凌 人，謝 波

（1.寧波市軌道交通集團(tuán)有限公司智慧運(yùn)營分公司，浙江寧波 315101；2.杭州墨羽科技有限公司，浙江 杭州 310000）

城市軌道交通系統(tǒng)不斷智能升級，地鐵設(shè)備也更加完善，這極大方便了人們的生活。地鐵屏蔽門自動控制系統(tǒng)實現(xiàn)了屏蔽門的自動控制，現(xiàn)已逐步成為我國城市交通不可或缺的一部分。地鐵屏蔽門能夠有效隔離行車區(qū)域和候車區(qū)域，是關(guān)系到我國地鐵列車乘客安全的重要設(shè)備之一。其中，北京地鐵亦莊線、昌平線、房山線和15 號線均應(yīng)用了該系統(tǒng)，實現(xiàn)了屏蔽門與車門的聯(lián)動控制。

目前，比較常用的地鐵屏蔽門自動控制系統(tǒng)主要是基于PLC 的自動控制系統(tǒng)和基于故障樹的自動控制系統(tǒng)。基于PLC 的自動控制系統(tǒng)成本較高，其中PLC 軟件和硬件體系不兼容，結(jié)構(gòu)較為封閉[1]；基于故障樹的自動控制系統(tǒng)構(gòu)建故障樹的難度較大，對安全運(yùn)維人員的要求較高，難以推廣和普及[2]。

為了解決上述問題，文中提出基于信號識別的地鐵屏蔽門自動控制系統(tǒng)設(shè)計。

1 控制系統(tǒng)硬件設(shè)計

1.1 數(shù)據(jù)采集模塊

在系統(tǒng)硬件設(shè)計中，設(shè)計數(shù)據(jù)采集模塊，通過該模塊提取系統(tǒng)運(yùn)行的初始數(shù)據(jù)，并對其中的數(shù)據(jù)進(jìn)行一定處理。采集器電路圖如圖1 所示。

圖1 采集器電路圖

觀察圖1 可知，文中研究的采集器設(shè)置了D1、D2、D3、D4四個觸發(fā)器、一個連接線和一個電阻，并設(shè)置了電容器，以確保信號處理器能夠正常運(yùn)行[3-4]。

地鐵屏蔽門處于地下位置，特殊的地下環(huán)境會影響通信信號的有效傳輸。因此，為了提升信號處理的有效性，該設(shè)計中選擇的通信服務(wù)器為RJ45 型號，該設(shè)備可提升通信數(shù)據(jù)的傳輸效率。其中，采集器采用通信信號脈沖保護(hù)接口，該接口具有高效的抗干擾能力，通信脈沖響應(yīng)的持續(xù)時間小于100 ms，每個工頻模塊內(nèi)部還配有瞬態(tài)信號脈沖自動抑制二極管，用于自動抑制各種工頻短波信號以及回波時的工頻信號脈沖，保護(hù)整個工頻模塊。采集器內(nèi)設(shè)置了數(shù)字濾波器，可以更好地抑制多種工頻信號脈沖波的干擾[5]。

1.2 存儲模塊設(shè)計

存儲模塊的作用是對地鐵屏蔽門控制系統(tǒng)中一些重要參數(shù)進(jìn)行永久保存。設(shè)計時，在文件RAM 中設(shè)置存儲單元，用于存儲驅(qū)動電機(jī)正常運(yùn)動的各種狀態(tài)數(shù)據(jù)[6-7]。文中選用MCS-51 單片機(jī)程序存儲器作為存儲元件，滿足該系統(tǒng)存儲需求。通信形式一般為半雙工或全雙工。另外，選用了一塊64 kB 非易失性隨機(jī)存儲器FM24CL64 作為外部存儲器，用來存儲門寬參數(shù)、門速曲線、事件日志等重要數(shù)據(jù)。

1.3 控制處理模塊設(shè)計

控制處理模塊的主要作用是接收控制系統(tǒng)中的信息數(shù)據(jù)。處理后，數(shù)據(jù)將通過相應(yīng)微控制器發(fā)出命令，控制屏蔽門按照系統(tǒng)設(shè)定操作程序，自動完成系統(tǒng)相應(yīng)控制操作，并將系統(tǒng)中工作狀態(tài)、控制信息一并通過控制信號源的指示電路輸出。系統(tǒng)控制模塊主要由微控制器TMDSCNCD28388D、控制電路、內(nèi)部控制面板以及接口集成電路構(gòu)成[8-9]。TMDSCNCD 28388D 是一款C2000 型實時微控制器，其運(yùn)行速率超過600 MIPS，可實現(xiàn)實時控制性能；該微控制器支持從512 kB到1.5 MB的閃存存儲器，具有100～337個引腳。文中設(shè)置的控制監(jiān)測器主機(jī)結(jié)構(gòu)如圖2 所示。

