交通信号系统设计

交通信号系统设计（共12篇）

交通信号系统设计 篇1

0引言

随着我国经济飞速发展,城市的交通问题日益严重,交通信号控制系统在保障道路畅通、安全和有序方面起着重要的作用。尽管各地的交通信号控制已经投入使用,但是仍然存在数据共享程度较低、通信过程缺乏统一标准、与交通系统外的其他系统进行信息交互的接口较少等问题。

针对目前部分地区交通信号控制系统落后的现状,提出了基于XML和消息中间件的信息交互平台,可有效提取出各信号机提供的数据,并实现系统控制区域的动态划分和合并,以及各区域间数据的共享与交互。

1关键技术

1.1XML技术

XML( e Xtensible Markup Language,可扩展标记语言) 是SGML( Standard Generalized Markup Language,标准通用标记语言) 的一个简化子集,将SGML的功能和HTML的易用性结合在了Web应用中,扩展性和可验证性较好,而且易于使用和易于移植。无论是组织还是个人均可通过XML创建满足自己需求的标记集合,而且XML的数据存储格式不受限于显示格式,因此,XML在一些中间件、电子商务等领域大受欢迎[1]。

目前,支持XML格式的消息传输技术有很多。例如,基于XML的远程过程调用( XML Remote Procedure Calls) 、简单对象访问协 议 ( Simple Access Protocol) 以及消息 中间件 ( Message - Oriented Middleware) 等。

1.2消息中间件技术

中间件位于操作系统和应用程序之间的一类软件,封装了一类应用程序的共性,并且提供相应的API进行二次开发,最终完成一个应用程序。消息中间件实现的信息交互的主要特点是: 消息传递机制既高效可靠,同时又与平台无关。 基于消息排队以及传递模型,消息中间件可以支持多通信协议,实现了分布式系统的集成。MOM的基本组成包括消息和MOM提供者、客户端,前者主要指的是管理工具和相关API。由于MOM中提供的路由体系结构不同,就使得MOM不仅可以应用于集中式消息服务器上,还可以由各客户端实现路由功能,Active MQ就是其中的一种。

1.3信息交换

信息交换是指不同计算机应用程序之间互相交流有用的信息,主要应用于电子商务、远程服务、数据集成等领域。 XML定义的数据结构不是基于二进制的,而是简单的纯文本,允许程序开发制定满足自身需求具有特定领域特点的底层数据交换规范。把XML作为信息交互的中介,实现不同服务器或者应用程序之间的无缝信息交互。XML作为一种元数据语言,提供统一的格式对信息进行描述,使得即便信息来源于不同系统也能按照统一的格式实现信息交互。 XML有利于协调处理数据,而且也不依赖于编程语言或者操作系统,所以,XML即为应用系统内部或者互联网系统之间的数据交换提供了一种简单、快速的解决方案。

信息交互平台内部直接封装信息,旨在使得被动提供信息的应用程序能与其他应用程序实现信息交流。

2交通信号控制系统中信息交换的设计

2.1交通信号控制系统

交通信号控制系统是协调管控一个城市的某个区域或者整个城市内部的各路口信号的系统。目标是使得城市受控区域内道路系统的交通效益得到充分发挥,在交通信号控制系统的整体控制下,针对各路口、路段所允许的最大交通流量在承载运送上的不同,最大限度地发挥路口间的优势互补和良好协作,均衡各路段的交通量,使得车辆停车次数、延误时间和环境污染等减至最小。

交通信号控制系统共分为三层: 上层PC应用层,中间业务服务层和底层资源接入层[2]。其系统架构如图1所示。

如图1所示,在此给出系统架构图中三层各自的实现原理及对应功能概述如下。

上层PC应用层是面向用户的,主要包括集中协调各信号机的交通控制中心和各交警大队的子控制中心。系统的设计采用的是B/S架构,用户只需要打开浏览器登录进入系统,就可以管理和控制各信号机。

底层资源接入层是指管理城市道路各交叉路口的车辆通行状况的信号机,信号机在保障车辆顺利通行、道路畅通的同时也在监测着其路口的交通流量。

中间业务服务层的主要作用是连接上层PC应用层和底层资源接入层。中间业务服务层包括三类服务器,分别是Apache应用服务器、数据库服务器和Active MQ服务器。其中,Apache应用服务器主要负责为上层PC应用层的交通控制中心和各交警大队的子控制中心提供Web服务; 数据库服务器的作用是保存所有数据; Active MQ服务器作为消息中间件的一种,负责转发上层PC应用层和底层资源接入层之间的信息。

2.2交通信号控制系统中信息交换标准

国际上各个城市交通信号控制系统的通信协议虽有不同,但国外使用的NTCIP协议已经有效解决了协议不一致的问题,只是我国仍未出台统一的通信标准和规范。目前我国使用的通信协议以数据帧的格式为主,协议的通用性、扩展性和标准化均较低,协议使用的局限性较大[3]。因此,本论文提出了基于XML的交通信号控制系统通信协议Teleseme ML( Teleseme Markup Language) ,XML类型的文档数据是源自数据内在层次结构进行组织并设计的,利于描述存在包含关系的概念模型。

2.2.1基于XML/消息中间件的TelsemeML的设计需求

Teleseme ML是中国城市交通信号控制系统的后台中心和各路口信号机间进行信息交换的格式标准,系统的后台管理中心通过基于Teleseme ML的通信协议与不同商家的信号机进行通信,为系统的集成和扩展提供可能。Teleseme ML的设计需求如下:

( 1) 信息交换的规范和标准是在对中国城市交通信号控制系统的后台管理中心与各路口信号机进行信息交换的信息归纳和抽象的基础上综合设定并统一制定的,期望能对后台管理中心与信号机之间信息交换包含的数据与控制指令实行合理有效地表示与存储;

( 2) 信息交换的每一条命令的数据格式都应该符合统一的、特定的格式。方便系统后台管理软件与路口信号机系统进行有效的信息通信和数据处理[4];

( 3) 制定的信息交换标准不应该局限于某一种特定的传输协议,而是能够支持多种机制,诸如HTTP或者其他一些特定的传输协议;

( 4) Teleseme ML的可扩展性较好,方便系统日后的功能扩展;

( 5) Teleseme ML设计时应该尽量地简单易懂。

XML相关技术能够确保基于XML的Teleseme ML通信协议符合以上要求,Schema确保信息交换符合规定格式, XSLT能够方便实现文档之间的转换,XML可以跨平台且不用基于某一特定传输协议进行通信。

2.2.2基于XML/消息中间件的TelsemeML的设计实现

Teleseme ML从实用性、开放性、可扩展性、前瞻性和先进性等角度出发,不仅分别考虑了中国目前交通信号控制系统的特点,而且结合系统的功能需求和发展趋势,采用XML描述语言设计实现了中国交通信号控制系统信息交换标准。

在设计和制定信息交换标准的过程中,Teleseme ML作为描述控制信号灯的通信标准,根据城市交通信号控制系统信息交换的传输要求采用面向对象的分析方法,自顶向下建立信息交换的对象数据模型。主要包括对象所属类型、对象内部属性等。Teleseme ML代表整个信息交换的数据内容,包括信号机参数管理层、信号机方案配置层、信号机交通控制层、信号机系统干预层、信号机交通优化层和信号机交通数据管理层六大结构层。采用XML格式描述交通信号控制系统中的交换信息,方便系统的后台管理中心和各路口信号机应用程序进行交通信息的交互和控制命令的下发与上传。具体的数据层次结构框架图如图2所示。

2.3基于信息交换模型的信息交换设计

2.3.1参数管理模块

在系统的参数管理模块中进行信息交换时,主要涉及到的类包括用于接收系统从前端页面获取的数据的值对象类、 用于保存到数据库的实体、对数据库进行相关操作的类、通信协议类、信息交换的发送端类和信息交换的接收端类等[5],对应类图如图3所示,各个类的说明则如表1所示。

2.3.2相位方案配置

相位方案主要涉及的类有接收系统前端页面数据的值对象类、用于保存到数据库的实体类、程序业务逻辑层类、程序数据访问层类、通信协议类、信息交换的发送端类和接收端类等,其类图如图4所示,各个类的说明如表2所示,其中通信协议类、信息交换的发送端类和接收端类的说明同表1。

例如,当系统后台管理员添加信号机相位方案时,首先通过对象类获取要添加的相位方案相关信息,读取事先设置好的绿冲突信息,进行绿冲突检测,然后参考实体类属性进行数据处理,再引用通信协议类进行协议的封装,最后由信息交换的发送类将协议发送出去,而当信息交换的接收类接收到路口信号机的反馈信息后,即需要参考通信协议进行协议的解析,并根据实体类属性进行数据的存储。

3结束语

通过对XML技术、消息中间件技术以及信息交换模型的分析研究,结合交通信号控制系统中信息交换的需求,将信息交换模型应用到了交通信号控制系统中。随着信息技术的继续发展,城市交通信号控制系统对信息交换的要求会越来越高,本文虽实现了信息交换在交通信号控制系统的应用,但是仍需对交通信号控制系统信息传输的安全性等方面进行深入探讨和继续完善,同时这也是本研究下一步的发展方向。

交通信号系统设计 篇2

一、单选题 【本题型共2道题】

1.当列车从车辆段（停车场）出发占用转换轨时登记进入系统并开始跟踪，标识号随列车的运行而移动，列车返回（）后结束。

A．车站

B．车辆段（停车场）

C．控制中心

D．折返线

用户答案：[B] 得分：10.00

2.对信号系统来讲，折返能力通常为系统的控制能力，列车在区间追踪能力则为系统的（）。

A．最小能力

B．最大能力

C．较低能力

D．较高能力

用户答案：[B] 得分：10.00

二、多选题 【本题型共2道题】

1.自动调整或人工调整列车运行需与ATO系统结合进行，主要手段有（）。

A．调整列车区间走行时间

B．调整列车停站时分

C．调整列车追踪间隔 D．取消或增加列车

E．缩短列车折返时间

F．控制列车出发时刻 用户答案：[ABDF] 得分：20.00

2.车载ATP设备驾驶模式有（）。

A．ATO自动驾驶模式

B．ATP监督下的人工驾驶模式

C．非限制人工驾驶模式

D．无人驾驶模式

E．ATP限速下的人工驾驶模式

F．自动折返模式

用户答案：[BCE] 得分：0.00

三、判断题 【本题型共2道题】

1.移动闭塞ATC系统划分固定的闭塞分区，根据精确的列车定位以及线路、列车参数等信息，计算每一列车的运行权限，并动态更新发送给列车，列车车载设备根据接收到的运行权限和自身的运行状态，计算出列车运行的速度曲线，控制列车在该速度曲线下安全运行。

Y．对

N．错

用户答案：[N] 得分：20.00

2.基于无线通信的列车自动控制系统设置降级控制系统原因之一，是CBTC车-地无线通信设备或轨旁ATP设备故障，将导致CBTC-ATP功能的丧失，需维持一定密度的列车安全运营。Y．对

N．错

交通信号系统设计 篇3

【关键词】城市轨道交通；信号维护支持系统；远程控制；分析

现如今，随着城市客流量也来越多，导致城市轨道交通压力也越来越重，人们对于交通信号设备运行的安全性也提出了较高的要求，这就使我国城市交通部门面临了巨大的挑战。因此，大部分城市交通部门为了更好的解决这一问题，缓解城市轨道交通压力现状，纷纷加大了对信号维护支持系统的建立，以此来提高城市轨道交通信号系统的运行质量，从而充分保障了运营生产的安全、可靠性，这对于城市经济建设也有着重要的影响和意义。下面，本文就对信号维护支持系统在城市轨道交通系统中的应用进行探析。

