王鹏，兀伟，敬伟，王航宇

（1.西安工业大学电子信息工程学院，陕西西安710032；2.西安航空职业技术学院电子工程系，陕西西安710089）

随着通信与测控、以及自动化技术的发展和业务不断增加，列车运行监控装置种把计算机技术应用于铁路行车安全的车载电子设备，以实现列车自动防护系统的功能。它能够接收地面信息，具有列车运行速度的监控、记录、显示等功能，能有效防止列车超速及保证列车及时停车，并能通无线传输的方式在地面计算机上以图形曲线、数字报表等形式再现列车运行过程，为分析机车运用质量、电务和工务设备质量、车务及调度工作质量等提供依据，便于机务部门进行科学化、现代化管理，有助于提高机务管理干部及机车乘务员的综合技术水平。因此，机车运行监控装置也得到不断的发展和完善，按照整体规划、资源方便分期建设的思路考虑形成了列车运行前方动态监视监控系统[1]。

1 列车运行前方动态监控系统设计要求[2]

1）识别功能：两个摄像装置送来的机车前方图像进行处理，完成线路、股道上景物的识别。

2）监控功能：可以实施对机车运行的监控，并且通过语音和现实等方式提示和报警；

3）记录功能：列车行进间的图像信息和日期、时间、机型、机车号、装置编号、出现险情时的速度、公里标、最近一架信号机编号等数据信息

4）传输功能：可以通过铁路专用网络实现车载设备与地面设备的信息交互；

5）人机交互功能：可以对设备进行设定参数，并且在屏幕上显示当前机车速度及速度曲线、公里标、灯型、机车前方线路上3～5 km内目标对象、本设备单元故障提示、机车运行方向等工况信息、实时时钟等相关信息。

6）可以在显示屏上以数字或图形形式直观、真实、实时反映进路上的所有图像画面。并且能够反映出距各种最近的障碍物、色灯、标志牌等目标距机车的精确距离等信息。

7）通过语音方式提示和报警，还可通过显示方式在显示屏上显示出来，并控制机车减速或停车，对机车实施常用制动和紧急制动。

2 监控系统组成

本系统由电源单元，监控单元，图像采集单元，图像数据传输单元，预留接口，操作终端等几部分组成，其结构图如图1所示。

图1 系统结构框图Fig.1 Structure block diagram of system

1）电源单元主要负责给各个单元供电，可满足DC24 V和DC110 V输入，功率250 W；

除此之外，休闲运动还需要学校予以一定的支持，为学生进行休闲运动提供良好的场地条件，教师也应该加强对于休闲运动方式、项目的研究，从而以更加专业化的形式给予学生正确的指导。学校也可以定期举办休闲运动项目的活动，如组织学生在节假日，一起走出校门和深入大自然之中，开展郊游、登山、骑山地自行车、徒步越野等一系列空域、陆域、水域休闲体育项目。这些休闲项目操作简单，对于学生的要求较低，而且这些休闲体育项目都是对于日常基本动作技能的练习，对于学生日常生活有着很好的帮助，能够使学生在日常生活当中也进行自身的锻炼，加强了学生的身体素质。

2）监控单元可根据图像单元对景物识别结果得到的相应信息进行分类识别处理，通过操作终端显示，并且根据实时情况可以通过制动执行机构对列车发出停车或减速指令；

3）图像采集单元主要完成对机车前方动态目标的捕捉，并且对实时图像的处理和存储；

4）图像数据传输单元主要负责图像和数据信息实时传输，并且可以接收地面设备向车载设备传输各种指令；

5）操作终端主要实现人机信息的交互。

3 系统设计

3.1 硬件设计

3.1.1 微 处理器的选择

本系统中的CPU采用性能强大的混合信号系统级主板S3C2440。选择这种主板，主要考虑以下几点：

1）列车制动时，制动管及制动缸的压力变化非常快，监视这两路压力变化的过程要求采样速率小于1/100 s，且制动压力范围大，因此需要16位A/D，该主板自带多通道16位A/D，转换速率为100 ksps，完全满足实际需求。

3）该主板具有内置的两路带回差的模拟比较器可方便的用于列车启动自动唤醒。

4）列车运行当中有大量的图像和实时数据需要处理，所以计算工作量大，实时性要求高，而S3C2440采用流水线指令结构，70%指令执行时间为一个或两个系统时钟周期，使用400 MHz主频，指令周期平均执行时间只有0.01 μs，可以很好地满足系统速度快、精度高的要求。

3.1.2 系 统硬件结构

系统硬件结构如图2所示[3-5]。

图2 硬件结构图Fig.2 Block diagram of system hardware

列车运行前方动态监控系统硬件部分主要由主控板、红外热成像摄像机、图像数据传输模块组成。红外热成像摄像机采用FILR T400，摄像机通过RS232与主控板连接，通过串口命令方式控制摄像机的动作，然后通过高速传输接口，把拍摄图像传入大容量存储器中。图像数据传输模块采用双卡V7000网络视频编码器，它是一个集视频采集、实时压缩、无线传输等功能为一体的嵌入式设备，设备接通电源之后就可以独立工作，首先把采集的视频图像经H.264算法进行压缩编码，然后将压缩后的视频数据传输到视频监控流媒体服务器中，用户可以通过客户端监控软件登录流媒体服务器进行实时视频浏览、监控和管理。主控板通过RS232与V7000连接，通过串口命令控制实时图像和数据的发生与接收。

