鐵路編組站車號(hào)識(shí)別系統(tǒng)

方伯芃，崔炳謀

（蘭州交通大學(xué) 交通運(yùn)輸學(xué)院，甘肅 蘭州 730070）

我國鐵路車號(hào)識(shí)別系統(tǒng)的應(yīng)用已有近10年的歷史，主要使用于跟蹤列車編組，也有與電子軌道衡、車輛安全檢測(cè)設(shè)備配套使用，但是他們的共同特點(diǎn)是以列車為單元提供報(bào)文，必須滿足至少以下幾個(gè)條件：

（1）保證列車在通過系統(tǒng)時(shí)，所有車輛運(yùn)動(dòng)速度必須相差不多；

（2）列車在通過系統(tǒng)時(shí)，必須擁有固定的行駛方向；

（3）列車與列車之間，至少間隔一定時(shí)間（此時(shí)間用于判斷是否列車已經(jīng)通過系統(tǒng)）。

傳統(tǒng)車號(hào)識(shí)別系統(tǒng)主要應(yīng)用于上述條件下的路局間分界口或大站的出入口。而在編組站中，由于列車的運(yùn)行及其不規(guī)律，可能存在如下一種或是同時(shí)存在如下多種情況：

（1）加速運(yùn)動(dòng)：整列列車通過識(shí)別系統(tǒng)時(shí)，車速越來越快；

（2）減速運(yùn)動(dòng)：整列列車通過識(shí)別系統(tǒng)時(shí)，車速越來越慢，甚至列車還未全部通過系統(tǒng)，速度就減為零并停在識(shí)別系統(tǒng)上；

（3）往復(fù)運(yùn)動(dòng)：列車左右往復(fù)運(yùn)動(dòng)；

（4）停止在車號(hào)識(shí)別系統(tǒng)上很長一段時(shí)間后繼續(xù)運(yùn)動(dòng)，等等。

在編組站這種如此復(fù)雜的條件下，過去的車號(hào)識(shí)別系統(tǒng)無法準(zhǔn)確識(shí)別車號(hào)。所以，以前的AEI系統(tǒng)無法用于編組站中，更不能將其用于車站調(diào)車系統(tǒng)或出發(fā)場(chǎng)車號(hào)員的核對(duì)現(xiàn)車。

本系統(tǒng)對(duì)傳統(tǒng)AEI進(jìn)行改進(jìn)，通過使用電子標(biāo)簽、RF射頻裝置、天線、車輪傳感器、讀出主機(jī)、紅外發(fā)生器/紅外接收器、壓力傳感器等設(shè)備，并設(shè)計(jì)車號(hào)識(shí)別算法，實(shí)現(xiàn)在復(fù)雜情況下，對(duì)車號(hào)的準(zhǔn)確識(shí)別。

1 傳統(tǒng)車號(hào)識(shí)別系統(tǒng)的研究

1.1 傳統(tǒng)車號(hào)識(shí)別系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)主要由列車車廂底部中間的電子標(biāo)簽、軌道上的左開機(jī)磁鋼與右開機(jī)磁鋼、軌道上的RFID射頻器組成（如圖1所示）。

1.2 傳統(tǒng)車號(hào)識(shí)別系統(tǒng)工作原理主要有4個(gè)步驟[1-3]

（1）檢測(cè)來車，并開啟射頻裝置：列車進(jìn)入AB區(qū)段后，車軸觸碰開機(jī)磁鋼，將整個(gè)系統(tǒng)初始化，初始化變量、參數(shù)等；同時(shí)啟動(dòng)RFID射頻模塊裝置，RFID裝置通過天線向指定的探測(cè)區(qū)域發(fā)射微波信號(hào)。與此同時(shí)RFID射頻堆棧開始接受RFID射頻器發(fā)送來的數(shù)據(jù)。

（2）RFID射頻堆棧表：當(dāng)列車底部的標(biāo)簽進(jìn)入天線作用范圍時(shí)，地面發(fā)射的微波能量激發(fā)標(biāo)簽內(nèi)部電路工作，標(biāo)簽內(nèi)存信息通過編碼器進(jìn)行編碼，然后調(diào)制在微波載波信號(hào)上，并將其反射給地面設(shè)備。天線同時(shí)接收標(biāo)簽反射回來的信號(hào)，經(jīng)RF射頻模塊進(jìn)行信號(hào)提取、解調(diào)、放大、調(diào)整，送到讀出卡進(jìn)行譯碼處理，發(fā)送到RFID射頻堆棧表中。