1.信号维护支持系统在城市轨道交通信号系统中的作用

城市轨道交通信号系统是城市轨道交通的主要技术设备，担负着指挥列车运行、保证行车安全、提高运输效率的重要任务。由列车自动监控系统（ATS）、列车自动防护系统（ATP）、列车自动驾驶系统（ATO）、正线计算机联锁系统、数据通信系统（DCS）、车辆段/停车场联锁系统、电源屏系统组成，包括计轴、轨道电路、信号机、转辙机等设备。为保障系统的安全运行，必须对其进行良好的日常维护。

信号维护支持系统是整个信号系统的设备状态监测与维护工具，利用计算机、网络和通信技术，完成对信号系统所有设备的状态集中监视和报警，实时监测信号设备的使用情况，定位故障地点，分析故障原因，统计故障时间，管理维修作业，以实现预防故障发生，提高系统维护管理水平的效果。同时，通过专业化、智能化、流程化的综合维护平台，进一步提高信号设备的维护管理效率和质量，确保城市轨道交通信号系统安全、可靠、高效运行

2.城市轨道交通信号维护支持系统现状

车辆段/停车场采用国产微机联锁信号系统，并配备国有铁路2000/2006版信号微机监测系统。正线ATS、ATP、ATO设备报警信息汇聚到ATS界面，由ATS系统提供部分信号设备的报警信息，信号设备的维护与维修采用故障修和周期性维护的方式，缺少对转辙机、电源屏等设备的监测。

车辆段/停车场采用国产微机联锁信号系统，并配备国有铁路2000/2006版信号微机监测系统。正线采用基于通信的列车运行控制系统（CBTC），正线ATS、ATP、ATO设备报警信息汇聚到ATS界面，由ATS系统包含较全列车自动控制系统（ATC）的维护和报警信息，以及部分正线信号设备的报警信息。全线信号电源配备智能电源屏，并组建专用的电源屏监测网络。该情况通常出现在近期开通的CBTC线路上。

3.主要技术要求

3.1设计人员在对城市轨道交通信号维护支持系统进行设计时，应该充分考虑到系统独立、单一的网络问题，这样设计的主要目的是为了能够适应于不同系统供应商所提供的信号系统。并且，其中所配备的设备也最好是小型化，或是模块化，以此来对城市轨道交通中零散的集中站、停车场、车辆段等交通场所的控制中心进行统一的管理。

3.2在实际的信号维护支持系统建立过程中，设计人员应该采用大量先进的技术手段，从而确保信号设备能够始终保持在良好的运行状态中，并对数据记录、监测范围、不问断电源信号机、数据传输系统基进行实时监测。

3.3城市轨道交通信号维护支持系统应该具备记录信号系统、屏蔽门、监督等系统功能。

3.4通常情况下，在城市轨道交通信号维护支持系统的实际应用过程中，为了避免信号设备受到不良信号的干扰，需要将其与被监测设备之间进行隔离，以此来保证采集数据的真实有效性。并且，采集信息系统通过与其他系统相互结合在一起，加快实现了信息资源的共享。

3.5信号维护支持系统模拟量采集器在正式使用之前，应该利用专业标准的计量器进行校验，使其真正达到国家技术规范要求。

3.6信号维护支持系统最大的优点就是能够快速及时的采集到信号设备的工作信息，并通过智能化系统来对大量的信息数据进行整理分析，一旦信号系统出现运行故障问题，将会迅速发出预警信号，从而将损失程度降到最低。

3.7信号维护支持系统的主要功能是为了对监测设备的运行质量进行严密的监测，并对设备故障类型进行分类。

3.8所谓的城市轨道交通信号维护支持系统自身应该具备一定的故障诊断能力，一定信号设备发生故障情况时，系统可以根据信号设备中产生的状态信息进行分析，准确寻找出故障位置，从而采取相关有效的处理措施。

3.9由于信号维护支持系统在运行过程中，常常会受到外界因素的干扰影响，进而影响信号设备的正常运行。因此，设计人员需要增强信号维护支持系统的抗电化干扰能力。

4.轨道交通信号维护支持系统应用展望

相关技术人员通过对城市轨道交通信号维护支持系统进行深入的研究分析以后，提出了将不同信号系统的维护信息接口、信息数据进行表标准化，以此来提高系统整体的维护能力，促使操作界面也能够得到优化的统一管理，形成一个完整的信号维护管理系统，这也就大大减少了维修人员的工作任务量。并且，信号维护系统中具备数据分析，监测、故障诊断等使用功能，进一步提高了城市轨道交通信号系统的运行效率，有效的降低了后期信息系统的检修费用。同时，如果信号设备出现故障问题，系统也会根据其产生的运行数据进行检测分析，同时发出预警信息，尽最大限度的将损坏程度降到最低。

可以说，当今的城市轨道交通网络系统自身具备了很大的压力，随着客流量的快速增长，其也在发生着变化，再加之行车间的距离逐渐缩小，信号维护难度越来越大的，现有的轨道交通信号维护设备也存在着一定的不足，相关部门应该在此基础上，对所有的维护信息进行归纳整理，建设出方便、快捷的城市轨道交通信号维护支持系统，以此来提高城市轨道交通 的服务质量，充分保证行车的交通安全。

5.结束语

综上所述，可以得知，信息維护支持系统对于城市轨道交通系统有着至关重要的影响与作用。因此，我国城市交通部门应该加大对信息维护支持系统的建设力度，加快实现信号维护资源共享的目标，从而促进信息维护支持系统在城市国道交通系统中的可持续发展。

参考文献

[1]贾萍.完善城市轨道交通信号维护支持系统的必要性[J].中国铁路，2012（04）

[2]周庭梁，张兵建.地铁的信号维护支持系统[J].城市轨道交通研究，2010（08）

交通信号系统设计 篇4

城市轨道交通信号系统快速发展, 特别是基于无线通信的列车控制系统 (CBTC) 和无人驾驶等先进技术的应用, 使得列车的行车间隔越来越短, 信号维护压力越来越大, 这就需要在城市轨道交通信号系统中引入信号维护支持系统 (MSS) 。

城市轨道交通信号维护支持系统, 为城市轨道交通系统的信号设备维护、维修提供全方位的服务和支持, 为其提供一个日常管理和维护的工作平台, 能够有效提高信号设备的维护质量和维护效率, 为城市轨道交通系统的安全、高效运行提供有力的支持。

1 城市轨道交通信号维护支持系统的现状

(1) 车辆段/停车场有信号微机监测系统, 正线没有信号维护系统。

(2) 车辆段/停车场有信号微机监测系统, 正线有专门的电源屏维护系统, ATS含有部分信号设备状态和报警提示功能。

(3) 车辆段/停车场和正线都有信号微机监测系统, ATS与信号微机监测信息不互通。

(4) 车辆段/停车场和正线都有信号微机监测系统, 信号微机监测与ATS通过数据接口获得ATC状态和报警信息。

(5) 车辆段/停车场和正线都有信号微机监测系统, ATS从信号微机监测获得信号设备监测信息, 由ATS组成信号维护支持系统。

2 既有城市轨道交通维护支持系统存在的问题

(1) 功能、模式分散, 不能满足日益增加的维护需求。既有信号维护支持系统一般由ATS功能维护系统、电源屏系统和车辆段/停车场信号微机监测系统组成。这些系统各自形成网络, 不仅增加建设成本, 而且各系统的信息不能共享, 各系统之间容易形成维护信息孤岛, 缺乏统一故障监测和维护管理的信息平台, 在实际设备维护和管理时, 只能靠人工进行信息的综合、分析和处理。这不仅加大了信号维护人员的工作量, 而且当有信号设备故障时, 由于信息得不到良好的综合, 无法实行统一的设备维护工作。

(2) 采集信息不全。现有信号维护支持系统采集的监测信息不统一, 城市轨道交通部分专用信号设备 (计轴、数字音频轨道电路、转辙机、屏蔽门、紧急停车按钮等) 信息没有采集。由于监测信息采集不全, 现有的信号维护支持系统只能发挥部分功能, 不能对信号设备的维护管理发挥应有作用。

(3) 对信息的分析处理不够。现有信号维护支持系统通过ATS系统管理报警信息, 由于ATS系统的主要功能是进行运营调度, 对设备维护信息的分析处理较为简单, 只能提供有限的报警信息, 无法给信号维护人员提供完善的维护支持, 也无法系统地计划和安排维护工作。

3 城市轨道交通维护支持系统的结构

信号维护支持系统从结构上由中心级设备 (维护中心) 、车站级设备 (各设备集中站、车辆段、停车场、控制中心和沿线各信号工区) 和数据通道三部分组成, 如图1所示。

3.1 中心级设备

维护中心由两台应用服务器、磁盘阵列、数据处理服务器、维护终端、管理终端、交换机等组成。

两台应用服务器采用热备工作方式, 提供信号维护支持系统的应用服务功能和数据库服务功能。

数据处理服务器用于分析参数变化是否存在异常趋势, 当出现异常趋势时及时给出预警和维护建议。

维护中心服务器机房配一台维护终端和一台管理终端, 管理终端用于信号维护支持系统本身的管理和维护, 维护终端用于信号设备的维护和管理。

数据处理服务器与无线通信模块采用串口连接, 无线通信模块采用移动服务运营商的SIM卡。在监测的设备运行信号异常, 发生报警时, 服务器把报警信息发送到无线通信模块, 通过无线通信模块把报警信息以短信形式发送到信号维护人员的手机, 便于信号维护支持人员及时进行故障处理操作。

交换机满足服务器双机热备的需求, 并预留与车站机/工区的网络接口。

3.2 主要车站级设备

3.2.1 控制中心

控制中心具有与ATS的数据接口、与DCS中心服务器的接口。控制中心车站设备采集电源屏、外电网以及环境温湿度信息。控制中心设一台维护终端。控制中心车站设备连接如图2所示。

3.2.2 设备集中站

设备集中站车站设备通过采集机采集外电网、信号机、道岔、线缆、环境温湿度等的模拟量, 按钮、继电器状态等开关量信息;通过通信接口机接收ATS、CI车站设备的工作状态及报警信息;通过串口接收计轴ACS、智能灯丝、电源屏的工作状态及报警信息。每个设备集中站设一台维护终端。

设备集中站车站设备连接如图3所示。

3.2.3 车辆段/停车场

车辆段/停车场车站设备结构与设备集中站基本一致, 主要区别为:车辆段/停车场联锁为国产微机联锁, 车辆段/停车场车站设备与联锁的接口为串口;车辆段/停车场轨道电路为相敏轨道电路, 车站设备增加轨道采集机用于轨道电路采集。车辆段/停车场设一台维护终端, 车辆段/停车场信号工区设一台工区终端, 通过车辆段/停车场交换机接入信号维护支持系统网络。

3.3 数据通道

信号维护支持系统采用通信系统提供的通信网络构建信号维护支持系统网络。通信系统为信号维护支持系统在各正线车站、车辆段、停车场、维修中心、控制中心之间提供两路带宽100M bps的数据通道, 每个接点有2个100M RJ45网络接口。

