機(jī)電一體化技術(shù)在地鐵中的應(yīng)用研究

鐘盛

（東莞市力源機(jī)電工程有限公司）

【摘要】近年來，隨著我國經(jīng)濟(jì)社會(huì)的飛速發(fā)展，城鎮(zhèn)化進(jìn)程穩(wěn)步加快，越來越多的人口涌入城市，給城市交通帶來了巨大的壓力，為了緩解嚴(yán)峻的城市交通壓力，地鐵等軌道交通方式開始得到人們的關(guān)注與認(rèn)可，在城市公共交通中發(fā)揮了重要的作用。地鐵作為一個(gè)龐大的機(jī)電一體化系統(tǒng)工程，涉及機(jī)械、電氣、電子、控制等諸多領(lǐng)域，機(jī)電一體化技術(shù)在其中得到了廣泛的應(yīng)用。本文主要針對(duì)機(jī)電一體化技術(shù)在地鐵中的應(yīng)用進(jìn)行了簡要的闡述，并重點(diǎn)對(duì)其在地鐵AFC系統(tǒng)中的應(yīng)用進(jìn)行了詳細(xì)的分析與研究。

【關(guān)鍵詞】機(jī)電一體化 地鐵 AFC系統(tǒng)

二十一世紀(jì)以來，隨著我國城鎮(zhèn)化進(jìn)程的不斷推進(jìn)，城市基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)發(fā)展十分迅速，公共交通設(shè)施作為城市基礎(chǔ)設(shè)施的關(guān)鍵組成部分，更是得到了先行發(fā)展。隨著城市規(guī)模的不斷擴(kuò)大以及城市人口的不斷增長，城市交通壓力不斷增長，交通擁堵以及環(huán)境污染等現(xiàn)象十分嚴(yán)峻，已經(jīng)成為制約城市進(jìn)一步發(fā)展的關(guān)鍵瓶頸。為了解決城市交通問題，以地鐵為代表的城市軌道交通發(fā)展迅速，其便捷、快速、安全、不占用城市空間等特點(diǎn)使其在許多城市得到了推廣與應(yīng)用，在一些大城市中已經(jīng)成為城市公共交通的主動(dòng)脈。

地鐵作為一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)性工程，涉及機(jī)械、電氣、電子、控制等諸多領(lǐng)域，是機(jī)電一體化技術(shù)應(yīng)用的典型代表，其中機(jī)電設(shè)備系統(tǒng)、列車監(jiān)控系統(tǒng)、自動(dòng)售檢票系統(tǒng)、屏蔽門系統(tǒng)以及通信系統(tǒng)等，都需要機(jī)電一體化技術(shù)的應(yīng)用。本文主要針對(duì)機(jī)電一體化技術(shù)在地鐵中的應(yīng)用進(jìn)行了簡要的闡述，并主要針對(duì)其在地鐵AFC系統(tǒng)中的應(yīng)用進(jìn)行了簡要的分析。

一、機(jī)電一體化技術(shù)在地鐵中的應(yīng)用

隨著信息化時(shí)代的到來，以計(jì)算機(jī)技術(shù)與互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)為首的信息技術(shù)發(fā)展迅速，并不斷向傳統(tǒng)的機(jī)械工業(yè)滲透，促進(jìn)了機(jī)電一體化技術(shù)的形成與發(fā)展。機(jī)電一體化技術(shù)以系統(tǒng)功能為導(dǎo)向，綜合運(yùn)用機(jī)械技術(shù)、電子技術(shù)、控制技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)以及互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)等，實(shí)現(xiàn)了復(fù)雜靈活的系統(tǒng)功能，在實(shí)際生產(chǎn)生活中發(fā)揮著巨大的作用。

在地鐵這一復(fù)雜的系統(tǒng)性工程中，機(jī)電一體化技術(shù)的應(yīng)用十分普遍，根據(jù)實(shí)現(xiàn)功能的不同，其應(yīng)用主要可以體現(xiàn)在以下三個(gè)方面：

