车载无线通信设备

【项目描述】

1．速度传感器测速原理及安装。

2．DF16／1．200fadk速度传感器的分析。

3．加速度计及雷达测速仪。

4．司机操作人机交互设备。

5．查询器的组成及作用。

6．车载无线通信设备。

【项目目标】

1．掌握速度传感器测速原理。

2．掌握DF16／1．200fadk速度传感器的特性、测速原理及安装方法。

3．掌握加速度传感器的工作原理。

4．掌握雷达测速仪的工作原理。

5．了解司机操作人机交互设备的功能及界面外观。

6．掌握查询器的组成及作用。

7．掌握车载无线通信设备的组成。

【能力目标】

1．能准确叙述速度传感器测速原理及安装方法。

2．能准确叙述DF16／1．200fadk速度传感器的特性。

3．能实际进行DF16速度传感器的测试。

4．能准确叙述加速度传感器的工作原理。

5．能准确叙述雷达测速仪的工作原理。

6．能准确叙述司机操作人机交互设备的功能。

7．能正确认识人机交互设备的界面设置。

8．能准确叙述查询器的组成及作用。

9．能准确叙述车载无线通信设备的组成。

【场景设计】

1．实地参观城市轨道交通车站的相关设备进行现场教学，或利用多媒体展示城轨系统中速度传感器的实际应用工作状态。

2．将学生每6～8人分为1组。

3．考评所需的记录、评价表。

【知识准备】

（1）速度传感器测速原理

速度传感器是车载信号系统中重要的速度及距离测量设备，随着车轮轮齿的转动，当传感器经过轮齿的时候会输出数字脉冲，如图3．1．1所示。这些脉冲由硬件计数器来计数，从而可在给定周期内测试速度。脉冲是速度传感器的输出数据。输出的脉冲数量与车轮走行距离成正比。再将这些脉冲信号转换成直线距离，并利用目前已知的车轮直径数值计算出车轮转动时的走行距离。通过计算单位时间内累积的脉冲数量，可测定出列车的速度。速度传感器经过多次现场使用并且被证明是非常可靠的。列车的实际运行速度及走行距离是车载信号系统的重要参数之一，也是车载ATP运行及判断列车状态的重要依据之一。因此，车载测速部件必须为车载ATP系统提供安全可靠的速度及走行距离参数，且要在列车产生空转、打滑等特殊条件能够消除所带来的误差。

图3．1．1

（2）速度传感器安装

车载速度传感器要求安装于列车非动力轴的不同轮对上，通常安装于拖车的左一及右四轮对上（如西安地铁二号线），这样一是降低了共模故障的风险，二是车载信号机柜安装于两端司机室，这样的安装方式可减少速度传感器到车载信号机柜的走线距离。

【任务实施】

任务提出：

本任务的实施以上海德意达公司（shanghai DEUTA）引进德国DEUTA公司全套技术和主要部件组装生产的DF16／1．200fadk光电式速度传感器为例，介绍速度传感器的特性、安装及如何工作和测试。

（1）特性

DF16／1．200fadk光电式速度传感器有单、双、三、四、五及六通道可供选择。通过内外两轨道光栅盘扫描，传感器输出两种不同脉冲数的方波信号，内轨道每转80个脉冲，外轨道每转200个脉冲，输出可以是不同脉冲数的各种组合（不大于200 P／R的任意脉冲数，或两种脉冲数输出的组合），各通道间彼此隔离，且带有极性保护、输出短路保护。传感器可方便地安装于轴箱盖上，传动部分采用软性联接，能克服安装不同心及驱动间隙。DF16传感器具有坚固、密封、抗振、抗冲击、测速范围宽、温度适应范围宽、可靠性好、使用寿命长等特点。适用于国内外各种类型机车的速度、方向、空转及打滑等各项检测。

