羅育輝++邱曉歡

摘 要：沙盤(pán)模型列車(chē)控制系統(tǒng)采用F28M3x微處理器，提出列控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法，實(shí)現(xiàn)模擬列車(chē)的自動(dòng)行駛、位置及速度檢測(cè)、信號(hào)燈識(shí)別、無(wú)線信號(hào)雙向傳輸、電源管理等功能，滿足了軌道運(yùn)輸運(yùn)營(yíng)實(shí)驗(yàn)及研究需求。

關(guān)鍵詞：沙盤(pán)；MCU；列車(chē)控制

中圖分類(lèi)號(hào)：U284 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：2095-2945（2017）20-0029-02

Abstract： The sandbox model train control system adopts the F28M3x processor， present the design method of the train control system， realizes the automatic drive， the position and velocity detection， the signal lamp recognition， the wireless signal bidirectional transmission， the power management and so on， satisfies the track transportation Operational experiments and research needs.

Keywords： sand table； MCU； train control

引言

沙盤(pán)為軌道運(yùn)輸運(yùn)營(yíng)行業(yè)提供了一個(gè)直觀、良好、綜合的仿真平臺(tái)，可以模擬鐵路、城市軌道交通運(yùn)營(yíng)的真實(shí)環(huán)境，在正常及非正常行車(chē)組織和調(diào)度提供良好的訓(xùn)練平臺(tái)。模型列車(chē)作為沙盤(pán)系統(tǒng)中核心組成模塊，其運(yùn)行控制性能好壞直接影響整個(gè)沙盤(pán)系統(tǒng)的使用效率。目前沙盤(pán)模型列車(chē)大都采用軌道供電，速度恒定，不具備自動(dòng)行駛功能，不能自主識(shí)別前方信號(hào)燈狀態(tài)，對(duì)復(fù)雜環(huán)境下的軌道運(yùn)輸運(yùn)營(yíng)起不到良好的模擬效果。針對(duì)目前的弊端，本文提出一種智能沙盤(pán)模型列車(chē)控制系統(tǒng)：采用微處理器（MCU）為核心，設(shè)計(jì)具備模型列車(chē)的自動(dòng)行駛、位置檢測(cè)、速度檢測(cè)、信號(hào)燈識(shí)別、無(wú)線信號(hào)的交互傳輸、模型車(chē)獨(dú)立電源等功能的模型列車(chē)控制器， 能有效模擬各種行車(chē)環(huán)境的列車(chē)運(yùn)行狀況，系統(tǒng)具有信號(hào)處理速度快、響應(yīng)時(shí)間短等特點(diǎn)。

1 沙盤(pán)模型列車(chē)控制系統(tǒng)基本組成

沙盤(pán)模型列車(chē)能在沙盤(pán)實(shí)訓(xùn)室內(nèi)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)行駛、實(shí)時(shí)上傳及存儲(chǔ)位置及速度等運(yùn)行數(shù)據(jù)、自動(dòng)識(shí)別信號(hào)指示燈、采用自帶電源及其管理裝置、實(shí)現(xiàn)列車(chē)的速度精確控制等功能，其系統(tǒng)框圖如下：

采用以MCU（微處理器）為核心的控制器，速度傳感器采集速度信號(hào)及讀卡器讀出的位置信號(hào)傳輸給MCU，處理器計(jì)算出位置及速度信號(hào)通過(guò)無(wú)線通信方式上傳至上位機(jī)，同時(shí)存儲(chǔ)在本地的存儲(chǔ)卡并實(shí)時(shí)顯示與本地顯示屏。信號(hào)燈通過(guò)安裝在機(jī)車(chē)頭上的攝像頭采集圖像信息，識(shí)別信號(hào)燈狀態(tài)，圖像識(shí)別出的信號(hào)燈狀態(tài)與調(diào)度信號(hào)進(jìn)行比較，當(dāng)信號(hào)不一致時(shí)采用圖像識(shí)別的狀態(tài)，這種方式對(duì)列車(chē)運(yùn)行的可靠性增加了一層保障，提高列車(chē)安全性，并可根據(jù)信號(hào)燈狀態(tài)通過(guò)MCU輸出的調(diào)速控制信號(hào)實(shí)現(xiàn)對(duì)模型車(chē)的啟動(dòng)、停止及調(diào)速。電源管理模塊采用可重復(fù)充電的鋰電池提供動(dòng)力，能對(duì)電池的電量等狀態(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)控，并為列車(chē)控制器提供工作電源，當(dāng)電量不足時(shí)，給出低電量提示。

2 沙盤(pán)模型列車(chē)的系統(tǒng)設(shè)計(jì)

