基于状态机的计轴处理模型研究＊

高 玉 王洪波

（1.西安铁路职业技术学院电子信息系，710014，西安；2.西安市地下铁道有限责任公司，710018，西安∥第一作者，高级讲师）

目前城市轨道交通信号系统广泛采用基于无线通信的列车自动控制（CBTC）技术。由于计轴器具有设备安装简单、抗干扰能力强、不受轨道和供电回流条件限制等特点，CBTC通常采用计轴器代替轨道电路实现轨道区段空闲／占用检查。西门子ACM100型计轴器利用车轮有限状态机模型进行车轮运行方向的判断和车轴计数的处理，有效地提高了计轴系统的抗干扰能力和容错能力。

1 车轮传感器原理

ACM100型计轴器由轨旁设备和室内设备组成。轨旁设备包括双置车轮传感器（WSD）、电缆连接盒等设备；室内设备包括计轴处理模块（ACMs）、电源系统及以太网交换机等设备。多套ACMs通过以太网接口组成一个计轴系统。

WSD内装两个检测单元，每个检测单元都有一个LC振荡电路，其通电工作时，即在WSD周围产生电磁场。当车轮进入磁场范围时，引起磁场变化，检测单元检测到此变化即在 WSD输出端产生脉冲信号。该信号通过专用电缆向ACMs传送，ACMs对接收到的脉冲信号时序和车轮有限状态机（FSM）进行评估，可判断车轮运行方向，实现车轴计数。此外ACMs通过比较驶入轨道区段车轮的计入值与驶出轨道区段车轮的计出值，可判别轨道区段空闲／占用状态，并通过轨道继电器接点提供给联锁系统。WSD装置原理如图1所示。

图1 车轮传感器原理

WSD的两个检测单元间隔一定距离安装，使两个检测单元延时触发信号。ACMs根据两个检测单元触发信号的顺序来判断车轮运行方向。如果车轮从左向右通过WSD，车轮未接近WSD时，两个检测单元都不触发信号，如图2a）中的①；当车轮接近WSD时，左侧检测单元首先触发信号，如图2a）中的②；当车轮处于两个检测单元正上方时，两个检测单元都触发信号，如图2a）中的③；车轮继续运行，左侧检测单元触发信号消失，如图2a）中的④；当车轮驶离 WSD时，两个检测单元触发信号都消失，如图2a）中的⑤。如果车轮从右向左通过WSD，检测单元则按⑤－④－③－②－①顺序触发信号；如果检测单元按①－②－③－②－①顺序触发信号，说明车轮在 WSD上方进行了折返运行。

2 车轮有限状态机

ACM100型计轴器的FSM由无脉冲信号、通道1触发信号、双通道触发信号、通道2触发信号等4种状态组成，如图3所示。FSM状态与图2所示的WSD检测信号触发过程一致。对于单通道触发信号状态，即通道1触发信号或通道2触发信号状态，根据前一状态的类型其又可分为前状态－无脉冲信号和前状态－双通道触发信号2个子状态。当车轮通过WSD时，FSM状态按一定方向和顺序进行周期转换。FSM有5个计数器，分别以r、i、g、x、a表示计数，用于FSM状态和车轴的统计。

图2 车轮传感器检测信号触发原理

图3 车轮有限状态机

（1）若车轮从左向右通过 WSD，每个FSM状态按顺时针方向转换一周，r则递增4；

（2）若车轮从右向左通过 WSD，每个FSM状态按逆时针方向转换一周，i则递增4；

（3）若FSM状态在通道1触发信号和通道1触发信号之间进行转换，x则递增1；

（4）若FSM状态在无脉冲信号和双通道触发信号之间进行转换，g则递增1；

（5）a为当前一组车轴的计数值，每当FSM从无脉冲信号状态开始，转换到双通道触发信号状态，又再次转换到无脉冲信号状态，a则递增1。

3 车轮有限状态机评估

车轮检测单元故障、电源电压波动、列车制动产生的电磁波干扰，以及车轮折返可导致WSD不能触发信号，或者车轴计数错误。ACMs对WSD检测信号和FSM进行评估，可有效地消除干扰因素对车轴计数的影响。如果以下3个条件之一满足，说明FSM状态较长时间未发生变化，ACMs即开始对当前采集到的一组检测信号的时序和FSM进行评估。