（2）技术参数

●测速范围：0～2 000 r／m。

●每转脉冲数：外轨200 P／R。

●输出通道数：6个。

●工作电源UB：DC10～30 V。

●功耗电流：≤35 mA（每通道，空载）。

●负载电流：≤100 mA（每通道，信号线对UB间接负载RL）。

●输出波形：方波。

●输出幅度：高电平≈UB，低电平≤2．2 V。

●脉冲占空比：50%±10%。

●波形窜动：最大±36°。

●脉冲相位差：90°±45°面向输出轴顺时针旋转。

●波形安全重叠区：＞18°。

●电路保护：具有极性、过热、输出短路等保护功能。

●故障安全性：当传感器故障时，其输出信号为恒高、恒低电平，不会输出其他电平，更无振荡信号输出。

●耐压：1 500 V 50 Hz，1 min（通道对外壳）；500 V 50 Hz，1 min（各通道间，共电源线的除外）。

●绝缘电阻：正常情况下≥500 MΩ，极端湿热情况≥20 MΩ（通道对外壳及各通道间）。

●工作温度：-40～70℃。

●耐振性能：振动30 g，冲击200 g（DIN40046）。

●密封性：能承受雨、雪、风、沙（IP66，非安装面）。

●MTBF：＞100 000 h。

●自带护套电缆长度L：1 220 mm（沈阳1号线），1 500 mm（成都1号线）。

●质量：约3．5 kg（包括自带护套电缆）。

（3）外形图及工作原理

DF16／1．200fadk光电式速度传感器的外形图如图3．1．2所示。DF16传感器由光电模块、光栅、外壳、传动轴、软性联接器、16芯矩形防水插头、座和外附导线等组成。各模块彼此隔离，可安装于内或外轨道上，通道数为1～6。当机车运行时传感器产生频率f =n・P／60 （n为转速，P为内或外轨道的每转脉冲数）的方波信号，供机车电子控制系统对机车速度、空转、方向、打滑进行采样检测。

图3．1．2

（4）接线

DF16／1．200fadk光电式速度传感器的接线图如图3．1．3所示。

图3．1．3

采用对接方式连接的DF16传感器，其后半部分16芯矩形插座和终端为冷压端子的外附导线的接线方式如图3．1．4及接线表3．1．1所示。

图3．1．4

表3．1．1　16芯矩形插头／座针脚定义及外附导线接线表

（5）安装与使用

①传感器工作电源DC10～30 V，不允许接机车蓄电池，应接DC／DC变换器的输出（原副边应电气隔离），为了提高系统的可靠性、安全性，最好各通道单独供电（同一系统可共地）。

②机车轴箱盖上传感器的安装定位孔径应为φ 110H9（+0．087），深度≥5 mm。

③传感器严格按说明书接线定义接线，保证正确无误，无短路、断路现象。

④安装时必须注意传感器直接引出电缆最小弯曲半径不得小于165 mm（电缆直径不同，弯曲半径也不同，对于外配电缆的弯曲半径应在订货时协商），否则会引起电缆损坏。

⑤机车静止状态下，连接电联接器，加上工作电源，传感器未装入轴箱盖前，转动传感器传动轴，观察测速系统信号输出，有输出，说明传感器接线正确。

⑥安装附件有联接法兰和驱动盘。联接法兰固定于轴承盖上，传感器用M12螺钉安装在联接法兰上，安装必须牢固。驱动盘固定于机车轴端，传动舌轴插入驱动盘孔内，安装时，舌轴四周涂上一层润滑油，保证孔与舌轴滑动灵活。驱动盘孔与轴箱盖φ 110H9定位孔的不同轴度为≤1 mm。

（6）DF16传感器测试方法

将传感器装于JZ-1转速校验台上，连接好线，开启校验台，进行相应的参数值初始设定，开始检测，测试过程分手动及自动两种。其中，手动测试仅用于对传感器进行占空比、相位差等参数的调试。而自动测试则从低速到高速分4挡自动地对传感器进行占空比、相位差、输出信号的高／低电平值及个通道的输出脉冲总数（判断是否丢失脉冲）的测试。观察屏幕上各种检测参数显示值，如被测参数值不在正常范围内，将有相关提示；如被测参数值皆正常，则自动完成检测过程。所有测试结果可存入计算机，也可以打印。

【任务考评】

以学生自评互评为主，教师综合评定。

任务实施过程考核评价表

【场景设计】

1．实地参观城市轨道交通车站的加速度计及雷达测速仪进行现场教学，或利用多媒体展示城轨系统中相关设备的实际应用工作状态。

2．将学生每6～8人分为1组。

3．考评所需的记录、评价表。

【知识准备】

通常使用轮轴速度传感器来完成列车运行距离测量，并由此计算出列车的运行速度。

但是，由于速度传感器是以车轮转动为采集对象进行速度及距离的测量，故实际使用中由于轮径磨损、空转及打滑带来的误差是不能被速度传感器所检测的。因此，实际使用中需要通过加速度计或者雷达测速仪对列车的走行距离及速度信息进行校正。

