表，其中機電設備系統、列車監控系統、自動售檢票系統、屏蔽門系統以及通信系統等，都需要機電一體化技術的應用。本文主要針對機電一體化技術在地鐵中的應用進行了簡要的闡述，并主要針對其在地鐵AFC系統中的應用進行了簡要的分析。

一、機電一體化技術在地鐵中的應用

隨著信息化時代的到來，以計算機技術與互聯網技術為首的信息技術發展迅速，并不斷向傳統的機械工業滲透，促進了機電一體化技術的形成與發展。機電一體化技術以系統功能為導向，綜合運用機械技術、電子技術、控制技術、計算機技術以及互聯網技術等，實現了復雜靈活的系統功能，在實際生產生活中發揮著巨大的作用。

在地鐵這一復雜的系統性工程中，機電一體化技術的應用十分普遍，根據實現功能的不同，其應用主要可以體現在以下三個方面：

一是智能控制系統。地鐵列車與車站的控制智能化離不開機電一體化技術的廣泛應用：車站的自動扶梯可以自動檢測有無乘客，并根據乘客數量控制運行速度；地鐵的屏蔽門在進站出站時自動按順序開啟和關閉；列車內的空調設備等能夠根據列車內的環境情況自動進行調節。

二是分布式調度系統。為了保證地鐵的便捷性與時效性，地鐵需要在規定的時間準點到達，且相鄰兩班地鐵間的時間間隔不能過長，這就對地鐵的調度管理提出了較高的要求。為了滿足龐大數量地鐵列車的調度與控制需求，基于機電一體化技術，利用分布式調度系統，實現了集監控、管理、調度于一體的地鐵運行控制系統。

三是網絡通信系統。地鐵作為一個龐大復雜的機電系統，不同功能的子系統數量較多，且相互之間存在復雜的信息交互。為了滿足不同子系統對數據信息的需求，基于機電一體化技術建立了總線拓撲結構網絡，實現了車站自動扶梯、地鐵屏蔽門以及列車系統間的信息交互與共享。

二、機電一體化技術在地鐵AFC系統中的應用

隨著地鐵在城市中的應用越來越廣泛，其方便、快捷、安全、可靠、經濟等優勢逐漸得到人們的認可，越來越多的市民選擇乘坐地鐵出行，傳統的人工售票已經無法滿足地鐵龐大的人流量，為了提高車站的服務效率，避免擁堵現象， 自動售檢票系統（AFC）開始在地鐵站中得到廣泛的應用。

AFC系統是基于機電一體化技術實現的地鐵售檢票過程一體化管理系統，其綜合利用了電子技術、計算機技術以及自動控制技術等，通過非接觸式IC卡等載體，實現了安全、可靠、高效的自動售檢票過程，大大提高了地鐵車站的服務能力與服務效率。根據AFC系統數據處理的不同流程，可以進一步將其分為以下幾個層次：

（一）車票層

車票層作為整個地鐵AFC系統的最底層，是直接面向用戶的部分，主要負責對用戶使用的車票、一卡通、手機錢包以及各類車票形式進行識別，判別車票的合法性及有效性。為了實現非接觸式快速便捷的車票識別，射頻識別技術以及車票加密技術等機電一體化技術在車票曾得到了廣泛的應用。

1.射頻識別技術

當前廣泛應用的城市交通一卡通主要以非接觸式IC為主，其主要由IC芯片與感應天線構成，當外部射頻發生器向IC卡發出固定頻率的電磁波時，卡片內部的感應天線將產生諧振，從而在內部電容中積累電荷形成電壓，驅動IC芯片將存儲數據通過感應天線反饋至外部的讀寫器或接受外部讀寫器的指令對內部存儲數據進行修改。

2.車票加密技術

城市交通IC卡以及其他各類電子車票中，都存儲著用戶的相關個人信息以及乘車信息，為了避免IC卡中的隱私信息被他人讀取，需要利用車票加密技術對其進行加密。應用車票加密技術后，利用射頻讀寫器讀出的IC卡數據并不能直接使用，而是首先需要進行解密和鑒權，判斷車票是否合法，之后利用特定的解密算法對獨處的數據進行解密，進而得到IC卡的相關信息。利用車票加密技術，大大降低了用戶個人信息泄露的風險，提高了車票管理的可靠性與安全性。