圖2 控制監(jiān)測器主機(jī)結(jié)構(gòu)圖

觀察圖2 可知，控制監(jiān)測器主機(jī)的復(fù)位電路和軌道電路連接，能夠很好地保證電路正常運(yùn)行[10-11]。將集中器和檢測單元作為核心設(shè)備，實現(xiàn)信號控制。信號處理器結(jié)構(gòu)圖如圖3 所示。

圖3 信號處理器結(jié)構(gòu)圖

觀察圖3 可知，處理器利用A/D 轉(zhuǎn)換實現(xiàn)信號之間的轉(zhuǎn)換，同時配合測量裝置達(dá)到處理效果。處理器內(nèi)部芯片采用方平包裝(Quad Flat Pack，QFP)和球狀矩陣排列封裝(Ball Grid Array，BGA)，可實現(xiàn)設(shè)計的靈活性。獨(dú)立式插件（Free Standing Insert，F(xiàn)SI）外設(shè)可提供可靠低成本的串行通信，其平均吞吐量(高達(dá)200 Mbps)高于其他快速串行外設(shè)。FSI 可快速在器件之間傳遞數(shù)據(jù)。另外，芯片上還設(shè)有與軟件開發(fā)控制裝置互相連接的在線數(shù)字編程控制接口，適用于普通地鐵軌道屏蔽門這種比較典型的驅(qū)動電機(jī)電路數(shù)字化編程控制集成系統(tǒng)[12]。

2 自動控制系統(tǒng)軟件設(shè)計

基于信號識別的地鐵屏蔽門自動控制系統(tǒng)工作流程如圖4 所示。

圖4 地鐵屏蔽門自動控制系統(tǒng)軟件流程

2.1 系統(tǒng)初始化

屏蔽門通電后微控制器TMDSCNCD28388D 啟動后初始化系統(tǒng)，開始執(zhí)行初始優(yōu)化控制程序，配置屏蔽門控制系統(tǒng)正常運(yùn)行的控制參數(shù)。系統(tǒng)初始化主要包括系統(tǒng)運(yùn)行變量初始化、屏蔽門運(yùn)行控制參數(shù)初始化和屏蔽門電源驅(qū)動控制系統(tǒng)初始化。

系統(tǒng)程序變量用于初始化，且自動定義并初始化系統(tǒng)應(yīng)用程序，如交流電變量、門速曲線速度變量、串口總線通信及總線串口通信速度變量等。屏蔽門運(yùn)行程序參數(shù)初始化，用于自動讀取屏蔽門初始運(yùn)行程序的參數(shù)。

屏蔽門電源驅(qū)動控制系統(tǒng)初始化，是對初始化硬件控制驅(qū)動模塊以及相關(guān)的數(shù)據(jù)寄存器進(jìn)行初始化，主要包括程序設(shè)置信號的轉(zhuǎn)換開關(guān)模塊頻率、A/D 信號轉(zhuǎn)換開關(guān)模塊等[13-14]。

2.2 基于信息識別采集和識別信號

初始化工作完畢后，系統(tǒng)自動進(jìn)入運(yùn)行狀態(tài)，由采集器實時采集地鐵屏蔽門視頻信號，經(jīng)高頻A/D信號處理模塊轉(zhuǎn)換成高頻數(shù)字信號，輸送至信號增強(qiáng)模塊。信號識別是實現(xiàn)系統(tǒng)通信的關(guān)鍵，在該研究中，設(shè)定地鐵屏蔽門自動控制系統(tǒng)中通信信號的閾值，將處理后的信號分別存儲在對應(yīng)的存儲模塊中，并將識別的結(jié)果反饋至相應(yīng)控制器中。

利用識別技術(shù)得到微積分的傳達(dá)函數(shù)，如式（1）所示：

其中，E(s)代表微分輸入；U(s)代表微分輸出；k代表采樣時的序號，k=0,1,2…；UD(k)代表第k次采樣的輸出值；e(k)代表第k次采樣輸入的偏差值；TD 代表微分時間；TL 代表積分時間；F代表濾波器系數(shù)；P代表比例系數(shù)。

在上述研究的基礎(chǔ)上，將屏蔽門運(yùn)行狀態(tài)上傳到遠(yuǎn)程監(jiān)控中心中，然后刷新數(shù)據(jù)的交互狀態(tài)，根據(jù)數(shù)據(jù)的安全校驗約束條件，校驗數(shù)據(jù)訪問的安全性，最后將備份處理數(shù)據(jù)存儲到備份的數(shù)據(jù)庫中[15-16]。

2.3 控制指令的執(zhí)行

基于信號識別地鐵屏蔽門自動控制系統(tǒng)中以開門速度曲線為主要依據(jù)，計算系統(tǒng)開門、關(guān)門時不同速度位置開門處的速度，進(jìn)而獲取不同位置的速度信號。