在点式ATP控制模式下，车载控制器依据速度传感器（见图3．2．1）、加速度计（见图3．2．2）确定列车速度和走行距离；根据地面动态、静态应答器和车载线路数据库确定列车在线路上的位置；根据读取的动态应答器信息并结合车载线路数据库确定列车距前方目标点的距离及限速；生成ATP速度-距离曲线，并将相关信息显示给司机；通过监控列车的实际运行速度，实现超速防护。

图3．2．1

图3．2．2

（1）加速度计

1）加速度传感器的原理及技术

加速度计的原理是惯性原理，也就是力的平衡，即a（加速度）= F（惯性力）／M（质量），只需要测量惯性力F就可以了。用电磁力去平衡惯性力F，可得到惯性力F对应于电流的关系。只需要用实验去标定这个比例系数就可实现。

多数加速度传感器是根据压电效应的原理来工作的。一般加速度传感器就是利用了其内部的由于加速度造成的晶体变形这个特性。当然，还有很多其他方法来制作加速度传感器，如压阻技术、电容效应、热气泡效应、光效应，但是其最基本的原理都是由于加速度造成某个介质产生变形，通过测量其变形量，并用相关电路转化成电压输出。

图3．2．3

加速度计由检测质量（也称敏感质量）、电位器、弹簧、阻尼器、支承及壳体组成，如图3．2．3所示。检测质量受支承的约束只能沿一条轴线移动，这个轴常称为输入轴或敏感轴。当仪表壳体随着运载体沿敏感轴方向作加速运动时，根据牛顿定律，具有一定惯性的检测质量力图保持其原来的运动状态不变。它与壳体之间将产生相对运动，使弹簧变形，于是检测质量在弹簧力的作用下随之加速运动。当弹簧力与检测质量加速运动时产生的惯性力相平衡时，壳体与检测质量之间不再有相对运动，此时弹簧的变形程度则说明了被测加速度的大小。由于加速度计是一个自由度的振荡系统，须采用阻尼器来改善系统的动态品质。电位器则作为位移传感元件把加速度信号转换为电信号，以供系统输出。

2）加速度计的分类

加速度计的类型较多：按测量系统的组成形式可分为开环式和闭环式；按检测质量的位移方式可分为线性加速度计（检测质量作线位移）和摆式加速度计（检测质量绕支承轴转动）；按工作原理可分为振弦式、振梁式和摆式积分陀螺加速度计等；按支承方式可分为宝石支承、挠性支承、气浮、液浮、磁悬浮及静电悬浮等；按输入轴数目可分为单轴、双轴和三轴加速度计；按传感元件可分为压电式、压阻式和电位器式，等等。通常综合几种不同分类法的特点来命名一种加速度计。

①闭环液浮摆式加速度计。

它的工作原理是当仪表壳体沿输入轴作加速运动时，检测质量因惯性而绕输出轴转动，传感元件将这一转角变换为电信号，经放大后馈送到力矩器构成闭环。力矩器产生的反馈力矩与检测质量所受到的惯性力矩相平衡。输送到力矩器中的电信号（电流的大小或单位时间内脉冲数）就被用来度量加速度的大小和方向。摆组件放在一个浮子内，浮液产生的浮力能卸除浮子摆组件对宝石轴承的负载，减小支承摩擦力矩，提高仪表的精度。浮液不能起定轴作用，因此在高精度摆式加速度计中，同时还采用磁悬浮方法把已经卸荷的浮子摆组件悬浮在中心位置上，使它与支承脱离接触，进一步消除摩擦力矩。浮液的黏性对摆组件有阻尼作用，能减小动态误差，提高抗振动和抗冲击的能力。波纹管用来补偿浮液因温度而引起的体积变化。为了使浮液的比重、黏度基本保持不变，以保证仪表的性能稳定，一般要求有严格的温控装置。

②挠性摆式加速度计。

采用挠性支承的摆式加速度计。摆组件用两根挠性杆与仪表壳体连接。挠性杆绕输出轴的弯曲刚度很低，而其他方向的刚度很高。它的基本工作原理与液浮摆式加速度计类似。这种系统有一高增益的伺服放大器，使摆组件始终工作在零位附近。这样挠性杆的弯曲很小，引入的弹性力矩也微小，因此仪表能达到很高的精度。这类加速度计有充油式和干式两种。充油式的内部充以高黏性液体作为阻尼液体，可改善仪表动态特性和提高抗振动、抗冲击能力。干式加速度计采用电磁阻尼或空气膜阻尼，便于小型化、降低成本和缩短启动时间，但精度比充油式低。