（1）条件1：若 WSD触发一个检测信号后，超过tcoll（1 s）时间没有再触发新的检测信号，见图4a），可判断列车已全部通过WSD。

（2）条件2：若WSD单通道触发信号或双通道触发信号的脉冲宽度大于tstat（0.1 s），见图4b），可判断车轮以较慢速度通过WSD。

（3）条件3：若WSD两个通道触发脉冲信号下降沿的间隔时间大于ttrail（12 ms），见图4c），可判断车轮以较慢速度通过WSD。

图4 车轮检测信号时序

3.1 车轮检测信号时序评估

ACMs对WSD检测信号时序进行评估，可以监测WSD故障和干扰导致的计轴错误，保证车轴计数结果的正确性。

3.1.1 检测信号脉冲宽度评估

如果当前一组检测信号中有宽度大于tshort（≤12 ms）的脉冲，无论对驶入轨道区段车轮的计入，还是对驶出轨道区段车轮的计出，ACMs都应向联锁系统给出轨道区段占用表示；如果当前一组检测信号中有宽度小于tshort（≤12 ms）的脉冲，则可判断该脉冲为杂散干扰信号，应被忽略，见图4b）。

3.1.2 最短脉冲序列长度评估

如果当前一组检测信号的总长度T小于tshort（条件1），见图4d），则可判断该组脉冲既不是由多个车轮触发产生，也不是由单个车轮触发产生，其应作为杂散干扰信号被忽略。说明如下：

（1）列车最高运行速度可达到vmax＝400 k m／h，如果列车以此速度运行，则要求车轮的轮径大于865 mm。该轮径的车轮触发检测信号的长度为wmin／865＋dsmin，可计算出一节车辆的车轮触发信号的总长度

式中：

wmin／865——最大轮径为865 mm的车轮使单个检测单元触发信号的长度，通常 wmin／865≥340 mm；

dsmin——两个检测单元触发信号的间隔距离，通常dsmin≥50 mm。

列车运行速度越低，L值越小，根据式（1）、式（2）计算出

式中Ln为车辆第一个车轮中心到最后一个车轮中心距离。一节车辆至少包括一个固定轴距DL（≥2.1 m），因此Ln应大于DL，显然与式（3）矛盾，由此可判断该组脉冲不是由多个车轮触发产生。

（2）车轮运行速度v＝（wmin／865＋dsmin）／T。由于T≤tshort，可计算出 v≥（wmin／865＋dsmin）／tshort。由于列车相邻车轴间距dnb≤20 m，可计算出两个相邻车轮触发检测信号的最大间隔时间T′≤dnb／［（wmin／865＋dsmin）／tshort］，计算结果 T′≤0.615 s。由于T′≤tcoll，可判断该组检测信号不是由单个车轮触发产生，而是由多个车轮触发产生，因此T≥T′；此外T′≥tshort，计算出T≥tshort，计算结果与条件1矛盾，由此也可判断该组脉冲不是由单个车轮触发产生。

3.2 车轴计数值评估

ACMs对FSM计数器进行评估，可判断车轮运行方向，实现车轴计数。若车轴计数器a等于零，说明WSD未触发双通道信号，则ACMs不计轴；若a不等于零，可判断有车轮通过 WSD，通过比较r和i可确定车轴计数值，结果如下：

（1）若r＝i，可判断车轮在 WSD上方进行了折返，则该车轴不计数。

（2）若r≥i，且r为z值的4倍，g和x均保持为零，则可判断车轮从左向右通过WSD，FSM状态按图2a）中①－②－③－④－⑤顺序进行了无故障遍历，车轴计数结果正确，总计轴值增加a。

（3）若i≤r，且i为a值的4倍，g和x均保持为零，则可判断车轮从右向左通过WSD，FSM状态按图2a）中⑤－④－③－②－①顺序进行了无故障遍历，车轴计数结果正确，总计轴值减去a。

3.3 计轴错误监测

ACMs对FSM计数器进行评估，可监测WSD故障和各种干扰导致的计轴错误。一旦计轴出现错误，ACMs依据故障－安全原则给出轨道区段占用表示。

（1）车轮传感器供电故障。计轴器电源电压波动或WSD连接电缆断裂都会对车轮传感器供电产生影响，导致两个检测单元同时触发信号。当供电恢复后，两个检测单元触发信号又同时消失，使g递增1。因此若g≠0，则可以判断 WSD供电发生故障，ACMs应给出轨道区段占用表示。

（2）列车涡流制动干扰。列车涡流制动产生的电磁干扰可触发单通道信号，导致FSM产生与正常方向相反的状态转换。一旦涡流制动产生的随机干扰量超过规定值，ACMs应给出轨道区段占用表示。通常涡流制动导致FSM状态转换错误的允许次数小于1＋a／rimax，其中rimax为受涡流制动干扰的车轮数。

