轨道交通计轴功能模拟仿真系统设计

顾家泉 李立明

［摘要］简要介绍基于计轴的轨道交通控制仿真系统的组成与结构，深入分析仿真系统中对现有轨道交通计轴系统以及相关信号控制设备的仿真思路，阐述了仿真系统的实用价值和现实意义。

［关键词］轨道交通计轴

［中图分类号］U284.47［文献标识码］A［文章编号］2095-3437（2014）12-0083-02 引言

计轴系统是广泛应用于铁路与城市轨道交通信号系统中的用于检测列车位置的基础设备，其主要功能是通过检测车轴经过车轮传感器产生的轮轴脉冲，判断由两个计轴器组成的计轴区段内的车轴数量，从而给出计轴区段的列车占用/空闲状态。

轨道交通计轴功能模拟仿真系统根据计轴工作原理，在沙盘模型模拟列车转向架通过计轴区段时实际计轴系统的运行工况，完全将运用计轴作为列车位置检测设备的列车运行控制系统的工作状况展现出来，以满足课堂教学展示，实验仿真模拟的实际需求，着力解决信号系统中计轴设备原理抽象、课堂理论教学难以讲授的关键问题。

一、计轴工作原理

城市轨道交通计轴系统主要由车轮传感器、轨旁电子盒及室内控制单元组成。车轮传感器安装在钢轨的轨腰上，当车轮传感器工作时，发送端产生一定强度的磁场并被接收端接收，当有车轮经过传感器时，接受端所接受的磁场发生变化，由此产生轮轴脉冲，经轨旁电子盒初步处理后送室内控制单元进行运算，从而得出一个计轴区段内的车轴数量，并将计轴区段的占用/空闲状态传送给列车运行控制设备。

当列车运行控制设备获得计轴系统送来的区段状态后，控制轨旁信号机点灯以向司机传达是否准许进入前方计轴区段的命令，同时控制行车值班员监视面板上的计轴区段光带亮灭供运营人员监督当前列车位置。

二、仿真系统需求

根据实际工作原理及教学展示要求，仿真系统的功能需求主要包括以下内容：

● 运用计轴原理检测列车位置，模拟轨道交通信号控制；

● 在控制显示面板（以下简称“面板”）上显示信号机状态、计轴区段状态以及区段内车轴数量；

仿真系统的整体组成及控制系统采用如下方案：

仿真系统的钢轨及车辆转向架采用高仿真的制式模型，计轴器采用光电门传感器。将光电门传感器固定在硬质塑料板上，共划分为四段计轴区段，钢轨模型穿过传感器的门式缺口并固定在合适位置，使得模拟转向架模型在钢轨上运行经过门式时缺口恰能够遮挡住光电门的发光元件产生矩形脉冲。

在仿真系统中，计轴器的车轴脉冲处理、区段状态评估以及信号机、光带的控制均由51单片机集中完成以简化系统结构。模拟计轴器的光电门传感器直接与51单片机连接作为控制系统的输入，51单片机根据预设的程序进行处理后驱动各面板上的输出显示元件。

仿真系统设置一块控制显示面板以展示各轨旁设备的实时工作状态。仿真系统的控制显示面板如图1所示：

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图1仿真系统的控制显示面板

三、 计轴仿真设计

根据实际原理，每个计轴点设两个光电门传感器，以检测轮轴脉冲并判断列车运行方向。一个计轴区段由两个相邻的计轴点构成。

光电门传感器的特性是当中部的门式缺口未被遮挡时，输出端输出高电平（+5V），当被遮挡后，输出低电平（0V）。由于一个计轴点的两个传感器并排放置，当车轮经过缺口时，某个时段会存在两个传感器同时反相，当51单片机同时检测到两个传感器为低电平时，认为产生了一个轮轴脉冲，并通过检测两个传感器反相的先后顺序，确定列车运行的方向。

对于一个计轴点而言，既参与构成左侧的计轴区段，也参与构成，因此，一个计轴点需要对参与左右区段运算的轮轴脉冲分设两个变量，而对于一个区段而言，存在进入区段（加轴运算）以及离开区段（减轴运算）两种方式。综上，对于第N个计轴点，总共需要四个变量记录车轴脉冲的数量：左区段减轴变量N_DEC_L、右区段减轴变量N_ADD_R、左区段减轴变量N_ADD_L、右区段减轴变量N_DEC_R。如图2所示，区段I的轴数计算公式为：

区段I轴数=1_ADD_R+2_DEC_L-1_DEC_R-2_ADD_R。

当列车经过区段I运行过程中， 处于A、B、C、D、E五个位置时各变量的值如表1所示。

表1列车经过区段I运行各过程计轴变量变化表

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由于计轴点设置的四个变量均作单向累加运算，为防止轴数过多导致变量溢出，当证明计轴区段空闲后，各区段相关的四个变量进行自动清零重新开始计数。

仿真系统信号机按“双红灯防护”规则点亮，以保证一列车后方至少存在两个红灯进行防护。

四、 结语

整个仿真系统巧妙地将列车、轨道、计轴系统以及其它控制设备浓缩于一个小型的沙盘模型之中，在原理设计、硬件布置、模拟仿真等环节中充分考虑仿真系统的真实性及可看性，在课堂演示中取得了很好的效果，为整个轨道交通信号专业的理论教学提供了一种值得借鉴的方式，也为制作其它信号设备仿真演示系统积累了十分宝贵的经验。

［参考文献］

［1］徐金祥，冲蕾.城市轨道交通信号基础［M］.北京：中国铁道出版社，2012:60-64.

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［责任编辑：左芸］