复杂的 列车控制系统设计模型
罗育辉++邱晓欢
摘 要：沙盘模型列车控制系统采用F28M3x微处理器，提出列控系统的设计方法，实现模拟列车的自动行驶、位置及速度检测、信号灯识别、无线信号双向传输、电源管理等功能，满足了轨道运输运营实验及研究需求。
关键词：沙盘；MCU；列车控制
中图分类号：U284 文献标志码：A 文章编号：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
沙盘为轨道运输运营行业提供了一个直观、良好、综合的仿真平台，可以模拟铁路、城市轨道交通运营的真实环境，在正常及非正常行车组织和调度提供良好的训练平台。模型列车作为沙盘系统中核心组成模块，其运行控制性能好坏直接影响整个沙盘系统的使用效率。目前沙盘模型列车大都采用轨道供电，速度恒定，不具备自动行驶功能，不能自主识别前方信号灯状态，对复杂环境下的轨道运输运营起不到良好的模拟效果。针对目前的弊端，本文提出一种智能沙盘模型列车控制系统：采用微处理器（MCU）为核心，设计具备模型列车的自动行驶、位置检测、速度检测、信号灯识别、无线信号的交互传输、模型车独立电源等功能的模型列车控制器， 能有效模拟各种行车环境的列车运行状况，系统具有信号处理速度快、响应时间短等特点。
1 沙盘模型列车控制系统基本组成
沙盘模型列车能在沙盘实训室内实现自动行驶、实时上传及存储位置及速度等运行数据、自动识别信号指示灯、采用自带电源及其管理装置、实现列车的速度精确控制等功能，其系统框图如下：
采用以MCU（微处理器）为核心的控制器，速度传感器采集速度信号及读卡器读出的位置信号传输给MCU，处理器计算出位置及速度信号通过无线通信方式上传至上位机，同时存储在本地的存储卡并实时显示与本地显示屏。信号灯通过安装在机车头上的摄像头采集图像信息，识别信号灯状态，图像识别出的信号灯状态与调度信号进行比较，当信号不一致时采用图像识别的状态，这种方式对列车运行的可靠性增加了一层保障，提高列车安全性，并可根据信号灯状态通过MCU输出的调速控制信号实现对模型车的启动、停止及调速。电源管理模块采用可重复充电的锂电池提供动力，能对电池的电量等状态实时监控，并为列车控制器提供工作电源，当电量不足时，给出低电量提示。
2 沙盘模型列车的系统设计
数字处理器采用TI的F28M36H33C2，是一款具有主从系统的高性能处理芯片，将ARM Cortex-M3TM内核与 C28x 内核结合到一个器件之上，实现了连接和控制一体化。通信子系统基于工业标准的32位ARM Cortex-M3 CPU具有丰富的通讯接口（CAN、Ethernet、UART、SSI等），实时控制系统基于TI工业控制的32位的C28x的数字信号处理器，具有高性能的控制性能，包含ePWMs和故障检测功能。
模型列车内部配装无线通讯模块，开阔地无干扰通信距离30-60米，底部安装读卡器，实时将模型列车位置信息、运行速度、总里程等实时运行数据信息通过无线方式传输给控制中心。模型列车具有运行速度检测功能，并实时将列车运行速度值上传。
远程无线控车通信模块能与模型列车进行无线双向通信，该模块能实现全沙盘范围内的无线通信覆盖，实时将列车状态发送到调度中心，并接收调度中心的加速、减速、停止、启动、换向运行等控制命令，可确保调度中心能够实时与模型列車保持双向通信。一个远程无线控车通信模块控制多辆模型列车。
采用模型列车读卡器读取地面应答器信息，进而判断车辆位置的方式完成车辆位置检测功能的实现。在模型轨道下方铺设模拟地面应答器，每列模型列车底盘下方安装读卡器，当模型列车运行铺设有模拟地面应答器的轨道上方时，读出存储在模拟地面应答器上的位置信息，通过安装在列车上的无线传输模块将信息传输到控制中心，达到实时、准确检测每列列车位置的目的。
在沙盘信号灯处理上采用摄像头采集信号灯状态，并根据识别出来的信号灯状态做出相对应的响应，最大限度模拟轨道交通司机人工驾驶模式。信号灯状态从颜色来分，列车信号灯有红色、黄色、绿色、白色四种颜色，并且这四种颜色的位置在信号灯背板上没有相对固定的位置，同时也有多重组合，不同信号灯指示不同列车信号，如表1所示。
信号灯检测系统由预处理模块、检测模块、识别模块、跟踪模块组成，使用平均颜色偏移率来实现校正，将图像转换为灰度图，再用加权平均值法由灰度图转化为二值图来实现图像的分割和识别。根据阈值，将灰度图转换为只有0和1表示的图像，用高斯滤波法实现图像增强。同时用基于camshift的目标跟踪发，实现信号灯的跟踪，提高信号灯的检测速度及准确性。
3 结束语
本文提出一种针对现代沙盘实训室中轨道车的列车控制系统方案，具有自动化和智能化的特性，最大限度模拟轨道车运行的真实状况，实现对模拟列车的自动行驶控制及远程调度控制。
参考文献：
[1]陈岳剑，邢宗义，等.城市轨道交通运营安全模列车控制系统的设计[J].城市轨道交通研究，2015（2）：57-60.
[2]孟江曼.基于视觉的交通信号灯检测与识别系统的设计与实现[D].东北大学，2014.
[3]http：//www.ti.com/product/F28M36H33C2/datasheet.