（二）車站設備終端層

車站設備終端層主要包括車站內自動售票機、自動充值機、自動檢票機等自動化設備，主要負責完成售票、充值、檢票等單項功能，接收上層的控制指令同時將處理結果及時向上層進行反饋，其可靠穩定運行離不開機電一體化技術的應用，是上層系統能夠穩定運行的重要基礎。

當用戶利用自動售票機進行購票時，自動售票機要根據用戶輸入的出發站與終點站，自動計算票價，并根據用戶的投幣情況自動進行找零，同時將相應的行程信息注入車票的IC芯片之中；當用戶利用購買的車票進行檢票時，自動檢票機中的射頻讀寫器自動讀取車票IC芯片中的行程信息，并聯網判別車票的有效性，判別有效則打開閘門令乘客通過，判別無效則自動進行報警。

（三）車站計算機系統層

車站計算機系統層位于車站終端設備層之上，主要負責對車站內不同功能的終端設備進行管理與控制，同時對各終端設備反饋的信息進行處理，獲取當前地鐵車站運行的相關信息。車站計算機系統層主要由主控系統、功能子系統以及通信鏈路等組成，數據的交互與處理技術是車站計算機系統可靠運行的關鍵。

主控系統實時從車站內的各自動售票機處讀取售票信息，并將信息存儲于數據庫中，當車站自動檢票機讀取用戶的車票信息并反饋至主控系統時，主控系統在數據庫中進行匹配，并將匹配結果反饋至自動檢票機，匹配成功則認為車票有效，否則認為車票無效。車票信息數據庫必須實時進行更新，當用戶購買成功車票后，及時在數據庫中新建相應的車票信息，同時當用戶行程結束時，及時在數據庫中刪除相應的一次性車票信息，或在一卡通信息中減掉相應的車票金額。

除了控制自動售檢票機的協調運行外，車站計算機系統還具備車站客流統計、票務統計等更加豐富的其他功能，通過對車站售票信息的統計分析，能夠及時了解車站的客流情況，及地鐵列車的載客情況，同時及時發現車站內各設備的運行情況，有助于及時發現設備的故障。

（四）線路中央計算機系統層

線路中央計算機系統層是連接清分系統層與車站計算機系統層的重要傳輸層，一方面負責接收上層下傳的列車運行時刻表、票價表、黑名單表等數據，并及時傳輸至各車站計算機系統，另一方面接收車站計算機系統上傳的地鐵實時客流數據及設備運行數據，并將數據傳輸至上層的清分系統。

（五）清分系統層

清分系統位于整個軌道AFC系統的最頂層，是整個系統的運控大腦，主要負責綜合處理整個地鐵系統的運行數據，管理與發行不同類型的地鐵車票，結算不同線路的地鐵票款，同時通過網絡與一卡通系統、銀行系統等進行票款的清算。

清分系統主要由服務器、交換機、車票編碼機等設備組成，能夠對整個地鐵AFC系統進行管理與控制，同時負責對整個地鐵AFC系統產生的數據信息進行處理，具有豐富的數據處理功能：一是對地鐵AFC系統運行產生的原始交易數據自動進行存儲與備份；二是對AFC系統內各層的數據參數進行更新與維護；三是對地鐵AFC系統內各層的時鐘進行同步維護，同時對系統內的密鑰進行管理；四是向城市公共交通清分系統上傳地鐵系統的原始交易數據；五是向下層發布列車運行時刻表、票價表、黑名單等數據信息等。

三、結束語

地鐵作為方便快捷的城市公共交通方式，在城市中得到了廣泛的應用，其安全穩定運行離不開機電一體化技術的廣泛應用。本文主要針對機電一體化技術在地鐵中的應用進行了闡述，并重點針對其在地鐵AFC系統中的應用進行了深入的分析與研究。

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