王鵬，兀偉，敬偉，王航宇

（1.西安工業(yè)大學(xué)電子信息工程學(xué)院，陜西西安710032；2.西安航空職業(yè)技術(shù)學(xué)院電子工程系，陜西西安710089）

隨著通信與測(cè)控、以及自動(dòng)化技術(shù)的發(fā)展和業(yè)務(wù)不斷增加，列車運(yùn)行監(jiān)控裝置種把計(jì)算機(jī)技術(shù)應(yīng)用于鐵路行車安全的車載電子設(shè)備，以實(shí)現(xiàn)列車自動(dòng)防護(hù)系統(tǒng)的功能。它能夠接收地面信息，具有列車運(yùn)行速度的監(jiān)控、記錄、顯示等功能，能有效防止列車超速及保證列車及時(shí)停車，并能通無(wú)線傳輸?shù)姆绞皆诘孛嬗?jì)算機(jī)上以圖形曲線、數(shù)字報(bào)表等形式再現(xiàn)列車運(yùn)行過(guò)程，為分析機(jī)車運(yùn)用質(zhì)量、電務(wù)和工務(wù)設(shè)備質(zhì)量、車務(wù)及調(diào)度工作質(zhì)量等提供依據(jù)，便于機(jī)務(wù)部門(mén)進(jìn)行科學(xué)化、現(xiàn)代化管理，有助于提高機(jī)務(wù)管理干部及機(jī)車乘務(wù)員的綜合技術(shù)水平。因此，機(jī)車運(yùn)行監(jiān)控裝置也得到不斷的發(fā)展和完善，按照整體規(guī)劃、資源方便分期建設(shè)的思路考慮形成了列車運(yùn)行前方動(dòng)態(tài)監(jiān)視監(jiān)控系統(tǒng)[1]。

1 列車運(yùn)行前方動(dòng)態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求[2]

1）識(shí)別功能：兩個(gè)攝像裝置送來(lái)的機(jī)車前方圖像進(jìn)行處理，完成線路、股道上景物的識(shí)別。

2）監(jiān)控功能：可以實(shí)施對(duì)機(jī)車運(yùn)行的監(jiān)控，并且通過(guò)語(yǔ)音和現(xiàn)實(shí)等方式提示和報(bào)警；

3）記錄功能：列車行進(jìn)間的圖像信息和日期、時(shí)間、機(jī)型、機(jī)車號(hào)、裝置編號(hào)、出現(xiàn)險(xiǎn)情時(shí)的速度、公里標(biāo)、最近一架信號(hào)機(jī)編號(hào)等數(shù)據(jù)信息

4）傳輸功能：可以通過(guò)鐵路專用網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)車載設(shè)備與地面設(shè)備的信息交互；

5）人機(jī)交互功能：可以對(duì)設(shè)備進(jìn)行設(shè)定參數(shù)，并且在屏幕上顯示當(dāng)前機(jī)車速度及速度曲線、公里標(biāo)、燈型、機(jī)車前方線路上3～5 km內(nèi)目標(biāo)對(duì)象、本設(shè)備單元故障提示、機(jī)車運(yùn)行方向等工況信息、實(shí)時(shí)時(shí)鐘等相關(guān)信息。

6）可以在顯示屏上以數(shù)字或圖形形式直觀、真實(shí)、實(shí)時(shí)反映進(jìn)路上的所有圖像畫(huà)面。并且能夠反映出距各種最近的障礙物、色燈、標(biāo)志牌等目標(biāo)距機(jī)車的精確距離等信息。

7）通過(guò)語(yǔ)音方式提示和報(bào)警，還可通過(guò)顯示方式在顯示屏上顯示出來(lái)，并控制機(jī)車減速或停車，對(duì)機(jī)車實(shí)施常用制動(dòng)和緊急制動(dòng)。

2 監(jiān)控系統(tǒng)組成

本系統(tǒng)由電源單元，監(jiān)控單元，圖像采集單元，圖像數(shù)據(jù)傳輸單元，預(yù)留接口，操作終端等幾部分組成，其結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖Fig.1 Structure block diagram of system

1）電源單元主要負(fù)責(zé)給各個(gè)單元供電，可滿足DC24 V和DC110 V輸入，功率250 W；

除此之外，休閑運(yùn)動(dòng)還需要學(xué)校予以一定的支持，為學(xué)生進(jìn)行休閑運(yùn)動(dòng)提供良好的場(chǎng)地條件，教師也應(yīng)該加強(qiáng)對(duì)于休閑運(yùn)動(dòng)方式、項(xiàng)目的研究，從而以更加專業(yè)化的形式給予學(xué)生正確的指導(dǎo)。學(xué)校也可以定期舉辦休閑運(yùn)動(dòng)項(xiàng)目的活動(dòng)，如組織學(xué)生在節(jié)假日，一起走出校門(mén)和深入大自然之中，開(kāi)展郊游、登山、騎山地自行車、徒步越野等一系列空域、陸域、水域休閑體育項(xiàng)目。這些休閑項(xiàng)目操作簡(jiǎn)單，對(duì)于學(xué)生的要求較低，而且這些休閑體育項(xiàng)目都是對(duì)于日?；緞?dòng)作技能的練習(xí)，對(duì)于學(xué)生日常生活有著很好的幫助，能夠使學(xué)生在日常生活當(dāng)中也進(jìn)行自身的鍛煉，加強(qiáng)了學(xué)生的身體素質(zhì)。

