車號(hào)自動(dòng)識(shí)別地面裝置的設(shè)計(jì)及探究

周文波

（沈陽(yáng)鐵路局科研所，遼寧 沈陽(yáng) 110013）

1 系統(tǒng)概述

鐵路車號(hào)識(shí)別系統(tǒng)是鐵路運(yùn)輸信息化的重要組成部分，系統(tǒng)的基本功能是在列車以小于160KM/H速度運(yùn)行過(guò)程中自動(dòng)采集列車運(yùn)行的基本信息如車輛的屬性、車型、車號(hào)、車種，車速等信息。系統(tǒng)設(shè)備分為車上標(biāo)簽和車下地面識(shí)別裝置。每輛機(jī)車或貨車車底安裝電子標(biāo)簽，在需要讀取車號(hào)的地方安裝地面識(shí)別系統(tǒng)，當(dāng)列車經(jīng)過(guò)地面識(shí)別系統(tǒng)時(shí)，地面識(shí)別系統(tǒng)采用微波射頻技術(shù)，自動(dòng)識(shí)別車輛電子標(biāo)簽信息，標(biāo)簽信息存儲(chǔ)在本地設(shè)備上，需要時(shí)通過(guò)GPRS或者串口傳輸給上位機(jī)。為鐵路運(yùn)輸指揮和貨車管理提供實(shí)時(shí)準(zhǔn)確的列車信息。

2 系統(tǒng)功能分析

系統(tǒng)具備以下功能：

2.1 列車標(biāo)簽讀取功能

當(dāng)列車經(jīng)過(guò)地面采集識(shí)別裝置系統(tǒng)時(shí)，車號(hào)自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)可以對(duì)列車的標(biāo)簽進(jìn)行撲捉及讀取。系統(tǒng)可以在低車速的一定范圍內(nèi)穩(wěn)定讀取車號(hào)的功能同時(shí)可以判斷列車是否通過(guò)的功能。

2.2 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)功能

車號(hào)自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)采集到列車數(shù)據(jù)時(shí)，同步在本地存儲(chǔ)卡上存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，防止數(shù)據(jù)直接傳輸發(fā)生錯(cuò)誤導(dǎo)致數(shù)據(jù)丟失。

2.3 數(shù)據(jù)傳輸功能

車號(hào)自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)附加接口（RS232、RS485、RJ45以太網(wǎng)、GPRS），可以在需要時(shí)選擇不同的數(shù)據(jù)傳輸方式。

2.4 適應(yīng)全天候的工作環(huán)境

由于車號(hào)自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)是安裝在室外的裝置，所有系統(tǒng)應(yīng)具備很強(qiáng)的適應(yīng)性及穩(wěn)定性，適應(yīng)酷熱嚴(yán)寒雨雪等極端天氣。

3 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

3.1 系統(tǒng)的硬件構(gòu)成

車號(hào)識(shí)別系統(tǒng)是一種鐵路貨車和機(jī)車電子標(biāo)簽讀出裝置，由主機(jī)、天線、車輪傳感器（磁鋼）等三部分組成。

①天線發(fā)射微波信號(hào)并接收標(biāo)簽反射回來(lái)的調(diào)制信號(hào)，天線承受的荷載應(yīng)大于4.9KN，抗震動(dòng)沖擊應(yīng)符合GJB-150-1986的有關(guān)規(guī)定。天線技術(shù)性能符合以下要求 a.增益小于9.6dB b.電壓駐波比不大于1.5 c.半功率束寬120°（E面）45°（H面）

②車輪傳感器（磁鋼）起到探測(cè)列車到來(lái)的作用，當(dāng)機(jī)車速度小于160KM/H時(shí)通過(guò)磁鋼對(duì)車輪的感應(yīng)開啟主機(jī)電源，自動(dòng)打開和關(guān)閉功放。在不工作時(shí)，可以把功放關(guān)閉，以減少對(duì)環(huán)境和工作人員的微波輻射。

③主機(jī)內(nèi)包含線性電源、射頻組件的解碼板和磁鋼板、PC104控制板等部件。主機(jī)自動(dòng)判斷內(nèi)部溫度控制冷卻風(fēng)扇的啟停，不需人工干預(yù)。系統(tǒng)設(shè)置保護(hù)電路，在未接天線時(shí)打開功放，也不會(huì)燒毀檢波電路。