為了減少控制程序的速度計算工作量，事先將系統(tǒng)設(shè)計應(yīng)用到各個給定速度表所對應(yīng)的相關(guān)信號數(shù)據(jù)中，并將其直接寫入系統(tǒng)存儲器中。在正常情況下，控制器接收來自站臺信號處理器的信號；在站臺檢修以及停運(yùn)、消防、戰(zhàn)備等特殊緊急情況下，由所屬站臺應(yīng)急管理人員，通過站臺人工直接進(jìn)行干預(yù)，并將指令輸出到生成器，由生成器生成站臺應(yīng)急管理控制指令，此時站臺控制器不需要接收來自信號處理器輸出的指令信號。

為有效抑制干擾信號對系統(tǒng)內(nèi)部擾動產(chǎn)生的影響，系統(tǒng)控制算法采用微分方程增量式PID 算法，這種算法的基本思想是在普通增量式PID 算法中加入低通濾波器，從而得到較為理想的輸出控制量，根據(jù)輸出表達(dá)式實現(xiàn)自動控制。

3 實驗研究

為了檢測文中設(shè)計的基于信號識別的地鐵屏蔽門自動控制系統(tǒng)的有效性，分別選用文中控制系統(tǒng)和PLC 控制系統(tǒng)、故障樹系統(tǒng)進(jìn)行識別，分析信號識別率和控制效率。

文中實驗選用的鐵路區(qū)間長度為19 000 m，對鐵路空間的空閑區(qū)進(jìn)行識別，篩選鐵路內(nèi)部的計軸點(diǎn)，連接計軸系統(tǒng)，通過區(qū)間空段檢查設(shè)備導(dǎo)出最終結(jié)果。為更好地保證實驗結(jié)果，文中利用微機(jī)聯(lián)鎖系統(tǒng)連接接口電路，實驗結(jié)果經(jīng)過監(jiān)視現(xiàn)場計軸設(shè)備輸出，信息錄入過程如圖5 所示。

圖5 信息錄入過程

在實驗過程中，設(shè)定計軸點(diǎn)，并將計軸點(diǎn)安裝在進(jìn)站信號內(nèi)側(cè)，以便更好地采集機(jī)輸出信息，反饋信息的特征變化，判斷正弦波信號。信號識別過程如圖6 所示。

圖6 信號識別過程

圖6 中，三個計軸點(diǎn)同時感知信號，被感知的信息通過傳感板實現(xiàn)預(yù)處理，完成后統(tǒng)一進(jìn)入到接收單元，以此實現(xiàn)鐵路區(qū)間控制結(jié)果的輸出。信號識別效率計算公式為：

其中，M為信號識別效率；A為識別的信號數(shù)量；F為信號總量。

信號識別實驗結(jié)果如表1 所示。

表1 信號識別實驗結(jié)果

根據(jù)上述實驗結(jié)果可知，文中研究的地鐵屏蔽門自動控制系統(tǒng)控制時間更短，信號識別率更高。文中系統(tǒng)增設(shè)信號機(jī)在區(qū)間長度均值計算結(jié)果相同的情況下，也能在短時間內(nèi)實現(xiàn)精準(zhǔn)識別，具有很好的實際應(yīng)用效果。控制效率計算公式為：

其中，U為控制效率；V為被控制的信號數(shù)量；F為信號總量。

控制效率實驗結(jié)果如圖7 所示。

圖7 控制效率實驗結(jié)果

根據(jù)圖7 可知，文中提出的控制系統(tǒng)控制效率始終高于傳統(tǒng)控制系統(tǒng)。隨著控制時間的增加，三種系統(tǒng)的控制效率都在逐漸上升，但故障樹控制系統(tǒng)控制水平始終較低，在80%以下，PLC 控制系統(tǒng)在0～1 s 時間段內(nèi)的控制效率高于文中設(shè)計系統(tǒng)，隨控制時間的增加，文中系統(tǒng)的控制效率呈現(xiàn)穩(wěn)定上升趨勢，故障樹控制系統(tǒng)效率始終低于文中系統(tǒng)10%左右，PLC 控制系統(tǒng)低于文中系統(tǒng)5%左右。由此可見，基于信號識別的地鐵屏蔽門自動控制系統(tǒng)具有更強(qiáng)的控制優(yōu)勢。

4 結(jié)束語

文中設(shè)計基于信號識別的自動控制系統(tǒng)。自動控制系統(tǒng)硬件通過設(shè)置主控芯片、傳感器等，為系統(tǒng)的實現(xiàn)奠定基礎(chǔ)；系統(tǒng)軟件中通過信號識別技術(shù)提取系統(tǒng)控制等相關(guān)信號，實現(xiàn)控制系統(tǒng)的設(shè)計。實驗結(jié)果表明，文中所設(shè)計系統(tǒng)可提升系統(tǒng)控制的控制效果，且控制效率較高。