一是智能控制系統(tǒng)。地鐵列車與車站的控制智能化離不開機(jī)電一體化技術(shù)的廣泛應(yīng)用：車站的自動(dòng)扶梯可以自動(dòng)檢測有無乘客，并根據(jù)乘客數(shù)量控制運(yùn)行速度；地鐵的屏蔽門在進(jìn)站出站時(shí)自動(dòng)按順序開啟和關(guān)閉；列車內(nèi)的空調(diào)設(shè)備等能夠根據(jù)列車內(nèi)的環(huán)境情況自動(dòng)進(jìn)行調(diào)節(jié)。

二是分布式調(diào)度系統(tǒng)。為了保證地鐵的便捷性與時(shí)效性，地鐵需要在規(guī)定的時(shí)間準(zhǔn)點(diǎn)到達(dá)，且相鄰兩班地鐵間的時(shí)間間隔不能過長，這就對(duì)地鐵的調(diào)度管理提出了較高的要求。為了滿足龐大數(shù)量地鐵列車的調(diào)度與控制需求，基于機(jī)電一體化技術(shù)，利用分布式調(diào)度系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了集監(jiān)控、管理、調(diào)度于一體的地鐵運(yùn)行控制系統(tǒng)。

三是網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)。地鐵作為一個(gè)龐大復(fù)雜的機(jī)電系統(tǒng)，不同功能的子系統(tǒng)數(shù)量較多，且相互之間存在復(fù)雜的信息交互。為了滿足不同子系統(tǒng)對(duì)數(shù)據(jù)信息的需求，基于機(jī)電一體化技術(shù)建立了總線拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)了車站自動(dòng)扶梯、地鐵屏蔽門以及列車系統(tǒng)間的信息交互與共享。

二、機(jī)電一體化技術(shù)在地鐵AFC系統(tǒng)中的應(yīng)用

隨著地鐵在城市中的應(yīng)用越來越廣泛，其方便、快捷、安全、可靠、經(jīng)濟(jì)等優(yōu)勢逐漸得到人們的認(rèn)可，越來越多的市民選擇乘坐地鐵出行，傳統(tǒng)的人工售票已經(jīng)無法滿足地鐵龐大的人流量，為了提高車站的服務(wù)效率，避免擁堵現(xiàn)象， 自動(dòng)售檢票系統(tǒng)（AFC）開始在地鐵站中得到廣泛的應(yīng)用。

AFC系統(tǒng)是基于機(jī)電一體化技術(shù)實(shí)現(xiàn)的地鐵售檢票過程一體化管理系統(tǒng)，其綜合利用了電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)以及自動(dòng)控制技術(shù)等，通過非接觸式IC卡等載體，實(shí)現(xiàn)了安全、可靠、高效的自動(dòng)售檢票過程，大大提高了地鐵車站的服務(wù)能力與服務(wù)效率。根據(jù)AFC系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理的不同流程，可以進(jìn)一步將其分為以下幾個(gè)層次：

（一）車票層

車票層作為整個(gè)地鐵AFC系統(tǒng)的最底層，是直接面向用戶的部分，主要負(fù)責(zé)對(duì)用戶使用的車票、一卡通、手機(jī)錢包以及各類車票形式進(jìn)行識(shí)別，判別車票的合法性及有效性。為了實(shí)現(xiàn)非接觸式快速便捷的車票識(shí)別，射頻識(shí)別技術(shù)以及車票加密技術(shù)等機(jī)電一體化技術(shù)在車票曾得到了廣泛的應(yīng)用。

1.射頻識(shí)別技術(shù)

當(dāng)前廣泛應(yīng)用的城市交通一卡通主要以非接觸式IC為主，其主要由IC芯片與感應(yīng)天線構(gòu)成，當(dāng)外部射頻發(fā)生器向IC卡發(fā)出固定頻率的電磁波時(shí)，卡片內(nèi)部的感應(yīng)天線將產(chǎn)生諧振，從而在內(nèi)部電容中積累電荷形成電壓，驅(qū)動(dòng)IC芯片將存儲(chǔ)數(shù)據(jù)通過感應(yīng)天線反饋至外部的讀寫器或接受外部讀寫器的指令對(duì)內(nèi)部存儲(chǔ)數(shù)據(jù)進(jìn)行修改。

2.車票加密技術(shù)

