专利名称：采用轨道计轴器的矿井机车运行状态检测装置及其检测方法
技术领域：
本发明涉及计算机控制技术、现场总线通讯技术、嵌入式系统开发技术、矿井防 爆设计技术等多个技术领域，主要应用于各类矿井的轨道机车运行状态检测。
背景技术：
当前，轨道机车运输系统仍是矿井运输的主要形式，在进行信号闭塞控制时，通 常以准确的机车定位为前提的。目前机车定位传感器、机车定位检测手段都或多或少 存在一些技术问题，不能完全适应轨道运输监控的需求，例如 一是采用架线或接近 开关的方式进行信号采集，此种方式动触点较多而且不能识别行车方向、车皮数与速 度；二是采用红外接收方式，该方式抗干扰能力差，同样存在不能识别行车方向、车 皮数与速度；三是无线传感检测方式，此方式易产生区间与区间之间的模糊区域，特
别是双轨道的运输大巷，根本无法解决移动目标的准确定位和方向判定问题，对于信 号机和道岔的联锁控制是不严谨的。历史上的事故情况说明，机车定位方式不可靠将 使运输信号系统出现安全事故的概率明显增加，所以，迫切需要一种技术能实现轨道 机车的准确定位。本发明专利采用轨道计轴器作为车辆运行状态的核心传感器，将轨 道运输线路划分为若干运输区段，计轴传感器安装在轨道内侧，挂接在控制分站上， 通过对经过钢轨上的车辆轮轴的计轴感应信号的采样处理，实现了对矿井机车运行状 态及位置的可靠检测，提高了矿进轨道运输监控的安全水平。
发明内容
本发明为解决上述矿井轨道运输中机车定位检测技术存在的安全隐患问题，提供 了一种采用轨道计轴器的矿井机车运行状态检测技术，本技术采用轨道计轴器作为机 车定位的核心传感器，既能进行机车位置判断，也能检测车速、运行方向、车皮数等 信息，使系统级的运输调度信号联锁运算更加严谨、可靠。
本发明的技术方案如下
4采用轨道计轴器的矿井机车运行状态检测装置，由计算机、通讯器、控制分站、 轨道计轴器和信号机组成，所述轨道计轴器的信号输出端与控制分站信号输入端连 接，信号机的信号输入端与控制分站信号输出端连接，控制分站与所述通讯器通过通 讯总线连接，通讯器与计算机双端通讯线连接。
采用轨道计轴器的矿井机车运行状态检测装置，控制分站与轨道计轴器之间为二 线制电流型接口电路。
采用轨道计轴器的矿井机车运行状态检测装置，在矿井机车轨道上，每个检测点 安装一对计轴器分别为左计轴器和右计轴器，左右两个计轴器分别安装在两根铁轨 上，间隔一定间距，计轴器感应面和轨面保持适当间距；当轨道上有车辆通过时，每 通过一个车轮的车轴，控制分站的左计轴器检测接口电路和右计轴器检测接口电路产 生电流脉冲信号序列，电流脉冲信号宽度与车轮通过速度相关，控制分站通过对左计 轴器脉冲信号序列和右计轴脉冲信号序列的采样处理，实现对车辆方向、速度、轴数 的判定，判定结果上报计算机，计算机根据计轴器的安装位置及上报的车辆方向、速 度、轴数信息确定轨道车辆的位置。
检测装置的检测方法，控制分站由信号采样处理模块、方向处理模块、计轴统计 模块、车速判定模块、车辆定位模块组成。
检测装置的检测方法，所述的信号采样处理模块，其处理方法是控制分站以5ms
为周期对计轴器检测接口的脉冲信号序列进行采样，采样得到两种可能的信号逻辑 1信号和逻辑0信号；分别设置两个计数器1计数器和0计数器，1计数器对1信号 进行计数，0计数器对0信号进行计数，当1计数器连续计到N个1信号时输出一个 有效计轴状态；若正在计1信号时出现0信号，则将1计数器置N，如果原计数值大 于或等于N，或置为0，如果原计数值小于N， 0计数器连续计到M个0信号时清除 1计数器。