（3）關(guān)閉RFID射頻裝置：當(dāng)在Tmax時(shí)間內(nèi)RFID射頻器未接受標(biāo)簽數(shù)據(jù)后，自動(dòng)關(guān)閉。

（4）判斷列車通過，判斷列車車號(hào)順序：當(dāng)RFID射頻器關(guān)閉后，系統(tǒng)開始分析數(shù)據(jù)，RFID堆棧表中的數(shù)據(jù)為列車順序，開機(jī)磁鋼接受到電頻的先后順序?yàn)榱熊囆旭偡较颉?/p>

傳統(tǒng)車號(hào)識(shí)別系統(tǒng)主要用于路局間分界口或大站的出入口，因此不會(huì)發(fā)生變速、停車、中途折返、往復(fù)運(yùn)動(dòng)等復(fù)雜情況，但在編組站中，列車行駛復(fù)雜，傳統(tǒng)車號(hào)識(shí)別系統(tǒng)失效。

2 系統(tǒng)設(shè)備概述

編組站車號(hào)識(shí)別系統(tǒng)對(duì)電子標(biāo)簽、RF射頻裝置、天線、車輪傳感器、讀出主機(jī)、紅外發(fā)生器/紅外接收器、壓力傳感器等設(shè)備進(jìn)行研究[4]，并建立設(shè)計(jì)方案，將以上設(shè)備進(jìn)行最優(yōu)組合，實(shí)現(xiàn)在最少的投資和編組站復(fù)雜條件下，對(duì)車號(hào)順序的準(zhǔn)確識(shí)別。

電子標(biāo)簽：由微波天線、反射調(diào)制控制器、編碼器、微處理器和存儲(chǔ)器等構(gòu)成。具有可讀寫功能，其中存儲(chǔ)器內(nèi)存有車號(hào)信息和車輛技術(shù)參數(shù)信息。標(biāo)簽安裝在車輛的底部中梁上，每輛車安裝一個(gè)標(biāo)簽。車輛標(biāo)簽本身是無源的，靠地面天線發(fā)射的微波載波信號(hào)能量供電，在微處理器的控制下，將其內(nèi)存信息進(jìn)行編碼反射調(diào)制，并將反射調(diào)制后的已調(diào)制信號(hào)反射回給地面天線接收。

RF射頻裝置：本裝置的功能是產(chǎn)生微波信號(hào)和接收處理標(biāo)簽反射回的已調(diào)制微波信號(hào)并解調(diào)出數(shù)據(jù)信號(hào)。當(dāng)RF射頻裝置接收到讀出主機(jī)下達(dá)的命令后，開啟天線，通過天線向外界發(fā)射微波信號(hào)，同時(shí)接收天線返回帶有標(biāo)簽數(shù)據(jù)信息的已調(diào)信號(hào)，經(jīng)放大、濾波、解調(diào)，然后送到讀出主機(jī)的標(biāo)簽信號(hào)采集板進(jìn)行下一步的處理。

天線：天線是用來發(fā)射微波信號(hào)和接收處理標(biāo)簽反射回的已調(diào)制微波信號(hào)的設(shè)備。通過同軸電纜與RF射頻裝置傳輸微波信號(hào)。天線也是密封的，并有護(hù)罩保護(hù)。

車輪傳感：車輪傳感器又稱磁鋼，是采集車輪信號(hào)的傳感器，當(dāng)車輪從其上經(jīng)過時(shí)產(chǎn)生先正后負(fù)的脈沖信號(hào)，脈沖信號(hào)通過電纜引入讀出主機(jī)，最后由磁鋼板進(jìn)行處理。開關(guān)門磁鋼負(fù)責(zé)計(jì)軸、計(jì)輛、測(cè)速和標(biāo)簽定位，根據(jù)車輪通過兩磁鋼的時(shí)間來計(jì)算出軸距、軸數(shù)、車速等參數(shù)。

3 技術(shù)方案

編組站車號(hào)識(shí)別系統(tǒng)是在傳統(tǒng)車號(hào)識(shí)別系統(tǒng)的基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)，并結(jié)合車號(hào)識(shí)別算法進(jìn)行車號(hào)的準(zhǔn)確識(shí)別。