2）監(jiān)控單元可根據(jù)圖像單元對(duì)景物識(shí)別結(jié)果得到的相應(yīng)信息進(jìn)行分類識(shí)別處理，通過(guò)操作終端顯示，并且根據(jù)實(shí)時(shí)情況可以通過(guò)制動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)對(duì)列車發(fā)出停車或減速指令；

3）圖像采集單元主要完成對(duì)機(jī)車前方動(dòng)態(tài)目標(biāo)的捕捉，并且對(duì)實(shí)時(shí)圖像的處理和存儲(chǔ)；

4）圖像數(shù)據(jù)傳輸單元主要負(fù)責(zé)圖像和數(shù)據(jù)信息實(shí)時(shí)傳輸，并且可以接收地面設(shè)備向車載設(shè)備傳輸各種指令；

5）操作終端主要實(shí)現(xiàn)人機(jī)信息的交互。

3 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 硬件設(shè)計(jì)

3.1.1 微 處理器的選擇

本系統(tǒng)中的CPU采用性能強(qiáng)大的混合信號(hào)系統(tǒng)級(jí)主板S3C2440。選擇這種主板，主要考慮以下幾點(diǎn)：

1）列車制動(dòng)時(shí)，制動(dòng)管及制動(dòng)缸的壓力變化非?？?，監(jiān)視這兩路壓力變化的過(guò)程要求采樣速率小于1/100 s，且制動(dòng)壓力范圍大，因此需要16位A/D，該主板自帶多通道16位A/D，轉(zhuǎn)換速率為100 ksps，完全滿足實(shí)際需求。

3）該主板具有內(nèi)置的兩路帶回差的模擬比較器可方便的用于列車啟動(dòng)自動(dòng)喚醒。

4）列車運(yùn)行當(dāng)中有大量的圖像和實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)需要處理，所以計(jì)算工作量大，實(shí)時(shí)性要求高，而S3C2440采用流水線指令結(jié)構(gòu)，70%指令執(zhí)行時(shí)間為一個(gè)或兩個(gè)系統(tǒng)時(shí)鐘周期，使用400 MHz主頻，指令周期平均執(zhí)行時(shí)間只有0.01 μs，可以很好地滿足系統(tǒng)速度快、精度高的要求。

3.1.2 系 統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)如圖2所示[3-5]。

圖2 硬件結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Block diagram of system hardware

列車運(yùn)行前方動(dòng)態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)硬件部分主要由主控板、紅外熱成像攝像機(jī)、圖像數(shù)據(jù)傳輸模塊組成。紅外熱成像攝像機(jī)采用FILR T400，攝像機(jī)通過(guò)RS232與主控板連接，通過(guò)串口命令方式控制攝像機(jī)的動(dòng)作，然后通過(guò)高速傳輸接口，把拍攝圖像傳入大容量存儲(chǔ)器中。圖像數(shù)據(jù)傳輸模塊采用雙卡V7000網(wǎng)絡(luò)視頻編碼器，它是一個(gè)集視頻采集、實(shí)時(shí)壓縮、無(wú)線傳輸?shù)裙δ転橐惑w的嵌入式設(shè)備，設(shè)備接通電源之后就可以獨(dú)立工作，首先把采集的視頻圖像經(jīng)H.264算法進(jìn)行壓縮編碼，然后將壓縮后的視頻數(shù)據(jù)傳輸?shù)揭曨l監(jiān)控流媒體服務(wù)器中，用戶可以通過(guò)客戶端監(jiān)控軟件登錄流媒體服務(wù)器進(jìn)行實(shí)時(shí)視頻瀏覽、監(jiān)控和管理。主控板通過(guò)RS232與V7000連接，通過(guò)串口命令控制實(shí)時(shí)圖像和數(shù)據(jù)的發(fā)生與接收。

3.1.3 電 路原理圖

硬件電路以S3C2440為核心，包括硬盤(pán)接口電路，調(diào)試接口電路，振蕩電路，復(fù)位電路，控制開(kāi)關(guān)矩陣接口，數(shù)傳模塊接口電路，視頻采集接口和計(jì)算機(jī)通訊接口[6]，如圖3所示。