4 城市轨道交通维护支持系统的功能

4.1 监测及报警功能

MSS系统实现了城市轨道交通信号设备全覆盖的监测方案, 监测范围延伸至信号设备结合部。其不仅可对道岔、信号机、外电网、电缆、数字音频轨道电路、移动闭塞环线、定位环线等非智能设备进行监测, 而且还可对智能设备进行统一监测, 如ATC、CI、计轴、智能电源屏、智能灯丝、屏蔽门等。另外, 该系统利用计算机人工智能技术, 对数据进行分析和处理, 从海量数据中筛选出信号设备维护所关心的数据, 为信号设备维修/维护提供依据。

在获取设备状态信息或信号系统上传的故障报警后, MSS系统会对这些信息进行分析, 根据故障的来源、成因、重要性等方面将报警分为故障报警、超限报警、通信中断、操作报警等。

4.2 监测及报警管理功能

MSS系统自动完成对监测数据的分析和处理, 对设备工作参数的长期变化趋势进行监督, 对一些突变和干扰进行滤除后, 分析参数变化是否存在异常趋势, 当出现异常趋势时及时给出预警和维护建议;并通过完善的数据统计分析, 为设备的预防修、状态修和计划修等维护计划提供科学的依据。当系统有故障和报警发生时, 系统启动故障诊断功能, 协助信号维护人员分析故障原因, 定位故障点。

MSS系统的日常维护、维修的管理流程如图4所示。

5 结语

MSS系统为城市轨道交通的信号维护、维修和管理提供一套完整的解决方案, 可以为信号设备的故障排除提供有力支持, 大大压缩故障间隔时间, 提高信号设备的维护、维修效率和质量。

摘要：针对城市轨道交通信号维护支持系统的现状及存在的问题, 提出城市轨道交通信号维护支持系统的设计方案。

关键词：城市轨道交通,信号维护支持系统,维修管理

参考文献

[1]周庭梁, 张兵建.地铁的信号维护支持系统[J].城市轨道交通研究, 2010, (8)

交通信号系统设计 篇5

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24.奥本海姆《信号与系统》第二版习题解答(指定考研教材的完整习题解答）

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34.《信号与系统复习考研例题详解》 35.《信号与系统学习与考研指导》

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57.《电子技术基础：模拟部分》康华光主编 58.模拟电子技术基础（第四版）课件 康华光主编 59.《模拟电子技术基础》(童诗白_第三版,高等教育出版社)60.《模拟电子技术基础》(童诗白_第三版)习题答案 61.《模拟电子技术解题题典》

62.《电子技术基础 数字部分》（第四版）

63.《数字电子技术基础》（阎石，高等教育出版社）答案（完全版）64.数字电子技术PPT课件 65.数字电子习题集与解答

66.《数字电子技术常见题型解析及模拟题》考研新干线

67.《研究生入学考试要点、真题解析与模拟试卷(模拟电路与数字电路)》辅导书PDF 68.上海交大电子技术（模拟电路和数字电路）考研1997，1999,2000,2002年真题： 69.【全美经典】工程电磁场基础 70.电磁场与电磁波课件（刘岚）71.《电磁场与电磁波》人民教育传版社

72.《电磁场与电磁波习题解答》（配套哈工大版）73.上海交通大学周希朗老师电磁场课程教学视频录像 74.《通信原理》樊昌信-第五版[教材电子版] 75.《通信原理》电子教案 樊昌信第五版 76.《通信原理》樊昌信 第五版课后答案 77.上海大学通信原理习题集

78.北京邮电大学2001-2007年通信原理考研试题与解答

79.《通信原理辅导》张辉编，西安电子科技大学出版社 [电子版教材] 超星格式 80.《通信原理考研指导》郝建军编，北京邮电大学出版社 [电子版教材] 81.高频电路课件2份

82.高频电路模拟试卷2套与详细解答

83信号与系统（重点、必考点）分析笔记，详细分析了考点，包含连续信号部分和离散信号部分 84《信号与系统》考研常用公式手册 85号与系统》知识点总结 亲爱的同学：

交通信号系统设计 篇6

【摘要】城市交叉路口交通拥堵已成为全球通病。为解决这个难题，提高道路通行能力，本发明运用了一种新的太阳能LED绿波流水信号灯预编队交通引导系统。该系统的主要特点在于利用太阳能和电池供电，同时在道路接近路口沿途道路中心隔离栏上设置以流动的形式发光的LED流水信号灯，实现绿波信号的可视化，这是现有的绿波信号系统所不具备的。随着车流情况的变化计算机通过计算调整红绿波流的流动速度，驾驶员可以根据自己的行驶情况进行调整，进入绿波带。这样就对车流进行预先编队，尽可能在绿波段中通过交叉路口。系统把路口“点”的交通压力最大限度地转移到路段“线”上。

【关键词】交通拥堵；太阳能；可视化；预先编队

引言

随着人们生活水平的不断提高，城市车辆也在逐年增加，交通拥堵已成为现代社会最难解决的问题之一，而交通路口却几乎承受着所有的交通压力。LED绿波流水信号灯的控制方式是目前解决路口交通拥堵最先进、新颖的方法。在绿波带的引导下，汽车在不受偶然因素干扰的理想情况下通过路口不会遇到红灯。各相邻路口之间又存在着较为复杂的联系，而此发明所使用的动态智能交通信号控制系统能够应变道路偶然事故，不受突发因素的影响，不会造成绿波流水信号的混乱，实现车辆通过交叉路口不遇到红灯，使得道路通行效率大大提高。

1、太阳能LED绿波流水信号灯工作原理

如何在无法改扩建道路的前提条件下提高道路的通行能力，解决交通拥堵呢？本发明提出的解决方案是采用一种绿波流水信号灯预编队交通引导系统，该绿波流水信号灯预编队交通引导系统适用性极强，能在城市任意路段进行交通控制，引导驾驶员以最高的效率通过交叉路口，降低驾驶员精神压力，减小交叉路口拥堵的可能性。

1.1技术方案

本系统分别在中段车道的靠近路口10～20米的地下各设置一地感线圈，地感线圈与车流量数据处理和绿波协调控制计算机通过信号线连接，计算机又与路口信号灯控制箱连接，同时信号灯控制箱又与路口红绿灯和流水信号灯连接。

在道路隔离栏顶上安装绿波流水信号灯信号放大装置、太阳能电板、蓄电池、充电器，蓄电池充电控制器与信号灯显示器通过导线相连。在此系统中信号灯的控制柜与绿波红绿信号显示装置的信号线长度可能过长，导致车道沿途的绿波红绿信号灯显示装置不能正常工作，所以，还需要加入信号放大器来解决这一问题，即信号放大器连接在信号灯控制箱与信号灯显示装置之间。

该系统在道路中心隔离栏上加装隔绿波LED红绿信号灯显示装置，安装该装置的栏柱间距为15m～25m，在隔离栏上每5～10米安装一组信号灯；利用网络线将各个路口所设的数据处理和绿波带调控计算机连接在一起。

1.2系统装置设计

利用在车道下埋置的地感线圈测量出车流量及汽车的行驶速度，并将其转化为信号传送到计算机，计算机通过预先编好的程序进行分析计算，最终计算机将分析得到的结果传送給信号灯控制箱。此时，路口的红绿灯根据计算机的分析计算结果进行自动调整，实现大部分汽车跟随绿波行驶到路口时遇到绿灯，达到提高交叉路口的通行能力的目的。

该智能太阳能绿波流水控制系统与现有的绿波信号控制系统的不同之处在于它通过在道路旁沿途设置红绿流水信号灯，沿途红绿流水信号灯以周期性循环流动的形式发光，使驾驶员能够在行驶过程中直观的了解到路口红绿灯情况，实现了红绿波信号的可视化。

在每个隔离栏柱上安装一块太阳能电池板，电池板朝向采光最强的方向，电池板和蓄电池相连，电压一致。太阳能电池板白天給绿波带供电而且把多余电能储存在蓄电池里面，晚上由蓄电池給绿波带供电，这样，能大大节省能源，达到节能减排的目的。

2、具体实施方式

2.1基本设备的安装

在距离每个路口10～20米处的每个方向的各车道上装感应车流量的地感线圈。从路口开始，在道路中心的隔离栏顶端每隔20～30米安装一个控制装置，在两个控制装置之间安装一组LED绿波流水信号灯。在隔离栏支柱上2～5米高处安装太阳能发电板。路口信号控制箱里面拉出的红绿信号灯的信号线和由太阳能电能混合供电的LED绿波流水信号灯连接。

2.2工作流程

两个相邻路口之间的地感线圈将采集到的车速度、车数量、车位置等信息传送给计算机信号处理系统上。一条单行道对应一组信号，一个十字路口一共有8条单行道也就有8组这样的数据。计算机信号处理系统接受到8组数据并处理之后，确定出太阳能LED绿波流水信号灯的绿波段部分的周期和长度，再将车辆引导进入绿波段内。由于沿途太阳能LED绿波流水信号线大约有0.5～1.5长，绿波带信号会出现衰减，所以由安装在信号灯外面的信号扩大器对流水信号灯的信号进行扩大加强。

车辆在行进的过程中，驾驶员只要进入到交通路口附近沿途设置的波带后内便可清晰地看到车辆所在波段内的位置，驾驶员可以调整汽车行驶速度进入最近的路波段内，如果受到影响不能进入最近绿波周期内，可调整车速，等到下一周期再进入。路口红绿灯的周期和绿波带的周期是相同的，所以驾驶员就可随绿波带在路口绿灯时间内顺利通过。绿波流水信号灯控制程序能协调各段绿波通过各路口的顺序，它是根据交通流车流量大小来调整绿波带流动速度的快慢。连续车流被绿波带的流动引导成为预先编队车流。

如果编队车流受到突发事件的影响，可以通过计算机控制程序智能调整绿波带的流动速度来分离组合被擾动的车队，这样，车流就可以以最高的效率通过交通路口。

3、前景应用

本发明能够大大缓解城市短距离多路口的城市交通路段的交通拥堵状况。智能太阳能LED绿波流水信号灯交通预引导系统的应用，为解决交通拥堵打开了新的局面，饱受交通拥堵折磨的人们带来了福音。

它适用于城市的任意路段且由太阳能供电，节能减排，对道路无特殊要求，对行人通行不造成影响；沿途的信号灯仅是一种随机预编队提示，且能美化隔离栏、缓解驾驶员疲劳、不造成驾驶员精神压力；可将现有道路的通行能力提高到接近极限。

此发明的应用避免了通过新建或拓宽道路来提升道路通行能力的社会资源浪费，且投资小、成本低、见效快，节能减排，和谐安全，具有良好的经济效益和社会效益。

参考文献

[1]王金兰现代城市交通管理交通信号智能控制研究[N].长江大学学报（自然科学版），2009.12，6（4）：248；

[2]黄孝伦.蜂群算法在智能交通中的应用研究[N].现代电子技术，2010，14（325）：134；

[3]陈宇峰，向郑涛，陈利，潘正清.智能交通系统中的交通信息采集技术研究进展[D].湖北汽车工业学院学报，2010，24（2）：31-34；

[4]李清泉，刘濒锣.基于无线传感器网络交通红绿灯控制系统研究[D].科协论坛，2010，6：71；

交通信号系统设计 篇7

1 基于GPS的智能交通信号灯控制系统的工作原理

基于GPS的交通信号灯控制系统就是结合道路的实际车辆,通过GPS系统实现对信号灯的智能控制,以最大效率提升城市车辆的通行率。根据GPS系统在智能信号灯控制系统的应用方案,其工作原理如下:首先在信号灯控制电路中引入信号灯的位置与颜色状态信息,将GPS接收机获取的车辆的实时位置与速度等信息传递给信号灯控制系统,以此实现对信号灯的智能控制。智能信号灯控制系统依据的就是动态控制系统,其主要是根据实时产生的交通数据在线生成配时方案,从而实现信号的优化。