检测装置的检测方法，所述的方向处理模块，其处理方法是当车轮经过时，
由于左计轴器和右计轴器安装位置间隔200mm，左计轴器和右计轴器提供的有效计 轴信号存在先后时间差顺序，Tal、 Ta2为相邻车轮的轮轴通过左计轴器和右计轴器的 间隔时间；如果Tal Ta2，则认为通过的相邻车轮为上行方向，否则为下行方向； 每通过一个车轮的车轴，就可以根据它和前两个轴的时间关系Tal和Ta2判别出方向， 然后对判断出的上行和下行方向的次数分别计数，最后根据上行方向和下行方向的计
5数值最终决定整列车的行车方向；
具体实现方法如下
a) 、车轴方向计数-
Tal《2Ta2: DA加1 ， DT加1
Ta2《2Tal: DB力tU， DT加1
其它 DT力口1
b) 、车辆方向确定
DT^0且DA/DT^60X且DB/DT《15X 方向是A DT^0且DB/DT^60X且DA/DT《15X 方向是B DT二O或其它 方向不明 DA为上行方向计数器，DB为下行方向计数器，DT为车轴方向总判别次数 计数器。
检测装置的检测方法，所述的计轴统计模块，其统计方法是分别为左计轴器和
右计轴器分别设立两个计数器，用于统计各自计轴的数量，分别称为A轴计数器CA
和B轴计数器CB;根据信号采样处理模块的处理结果，每检测到一个左计轴器的有
效计轴状态就将CA加1，每检测到一个右计轴器的有效计轴状态就将CB加1;如果
是一辆车的第一个有效计轴状态，则初始化工作缓冲区，不进行漏轴处理，如果连续 两次处理的是同一侧的有效计轴状态，则认为另一侧的计轴器轴漏了一次，漏轴号为
对应轴计数器加1，计轴统计模块的处理结果包括左计轴数、右计轴数、左漏轴数、 右漏轴数、首漏轴号。
检测装置的检测方法，所述的车速判定模块，其判定方法是根据每对计轴的左
右时间差Tal和Ta2，以及方向和安装距离，可以计算每对轮轴通过的速度表征值，
通过对速度表征值连续的均值处理，得到车辆通过该检测点的即时速度。
9、根据权利要求4所述的检测装置的检测方法，其特征在于所述的车辆定位模块，
其方法是轨道运输线路上通过计轴器将运输路线划分为若干个检测区段，车辆通过
计轴器时，前两个轮轴通过就认为车辆己进入区段，最后一个轮轴通过后2s就认为
车辆已经离开区段。
本发明的有益技术效果是本发明与其它同类发明相比，可以实现轨道机车的 运行状态检测，检测信息包括机车运行方向、速度、车皮数量，能彻底杜绝运输区段 的模糊划分这一安全隐患，为进行系统级的机车运输调度联锁运算提供了更为安全、
可靠的检测依据。
图la是本发明的总体结构图。
图lb是本发明的算法结构功能模块划分示意图。
图lc是本发明的计轴检测及过流保护电路原理图。
图2是本发明中车辆过轴信号示意图。
图3是本发明中车辆上行方向脉冲检测序列示意图。
图4是本发明中计轴检测算法总体流程示意图。
图5是本发明计轴信号采样工作缓冲区图。
具体实施例方式
采用轨道计轴器的矿井机车运行状态检测技术，如图la所示，构成本技术的检 测系统由计算机4、通讯器l、控制分站2、轨道计轴器3和信号机5组成，在系统中 本技术分为两种方式体现， 一是计轴检测接口电路，二是轨道车辆计轴检测方法；检 测系统中的计算机4与通讯器1之间采用RS232总线通讯，通讯器1与控制分站2 之间采用FSK总线通讯，控制分站2与轨道计轴器3之间为二线制电流型检测接口 。