3.2 系統(tǒng)的軟件構(gòu)成

系統(tǒng)設(shè)計(jì)三種通訊協(xié)議，適應(yīng)不同的使用要求。

①實(shí)時(shí)解碼、實(shí)時(shí)采集車輪傳感器信息，然后實(shí)時(shí)上傳，即當(dāng)標(biāo)簽在讀取區(qū)域時(shí)不斷的進(jìn)行解碼并通過(guò)串口實(shí)時(shí)輸出標(biāo)簽信息，并實(shí)時(shí)上傳采集的車輪傳感器通過(guò)時(shí)間信息；

②當(dāng)列車通過(guò)后，將列車的車號(hào)信號(hào)和車輪時(shí)間信息生成報(bào)文再通過(guò)串口上傳；

③實(shí)時(shí)解碼車號(hào)標(biāo)簽，通過(guò)串口以固定的115200波特率上傳。

這三種協(xié)議可以根據(jù)實(shí)際使用要求進(jìn)行選譯。

4 系統(tǒng)原理及詳細(xì)設(shè)計(jì)

4.1 鐵路車號(hào)識(shí)別系統(tǒng)的組成原理

其中天線水平安裝于鐵軌中間，天線通過(guò)射頻電纜與車號(hào)主機(jī)相連。車輪傳感器安裝在專用夾具上，然后夾具通過(guò)螺栓安裝于鐵軌底部。車號(hào)主機(jī)通常安裝于室內(nèi)。

板狀天線是一個(gè)定向極化天線，讀取范圍120度，駐波比<1.4，在本系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)電磁波的射和標(biāo)簽信號(hào)接收的功能。

射頻源產(chǎn)生射頻信號(hào)，經(jīng)功率放大電路向外發(fā)射射頻信號(hào)。功率放大電路可通過(guò)控制端控制功率放大電路的開關(guān)。接收到的標(biāo)簽信號(hào)經(jīng)檢波電路傳至信號(hào)調(diào)理電路。為防止輸出接口開路燒毀檢波電路，射頻組件設(shè)計(jì)了保護(hù)電路。

信號(hào)調(diào)理電路實(shí)現(xiàn)檢波信號(hào)調(diào)理功能，將信號(hào)幅值調(diào)整到與解碼板相兼容的范圍內(nèi)。解碼板是本系統(tǒng)的核心，完成車號(hào)解碼的功能，完成功放控制功能，完成與上位機(jī)通訊的功能，接收功放控制指令、傳輸解碼后的標(biāo)簽信息功能。

磁鋼板通過(guò)接收車輪到達(dá)的信息，然后將電信號(hào)放大濾波，轉(zhuǎn)變?yōu)?2v的數(shù)字I/O量傳遞到解碼板中。

4.2 車輪傳感器分布設(shè)計(jì)

將車輪傳感器安裝于靠近車號(hào)機(jī)柜一側(cè)的鐵軌上，其中1號(hào)傳感器與天線平行安裝，2號(hào)傳感器安裝在1號(hào)傳感器相鄰的軌枕空隙中，3號(hào)傳感器于1號(hào)傳感器相距5米安裝，4號(hào)傳感器與2號(hào)傳感器相距5米安裝。其示意圖如2。列車方向是根據(jù)列車如果先到達(dá)1號(hào)傳感器或3號(hào)傳感器，則列車為向左行駛；如果先到達(dá)2號(hào)傳感器或4號(hào)傳感器，則列車為向右行駛。其中如果需要識(shí)別機(jī)車標(biāo)簽，則需要3和4號(hào)磁鋼，用于打開射頻功放，如不需要機(jī)車標(biāo)簽，則不需要。1號(hào)傳感器用于識(shí)別列車類型，如貨車或者機(jī)車。2號(hào)傳感器用于識(shí)別列車方向。

磁鋼依其作用可將其分為開關(guān)機(jī)磁鋼，計(jì)軸判輛磁鋼（開門，關(guān)門磁鋼對(duì)）。

車輪傳感器分布框圖如下：

4.3 車號(hào)識(shí)別面板設(shè)計(jì)圖如下

圖1 鐵路車號(hào)識(shí)別系統(tǒng)原理框圖

圖2 車輪傳感器分布示意圖

圖3 車號(hào)識(shí)別面板設(shè)計(jì)圖

主機(jī)的后面板有電源開關(guān)、電源插座、串口1、串口2、天線接口和風(fēng)扇。電源插座內(nèi)含保險(xiǎn)，并有一只備用保險(xiǎn)。背板上兩串口分別實(shí)現(xiàn)兩種通訊協(xié)議。天線接口通過(guò)射頻電纜聯(lián)接天線。電源插座接入220VAC±10%。風(fēng)扇會(huì)根據(jù)主機(jī)內(nèi)溫度自動(dòng)啟停，高于20℃時(shí)自動(dòng)開啟，低于20℃時(shí)自動(dòng)停止。當(dāng)環(huán)境溫度高于65℃時(shí)自動(dòng)停機(jī)，避免主機(jī)過(guò)熱損壞。