2 基于GPS的城市信号灯智能控制系统设计的总体方案

基于城市汽车保有量的增加,有必要将GPS系统应用到城市信号灯控制系统中提升道路通行效率。系统大部分功能是由计算机控制系统实现,而软件则主要是实现人机交互功能,以此促进信号灯控制系统的人性化。智能交通信号控制系统的总体框架如图1所示:

结合智能交通信号灯控制要求,该系统的设计主要从软件设备和硬件设备入手。第一,硬件设计主要包括硬件电路连接和电路设计。FPGA是整个系统的核心器件,其主要是对控制系统的信号等进行控制,以此实现对交通流量的预测。例如当某个路口的交通流量过大之后,系统就会通过GPS技术将相关的数据上传到系统中,信号控制系统就会根据当前的交通流量控制与其相连的信号灯,以此实现交通流通速度的提升。外围电路是控制系统工作的动力源,一般根据工作需要选择1.5V的直流电源。在控制系统中需要实现时钟功能,因此,该系统主要采取的是50MHz和200MHz有源晶振,为了避免系统的时钟输入不稳定需要对输入电压进行滤波处理,以此减少外界对于系统时钟的干扰,提高信号灯控制系统的稳定性。第二,软件设计。软件设计是整个系统控制的关键,在交通信号灯控制设计中除了实现智能控制功能之外,还需要满足人工控制的要求,因此,基于GPS的交通信号灯控制系统采取的是C语言的编程语言,这主要是因为采取C语言编程可以形成很好的结构性和模块化,进而提高整个系统的稳定性。

3 智能交通信号灯控制系统的具体设计

3.1 硬件设计

智能交通信号灯控制系统设计的总体框架,该系统的硬件主要包括以下几方面。

(1)主处理器模块。本系统的核心是ALTERA公司的Cyclone系列芯片EPIC12Q24OCS,它有12 060个逻辑单元,2个锁相环(PLL),最多可用I/O管脚数为173。

(2)外围电路设计。其具体包括以下几方面。一是电源电路。根据系统需要其需要使用1.SV和3.3V直流电源,其中FPGA芯片EPIC12的内核电压VCC INT为1.SV,EP IC12的I/O端口的VCCO、FLASH、SN75LBC 184、GDM12864A等器件使用3.3V电源。二是晶振电路。晶振电路主要是向该系统提供时钟,因此,基于时钟工作系统稳定性的考虑,本文主要选择使用SOM Hz和20MHz两个有源晶振。具体的晶振电路如图2所示。三是复位电路。复位电路是控制系统的重要部分,也是红绿灯转换的重要控制设备,当复位电路接通之后,复位信号经过一定时间的延时就会消失。四是专用串行配置器件EPCS4接口电路。为避免数据重新输入下载的弊端,本文选择一种基于FLASH技术的EPCS系列专用串行配置器件。该元件最大的特点就是使用非常简单,而且配置的电流非常小。

(3)存储器模块。该模块主要包括以下几方面。一是SRAM存储器。本文选择的是容量为256k×16位,读写速度为10ns的。二是FLASH存储器。采用SST公司的FLASH存储器SST39VF1601作为程序存储介质,其单片存储容量为zM,工作电压为2.7～3.6V,26位数据宽度。

3.2 交通信号智能控制系统的软件设计

由于在一天的时间内同一路段通行的车辆是不同的,因此,需要根据GPS对道路交通流量进行实时监测,以更好地将监测数值反馈给控制系统,实现通行效率的最大化。交通信号灯的软件设计主要包括系统的工作操作系统,由于我国已实现北斗导航的应用,因此,需要采取与我国北斗导航相适应的操作系统,根据实践调查我国普遍采取了Windows2000 Professional系统。另外,实现GPS的智能控制重要的还在于通过网络将相关数据传输给系统平台,因此,网络的操作系统为Windows2000 Server。软件设计的工作流程是当系统检测到某路口的交通流量数据之后,通过GPS将相关的周围数据等进行汇总,以此对各个路口进行优化配置规划,进而实现交通流通效率的最大化。

4 实验仿真

本文利用VC6.0作为实验测试平台,模拟每个方向有20台车辆需要通过如图3所示的路口,分别模拟了信号灯定时算法和本文基于RFID的自适应算法中车辆完全通过路口的总体时间,如表1所示。假设图3中Z方向1路口和2路口的距离为10公里,H方向中的1路口和2路口的距离为8公里(也可以假设两个方向的距离是相等的),车速为平均值50公里/小时,从Z11方向为绿灯开始计时,定时算法中红绿灯的分配时间为60秒,道路的宽度为20米,每辆车车身长为4.5米。

通过以上数据,车辆的平均启动时间损失为3s,直行方向车头时距为3s,左转时距为3s,因此,信号一共损失的时间为:L=(1+r)×n=(4+0)×4=16s。根据Webster公式,最佳的交通灯信号周期为:C1=(1.5L+5)÷(1-Y)=60s。

从表1可以看出,在这样简化的模型中,两种算法的时间差已达到了163秒。在实际环境下,路况和车辆情况要比该模型复杂,节省的时间更是可观。

5 结语

综上所述,在汽车保有量日益增多的环境下,构建基于GPS的智能交通信号的控制系统是缓解城市交通拥堵,提高交通资源利用率的重要途径。智能分布式交通信号灯控制系统依赖于互联网技术、GPS技术实现了交通信号控制的实时化、智能化,因此进一步完善智能交通信号灯控制系统是智能化交通管理系统发展的重要内容之一。

参考文献

[1]孟凡兴,邬歆,蔡沁林,等,交通路口信号灯控制规则对驾驶员行为决策的影响[J].中国安全科学学报,2013(7).

[2]张李云.分布式智能交通信号灯控制系统设计与研究[D].武汉:武汉科技大学,2011.

交通信号系统设计 篇8

据于74LS164十四进制扭环形计数器状态循环转换原理, 文章对交通信号逻辑电路的设计原理和设计方法作了深入全面的分析和阐述, 对从事数字电子逻辑电路的设计人员提高设计能力、拓宽设计思路、熟悉中小规模集成电路的综合应用能力、加深理解电路的控制原理、提高综合运用所学知识的工程实践能力具有重要的参考价值。

1 交通信号控制系统功能设计

1.1 十字交叉路口的交通信号控制系统平面布置 (见图1)

注:LMG—主干道绿灯LMY—主干道黄灯LMR—主干道红灯

LBG—支干道绿灯LBY—支干道黄灯LBR—支干道红灯

1.2 信号灯正常工作流程 (见图2)

因为主干道车辆多, 故放行时间相对比较长, 设计放行时间为48S;支干道的车辆少, 放行时间相对较短, 设计放行时间为24S;每次绿灯变红灯之前, 要求黄灯亮4S且为间歇闪烁, 此时另一干道的红灯状态仍然保持不变。在主干道和支干道均设有倒计时数字显示, 作为时间提示, 以便让行人和车辆直观掌握通行时间。数字显示变化情况应与信号灯状态始终保持同步。

2 交通信号逻辑电路的设计 (见图3)

3 交通信号控制系统电路分析

3.1 时钟信号源

时钟信号源由NE555时基电路组成, 用于产生1Hz的标准秒信号。

3.2 分频器

分频器由2片74LS74构成。第一片74LS74对1Hz的秒信号进行4分频, 获得周期为4S的信号, 另一片74LS74对4秒的信号进行2分频, 获得周期为8S的信号。周期为4S、8S的信号分时送到主控制器74LS164的时钟信号输入端, 用于控制信号灯处在不同状态的时间。

3.3 主控制器

主控制器是由一片74LS164构成的十四进制扭环形计数器, 是整个电路的核心, 用于定时控制两个方向红、黄、绿信号灯的亮与灭及持续时间, 在时钟CP上升沿的连续触发下其状态转换见表1

3.4 信号灯译码驱动电路的设计 (见图3)

信号灯译码驱动电路由若干个门电路组成, 用于对主控制器中Q5Q6的4种状态进行译码并直接驱动红、黄、绿三色信号灯。令扭环形计数器中Q5Q6的4种状态00、10、11、01分别代表主干道和支干道交通灯的4种工作状态:主干道绿灯亮、支干道红灯亮;主干道黄灯亮、支干道红灯亮;主干道红灯亮、支干道绿灯亮;主干道红灯亮、支干道黄灯亮。令灯亮为“1”, 灯灭为“0”, 则可得出信号灯译码驱动电路的真值表 (见表2)

由真值表可得出各信号灯的逻辑表达式:LMG=·;LMY=Q5·;LMR=Q6;LBG=Q5·Q6;LBY=·Q6;LBR=。因黄灯要间歇闪烁 (4秒期间闪4次) , 所以将LMY、LBY与1s的标准秒脉冲信号CP相“与”便得出:LMY’=LMY·CP;LBY’=LBY·CP。

3.5 信号灯工作时序

由时序图可知, 在Q5Q6=00期间, 共需6个CP触发脉冲, 所以应将周期为8秒的时基信号CP2送入扭环形计数器的CP端, 则6TCP2=6×8S=48S, 正好符合绿灯的放行时间为48秒。同理, 当Q5Q6处于10、11、01三种状态时, 应将周期为4秒的时基信号CP1送入扭环计数器的CP端, 才能满足这三种状态时信号灯亮灭的时间要求。以上8秒和4秒时基信号分时送入扭环计数器CP端是由74LS04的G9、74LS125的G10、G11共同完成的 (见图3) , 只有当LMG亮期间 (48秒) , G10导通G11截止, 将8秒时基信号送入扭环计数器CP端, 而在其余三种状态的时间段LMG都是灭的, G10截止G11导通, 将4秒时基信号送入扭环计数器CP端。

3.6 数字显示控制电路

数字显示控制电路是由4片74LS190组成的两个减法计数器组成, 用于进行倒计时数字显示的控制。当LMG亮、LBR亮 (Q5Q6=00) 时, 对应主干道的两片74LS190构成的52进制减法计数器开始工作, 从数字“52”开始, 每来一个秒脉冲, 显示数字减1, 当减到“0”时, LMR亮、LBG亮, 同时, 主干道的52进制减法计数器停止计数, 支干道的两片74LS190构成的28进制减法计数器开始工作, 从数字“28”开始, 每来一个秒脉冲, 显示数字减1, 直至减到“0”为止。减法计数前的初始值, 是利用另一个道路上的黄灯信号对74LS190的LD端进行控制实现的, 当黄灯亮时, 减法电路置入初始值;当黄灯灭而红灯亮时, 减法计数器开始进行减计数。

3.7 数字显示电路

数字显示电路是由两片74LS245和4片74LS49集成电路及4块LED七段数码管LDD580构成的, 用于进行倒计时数字的显示。因主干道和支干道的减法计数器是分时工作的, 而任何时刻两方向的数字显示均为相同的数字, 采用两片74LS245就可以实现这个功能。当主干道减法计数器计数时, 对应于主干道的74LS245工作, 将主干道计数器的工作状态同时送到两个方向的译码显示电路。反之, 当支干道减法计数器开始计数时, 对应于支干道的74LS245开始工作, 将支干道计数器的工作状态同时送到两个方向的译码显示电路。

4 结束语

主干道和支干道的放行时间是可以随意设置的, 比如可以设置主干道的放行时间为60秒, 支干道的放行时间为30秒, 黄灯闪烁的时间为5S, 改变分频器的分频系数即可实现这一功能, 将1Hz的标准秒信号经一个上升沿触发的5分频器分频得到一个周期为5S的信号, 再经过2分频得到周期为10S的信号, 将周期为5S和10S的信号轮流送入74LS164的CP端即可。其中, 5分频器可利用74LS290来实现。

参考文献

[1]曾令琴, 吕乐, 李林鹏.数字电子技术[M].北京:人民邮电出版社, 2009.