在矿井机车轨道上，每个检测点安装一对计轴器3，左计轴器和右计轴器，两个 计轴器分别安装在两根铁轨上，间隔200mm，计轴器3感应面和轨面保持45mm— 55mm的间距；当轨道上有车辆通过时，每通过一个车轮的车轴，控制分站2的左计 轴器检测接口电路和右计轴器检测接口电路产生电流脉冲信号序列，电流脉冲信号宽 度与车轮通过速度相关，控制分站2通过对左计轴器脉冲信号序列和右计轴脉冲信号 序列的采样处理，实现对车辆方向、速度、轴数的判定，判定结果上报计算机，计算 机根据计轴器的安装位置及上报的车辆方向、速度、轴数信息确定轨道车辆的位置。
如图lb所示，实现机车计轴检测算法的检测程序采用面向对象的模块化设计方 法，总体功能由信号采样模块、方向处理模块、计轴统计模块、车速判定模块、车辆 定位模块五部分实现。
如图lc所示，控制分站与计轴器之间为电流型检测接口，该接口采取了限流处 理措施，最大输出电流为20mA， 二线制计轴器检测回路在无车辆通过时电流为5— 8mA，当有车辆通过时呈高阻抗状态，电流〈2mA，通过调整R3、 R5能实现检测灵 敏度和过流保护值的标定。检测点位置的轨道计轴器3采用电磁缓变过滤技术设计，如图2所示，当铁体 停靠在其上方时依然会产生一个约定宽度的脉冲，控制分站2在检测时序上对左右被 检测对象同时进行判读检测，在计轴信号上升沿到来后，信号采样程序在固有脉宽时 间内多次采样经纠错处理。在控制分站进行计轴采样时，约定电平l为有轴、电平0 为无轴，处理器以5ms的周期对计轴器脉冲采样，设定计轴器3的固有脉冲宽度参数 为N，脉宽即为N*5ms，分别对1电平和0电平进行计数，只有当连续计到N个1 才算是有效计轴信号，并置轴有效信号标志，之后继续递加计数。若正在计1信号时 出现0信号，则将1计数器置N (如果原计数值大于或等于N)或置为O (如果原计 数值小于N)， 0计数器连续计到M个0信号时清除1计数器。
如图3所示，当车轮经过计轴检测点时，由于在左右计轴器安装时错开了一定 距离，控制分站在进行计轴采样方向处理时，由此得到轴有效信号是有先后时间差顺 序的，根据当前和先前两个轴信号的时间关系判别出方向，从技术上剔除因漏轴而漏 判方向的方向计数次数，对判断出方向是上行或下行的分别进行次数计数，然后根据 上行方向和下行方向的计数结果进行二次判定，确定上下行方向。由于实际运行中可 能遇到第一个轴漏轴或中间突然速度变化，需要从技术上对这些异常情况进行剔除遴 选，详细方法论述如下
为了剔除首轴漏轴和车速突变对检测结果的影响，本算法中采用了结合车辆前 后轮对与左右计轴器相关联判定的方法，因任何时候邻近的Tal和Ta2之间有一个确 定的关系Tal Ta2。如果方向反过来，则关系也相反，艮卩 上行A: Tal Ta2，下行B: Tal Ta2
这就是计轴方向判别法的依据。
每来一个轴，就可以根据它和前两个轴的时间关系Tal和Ta2判别出方向，然 后对判断出方向是上行或下行的分别进行次数计数，最后根据上行方向和下行方向的 计数哪个大以决定行车方向。
具体实现方法如下
a) 、方向计数
Tal《2Ta2: DA加1 ， DT加1
Ta2《2Tal: DB力n 1 ， DT力口 1
其它 DT力口1
b) 、最后方向的确定
DT^0且DA/DT》60X且DB/DT《15X 方向是A