S3C2440為32位CMOS微處理器，具有豐富的資源，引腳多達(dá)289個(gè)，因篇幅有限，本文僅給出部分關(guān)鍵的連接引腳，其他引腳未在圖中畫(huà)出。圖中74LCX16245為低電壓雙向總線驅(qū)動(dòng)器，電源電路2.3～3.6 V，本文用3.3 V，端口可接受5 V電壓。用于連接CPU和硬盤(pán)的IDE接口。JTAG接口用于軟件調(diào)試。控制開(kāi)關(guān)為4×4開(kāi)關(guān)矩陣，開(kāi)關(guān)矩陣未在圖中畫(huà)出，僅給出接口。系統(tǒng)時(shí)鐘12 MHz，32 768 Hz用于實(shí)時(shí)時(shí)鐘。CPU復(fù)位采用上電復(fù)位。數(shù)傳模塊接口用于連接短距離無(wú)線通訊模塊。MAX232是TTL電平和RS232電平的轉(zhuǎn)換芯片，可以直接和計(jì)算機(jī)通訊。狀態(tài)指示可提示3種信息，分別是運(yùn)行、報(bào)警和故障。運(yùn)行和故障由指示燈實(shí)現(xiàn)，報(bào)警由蜂鳴器實(shí)現(xiàn)。

3.2 軟件設(shè)計(jì)

在本系統(tǒng)中操作系統(tǒng)平臺(tái)采用MICROSOFT WINDOWS CE，軟件開(kāi)發(fā)平臺(tái)采用EVC，界面設(shè)計(jì)符合一般操作習(xí)慣。主控軟件主要包括文件管理模塊、控制模塊、信息處理模塊、異常處理模塊等4個(gè)部分。軟件框架如圖4所示。

1）文件管理模塊①信息（包括列車運(yùn)行數(shù)據(jù)，車輛報(bào)警信息）存儲(chǔ)、處理、轉(zhuǎn)存等；②相關(guān)語(yǔ)音信息存儲(chǔ)。

圖3 硬件原理圖Fig.3 Schematic of hardware

圖4 系統(tǒng)軟件框圖Fig.4 Block diagram of system software

2）控制模塊①報(bào)警信息控制；②控制機(jī)車減速或停車，對(duì)機(jī)車實(shí)施常用制動(dòng)和緊急制動(dòng)；③圖像的實(shí)時(shí)傳輸；④列車運(yùn)行數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸；⑤主控與圖像采集單元信息交互；⑥主控與MMI信息交互；⑦列車運(yùn)行相關(guān)參數(shù)設(shè)置。

3）信息處理模塊①列車運(yùn)行工況信息發(fā)送、接收；②TAX箱數(shù)據(jù)接收；③故障儀數(shù)據(jù)接收；④列車運(yùn)行速度采集；⑤圖像采集單元數(shù)據(jù)發(fā)送、接收；⑥制動(dòng)曲線計(jì)算；⑦列車行駛當(dāng)中三種狀態(tài)的處理。

4）異常處理模塊①當(dāng)主設(shè)備出現(xiàn)異常，立即啟動(dòng)從機(jī)，使得整個(gè)系統(tǒng)保持連續(xù)工作；②當(dāng)接口（串口，I/O等）出現(xiàn)數(shù)據(jù)異常，采取重發(fā)機(jī)制，保證系統(tǒng)數(shù)據(jù)正常。

4 運(yùn)行界面

系統(tǒng)運(yùn)行界面如圖5所示，屏幕上進(jìn)行以下綜合信息顯示：1）當(dāng)前機(jī)車速度及速度曲線、公里標(biāo)、燈型；2）機(jī)車前方線路上3～5 km內(nèi)目標(biāo)對(duì)象及距離；3）目標(biāo)對(duì)象的性質(zhì)和安全等級(jí)；4）本設(shè)備單元故障提示；5）機(jī)車運(yùn)行方向等工況信息；6）實(shí)時(shí)時(shí)鐘。

5 結(jié)束語(yǔ)

圖5 系統(tǒng)運(yùn)行界面Fig.5 System operation interface

作為列車安全運(yùn)行設(shè)備，列車運(yùn)行前方動(dòng)態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)有效地對(duì)列車安全運(yùn)行進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控。實(shí)際運(yùn)行結(jié)果表明，系統(tǒng)各模塊工作正常，統(tǒng)功能完備，技術(shù)先進(jìn)，使用方便可靠，性能良好，達(dá)到了對(duì)列車運(yùn)行過(guò)程實(shí)施監(jiān)控的目的，實(shí)現(xiàn)了機(jī)車運(yùn)行管理自動(dòng)化和機(jī)車操縱規(guī)范化。由于系統(tǒng)采用的模塊化的思想，所以系統(tǒng)中模塊的劃分清晰且功能直觀，各項(xiàng)功能的添加、剪裁以及參數(shù)修改等維護(hù)工作也十分方便，滿足的了現(xiàn)場(chǎng)使用要求。對(duì)我國(guó)列車監(jiān)控系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)研究具有重要的意義。

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