3.4 折返车轮评估

列车折返过程包括列车正向运行、减速停稳、改变运行方向、反向运行等过程。列车折返分为在WSD上方有车轮折返和在WSD上方无车轮折返2种类型。

3.4.1 WSD上方有车轮的列车折返

若r＝i，则可判断列车折返时有车轮在 WSD上方，这种情况可导致折返车轮计轴错误，ACMs应给出轨道区段占用表示。

1）车轮运行到WSD正上方触发双通道信号后折返。

（1）若折返车轮触发信号的脉冲宽度大于tstat，则该车轮不参与当前一组车轮的评估，需要单独评估；

（2）若列车折返时加速快，该车轮正向和反向运行2次触发双通道信号的时间tstat正和tstat反均小于0.1 s，则车轮从反向运行开始到驶离WSD时的最长时间为tstat正＋tstat反＋ttrail反，车轮速度最大可加速到（tstat正＋tstat反＋ttrail反）×bmax，其中bmax（≤3 m／s2）为列车反向运行的最大起动加速度。可计算出两个通道脉冲信号下降沿的最小间隔时间为dsmin／［（tstat正＋tstat反＋ttrail反）×bmax］＝78.6 ms。由于计算结果大于ttrail，该车轮不参与当前一组车轮的评估，需要单独评估。

2）对于车轮的一部分驶入WSD位置，只触发了单通道信号就开始折返。由于该车轮正向运行和反向运行两次触发信号的运行方向不同，该车轮不计入到当前一组车轴。说明如下：

（1）若折返车轮正向运行触发单通道信号的时间tstat正≥tstat，或者车轮通过WSD后无通道触发信号的时间大于tcoll，或者车轮反向运行触发单通道或双通道信号的时间tstat反大于0.1 s，或者车轮反向运行触发双通道脉冲信号下降沿的间隔时间大于ttrail，ACMs则重新开始对下一组车轴进行计数。

（2）若列车折返加速快，该车轮正向和反向运行2次触发双通道信号的时间tstat正和tstat反小于0.1 s，则车轮从折返开始到驶离 WSD时的最长时间为tstat正＋tcoll＋tstat反＋tstat反＋ttrail反，车轮速度最大可加速到（tstat正＋tcoll＋tstat反＋tstat反＋ttrail反）×bmax。可计算出两个通道脉冲信号下降沿的最小间

隔时间为dsmin／［（tstat正＋tcoll＋tstat反＋tstat反＋ttrail反）×bmax］＝12.7 ms。由于计算结果大于ttrail，ACMs重新开始对下一组车轴进行计数。

3.4.2 WSD上方无车轮的列车折返

如果列车折返时在 WSD上方没有车轮，由于折返车轮正向运行和反向运行两次触发信号的运行方向不同，该车轮不计入当前一组车轴。说明如下：

1）若折返车轮改变运行方向期间，无通道触发信号的时间大于tcoll，或者车轮折返后，反向运行触发单通道或双通道信号的时间tstat反大于0.1 s，或者车轮反向运行触发双通道脉冲信号下降沿的间隔时间大于ttrail，ACMs则重新开始对下一组车轴进行计数。

2）若列车折返时加速快，折返车轮反向运行触发信号的时间均小于0.1 s，则车轮从折返开始到驶离 WSD时的最长时间为tcoll＋tstat反＋tstat反＋ttrail反，车轮速度最大可加速到（tcoll＋tstat反＋tstat反＋ttrail反）×bmax。可计算出两个通道脉冲信号下降沿的最小间隔时间为dsmin／［（tcoll＋tstat反＋tstat反＋ttrail反）×bmax］＝13.8 ms，由于结果大于ttrail（12 ms），ACMs重新开始对下一组车轴进行计数。

4 结语

西安地铁1号线CBTC系统采用了西门子新型ACM100计轴器，实现轨道区段空闲／占用检查。目前CBTC系统已开通运行近1年，计轴器工作稳定，各项技术指标和功能均达到了相关技术标准和规范的要求。计轴器在城市轨道交通领域具有广阔的发展前景，国内供应商有必要借鉴国外计轴器的先进技术，进一步研究和优化计轴处理模型，不断提高国产计轴器的技术水平。

［1］ 钟小伟.西门子AzS（M）350 M 型微机计轴设备系统［J］.都市快轨交通，2004（s1）：116.

［2］ 冯圣华.计轴系统在广州地铁中的应用［J］.都市快轨交通，2006（6）：80.