城市交通IC卡以及其他各類電子車票中，都存儲(chǔ)著用戶的相關(guān)個(gè)人信息以及乘車信息，為了避免IC卡中的隱私信息被他人讀取，需要利用車票加密技術(shù)對(duì)其進(jìn)行加密。應(yīng)用車票加密技術(shù)后，利用射頻讀寫器讀出的IC卡數(shù)據(jù)并不能直接使用，而是首先需要進(jìn)行解密和鑒權(quán)，判斷車票是否合法，之后利用特定的解密算法對(duì)獨(dú)處的數(shù)據(jù)進(jìn)行解密，進(jìn)而得到IC卡的相關(guān)信息。利用車票加密技術(shù)，大大降低了用戶個(gè)人信息泄露的風(fēng)險(xiǎn)，提高了車票管理的可靠性與安全性。

（二）車站設(shè)備終端層

車站設(shè)備終端層主要包括車站內(nèi)自動(dòng)售票機(jī)、自動(dòng)充值機(jī)、自動(dòng)檢票機(jī)等自動(dòng)化設(shè)備，主要負(fù)責(zé)完成售票、充值、檢票等單項(xiàng)功能，接收上層的控制指令同時(shí)將處理結(jié)果及時(shí)向上層進(jìn)行反饋，其可靠穩(wěn)定運(yùn)行離不開機(jī)電一體化技術(shù)的應(yīng)用，是上層系統(tǒng)能夠穩(wěn)定運(yùn)行的重要基礎(chǔ)。

當(dāng)用戶利用自動(dòng)售票機(jī)進(jìn)行購票時(shí)，自動(dòng)售票機(jī)要根據(jù)用戶輸入的出發(fā)站與終點(diǎn)站，自動(dòng)計(jì)算票價(jià)，并根據(jù)用戶的投幣情況自動(dòng)進(jìn)行找零，同時(shí)將相應(yīng)的行程信息注入車票的IC芯片之中；當(dāng)用戶利用購買的車票進(jìn)行檢票時(shí)，自動(dòng)檢票機(jī)中的射頻讀寫器自動(dòng)讀取車票IC芯片中的行程信息，并聯(lián)網(wǎng)判別車票的有效性，判別有效則打開閘門令乘客通過，判別無效則自動(dòng)進(jìn)行報(bào)警。

（三）車站計(jì)算機(jī)系統(tǒng)層

車站計(jì)算機(jī)系統(tǒng)層位于車站終端設(shè)備層之上，主要負(fù)責(zé)對(duì)車站內(nèi)不同功能的終端設(shè)備進(jìn)行管理與控制，同時(shí)對(duì)各終端設(shè)備反饋的信息進(jìn)行處理，獲取當(dāng)前地鐵車站運(yùn)行的相關(guān)信息。車站計(jì)算機(jī)系統(tǒng)層主要由主控系統(tǒng)、功能子系統(tǒng)以及通信鏈路等組成，數(shù)據(jù)的交互與處理技術(shù)是車站計(jì)算機(jī)系統(tǒng)可靠運(yùn)行的關(guān)鍵。

主控系統(tǒng)實(shí)時(shí)從車站內(nèi)的各自動(dòng)售票機(jī)處讀取售票信息，并將信息存儲(chǔ)于數(shù)據(jù)庫中，當(dāng)車站自動(dòng)檢票機(jī)讀取用戶的車票信息并反饋至主控系統(tǒng)時(shí)，主控系統(tǒng)在數(shù)據(jù)庫中進(jìn)行匹配，并將匹配結(jié)果反饋至自動(dòng)檢票機(jī)，匹配成功則認(rèn)為車票有效，否則認(rèn)為車票無效。車票信息數(shù)據(jù)庫必須實(shí)時(shí)進(jìn)行更新，當(dāng)用戶購買成功車票后，及時(shí)在數(shù)據(jù)庫中新建相應(yīng)的車票信息，同時(shí)當(dāng)用戶行程結(jié)束時(shí)，及時(shí)在數(shù)據(jù)庫中刪除相應(yīng)的一次性車票信息，或在一卡通信息中減掉相應(yīng)的車票金額。

除了控制自動(dòng)售檢票機(jī)的協(xié)調(diào)運(yùn)行外，車站計(jì)算機(jī)系統(tǒng)還具備車站客流統(tǒng)計(jì)、票務(wù)統(tǒng)計(jì)等更加豐富的其他功能，通過對(duì)車站售票信息的統(tǒng)計(jì)分析，能夠及時(shí)了解車站的客流情況，及地鐵列車的載客情況，同時(shí)及時(shí)發(fā)現(xiàn)車站內(nèi)各設(shè)備的運(yùn)行情況，有助于及時(shí)發(fā)現(xiàn)設(shè)備的故障。