3.1 傳統(tǒng)車號(hào)識(shí)別系統(tǒng)應(yīng)用編組站中的不足

編組站與大站的出入口的不同之處在于編組站內(nèi)車輛行駛的復(fù)雜性，現(xiàn)設(shè)有5節(jié)車廂的列車為：at-q-m-x行駛方向從左向右，其中x為車頭，a為車尾，傳統(tǒng)車號(hào)識(shí)別系統(tǒng)應(yīng)用編組站中主要有以下3點(diǎn)不足：

（1）大站的出入口：列車中所有車輛在通過某點(diǎn)時(shí)保持幾乎相同的運(yùn)動(dòng)速度。

編組站：列車中每列車輛通過某一點(diǎn)的速度可能不相等。

不足點(diǎn)：由于RFID射頻器在工作時(shí)是按一定的時(shí)間向外部發(fā)送脈沖信號(hào)，而速度的不規(guī)律導(dǎo)致RFID堆棧表中記錄車號(hào)的次數(shù)不相同。如：列車做減速運(yùn)動(dòng)，x車廂經(jīng)過RFID時(shí)速度是q車廂的2倍，則x車廂經(jīng)過RFID的時(shí)間是q車廂的一半，這導(dǎo)致RFID堆棧表中x車的記錄只有q車記錄的二分之一。

（2）大站的出入口：整個(gè)列車不會(huì)出現(xiàn)停車再開車現(xiàn)象。

編組站：列車可能隨時(shí)停車，再開車，再停車[5]。

不足點(diǎn)：列車在系統(tǒng)上停車過久，RFID射頻器在規(guī)定時(shí)間內(nèi)掃描不到電子標(biāo)簽，導(dǎo)致射頻器關(guān)機(jī)，此后列車開動(dòng)后，后面經(jīng)過射頻器的列車無法被掃描，出現(xiàn)射頻器掃描丟車現(xiàn)象。（3）大站的出入口：整個(gè)列車保持同一方向運(yùn)行，而不會(huì)變向。編組站：列車可能出現(xiàn)變向情況。

不足點(diǎn)：列車的往復(fù)運(yùn)動(dòng)會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)判向出錯(cuò)。如：列車從左向右行駛，但未全部通過RFID射頻裝置就停下了，RFID射頻器在規(guī)定時(shí)間內(nèi)掃描不到電子標(biāo)簽，導(dǎo)致射頻器關(guān)機(jī)，系統(tǒng)認(rèn)為此次判向結(jié)束，此后列車又從右向左退回去，這時(shí)，判向?yàn)榱熊噺淖笙蛴倚旭偂?/p>

3.2 編組站車號(hào)識(shí)別系統(tǒng)構(gòu)造（如圖2所示）

在AB區(qū)段上添加軌道電路，通過軌道電路來開啟關(guān)閉RFID射頻器。若AB區(qū)段無法使用軌道電路，則在AB區(qū)段加入紅外發(fā)生器/紅外接收器設(shè)備，進(jìn)行檢測(cè)AB區(qū)間是否存在列車。并通過紅外發(fā)生器/紅外接收器設(shè)備來開啟關(guān)閉RFID射頻器。

3.3 編組站車號(hào)識(shí)別系統(tǒng)工作原理5個(gè)步驟

（1）檢測(cè)來車，并開啟射頻裝置：列車進(jìn)入AB區(qū)段時(shí)，車輛壓入軌道電路，以軌道亮紅作為信號(hào)，將系統(tǒng)初始化，初始化變量、參數(shù)等；同時(shí)啟動(dòng)RF射頻模塊裝置工作，通過天線向指定的探測(cè)區(qū)域發(fā)射微波信號(hào)。RFID射頻堆棧，磁鋼堆棧接受RFID射頻器與磁鋼發(fā)送來的數(shù)據(jù)。

（2）磁鋼堆棧表：當(dāng)車軸壓入左右磁鋼后，磁鋼接受到信號(hào)，并將其發(fā)送到磁鋼堆棧表中。

（3）RFID射頻堆棧表：當(dāng)列車底部的標(biāo)簽進(jìn)入天線作用范圍時(shí)，地面發(fā)射的微波能量激發(fā)標(biāo)簽內(nèi)部電路工作，標(biāo)簽內(nèi)存信息通過編碼器進(jìn)行編碼，然后調(diào)制在微波載波信號(hào)上，并將其反射給地面設(shè)備。天線同時(shí)接收標(biāo)簽反射回來的信號(hào)，經(jīng)RF射頻模塊進(jìn)行信號(hào)提取、解調(diào)、放大、調(diào)整，送到讀出卡進(jìn)行譯碼處理，發(fā)送到RFID射頻堆棧表中。

