轨道交通信号基础实践课程中的计轴器

轨道交通信号基础实践课程中的计轴器作者：原萍，徐会彬，柴晓冬来源：《教育教学论坛》2015年第49期原萍，徐会彬，柴晓冬（上海工程技术大学城市轨道交通学院，上海201620）摘要：计轴器作为轨道交通信号的基础设备已经在不同工程环境和线路条件下广泛应用。本文结合轨道交通信号与控制专业信号基础课程教学中涉及的计轴器进行详析，主要介绍计轴器组成、原理及其软件设计。以此为实现着眼服务工程以培养解决实际问题为终极目标的，强调实用的信号基础实践教学建设之目的。关键词：城市轨道交通；基于通信的列车控制系统；计轴器中图分类号：G642.3文献标志码：A文章编号：1674-9324（2015）49-0078-02一、引言上海工程技术大学城市轨道交通信号与控制专业是“卓越工程师”试点专业，专业培养与上海申通地铁集团建立了密切的合作关系，依托申通集团维保通号公司的场地、技术和设备等资源，开展了专业实习基地的建设，现已建成蒲汇塘实训中心和梅陇实训中心。2014年已经有53名卓越班学生在基地完成了19周的专业实习项目3个，其中涉及到计轴器的实训项目。此外，与上海申通地铁集团有限公司培训中心合作，建设的地铁试验线包含无源信标、有源信标、计轴器、无线接入节点AP（AccessPoint）、波导管等信号硬件设备，同时配备的卡斯柯CBTC信号系统和泰雷兹CBTC信号系统都是以计轴器为后备模式的。为此，有必要对计轴器做深入认识。二、计轴器的特点计轴器同轨道电路一样是用于检测区间空闲与否的设备，经验表明，计轴的可用性一般都达到了完全同样功能的轨道电路的五倍以上。也就是说它与轨道电路相比有很多优点。可归纳如下：1.不受道床电阻影响；2.钢轨表面生锈不会影响对列车的检测；3.对轨道区段的长度没有限制，其防护区段长度可达20km；4.牵引回流和接地线连接无限制；5.磁头可靠性和抗干扰能力较强；6.可适应列车高速行驶；7.软硬件均采用模块化设计，所以现场配置灵活；8.具有自我诊断和报警功能。三、计轴器的组成与结构计轴器由室内设备和室外设备组成。室内设备即用于计数处理的计轴主机（简称ACE）；室外设备由计轴点设备组成，计轴点设备包括安装在钢轨腰线上的磁头（简称SK）和安放电子检测器（简称EAK）的电子盒。（一）磁头磁头是依据电磁感应原理，利用列车走行轮对引起线圈中磁场的变化从而实现将磁能转换成电能的转换装置。馈送给发射磁头的高频电流产生的交变磁场绕过钢轨在接收磁头感应出交变磁场，发送线圈T所产生的磁通环绕过钢轨后形成两个磁通Ф1和Ф2，如图1所示。Ф1和Ф2以不同的路径相反的方向穿过接收线圈R，它们会随着有无列车轮对通过磁头而发生变化，当无车轮切割磁力线时，Ф1大于Ф2，产生的感应交流压VR与励磁电压VT同频同相，反义，有车通过时，Ф1小于Ф2，VR与VT同频反相，此时由于轮缘的屏蔽作用，VR电压幅度很低。工程中相位的变化通过安装过程调整，计轴器也正是利用这种相位变化来检测有无轮对通过计轴点，以便于EAK进行判断。（二）电子检测器电子检测器（EAK）除给磁头供电和监控磁头工作外，主要用于检测并计算轮轴脉冲，同时向计轴主机发送计数和监控信息的报文。电子检测器的工作部件实际是电子单元，主要由模拟板和ISDN板（母板运算板）组成，其中模拟板负责生成发送信号、放大接收信号、调相、生成车轮脉冲、生成稳压输出；模拟板接着将生成的车轮脉冲发送到ISDN板。