功放可以通過(guò)串口指令打開和關(guān)閉，對(duì)于帶有數(shù)字I/O控制的主機(jī)，功放也可以通過(guò)車輪傳感器打開。功放打開后延時(shí)一段時(shí)間自動(dòng)關(guān)閉。在功放打開狀態(tài)下，如果再次收到“功放打開”的指令，或收到車輪傳感器的車輪信號(hào)，延時(shí)時(shí)間重新計(jì)時(shí)。對(duì)于帶有數(shù)字I/O的車號(hào)識(shí)別系統(tǒng)，可以接4路車輪傳感器，并根據(jù)車號(hào)傳感器的信號(hào)自動(dòng)控制功放的開關(guān)。車輪傳感器可以用磁鋼，也可以用接近開關(guān)。如果您需要在每側(cè)安裝多于一只接近開關(guān)，直接并聯(lián)即可。對(duì)于用接近開關(guān)的情況，傳感器供電電壓12V，最大輸出電流1A。

4.4 通信協(xié)議的設(shè)計(jì)

系統(tǒng)主機(jī)串口1實(shí)現(xiàn)通訊協(xié)議1和通訊協(xié)議2。串口2實(shí)現(xiàn)通訊協(xié)議3。系統(tǒng)上電時(shí)功放為關(guān)閉狀態(tài)。可以通過(guò)串口指令打開或關(guān)閉功放。當(dāng)功放打開后，30分鐘內(nèi)未收到關(guān)閉功放指令，功放可以自動(dòng)關(guān)閉。如果在此期間內(nèi)再次收到“打開功放”指令，重新開始計(jì)時(shí)。

串口1波特率默認(rèn)設(shè)置為19200。串口1波特率可以通過(guò)軟件方便的進(jìn)行設(shè)置，車號(hào)主機(jī)可以記憶設(shè)置的參數(shù)，斷電不丟失。串口2波特率固定為115200，不能設(shè)置。

①具備實(shí)時(shí)性的通信協(xié)議設(shè)計(jì)：

該協(xié)議通過(guò)判斷車輪傳感器自動(dòng)識(shí)別列車到達(dá)和離開讀取設(shè)備，然后打開或關(guān)閉功放。當(dāng)列車到達(dá)后，天線開始發(fā)射電磁波，讀取車號(hào)標(biāo)簽信息和車輪通過(guò)時(shí)間信息。當(dāng)識(shí)別到車號(hào)標(biāo)簽信息和車輪時(shí)間信息后，立即通過(guò)串口上傳標(biāo)簽信息和車輪。當(dāng)列車駛離后或者超過(guò)默認(rèn)延遲時(shí)間后，設(shè)備自動(dòng)關(guān)閉功放，回到初始狀態(tài)，等待下一次“打開功放”指令。本協(xié)議不但中含有標(biāo)簽的全部信息，還含有標(biāo)簽序號(hào)信息，每個(gè)標(biāo)簽讀取次數(shù)的信息和車輪時(shí)間新，

②具備存儲(chǔ)性的通信協(xié)議設(shè)計(jì)：

本協(xié)議對(duì)車號(hào)用戶系統(tǒng)的CPU資源消耗較小。車號(hào)系統(tǒng)在收到車號(hào)標(biāo)簽信息后不會(huì)立即上傳，而是保存在系統(tǒng)的緩沖區(qū)中，等列車駛離或者超過(guò)規(guī)定延遲時(shí)間后，生成報(bào)文再上傳給用戶。

5 結(jié)論

該車號(hào)識(shí)別系統(tǒng)地面裝置通過(guò)使用先進(jìn)的軟硬件的設(shè)計(jì)方法，高精度的元器件選擇，保證了車號(hào)采集的及時(shí)性和準(zhǔn)確性。有效提高鐵路貨運(yùn)部門的運(yùn)輸效率。

[1]劉瑞揚(yáng)，王毓民.鐵路車號(hào)自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)原理及應(yīng)用.北京：中國(guó)鐵道出版社，2003.12

[2]畢勝.鐵路車號(hào)自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)在天鐵的應(yīng)用[M].天津：天津冶金，2012.9