[2]龙治红, 谭本军, 黄华飞.数字电子技术[M].北京:北京理工大学出版社, 2010.

[3]焦素敏.数字电子技术基础[M]北京:人民邮电出版社, 2012.

[4]高燕梅, 沙晓菁, 粱超.数字电子技术基础[M]北京:电子工业出版社, 2012.

城市轨道交通与通信信号系统 篇9

1 城市轨道发展现状透视

世界经济一体化的到来使整个世界经济都息息相关。中国作为世界上首屈一指的经济实体, 近几年的经济发展也十分惊人。与此同时带来的城市交通问题也是尤为突出的。为了缓解这一问题, 发展城市城际交通必然是当务之急。发展交通不仅是注重数量上的增长还应该把重心放在质量上的提升。以城市立交桥为代表的城市便捷交通设施已经不能够完全满足当前城市人口流动的需求, 而是应该将更多的精力放在城市综合交通体系的建立上。比如说, 为了城市经济的繁荣和人们出行的便利, 地铁、高铁和城市城际轻轨已经成为发达国家和发展中国家争相青睐的项目。尤其是高铁技术的引进和开发不仅为当地的经济发展注入了强大的生命活力, 更是一个地区乃至一个国家科学技术力量的集中体现。以磁悬浮技术为例, 抛开这一高新技术引进带来的科技辐射作用不说, 在方便人们出行的前提下更是带动了当地材料学、建筑业以及劳动保障部门的发展。所以, 不难看出, 发展以信息科技技术为支撑的前沿交通技术是一项一举多得措施。

具体来说, 引进和发展城市交通通信和信号系统是该项举措的重点之处。交通信号就像交通系统的眼睛, 是交通系统监督城市交通流量的重要保证。信号系统的建立和监管是保证城市交通流畅度的保证, 表现在城市车辆、轻轨和地铁的安全行驶和高效率的同行能力。自上世纪中叶以来, 高新技术的发展给社会各行各业都带来了不同程度上的福利。尤其是在城市交通方面, 更是一场根本性的革命。以信息监管和计算机管理为技术支持的城市轨道交通信号系统 (ATC) 在新的城市化进程中发挥着不可替代的作用。这一技术的发展和晚上不仅保证了城市车辆的通过率大幅度提升, 还为城市轻轨和城际列车自动化驾驶提供了强大的导航作用。

2 城市轨道交通与通信信号系统现状的具体分析

城市轨道交通与通信信号系统主要是由装备各式信号装置的电路岔口装置和附属的公共设施组成的。这些公共设施基本上都是隶属于原城市基础设施, 比如城市轻轨轨道、路口交通信号灯以及公共停车管理系统。通信信号系统的组建和发展就是依赖这样的基本设施壮大起来的。并在此基础上不断巩固和升级, 依赖于电子数控的技术支持组建出一套完整的指挥系统。其中, 起着关键心作用的是城市城际联动锁定装置和自动控制装置。这两种装置是城市轨道交通和信号通信系统 (ATC) 的关键所在。细化来看ATC又可以分为自动监控系统ATS、列车自动防护系统ATP和列车自动运行系统ATO。举例来说, 城市轨道交通和通信信号系统是基于地面 (轨道实时监测数据) 来反馈城市轻轨和城际高铁上列车运行的实时状态, 对运行列车状态最最初整体预估, 评判列车的车速、阻力、制动能力的可控程度;同时通过数字化和自动化技术远程调控列车的制动刹车系统, 一方面保证列车的运行速度在合理范围之内, 另一方面可以及时的应对突发情况, 在保证列车安全的前提下杜绝轨道上的意外状况。智能化系统的引进和深化让城市轨道交通与通信信号系统可以随时接受远程控制, 既保证了列车操控人员的安全性也保证了列车的可调度性, 这样一来列车的运输能力和通过能力得到了实质上的提高, 城市物资配送、公共资源的安排也得到了合理化和高效率的配合。

城市轨道交通与信号通信系统给城市交通带来大便利的同时也有自身固有的缺点, 而这些缺点也在很大程度上制约了城市轨道与信号通信系统的深度发展。这些缺点主要体现在以下几个方面:

首先是当前我国的城市轻轨和交通信号系统的造价居高不下。以上海市的地铁造价为例, 每一公里的资金成本投入高达六亿人民币, 这一成本预期要在三十年内收回。造成这一因素的主要原因还是核心技术依靠进口, 成套的系统装备也依赖进口。国外承包商争先瓜分中国市场和国内企业竞争力不足是客观原因。加之大部分的交通信号系统是分期完成, 一旦选定承包商信号系统无法进行修改, 这就造成后期信号维修和管理对外的高度依赖性, 这样的情况不仅会造成当前系统定价由外国承包商决定的局面还会国家安全埋下隐患。

再者就是国内信号的不兼容问题。在我国首先引进该系统的大多是发达城市, 而后逐渐向大中型城市进行推广。这样的模式虽然能有效的降低引进成本但是带来的是区域与区域之间信号系统的不兼容问题。这样的局面会直接造成区域内部列车运营的沟通困难, 尤其是在地域之间由于信号不兼容会造成列车速度和行驶安全上的隐患。虽然在地域内部能达到效率的最高值但是在地域之间的配合就显得非常乏力。另一方面也使系统的维护和保修工作效率低下, 不能实现区域之间的合理统筹管理。

最后在信号材料和核心技术开发方面。我国企业的发展步伐缓慢, 竞争能力低下不能够与国外厂商在同一个平台上进行正面的较量。这不仅使得我国城市轨道与信号通信技术被国外承包商所垄断也大大不利于我国民族厂商的进步和创新。没有一个好的平台和实战战场, 使我国厂商生产出来的产品与实际运用频频脱节, 这对我国在该领域的高新技术研发是致命性的打击。如果我国企业不能积极向国外技术层次靠近不进行深度产品开发和实战演练, 那么带来的后果将是灾难性的。

3 对于我国城市轨道交通和通信信号系统的展望

我国ATC行业的发展前景是十分明朗的, 并且国家在这方面的需求是十分旺盛的。为了弥补业内的需求, 我国民族企业应当正视当前的情况, 迎难而上正确处理好需求和技术之间的问题, 积极找出解决方案。

首先要放低姿态, 以积极地锐意创新的态度吸取国外先进技术的优点, 加快国内硬件加工技术的步伐, 配合当前ATC行业的发展态势, 开发属于自己的核心技术, 推动国产城市轨道交通行业的进步。

其次要通过对引进的技术进行消化吸收, 掌握系统功能单元间接口协议和技术标准。让国内有条件的企业优先系统性学习, 争取在短时间内突破ATC在我国区域之间不兼容的瓶颈, 开创出一套适合我国大部分城市的接口协议。加大研发力度, 在政策和资金上都采取倾斜性的辅助态度, 使该项技术尽早实现国产化, 打破国外垄断, 实现行业内水准化生产, 保证国家公共交通设施安全。

再者就是以缓解城市交通压力为前提, 进行多元化的系统开发。ATC是基于信号的列车控制系统, 我国也可以积极参与基于通信的列车控制系统。这种控制系统一方面可以打破通信信号系统一家独大的局面另一方面也可以充分发挥我国的本土优势和固有的通信设施优势, 实现对城市交通的可控管理。

总的来说, 随着经济社会的发展和城市交通压力的日益增大, 发展城市轨道交通和信号通信系统是目前最为可行的方法。但是我们仍要积极克服当前的难点, 为营造一个完善便捷的城市交通网而努力。

参考文献

[1]张立国, 丁静波.城市轨道交通轨道与供电杂散电流接口设计研究[J].铁道标准设计, 2005.

城市轨道交通信号系统解决方案 篇10

随着国内城市轨道交通网络的大力发展, 近10年来, 有20多个大中城市建设近千公里的城市轨道交通线路。作为城市轨道交通“大脑”的信号控制系统, 是提高运营效率、保证行车安全及乘客舒适度的关键。基于通信的移动闭塞系统 (CBTC) 是当前世界轨道交通列车控制系统的发展趋势, 是近年来国内外使用的最先进的一种闭塞系统。

为打破国外轨道交通信号技术垄断, 加速我国城市轨道交通信号系统国产化进程, 卡斯柯信号有限公司从1994年开始启动智能列车监控子系统 (i TS) 的开发。2009年智能安全型计算机联锁子系统 (i LOCK) 开发完成并通过国际第三方独立安全认证。现在智能列车控制子系统 (i TC) 开发完成。历经17载的技术攻关, 最终开发并推出了具有完全自主知识产权的城市轨道交通信号系统解决方案——基于通信的智能型移动列车控制系统 (i CMTC) 。

1 i CMTC系统方案

基于通信的智能型移动列车控制系统采用目前最先进的基于通信的移动闭塞技术, 通过数据通信网络实现地面与车载控制、车站与中央控制相结合, 是一个集行车指挥、运行调整、安全间隔防护以及列车自动驾驶等功能为一体的移动闭塞列车运行控制系统。

1.1 i CMTC系统结构

i CMTC系统继承了卡斯柯信号有限公司现有的成熟地铁信号系统解决方案 (URBALIS 888系统) 良好的架构设计。

i CMTC系统由以下子系统组成:

(1) i TC。监控列车安全运行, 通过i TC车载部分和轨旁部分构成信息闭环控制, 实现移动闭塞控制功能。

i TC是i CMTC系统的一个核心子系统, 由车载和轨旁两部分组成。车载部分包括车载控制器 (i CC) 和驾驶员接口 (DMI) ;轨旁部分包括区域控制器 (ZC) 、线路控制器 (L C) 、编码器 (L E U) 和欧式信标 (BEACON) (见图1) 。

(2) i TS。提供自动或由人工控制进路功能, 实现行车调度指挥, 并向行车调度员和外部系统提供信息。

(3) i LOCK。执行i TS功能命令, 管理进路、道岔和信号控制, 并将进路、计轴、道岔和信号等状态信息提供给i TS和i TC子系统。

(4) DCS。通过网络通信和无线通信, 实现i CMTC系统各设备之间的安全信息和非安全信息传输。

(5) MSS。对i CMTC系统各设备的状态进行检测、诊断和集中报警, 帮助维护人员进行故障设备定位和维修。

i CMTC系统中, i LOCK、i TS、DCS和MSS子系统为既有成熟产品, 已在多个项目中应用。i TC子系统正按照EN 50126/50128/50129标准自主研发, 已处在系统集成和现场中试阶段。