（4）關(guān)閉RFID射頻裝置：等所有列車離開區(qū)段AB，即區(qū)段AB的軌道電路關(guān)閉后（或是紅外探測(cè)器無法檢測(cè)到AB區(qū)間有列車），關(guān)閉RFID射頻器，此時(shí)判斷整列車通過AB區(qū)段。

（5）判斷列車通過，判斷列車車號(hào)順序：當(dāng)RFID射頻器關(guān)閉后，開始通過車號(hào)識(shí)別算法處理RFID堆棧表中的數(shù)據(jù)，得出通過的車次序列，再通過判斷堆棧底與堆棧頭的記錄是否相同，若相同則判斷列車未通過系統(tǒng)，若不同則判斷列車通過系統(tǒng)，此時(shí)通過讀取磁鋼堆棧表中第一個(gè)數(shù)據(jù)，可判斷列車行駛方向。

（注：在某些編組站可能沒有軌道電路，此時(shí)使用紅外發(fā)生器/紅外接收器或使用壓力傳感器來代替。）

3.4 車號(hào)識(shí)別算法

在實(shí)際編組站中，列車的不規(guī)則行駛，會(huì)導(dǎo)致RFID堆棧表中記錄的不規(guī)則，主要會(huì)出現(xiàn)如下情況：

（1）由于RFID射頻器在工作時(shí)是按一定的時(shí)間向外部發(fā)送脈沖信號(hào)，這導(dǎo)致不同速度的車廂通過RFID射頻器掃描到的個(gè)數(shù)不一樣，設(shè)：RFID平均 10毫秒發(fā)出一次射頻進(jìn)行掃描掃描，x車廂通過RFID裝置的時(shí)間是25毫秒，則掃描x車廂的次數(shù)為2次，RFID堆棧表中x記錄為2，m車廂通過RFID裝置的時(shí)間是65毫秒，則掃描m車廂的次數(shù)為6次，RFID堆棧表中m記錄為6，即RFID堆棧表為：xxmmmmmm；

（2）由于在實(shí)際編組站中，列車可能會(huì)有往復(fù)運(yùn)動(dòng)，如：5節(jié)車廂的列車：a-t-q-m-x從左向右通過系統(tǒng)，x車廂在通過RFID射頻器時(shí)被掃描5次，RFID堆棧表為：xxxxx；m車廂在通過RFID射頻器時(shí)被掃描3次，RFID堆棧表為：xxxxxmmm；此時(shí)列車停止一段時(shí)間，又從右向左開，這時(shí)剛通過RFID射頻器的m車廂又通過RFID射頻器，并被掃描2次，此時(shí)RFID堆棧表為：xxxxxmmmmm；接著x車廂從右向左通過了RFID射頻器時(shí)被掃描1次，RFID堆棧表為：xxxxxmmmmmx。

將RFID堆棧表中不規(guī)則的數(shù)據(jù)規(guī)則化，并通過規(guī)則的數(shù)據(jù)分析出列車序號(hào)就是車號(hào)識(shí)別算法。

3.4.1 車號(hào)識(shí)別算法流程圖（如圖3所示）

3.4.2 車號(hào)識(shí)別算法核心部分（略）

3.5 系統(tǒng)流程圖（如圖4所示）

3.6 結(jié)論與展望

3.6.1 仿真結(jié)果

（1）列車xmqta從左向右通過系統(tǒng)（如圖5～6所示）。

（2）列車xmqta從左向右，中途折返未通過系統(tǒng)（如圖7～8所示）。

3.6.2 預(yù)期能達(dá)到的目標(biāo)，可期望的創(chuàng)新結(jié)果

本選題預(yù)期達(dá)到各個(gè)編組站實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化車號(hào)識(shí)別，解決編組站所存在的勞動(dòng)強(qiáng)度大、核對(duì)時(shí)間長、容易出差錯(cuò)等弊病，減輕編組站工作人員勞動(dòng)強(qiáng)度，提高工作效率。創(chuàng)新將推動(dòng)國內(nèi)編組站向自動(dòng)化發(fā)展。

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