8DT^0且DB/DT》60X且DA/DT《15X 方向是B DT:O或其它 方向不明 其中，DA为方向A计数，DB为方向B计数，DT为总判别次数计数。 如图4所示，根据信号采样模块的采样结果，分别为左计轴器和右计轴器分别 设立两个计数器，用于统计各自计轴的数量，分别称为A轴计数器CA和B轴计数 器CB;根据信号采样处理模块的处理结果，每检测到一个左计轴器的有效计轴状态 就将CA加1，每检测到一个右计轴器的有效计轴状态就将CB加1;如果是一辆车的 第一个有效计轴状态，则初始化计轴信号采样工作缓冲区，不进行漏轴处理，如果连 续两次处理的是同一侧的有效计轴状态，则认为另一侧的计轴器轴漏了一次，漏轴号 为对应轴计数器加l，计轴统计模块的处理结果包括左计轴数、右计轴数、左漏轴 数、右漏轴数、首漏轴号。
如图5所示，计轴信号采样工作缓冲区定义内容如下
Flag—标记
CA—A计轴数
CB—B计轴数
T0H—时间计数器高字节
TOL—时间计数器低字节
T1H—前轴间时间差高字节
T1L一前轴间时间差低字节
TV—当前车速表征值
DA—方向A计数
DB—方向B计数
DT—总次数计数器
MA—A漏轴器
MB—B漏轴器
MN—首漏轴号
根据每对计轴的左右时间差Tal和Ta2,以及方向和安装距离，可以计算每对轮 轴通过的速度表征值，通过对速度表征值连续的均值处理，得到车辆通过该检测点的 即时速度。
轨道运输线路上通过计轴器将运输路线划分为若干个检测区段，车辆通过计轴 器时，前两个轮轴通过就认为车辆已进入区段，最后一个轮轴通过后2s就认为车辆 己经离开区段；车辆定位模块的输出使行车区间具有严格的界限划分，是信号机开放
9的重要依据之一。
权利要求
1、采用轨道计轴器的矿井机车运行状态检测装置，其特征在于由计算机、通讯器、控制分站、轨道计轴器和信号机组成，所述轨道计轴器的信号输出端与控制分站信号输入端连接，信号机的信号输入端与控制分站信号输出端连接，控制分站与所述通讯器通过通讯总线连接，通讯器与计算机双端通讯线连接。
2、 根据权利要求1所述的采用轨道计轴器的矿井机车运行状态检测装置，其特征在于控制分站与轨道计轴器之间为二线制电流型接口电路。
3、 根据权利要求1所述的采用轨道计轴器的矿井机车运行状态检测装置，其特征在于在矿井机车轨道上，每个检测点安装一对计轴器分别为左计轴器和右计轴器，左右两个计轴器分别安装在两根铁轨上，间隔一定间距，计轴器感应面和轨面保持适当间距；当轨道上有车辆通过时，每通过一个车轮的车轴，控制分站的左计轴器检测接口电路和右计轴器检测接口电路产生电流脉冲信号序列，电流脉冲信号宽度与车轮通过速度相关，控制分站通过对左计轴器脉冲信号序列和右计轴脉冲信号序列的采样处理，实现对车辆方向、速度、轴数的判定，判定结果上报计算机，计算机根据计轴器的安装位置及上报的车辆方向、速度、轴数信息确定轨道车辆的位置。
4、 根据权利要求1所述的检测装置的检测方法，其特征在于控制分站由信号采样处理模块、方向处理模块、计轴统计模块、车速判定模块、车辆定位模块组成。
5、 根据权利要求4所述的检测装置的检测方法，其特征在于所述的信号采样处理模块，其处理方法是控制分站以5ms为周期对计轴器检测接口的脉冲信号序列进行采样，采样得到两种可能的信号逻辑1信号和逻辑0信号；分别设置两个计数器1计数器和0计数器，1计数器对1信号进行计数，0计数器对0信号进行计数，当1计数器连续计到N个1信号时输出一个有效计轴状态;若正在计1信号时出现0信号，则将1计数器置N，如果原计数值大于或等于N，或置为0，如果原计数值小于N， 0计数器连续计到M个0信号时清除1计数器。