1.2 i TC

1.2.1子系统组成

(1) i C C。主要实现两大功能:一是自动列车防护 (ATP) 。根据安装在列车车身上的编码里程计、信标天线和安装在轨旁的欧式应答器进行列车安全测速和定位。通过采集驾驶员输入和轨旁有源信标或区域控制器获得的变量信息和EOA信息, 确定列车的驾驶模式, 并对列车的速度、间隔、能量、退行、车门开关等进行监控, 在列车发生超速、超能、冒进、退行时对列车施加紧急制动, 保证列车运行和乘客安全;二是自动列车驾驶 (ATO) 。根据安装在列车车身上的编码里程计、信标天线和安装在轨旁的欧式应答器进行列车精确测速和定位。根据运行调整指令 (来自i TS的运行调整命令或司机人工调整停站时间) 自动驾驶列车运行, 保证列车运行时的乘客舒适性和自动精确停站。

(2) DMI。用于显示车载控制器信息的专用车载嵌入式计算机, 通过车载以太网与列车头尾2个车载控制器连接。DMI是车载控制器与列车驾驶员的接口, 根据车载控制器请求, 通过声音、图像等方式将列车运行状态和辅助驾驶信息通知列车驾驶员, 从而辅助驾驶员驾驶列车。

(3) ZC。实现移动闭塞控制的核心设备, 对其管辖区域范围内所有列车的安全间隔进行防护和管理。ZC根据车载控制器发送的位置报告或轨道区段的占用检测, 为每列列车创建自动保护区域 (AP) , 通过管理区域内的AP和轨旁状态为每一列通信列车计算移动授权 (EOA) 和安全变量信息, 并将其发送给车载控制器, 以实现对列车安全间隔的防护。

(4) L C。管理i T C子系统内部软件版本和安全时钟同步, 并接收来自i T S子系统的临时速度限制 (TSR) 设置和修改, 将线路TSR发送给车载控制器。

(5) LEU和BEACON。LEU接收i LOCK子系统的轨旁变量信息, 将其编码后通过信标发送给车载控制器。BEACON分为有源信标和无源信标。信标沿轨道布置, 用于列车越过信标时定位列车。有源信标与LEU连接, 将轨旁变量信息传递给车载控制器。LEU和信标提供轨旁i LOCK子系统和车载控制器之间的接口, 用于实现后备模式 (降级模式) 功能。

1.2.2开发流程

i TC核心子系统严格按照欧洲铁路应用标准EN 50126/50128/50129开发, 执行高标准的质量控制。 (1) 项目开发采用设计、测试、安全和质量相独立的组织结构。 (2) 系统开发过程采用安全生命周期模型 (V Cycle) , 安全生命周期模型各个阶段的输入和输出严格通过审核、验证和批准。 (3) 系统确认测试采用严格的零缺陷出口标准。 (4) 系统开发过程和安全由国际第三方安全机构进行独立安全认证。 (5) 系统开发采用标准推荐的组合故障安全和反应故障安全技术。 (6) 安全相关软件采用标准推荐的形式化开发方法, 使用经过SIL4级认证的SCADE工具进行开发。

1.2.3主要技术特点

i TC子系统符合“故障-安全”原则, 安全完整性等级为SIL4。主要技术特点体现在以下方面: (1) 车载控制器硬件采用“2取2”结构, 通过相异设计和双通道安全输出比较来提高系统的安全性。 (2) 车载控制器软件采用安全编码处理器 (VCP) 技术和数字集成安全保证逻辑 (NISAL) 编码技术, 使系统发生随机错误的不可检出率达到SIL4级要求, 保证系统的高安全性。 (3) 车头车尾的车载控制器构成冗余, 根据设备的可用性等级实现自动主备切换, 保证系统的高可用性。 (4) 轨旁设备统一采用卡斯柯信号有限公司自主研发的通过国际第三方SIL4级独立安全认证的轨旁安全平台 (TSP) 。该平台采用双系并行控制的“2乘2取2”技术、在线检测 (BIT) 技术和相异性 (DIV) 技术, 以保证轨旁系统的安全完整性等级达到SIL4级要求。 (5) 车载输入/输出模块的安全输入和输出采用并接方式连接, 构成双驱双采工作方式。 (6) 系统内部设备之间采用SACEM安全通信技术, 使用双24位SACEM编码和时间标签技术, 保证安全数据交换的安全性和时效性。

1.3 i LOCK

i LOCK是i CMTC系统中的一个关键子系统。该子系统符合“故障-安全”原则, 是以微处理器为基础的计算机联锁信号控制系统。它是卡斯柯信号有限公司引进法国阿尔斯通公司 (ALSTOM) SMARTLOCK系统核心技术, 结合我国铁路运营技术条件, 经过二次国产化开发而成的一种安全型计算机联锁系统。

i LOCK综合运用“反应故障-安全”、“组合故障-安全”和“固有故障-安全”技术, 采用双CPU表决输出方式, 比采用单一安全技术的系统具备更高的安全性。

该系统自2009年开始已广泛应用于我国国家铁路、地铁等领域, 如沪杭高速铁路, 虹桥枢纽, 北京地铁2号线、机场线和房山线, 上海地铁10号线, 深圳地铁2号线和5号线等。

i LOCK子系统的主要技术特点是: (1) 采用“2取2”双CPU结构和NISAL技术。NISAL技术在基本逻辑运算之外提供一种独立的安全校核, 使得i LOCK系统比一般的“2取2”双CPU结构具有更高的安全度等级, 保证系统的高安全性。 (2) 采用“故障-安全”通信协议与i TC系统交换安全数据, 保证安全系统之间数据通信的安全性和时效性。 (3) 采用“2乘2取2”结构和采集共享、并行驱动技术, 最大程度地提高i LOCK系统的可靠性。 (4) 采用多处理器、相互独立的计算机电源保护、防浪涌和双重电源防雷、机箱屏蔽接地、分区滤波等技术, 使i LOCK具有较高的防雷和抗干扰能力。 (5) NISAL技术的采用能确保输出驱动安全性的同时, 简化接口电路, 降低系统成本。

1.4 i TS

i TS是基于现代数据通信网络的分布式实时计算机控制系统, 与i LOCK子系统、i TC子系统、站台设备等连接, 为控制中心行车调度员和车站行车值班员提供信号和列车的监控功能, 并在此基础上实现对列车的自动化调度和运行调整, 从而减轻调度员和值班员的工作强度, 优化线路运行效率。

作为卡斯柯信号有限公司的既有成熟产品, i TS子系统在国内外地铁项目中得到了广泛的应用, 如伊朗德黑兰地铁1号线和2号线, 北京地铁2号线、9号线、机场线、房山线, 上海地铁1号线、10号线, 深圳地铁2号线和5号线等。

i T S子系统的主要特点是: (1) 关键单元采用“1+1”防护, 故障情况下冗余设备自动实现无扰切换。 (2) 采用分散自律功能配置, 在中央故障时仍可完成大部分自动控制功能。 (3) 对于涉及安全的操作, 采用高完整性控制安全协议 (HILC) , 提供安全操作的二次确认, 以确保安全。 (4) 对恶意入侵的实时监测, 保障系统的信息安全。 (5) 符合人机工程原理的标准化图形用户界面。 (6) 完善的故障诊断功能, 减少系统维护时间。

1.5 DCS

DCS为i CMTC系统提供可靠的通信连接, 主要由两大部分组成: (1) DCS有线传输系统。为i CMTC信号系统提供信息交互传输通道, 保证地面应用间正确的通信连接, 同时也为轨旁设备和车载设备通信提供接口。 (2) DCS无线传输系统。包括车载无线设备和轨旁无线单元, 为轨旁和车载设备提供可靠、持续、双向的通信服务。

DCS有线传输系统的核心网络采用基于同步数字传输 (SDH) 技术的多业务网络解决方案, 利用同步数字传输技术完善的保护机制确保信号应用通信具有更高的可靠性。DCS无线传输系统用于实现车辆与地面设备间的无线通信, 根据车-地无线传输方式不同, 系统支持自由无线和波导管两种无线方案。DCS子系统采用冗余设计 (红网和蓝网) , 具有高可用性、高带宽、双向自愈、组网灵活等特点。

1.6 MSS

MSS对i CMTC信号系统所有设备 (包括电源设备) 的工作状态和电气性能指标进行在线监测和集中报警, 收集并显示包括i TS、i TC、i LOCK等子系统设备的报警信息, 帮助维修调度人员计划和制定预防性和纠正性维护作业。MSS子系统是i CMTC系统的设备状态监测和维护辅助工具, 具有智能化诊断、功能易扩展等特点。

2 i CMTC系统特点

i CMTC系统设计充分考虑国内城市轨道交通现状和用户操作习惯, 能够满足兼顾安全和高效运营的需要。主要技术特点体现在以下方面: (1) 系统集成了多个既有的成熟子系统 (i LOCK、i TS、DCS和MSS) , 这些子系统经过充分应用验证, 技术稳定可靠。 (2) 整个信号系统中所有安全子系统的安全完整性等级达到SIL4级, 导致危险侧的故障率低于10-9/h, 确保系统的高安全性。 (3) 所有关键设备采用冗余热备配置, 故障情况下冗余设备之间自动实现切换, 不影响系统正常运营。 (4) 在同一线路上, 系统支持CBTC模式列车和点式后备模式列车的混合运营, 并提供完整的SIL4级安全防护。 (5) 在点式后备模式下提供ATO功能, 提高系统后备模式运营效率。 (6) 支持3种不同等级的运营模式——联锁模式、点式后备模式和CBTC模式, 当无线通信不能正常工作时, 系统可降级为后备模式或更低的联锁模式运行。 (7) 提供电信级的SDH骨干网, 具有高带宽、双向自愈、组网灵活, 可同时承载信号和实时多媒体, 以及视频监控等多项附加应用等特点。 (8) 采用模块化设计, 可根据项目需求灵活裁剪和扩充系统功能, 满足系统用户需求。

3 i CMTC系统研发历程

从1994年启动i TS子系统自主研发到现在整个i CMTC系统的集成和中试, i CMTC系统解决方案的设计和开发集结了众多中外信号专家的智慧与丰富经验。i CMTC系统具体研发历程如下:

1994年, 启动i TS子系统的自主研发;

1998年, 具有完全自主知识产权的i TS子系统成功应用于伊朗德黑兰地铁1号线和2号线;

2002年, 启动i LOCK子系统的自主研发;

2005年, 具有完全自主知识产权的i LOCK子系统 (采用“2乘2取2”结构) 研发成功;

2006年, i LOCK子系统通过铁道部技术审查, 被批准在客运特等站——上海南站投入使用;

2007年, 启动i TC核心子系统自主研发, 从概念、设计到开发, 整个过程由国际第三方进行独立安全审查和认证;

2008年, i TS、i LOCK作为国产化URBALIS 888信号解决方案的子系统, 成功应用于北京地铁2号线和北京首都机场线;

2009年, i LOCK子系统通过国际第三方SIL4级独立安全认证;

2011年, i TC子系统获准在上海轨道交通10号线试车线进行现场动车调试;

2011年, i CMTC获准在上海轨道交通张江实训基地进行中试;

2012年, 计划i TC子系统通过国际第三方SIL4级独立安全认证;

2012年, 计划推出具有完全自主知识产权的城市轨道交通信号系统解决方案——i CMTC系统。

4 结束语

随着i TC子系统开发完成并通过国际第三方SIL4级独立安全认证, 以及与既有成熟子系统集成, 卡斯柯信号有限公司将为中国城市轨道交通提供一个高安全性、高可靠性的具有完全自主知识产权的CBTC信号系统解决方案——i CMTC系统, 这将成为中国城市轨道交通国产信号控制系统发展的里程碑。

交通信号系统设计 篇11

(上海海事大学 物流工程学院，上海 201306)

0 引 言

电磁金属探伤技术主要包括涡流检测技术、交流电磁场检测技术和电磁层析成像技术，因其具有非接触、无损害、无辐射等优点而被广泛应用于无损检测领域.[1-3]电磁层析成像(Electromagnetic Tomography，EMT)技术是近年提出并发展起来的一种新型的工业过程参数二维或三维时空分布状况的在线实时检测技术.[4-5]EMT采用电磁激励，从发射到接收信号时间间隔很短，适合实时采集.[6]相对于其他电磁检测技术,EMT技术具有成本低廉、能够提供简单直观的图像、重现缺陷大小和位置等优点.