（四）線路中央計(jì)算機(jī)系統(tǒng)層

線路中央計(jì)算機(jī)系統(tǒng)層是連接清分系統(tǒng)層與車站計(jì)算機(jī)系統(tǒng)層的重要傳輸層，一方面負(fù)責(zé)接收上層下傳的列車運(yùn)行時(shí)刻表、票價(jià)表、黑名單表等數(shù)據(jù)，并及時(shí)傳輸至各車站計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，另一方面接收車站計(jì)算機(jī)系統(tǒng)上傳的地鐵實(shí)時(shí)客流數(shù)據(jù)及設(shè)備運(yùn)行數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)傳輸至上層的清分系統(tǒng)。

（五）清分系統(tǒng)層

清分系統(tǒng)位于整個(gè)軌道AFC系統(tǒng)的最頂層，是整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)控大腦，主要負(fù)責(zé)綜合處理整個(gè)地鐵系統(tǒng)的運(yùn)行數(shù)據(jù)，管理與發(fā)行不同類型的地鐵車票，結(jié)算不同線路的地鐵票款，同時(shí)通過網(wǎng)絡(luò)與一卡通系統(tǒng)、銀行系統(tǒng)等進(jìn)行票款的清算。

清分系統(tǒng)主要由服務(wù)器、交換機(jī)、車票編碼機(jī)等設(shè)備組成，能夠?qū)φ麄€(gè)地鐵AFC系統(tǒng)進(jìn)行管理與控制，同時(shí)負(fù)責(zé)對(duì)整個(gè)地鐵AFC系統(tǒng)產(chǎn)生的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行處理，具有豐富的數(shù)據(jù)處理功能：一是對(duì)地鐵AFC系統(tǒng)運(yùn)行產(chǎn)生的原始交易數(shù)據(jù)自動(dòng)進(jìn)行存儲(chǔ)與備份；二是對(duì)AFC系統(tǒng)內(nèi)各層的數(shù)據(jù)參數(shù)進(jìn)行更新與維護(hù)；三是對(duì)地鐵AFC系統(tǒng)內(nèi)各層的時(shí)鐘進(jìn)行同步維護(hù)，同時(shí)對(duì)系統(tǒng)內(nèi)的密鑰進(jìn)行管理；四是向城市公共交通清分系統(tǒng)上傳地鐵系統(tǒng)的原始交易數(shù)據(jù)；五是向下層發(fā)布列車運(yùn)行時(shí)刻表、票價(jià)表、黑名單等數(shù)據(jù)信息等。

三、結(jié)束語

地鐵作為方便快捷的城市公共交通方式，在城市中得到了廣泛的應(yīng)用，其安全穩(wěn)定運(yùn)行離不開機(jī)電一體化技術(shù)的廣泛應(yīng)用。本文主要針對(duì)機(jī)電一體化技術(shù)在地鐵中的應(yīng)用進(jìn)行了闡述，并重點(diǎn)針對(duì)其在地鐵AFC系統(tǒng)中的應(yīng)用進(jìn)行了深入的分析與研究。

參考文獻(xiàn)：

[1]石慧麟.城市軌道交通自動(dòng)售檢票系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].城市軌道交通研究， 2001， 4（2）：61-63.

[2]劉建剛.現(xiàn)代城市軌道交通（地鐵）機(jī)電一體化的應(yīng)用與節(jié)能技術(shù)的探討[J].城市建設(shè)理論研究：電子版， 2015（3）.

[3]王策.淺析傳感器技術(shù)在地鐵機(jī)電一體化系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].城市建設(shè)理論研究：電子版， 2015（3）.

[4]丁之吟.機(jī)電一體化技術(shù)用于軌道AFC系統(tǒng)分析[J].科學(xué)與財(cái)富， 2015（2）：77-78.

[5]蔣堅(jiān)迪.軌道交通售檢票系統(tǒng)的應(yīng)用與發(fā)展[J].城市建設(shè)理論研究：電子版， 2015（21）.