3.1.3 电 路原理图

硬件电路以S3C2440为核心，包括硬盘接口电路，调试接口电路，振荡电路，复位电路，控制开关矩阵接口，数传模块接口电路，视频采集接口和计算机通讯接口[6]，如图3所示。

S3C2440为32位CMOS微处理器，具有丰富的资源，引脚多达289个，因篇幅有限，本文仅给出部分关键的连接引脚，其他引脚未在图中画出。图中74LCX16245为低电压双向总线驱动器，电源电路2.3～3.6 V，本文用3.3 V，端口可接受5 V电压。用于连接CPU和硬盘的IDE接口。JTAG接口用于软件调试。控制开关为4×4开关矩阵，开关矩阵未在图中画出，仅给出接口。系统时钟12 MHz，32 768 Hz用于实时时钟。CPU复位采用上电复位。数传模块接口用于连接短距离无线通讯模块。MAX232是TTL电平和RS232电平的转换芯片，可以直接和计算机通讯。状态指示可提示3种信息，分别是运行、报警和故障。运行和故障由指示灯实现，报警由蜂鸣器实现。

3.2 软件设计

在本系统中操作系统平台采用MICROSOFT WINDOWS CE，软件开发平台采用EVC，界面设计符合一般操作习惯。主控软件主要包括文件管理模块、控制模块、信息处理模块、异常处理模块等4个部分。软件框架如图4所示。

1）文件管理模块①信息（包括列车运行数据，车辆报警信息）存储、处理、转存等；②相关语音信息存储。

图3 硬件原理图Fig.3 Schematic of hardware

图4 系统软件框图Fig.4 Block diagram of system software

2）控制模块①报警信息控制；②控制机车减速或停车，对机车实施常用制动和紧急制动；③图像的实时传输；④列车运行数据实时传输；⑤主控与图像采集单元信息交互；⑥主控与MMI信息交互；⑦列车运行相关参数设置。

3）信息处理模块①列车运行工况信息发送、接收；②TAX箱数据接收；③故障仪数据接收；④列车运行速度采集；⑤图像采集单元数据发送、接收；⑥制动曲线计算；⑦列车行驶当中三种状态的处理。

4）异常处理模块①当主设备出现异常，立即启动从机，使得整个系统保持连续工作；②当接口（串口，I/O等）出现数据异常，采取重发机制，保证系统数据正常。

4 运行界面

系统运行界面如图5所示，屏幕上进行以下综合信息显示：1）当前机车速度及速度曲线、公里标、灯型；2）机车前方线路上3～5 km内目标对象及距离；3）目标对象的性质和安全等级；4）本设备单元故障提示；5）机车运行方向等工况信息；6）实时时钟。

5 结束语

图5 系统运行界面Fig.5 System operation interface

作为列车安全运行设备，列车运行前方动态监控系统有效地对列车安全运行进行实时监控。实际运行结果表明，系统各模块工作正常，统功能完备，技术先进，使用方便可靠，性能良好，达到了对列车运行过程实施监控的目的，实现了机车运行管理自动化和机车操纵规范化。由于系统采用的模块化的思想，所以系统中模块的划分清晰且功能直观，各项功能的添加、剪裁以及参数修改等维护工作也十分方便，满足的了现场使用要求。对我国列车监控系统的开发研究具有重要的意义。

[1]孙士平，佘生能，罗明璋.列车安全行车智能监控系统设计[J].长江大学学报,2009,10（3）：41-43.

SUN Shi-ping，SHE Sheng-neng，LUO Ming-zhang.Design of intelligent monitor and control system for a running train[J].Journal of Yangtze University,2009,10（3）：41-43.

[2]钱华明，杨学波.列车运行监控系统设计与实现[J].计算机测量与控制,2007,15（4）：485-486.

QIAN Hua-ming，YANG Xue-bo.Design and realization of locomotive running monitor system[J].Computer Measurement&Control,2007,15（4）：485-486.

[3]宋庭新，桂捷.便携式动态信号采集分析系统的研制[J].计算机测量与控制，2004,12（6）：161-163.

SONG Ting-xin，GUI Jie.Research of portable dynamic signal acquisition and analys is system[J].Computer Measurement&Control,2004,12（6）：161-163.

[4]廖燕玲.高速列车运行监控核心系统设计与实现[J].微计算机信息,2008,1（1）：121-122.

LIAO Yan-ling.The design and realization of monitoring core system of high speed train[J].Control and Automation Publication Group,2008,1（1）:121-122.

[5]彭英慧，梁晋.电力机车运用状态实时监测系统的设计与实现[J].天津工程师范学院学报，2006,16（1）：28-30.

PENG Ying-hui，LIANG Jin.Design and implemention on real time monitoring system for railway locomotive states by satellite communication[J].Journal of Tianjin University of Technology and Education,2006,16（1）：28-30.

[6]左玉东，余祖俊.电力机车远程能耗监测系统的设计[J].自动化仪表，2006,（1）:84-87.

ZUO Yu-dong，YU Zu-jun.Design of remote electric energy consumption moinition system for electric locomotives[J].Process Automation Instrumentation,2006（1）:84-87.