目前，研究EMT的国家主要有英国、美国、瑞士、俄罗斯等.ALBRECHTSEN等[7]将EMT应用于多相流检测;LAU等[8]将EMT技术与神经网络相结合进行金属探伤研究;WATSON等[9]研究低电导率物质EMT系统;KORJENEVSKY等[10]开发出一套对电导率和介电常数分布重建的EMT系统.这些研究包括12个激励线圈和12个检测线圈交叉排列的传感阵列EMT系统、采用模拟解调方法的8线圈EMT系统等.

上述EMT系统主要以模拟解调为主且结构复杂，给开发和调试带来困难.[11]笔者以数字信号处理器(Digital Signal Processor, DSP)TMS320F2812为核心设计EMT系统，利用系统内部的ADC模块完成信号的采样，再引入快速傅里叶变换(Fast Fourier Transform, FFT)算法实现数字解调，使整个系统的灵活性和快速性得到提高.

1 EMT基本原理

EMT系统一般包括传感器整列、信号采集电路、PC机等3部分.传感器整列由激励线圈和检测线圈组成.在激励线圈中施加交变电流会在整个物场空间产生交变磁场，因此在检测线圈内可检测到物场内的电导率或磁导率分布信息;检测信号经数据采集电路上传至上位机，通过某种图像重建算法可以获得电导率或磁导率的分布信息.

麦克斯韦方程组能描述所有可能存在的宏观现象.[12]在电磁无损检测中,电磁能量与被测物的电磁能量交互作用[13]，这种作用在理论上可用麦克斯韦方程组[14]表示为

(1)

(2)

(3)

(4)

式中:E,H,D,B,J和ρ分别表示电场强度向量、磁场强度向量、电通密度向量、磁通密度向量、电流密度向量和电荷密度.

电磁场作用下各向同性介质的电磁特性还可以表示为

B=μH,J=σE,D=εE

(5)

式中:σ,ε和μ分别表示电导率、介质的介电常数和介质的磁导率.

式(1)～(5)构成电磁检测技术的物理基础.联合以上各式，结合具体物理模型的边界条件，就是EMT完整的数学描述.

2 传感阵列和硬件控制电路设计

本文设计的探伤系统主要分为传感阵列单元、激励信号产生单元、数据调理单元、数据解调单元和上位机单元等5部分.激励信号产生单元主要为系统提供特定频率、相位和幅值的激励信号，以便给传感器施加激励信号；数据调理单元主要根据采样信号进行简单调理，如滤波、放大和偏置等；数据解调单元以DSP为核心，通过DSP芯片内部的FFT解调程序对采样调理后的信号进行有效的数据解调；以计算机为核心的上位机单元主要对解调后的数据进行保存和粗略的后期数据整理等.

2.1 传感阵列设计

系统传感阵列采用双线圈结构.双线圈分布、结构原理和线圈尺寸见图1.

图1双线圈分布、结构原理和线圈尺寸

线圈采用直径为0.2 mm的漆包线进行绕制，共绕制600匝.为获取更加精确的信息，在制作线圈的过程中还要求绕线方式和线圈密度一致.为保证线圈的对称性和一致性，在绕制过程中利用安捷伦公司的阻抗分析仪对典型频率下的电感值进行测量，最终各线圈的电感值误差小于3%[15].

2.2 硬件控制电路设计

为提高系统的检测精度和实时性，设计一套基于DSP的电磁探伤测量系统.该系统从电磁感应测量的特点出发，利用数字电子技术实现检测线圈感应电压的测量，为多线圈阵列的EMT探伤系统的设计打下基础.硬件控制电路包括激励信号产生单元和分级放大与滤波电路.

2.2.1 激励信号产生单元

该单元是以直接数字频率合成(Direct Digital Synthesis,DDS)芯片AD9851为核心制作而成的正弦信号发生电路，可以产生相位频率为0～70 MHz的、可调的正弦信号波形，并在信号输出端口处采用70 MHz的低通LC滤波器，有效去除信号中的高频杂波，使波形更加完美.

AD9851芯片内部集成6倍频电路，因此采用30 MHz的外部晶振可以大大降低晶振对电路本身产生的电磁干扰，从而提高输出信号的质量.

图2 激励单元工作原理

激励单元工作原理见图2.

2.2.2 分级放大与滤波电路

检测线圈检测到的电压信号较微弱(毫伏级)，为此设计基于AD620仪表放大器芯片的精密放大电路对采集信号进行放大.感应电压会受传感器提离高度、放置位置及被测金属自身属性等因素的影响，因此在电路中依次采用50倍、10倍、5倍三级放大电路将采集信号放大.分级放大示意图见图3.

图3 信号放大处理示意

为获取更好的采样信号，采用电源滤波的方式对采样信号进行滤波处理.在输入端口处，为防止外部噪声信号等干扰，采用欧姆龙公司的G5V-1继电器对外部干扰信号进行隔离处理.同时为保护电路，防止外部信号突变对电路产生破坏性影响，采用瞬态电压抑制器(Transient Voltage Suppressor,TVS)对电路进行保护.

2.2.3 偏置电路

DSP采样电压范围为0～3 V.为使电平匹配并保护DSP内的AD模块，将放大电路的基准参考电压设定为1.5 V，调整后的采样电压信号幅值在0.5～2.5 V范围内.

系统采用高精度电源稳压芯片REF196进行稳压(芯片输出端的电压信号稳定于5 V左右)，通过电位器进行简单的分压处理.以OP27芯片为核心的电压跟随器，不仅可以提高系统输出电压的稳定性，而且可以为差分放大电路提供偏置电压，从而将采样电压调理到DSP采样电压的范围内.图4为采样信号调理前后的示波器输出画面.

图4系统采样信号调理前后示波器输出画面

3 DSP采样信号解调单元设计

采集信号的数据解调和处理模块是本系统的核心部分.采用FFT算法对采样信号进行解调处理.对采样点数较大的数据进行解调可以大大减少传统离散傅里叶变换(Discrete Fourier Transform,DFT)的工作量，大大提高系统处理数据的能力和速度.

设置系统采样频率为5 MHz，采样点数为1 024，运行程序后即可得到系统采样电压在各频段内的分量.图5为上位机CCS界面中显示的采样信号和FFT结果;图6为DSP内部数据FFT解调程序流程.

图5采样信号和FFT结果

图6 DSP内部数据FFT解调程序流程

测试中采用具有杂波的信号源，这主要是因为采样信号应与激励信号具有相同的频率，即感应信号应为与激励信号不同幅值、不同相位、相同频率的正弦波形信号，但实际系统中外部干扰信号的存在会对感应信号产生较大的影响，从而导致采样信号不会具有很好的理论波形(经示波器采样测试证实，采样信号具有很大的纹波).对采样信号进行FFT处理可以很好地列出采样信号中各频段的信号电压幅值信息，方便后期数据分析记录.

4 系统验证和金属检测实验

由电磁学的理论可知，磁场的趋肤效应会使在检测时金属表面有效电阻增加，且随着频率的增加趋肤效应会更加明显.趋肤深度表达式为

(6)

式中:f,μ和σ分别表示系统的激励信号频率、金属材料的相对磁导率和金属材料的电导率.由式(6)可知，趋肤深度与f,μ和σ有关,因此实验测试参数包括激励频率、材料电磁特性等.实际应用中，钢和不锈钢等为工业上常使用的金属材料，其磁导率差别较电导率差别要小，为此在实验中选取不同电导率、不同激励信号频率作为影响结果的首要分析因素，并检测记录系统采样数据信息.

4.1 系统验证

通过设定，使激励信号发生单元产生特定频率、特定幅值、特定相位的激励信号源.实验过程中分别固定其他干扰因素，以便对某单一条件进行测试.记录上位机检测到的实验数据，并对实验结果进行分析.由于各影响因素中提离高度对系统的影响最小(前期仿真研究结论)，实验中均采用0.5 mm的提离高度对系统进行测试.

4.1.1 钢板缺陷探测

设激励信号为频率1 kHz,幅值10 V的正弦信号，分别在同一钢板上的有缺陷处和无缺陷处进行信号采样，经FFT解调后分别记录有缺陷处和无缺陷处的采样电压信号幅值(解调信号实部).实验中，采样数据为50组.由图7可以看出，在有缺陷处采集的电压幅值比无缺陷处低.

图7 相同环境下有缺陷处和无缺陷处的电压采样信号

实验表明，缺陷的干扰会使原磁场产生畸变，影响感应磁场，进而影响传感器感应线圈两端的电压值.缺陷的存在使磁感线的路径发生变化，在检测线圈两端表现为检测电压幅值的波动.而无缺陷处电压幅值变化不大，没有明显畸变.因此，笔者设计的基于DSP的双线圈电磁探伤系统可以较准确地检测出钢板上的缺陷，初步验证将EMT技术应用于金属探伤领域的正确性.

4.1.2 实时性测试

在实际工业现场，为达到实时监测的目的，往往对测试系统的实时性要求较高.为测试探伤系统对缺陷进行实时检测的准确性，对被测目标板进行快速扫描检测.设定激励信号频率为3 kHz，取实验室中一金属板，选取采样点数约为40个左右，将检测线圈置于金属板上，开启系统进行缺陷扫描.扫描过程中传感线圈速度为0.02 m/s.图8为系统快速扫描实验数据及实际缺陷照片.

图8系统快速扫描实验数据及实际缺陷照片

由实验结果可知:在没有缺陷的情况下，实验数据会有微弱的波动，这主要是由金属板表面不平滑引起的;而在金属板缺陷处采样信号出现大的波动，因而根据采样信号的波动可以确定缺陷位置所在.实验表明，该系统可以很好地对金属板表面缺陷进行快速检测和定位.

4.2 有关传感器参数的验证实验

4.2.1 在不同激励频率下同一材质的缺陷检测实验

实验中，被测对象为两块钢板，形状为矩形，尺寸约为320 mm×49 mm×9.5 mm，其中一块钢板表面有一缺陷，具体尺寸为20 mm×10 mm×8 mm.

选取1,2,3,4,5,6,7,8,9,10 kHz等10个激励频率,在每一个激励频率下对有缺陷部位和无缺陷部位进行数据采样,结果见图9.