ISDN板则负责计算车轮脉冲、判断计数方向、监督磁头工作、监督EAK自检、编码报文、使用ISDN协议向ACE机柜发送计数和诊断数据。另外，EAK的黄色部分是给电子单元加的外壳，很像给电子单元加的黄色罩子，所以一般也俗称电子检测器为黄帽子。（三）计轴主机计轴主机又称计轴评估器（简记ACE），主机由ACE子架、电源板，CPU奔腾板（数据处理和监视板板）、串行输入输出（I/O）板和并行I/O板（闭塞信息板），电源数据耦合单元（PDCU）等组成。其中串行I/O板用于计轴主机之间的连接，以及系统的状态监测。闭塞信息I/O板是计轴系统和联锁之间的数据接口板，所有进出联锁的信息都要经过该电路板。控制诊断板主要用于分析所接收到的车轮传感器的信号，缓存来自磁头的信息。数据处理和监视板是中央处理单元，它以微处理器为核心构成了故障-安全型微机系统，提供双通道的监控和比较功能。电源板为计轴主机（5v）和计轴检测器（70V）供电。为了将室内和室外设备从电气上进行隔离，每一个直接连接的车轮传感器都需要一个与之相对应的放大触发和带通滤波板。四、计轴器工作原理计轴器是以安装在钢轨轨腰上的磁头为探测手段，直接计取和检验通过列车的轴数，并通过运算比较器判别计轴轨道区段是否有车占用的信号基础设备。图2是假设列车运行方向由磁头1指向磁头2（由左向右）经过双磁头时，两组磁头产生的二进制轴脉冲，其组合成脉冲对有5种形态，即：00、10、11、01、00，显然，“00”表示列车轮对未驶入磁头区域；“10”表示列车轮对先驶入磁头1，还未进入磁头2；“11”表示列车轮对同时切割磁头1和磁头2；“01”表示列车轮对已驶出磁头1，但仍在磁头2中；后面的“00”表示列车轮对驶出磁头区域。因此相对于双磁头的磁头1形成码序列为01100，磁头2码序列为00110。计轴主机就是根据两脉冲对的组合时序来确定列车的运行方向。不难理解如果磁头1形成码序列为00110，磁头2码序列为01100，则列车先经过磁头2，所以列车运行方向从右向左。计轴主机就是根据接收到1的先后顺序，来判断列车的运行方向。五、计轴系统软件设计计轴系统是由线路上诸多计轴器构成的多点计轴体系，它是以软件为主的容错系统，实际中可以看到不同厂商设计出的计轴系统软件和主机软件不尽相同，但基本要求无外乎以下几条。一是计轴主机向指定的计轴器下发读取轴数的命令，并对计轴器响应后回送的数据报文进行校验、解包，从而获得轴数信息或计轴器错误信息；二是计轴主机向指定的输出模块下发写模块状态命令，使模块做相应输出；三是计轴主机间通过局域网建立网络连接，将计轴复零数据、计轴器轴数、区段占用运算数据、轨道继电器回采数据等互传并比较，当比较一致时将上述数据作为有效数据；否者做无效处理，给出相应指示；四是根据各区段的有效数据进行列车运行方向和轴数运算，判断列车运行方向和区间是否占用，并控制区段轨道继电器的动作。五是有效控制计轴器复零。典型供应商的计轴系统软件设计一般采用面向对象的开发方法，而单一计轴主机软件一般采用模块化的生命周期法，主要包括需求分析、总体设计、详细设计、编码和测试维护等几个阶段，对模块的划分也遵循着高内聚和低耦合的原则。六、结论计轴器作为CBTC系统的后备模式，主要用于实时检查所防护轨道区段是占用还是空闲，其作用等效于轨道电路，但又胜过轨道电路，目前在我国城市轨道交通无论是新线建设还是既有线路的改造信号系统大都采用CBTC的背景之下，计轴器普及应用显而易见，正因如此，在信号基础实践教学中开设了计轴器实验，现阶段还停留在室外子系统的系统搭建、调试和波形测试，未来