6、 根据权利要求4所述的检测装置的检测方法，其特征在于所述的方向处理模块,其处理方法是当车轮经过时，由于左计轴器和右计轴器安装位置间隔200mm,左计轴器和右计轴器提供的有效计轴信号存在先后时间差顺序，Tal、 Ta2为相邻车轮的轮轴通过左计轴器和右计轴器的间隔时间；如果Tal Ta2，则认为通过的相邻车轮为上行方向，否则为下行方向；每通过一个车轮的车轴，就可以根据它和前两个轴的时间关系Tal和Ta2判别出方向，然后对判断出的上行和下行方向的次数分别计数，最后根据上行方向和下行方向的计数值最终决定整列车的行车方向；具体实现方法如下a) 、车轴方向计数-Tal《2Ta2: DA加1， DT加1Ta2《2Tal: DB力卩1， DT加1其它 DT力口1b) 、车辆方向确定 DT^0且DA/DT》60X且DB/DT《15X 方向是ADT^0且DB/DT》60X且DA/DT《15X 方向是BDT二O或其它 方向不明DA为上行方向计数器，DB为下行方向计数器，DT为车轴方向总判别次数计数器。
7、 根据权利要求4所述的检测装置的检测方法，其特征在于所述的计轴统计模块，其统计方法是分别为左计轴器和右计轴器分别设立两个计数器，用于统计各自计轴的数量，分别称为A轴计数器CA和B轴计数器CB;根据信号采样处理模块的处理结果，每检测到一个左计轴器的有效计轴状态就将CA加1，每检测到一个右计轴器的有效计轴状态就将CB加1;如果是一辆车的第一个有效计轴状态，则初始化工作缓冲区，不进行漏轴处理，如果连续两次处理的是同一侧的有效计轴状态，则认为另一侧的计轴器轴漏了一次，漏轴号为对应轴计数器加1,计轴统计模块的处理结果包括左计轴数、右计轴数、左漏轴数、右漏轴数、首漏轴号。
8、 根据权利要求4所述的检测装置的检测方法，其特征在于所述的车速判定模块，其判定方法是根据每对计轴的左右时间差Tal和Ta2,以及方向和安装距离，可以计算每对轮轴通过的速度表征值，通过对速度表征值连续的均值处理，得到车辆通过该检测点的即时速度。
9、 根据权利要求4所述的检测装置的检测方法，其特征在于所述的车辆定位模块,其方法是轨道运输线路上通过计轴器将运输路线划分为若干个检测区段，车辆通过计轴器时，前两个轮轴通过就认为车辆己进入区段，最后一个轮轴通过后2s就认为车辆已经离开区段。
全文摘要
本发明涉及一种采用轨道计轴器的矿井机车运行状态检测装置及其检测方法。本检测装置由计算机、通讯器、控制分站、轨道计轴器和信号机组成，在系统中本技术以两种方式体现，一是通过嵌入式程序形式实现的轨道机车计轴检测算法，二是基于本检测方法的计轴接口电路。计轴检测算法在控制分站中实现，总体功能由信号采样处理模块、方向处理模块、计轴统计模块、车速判定模块、车辆定位模块五部分组成；计算机与通讯器之间采用RS232总线通讯，通讯器与控制分站之间采用FSK总线通讯，控制分站与轨道计轴器之间为二线制电流型接口。本发明可对轨道机车的动态运行过程进行检测处理，实现方向判定、速度测算、数量统计、机车定位。
文档编号G05B19/418GK101644929SQ20091014446
公开日2010年2月10日 申请日期2009年8月10日 优先权日2009年8月10日
发明者徐自军, 磊 程, 程运安, 敏 胡, 诸葛战斌, 阳 陆, 韩江洪, 臻 魏, 鲍红杰 申请人:合肥工大高科信息技术有限责任公司