图9 在各频率下有缺陷处与无缺陷处采样信号对比

从图10中可以看出,系统在有缺陷处检测的电压幅值低于在无缺陷处的电压幅值.

分别对在各个频率下无缺陷处和有缺陷处采样的电压幅值进行做差处理，以获取缺陷引起的电压幅值变化量,结果见图10.

图10 在各激励频率下由缺陷引起的电压幅值变化

由图10可以看出，在钢板有缺陷处与无缺陷处的测量信号之差与激励频率有较大的关系.在1～2 kHz频段范围内，这种差异很微弱;随着频率的逐渐增加，信号差异逐渐明显起来，尤其在激励频率为4 kHz达到峰值;随着频率的进一步增加，信号差异逐渐减小，在5～6 kHz区间内稍有减弱，但相比1～2 kHz频段还是较为明显;当频率继续增加时，这种差异变得较为微弱.

由此可知，实验中被测钢板的最佳检测激励频率应在2～6 kHz范围内，激励频率低于2 kHz或高于6 kHz均得不到明显的测量信号.本实验进一步验证EMT技术应用于金属探伤领域的可行性.

4.2.2 在相同频率下不同金属材质的影响测试实验

设定激励源频率1 kHz，电压幅值10 V的正弦信号.在相同环境下分别取厚度和表面光滑度等参数均相同的不锈钢板(304)和铝板(7075)进行实验.

与前述实验过程相似，分别对传感器线圈两端采样电压进行处理，得出相应的电压幅值数据.分别采集50组数据进行记录分析.此实验的目的是为验证不同金属材质对同一激励场具有不同的调制作用，表现为：不同材质金属板由于其磁导率和电导率的不同，在同等条件下测量得到的线圈内感应电压并不同.因此，该实验可用于判别工业现场中不同金属材质.

图11显示的是两种金属材质在同一激励场下的不同检测信号数据.从图中可以看出，由于两种金属材质电导率不同，它们在特定激励频率下的趋肤效应也有所不同，表现在:两种金属表面的附加电阻也有所不同，电导率的不同使得金属表面涡流场强度有所差异，从而影响磁场强度，进而在感应线圈两端产生具有差异的感应电压幅值.

金属材质电导率等自身属性的不同，导致不同金属材质在相同激励场下的测量信号不同，因此，有必要测试常见金属材质的最佳激励频段.设定激励信号源，分别取相同厚度(2 mm)的钢板、不锈钢板(304)和铝板(7075)进行实验.图12为在不同激励频率下获取的不同金属材质的电压幅值.

图11 在相同环境下不同材质的采样电压信号

图12 不同材质在不同激励频率下的电压幅值

由图12可以看出，在频率较低的情况下测量信号(电压幅值)波动较为明显，这主要是由于系统在采集数据时受到强烈的干扰，采样电压经放大处理后叠加在激励频率段电压上，使得频段内电压幅值波动较大.

由图12还可看出，由于金属材质导电性的影响，3种材质金属在同一激励场下检测信号变化趋势相同，而在每个频率下不同金属材质的电压幅值不同.在不同频段下随着电导率的增加采样电压幅值均减小:在低频段内，3种金属材质感应电压差异较为微弱;随着频率的逐渐增加，在3～8 kHz范围内，3种金属材质感应电压幅值差别均较大，可以很明显地辨别出3种金属板;继续增加激励频率，3种金属材质电压幅值差异趋于弱化.在工业现场，可以采用此频段激励信号对这3种金属物质进行鉴别，以提高检测效率、扩充检测数据信息.

4.2.3 实验结果分析

根据系统实验结果和三维仿真结果，笔者设计和使用的传感器参数应用于金属探伤是可行的.系统中采用的双线圈叠加放置的传感线圈既可增强线圈中磁通量的大小，又可提高系统检测的灵敏度；系统选取的传感结构可以较好地对金属缺陷进行检测.同时，采用DSP技术对EMT信号解调处理可以很好地提取采样电压幅值信号，用来分析缺陷对系统采样电压信号的影响.实验同时验证系统整体设计的可行，笔者自行设计的基于DSP的电磁金属探伤系统可以较好地对金属缺陷进行快速检测和定位，DSP技术的应用可大大增强系统的数据分析处理能力，提高系统的检测速度与测试精度.

5 结束语

针对目前金属探伤领域的现状，提出将EMT技术应用于金属结构探伤的方案，提出环绕式的电磁探伤传感结构；依据电磁感应理论设计一套基于DSP的双线圈电磁金属探伤系统；最后，利用双线圈探伤系统进行金属板探伤实验.实验验证所设计的金属探伤系统的可行性.

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交通信号系统设计 篇12

轨道列车在运行过程中会发生各种各样的状况, 轨道列车的运行现代化、行车指挥、运行安全都需要借助于城市轨道交通信号系统。该信号系统是城市轨道的重要组成部分, 通过信号的分析与传送, 保证了轨道列车的正常运行。在目前的技术条件下, 城市轨道交通信号系统已经实现了自动化控制。轨道列车控制技术经济指标在系统中发挥着重要作用, 为了进一步促进该指标的合理性, ATC系统被广泛地应用。ATC共分为三种类型:固定闭塞方式的ATC系统、准移动闭塞式的ATC系统、移动闭塞式的ATC系统。

2 城市轨道列车控制的ATC系统

2.1 固定闭塞方式的ATC系统

顾名思义, 固定闭塞式的ATC系统, 是采用固定的方式来确定闭塞分区长度。在这一过程中, 必须综合考量线路的情况、轨道列车的特性及速度。该系统按照闭塞分区来传输信息, 传输的信息量相对较少, 一般情况下, 轨道列车的速度监控是通过闭塞分区出口检查方式。通俗点说, 就是当轨道列车的出口速度超出该区段出口速度时, 将会自动实行对轨道列车的减速。在这一情况下, 必须有一段合适的安全距离。该段安全距离就是通过一个闭塞分区来实现的。

2.2 准移动闭塞方式的ATC系统

通常情况下, 准移动闭塞式的ATC系统采用的是数字式音频无绝缘轨道电路, 以此作为传输媒介和轨道列车占用检测。与固定闭塞方式的ATC系统相比, 传输的信息量更多。在实际运作中, 编码单元利用信息传输系统向轨道列车提供最高限速、目标距离、路线状态等信息。轨道列车收到该类信息后, 对各类数据进行加工分析, 并得出轨道列车运行的速度/距离曲线, 使轨道列车安全运行。本处所说的信息传输系统主要包括电缆环线、查询应答器、裂缝波导管、轨道电路等设备。

2.3 基于移动闭塞方式的ATC系统

基于移动闭塞方式的ATC系统主要是依靠漏缆、交叉感应电缆、扩频电台、裂缝波导管等方式传输数据。该种信息的传输是轨道列车到地面、地面到轨道列车的双向的数据传输。通过这种传输, 每一轨道列车的位置信息和其他相关信息都会马上传输到地面设备上。这样一来, 可以得出轨道列车的运行限制速度, 并根据实际情况的变化, 随时调整这一速度。限制速度得出来以后, 通过地面设备将信息再次传输给轨道列车。轨道列车据此得出轨道列车运行的速度/距离曲线, 从而保证轨道列车在既定曲线下安全运行。目前, 采用通信技术的移动闭塞系统在实践中已有应用, 也积累了一定的经验, 处于不断发展完善过程之中。车地之间信息的传输, 极大地丰富了城市轨道交通信号系统的内容, 是技术上的重大进步, 并有很大的发展前景。

3 城市轨道交通色灯信号控制系统

3.1 作业模式

色灯信号控制系统作业模式区分为如下各种模式, 依其模式执行优先顺序可分别进行如下分析。一是开机模式。系统开机完成系统初始程序后立即进入开机模式, 交通灯态将维持三秒钟的全红灯态。如系统连线状态正常时则立即与控制中心进行连线交谈工作, 开始要求中心传送系统执行参数。二是全红模式。开机模式完成后, 若控制面板全红开关被拨至“全红”位置时, 则系统进入全红模式, 轨道灯态立即转换为全红灯态直到全红开关往下拨或系统重开机方告结束。三是闪光模式。控制面板上的“闪光”开关上拨至“闪光”位置时, 则系统进入闪光模式, 轨道灯态立即转换为闪光灯态, 黄灯及红灯每秒交替闪烁一次四是手动模式。控制面板上的“手动”开关上拨至“手动”位置时, 系统即进入手动模式, 灯态立即停留于正在执行中的灯态。要使灯态变换, 必须押按“手动控钮”, 手动按钮每按一次, 则灯态顺序转换一个。五是锁定模式。控制器可经由轨道触控输入或中心连线控制, 要求执行锁定模式作业。锁定作业分类为:铁路连锁、子机连锁、中心锁定、特勤锁定。六是自动模式。“手动/闪光/自动”开关均下拨至“自动”位置时, 系统作业即可进入自动模式, 执行正常的灯态循环功能。

3.2 系统备份

色灯信号控制系统正常运作状态下, 可与中心建立连线并能够达成中心连线控制服务, 控制器若处于异常运作状态运转时, 则将提供多层式备份服务。各层次备份说明如下:一是中心连线失效, 也即控制器立即进入独立运转模式并执行每日指定执行时制的运作;二是断电半秒内, 控制器应不受断电的干扰继续正常运作;三是中央处理单元故障, 也即由色灯驱动单元肩负起信号运作备份服务, 提供故障前指定执行的基本时制;四是驱动单元故障, 也即应用基本时制来对信号运作备份服务;五是基本时制异常, 也即色灯控制单元经查核基本时制或现行时制不存在或不正确时, 立即执行预设的电路时制。

3.3 连线服务

色灯控制器与控制中心连线方式可配合有线或无线通讯方式, 并加装通讯单元, 遵循城市轨道交通控制通讯协定, 从而达成色灯信号监控连线需求。具体来看, 控制系统应提供如下功能服务。一是控制信息 (Request) 。经由控制中心传送控制指令至控制器上, 主要信息内容包含:系统对时, 也即由控制中心传送系统作业日期及时间信息, 要求色灯控制器完成系统对时作业;时制计划, 也即由控制中心传送轨道指定执行的静态或动态控制所需的时制计划信息, 做为控制器执行参数的依据;特勤命令, 也即由控制中心传送色灯指定执行的特勤命令, 控制器接收此命令必须立即转换至特勤模式;车道调拨控制, 也即控制器可按照控制中心指示, 执行调拨车道功能。二是回报信息。色灯控制器依据回报信息内容的特性, 又区分为要求性回报 (Response) 与周期性或立即性回报信息 (Report) 。

4 结束语

城市轨道交通信号系统的实施应用, 需要用到力学、光学、声学、材料学等多方面知识, 知识面广, 对技术的要求高。近几年随着技术的不断发展, 各种新技术不断被应用到这一系统中, 促进了系统的不断完善。信号系统实时控制着轨道列车的运行速度等要素, 是城市轨道交通系统的重要组成部分, 发挥着重要作用。

摘要：在城市轨道交通系统中, 信号系统是保障运输安全与提高运营效益的重要设备, 有必要对其进行有效控制。文章从城市轨道列车控制的ATC系统及城市轨道交通色灯信号控制系统两个方面着手, 对信号控制系统进行了分析。

关键词：城市轨道,交通信号,控制系统,ATC系统,色灯

参考文献

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[2]秦武.城市轨道交通信号系统[J].天津科技, 2007.

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