數(shù)字處理器采用TI的F28M36H33C2，是一款具有主從系統(tǒng)的高性能處理芯片，將ARM Cortex-M3TM內(nèi)核與 C28x 內(nèi)核結(jié)合到一個(gè)器件之上，實(shí)現(xiàn)了連接和控制一體化。通信子系統(tǒng)基于工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的32位ARM Cortex-M3 CPU具有豐富的通訊接口（CAN、Ethernet、UART、SSI等），實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)基于TI工業(yè)控制的32位的C28x的數(shù)字信號(hào)處理器，具有高性能的控制性能，包含ePWMs和故障檢測(cè)功能。

模型列車(chē)內(nèi)部配裝無(wú)線通訊模塊，開(kāi)闊地?zé)o干擾通信距離30-60米，底部安裝讀卡器，實(shí)時(shí)將模型列車(chē)位置信息、運(yùn)行速度、總里程等實(shí)時(shí)運(yùn)行數(shù)據(jù)信息通過(guò)無(wú)線方式傳輸給控制中心。模型列車(chē)具有運(yùn)行速度檢測(cè)功能，并實(shí)時(shí)將列車(chē)運(yùn)行速度值上傳。

遠(yuǎn)程無(wú)線控車(chē)通信模塊能與模型列車(chē)進(jìn)行無(wú)線雙向通信，該模塊能實(shí)現(xiàn)全沙盤(pán)范圍內(nèi)的無(wú)線通信覆蓋，實(shí)時(shí)將列車(chē)狀態(tài)發(fā)送到調(diào)度中心，并接收調(diào)度中心的加速、減速、停止、啟動(dòng)、換向運(yùn)行等控制命令，可確保調(diào)度中心能夠?qū)崟r(shí)與模型列車(chē)保持雙向通信。一個(gè)遠(yuǎn)程無(wú)線控車(chē)通信模塊控制多輛模型列車(chē)。

采用模型列車(chē)讀卡器讀取地面應(yīng)答器信息，進(jìn)而判斷車(chē)輛位置的方式完成車(chē)輛位置檢測(cè)功能的實(shí)現(xiàn)。在模型軌道下方鋪設(shè)模擬地面應(yīng)答器，每列模型列車(chē)底盤(pán)下方安裝讀卡器，當(dāng)模型列車(chē)運(yùn)行鋪設(shè)有模擬地面應(yīng)答器的軌道上方時(shí)，讀出存儲(chǔ)在模擬地面應(yīng)答器上的位置信息，通過(guò)安裝在列車(chē)上的無(wú)線傳輸模塊將信息傳輸?shù)娇刂浦行?，達(dá)到實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確檢測(cè)每列列車(chē)位置的目的。

在沙盤(pán)信號(hào)燈處理上采用攝像頭采集信號(hào)燈狀態(tài)，并根據(jù)識(shí)別出來(lái)的信號(hào)燈狀態(tài)做出相對(duì)應(yīng)的響應(yīng)，最大限度模擬軌道交通司機(jī)人工駕駛模式。信號(hào)燈狀態(tài)從顏色來(lái)分，列車(chē)信號(hào)燈有紅色、黃色、綠色、白色四種顏色，并且這四種顏色的位置在信號(hào)燈背板上沒(méi)有相對(duì)固定的位置，同時(shí)也有多重組合，不同信號(hào)燈指示不同列車(chē)信號(hào)，如表1所示。

信號(hào)燈檢測(cè)系統(tǒng)由預(yù)處理模塊、檢測(cè)模塊、識(shí)別模塊、跟蹤模塊組成，使用平均顏色偏移率來(lái)實(shí)現(xiàn)校正，將圖像轉(zhuǎn)換為灰度圖，再用加權(quán)平均值法由灰度圖轉(zhuǎn)化為二值圖來(lái)實(shí)現(xiàn)圖像的分割和識(shí)別。根據(jù)閾值，將灰度圖轉(zhuǎn)換為只有0和1表示的圖像，用高斯濾波法實(shí)現(xiàn)圖像增強(qiáng)。同時(shí)用基于camshift的目標(biāo)跟蹤發(fā)，實(shí)現(xiàn)信號(hào)燈的跟蹤，提高信號(hào)燈的檢測(cè)速度及準(zhǔn)確性。

3 結(jié)束語(yǔ)

本文提出一種針對(duì)現(xiàn)代沙盤(pán)實(shí)訓(xùn)室中軌道車(chē)的列車(chē)控制系統(tǒng)方案，具有自動(dòng)化和智能化的特性，最大限度模擬軌道車(chē)運(yùn)行的真實(shí)狀況，實(shí)現(xiàn)對(duì)模擬列車(chē)的自動(dòng)行駛控制及遠(yuǎn)程調(diào)度控制。

參考文獻(xiàn)：

[1]陳岳劍，邢宗義，等.城市軌道交通運(yùn)營(yíng)安全模列車(chē)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J].城市軌道交通研究，2015（2）：57-60.

[2]孟江曼.基于視覺(jué)的交通信號(hào)燈檢測(cè)與識(shí)別系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[D].東北大學(xué)，2014.

[3]http：//www.ti.com/product/F28M36H33C2/datasheet.