③振弦式加速度计。

由两根相同的弦丝作为支承的线性加速度计。两根弦丝在永久磁铁的气隙磁场中作等幅正弦振动。弦丝的振动频率与弦丝张力的平方根成比例。不存在加速度作用时，两根弦丝的张力相等，振动频率也相等，频率差等于零。当沿输入轴有加速度作用时，作用在检测质量上的惯性力使一根弦丝的张力增大，振动频率升高；而另一根弦丝的张力则减小，振动频率降低。仪表中设有和频控制装置，保持两根弦丝的振动频率之和不变。这样两根弦丝的振动频率之差就与输入加速度成正比。这一差频经检测电路转换为脉冲信号，脉冲频率与加速度成正比，而脉冲总数与速度成正比，因此这种仪表也是一种积分加速度计。弦丝张力受材料特性和温度影响较大，因此需要有精密温控装置和弦丝张力调节机构。

④摆式积分陀螺加速度计。

利用自转轴上具有一定摆性的双自由度陀螺仪来测量加速度的仪表。陀螺转子的质心偏离内环轴，形成摆性。如果转子不转动，陀螺组件部分基本上是一个摆式加速度计。当沿输入轴（即陀螺外环轴）有加速度作用时，摆绕输出轴（即内环轴）转动，使轴上的角度传感器输出信号，经放大后馈送到外环轴力矩电机，迫使陀螺组件绕外环轴移动，在内环轴上产生一个陀螺力矩。它与惯性力矩平衡，使角度传感器保持在零位附近。陀螺组件绕外环轴转动的角速度正比于输入加速度，转动角度的大小就是输入加速度的积分，即速度值。通常在外环轴上安装一个脉冲输出装置，用以得到加速度计测量的加速度和速度信息：脉冲频率表示加速度，脉冲总数表示速度。这种加速度计靠陀螺力矩来平衡惯性力矩，它能在很大的量程内保持较高的测量精度，但结构复杂、体积较大、价格较贵。

（2）雷达测速仪

雷达测速仪是利用无线电回波以探测目标方向和距离的一种装置。测速雷达主要利用多普勒效应（Doppler Effect）进行工作，所谓多普勒效应，即无线电波碰到一个静止的物体，被反射回来的频率与发射的频率相同。当物体移动时，被反射回来的频率与发射的频率则不同，当目标向发射源靠近时，反射信号频率将高于发射频率；反之，当目标远离发射源时，反射信号频率将低于发射频率，且频率的变化与移动物体的速度成正比。如此可由频率的变化量，计算出目标与雷达的相对速度。

【任务实施】

任务提出：

下面具体以安装在车载上的加速度计和雷达测速仪为例，介绍其对列车的走行距离及速度信息进行校正的应用。

（1）车载信号加速度计

加速度计用于检测列车运行中的打滑和空转情况。每套配置4个力平衡伺服倾角式加速度传感器，两个数字式，两个模拟式，分为两套，每套包括一个数字式一个模拟式，加速度传感器安装在机柜中。两套加速度计互为冗余，用于提高系统的有效性和可靠性，为了消除共模错误，模拟和数字加速度计选用不同厂家的产品。

力平衡式伺服倾角式加速度计在非线性、重复性、迟滞、温度漂移和工作温度、抗冲击、振动等性能上具有非常优越的特点。它由非接触位移传感器、力矩马达、误差和放大电路、反馈电路、悬臂质量块5部分组成，悬臂质量块与力矩马达的电枢连接在一起。非接触位移传感器用于检测质量块的位移量和方向。当整个传感器受加速度作用时，悬臂质量块便会离开原来的平衡位置，非接触位移传感器检测出该变化后，将位置信号送入误差和放大电路，一方面传感器输出与倾角成一定比例的模拟信号；另一方面，该信号经反馈电路送入力矩马达的线圈，此时，力矩马达会产生一个与悬臂质量块运动方向相反、大小相等的力矩，力图使悬臂质量块回到原来的平衡位置。这样经过一定的时间后，悬臂质量块就停留在一个新的平衡位置上，这时传感器输出的信号才是真正的有效信号。

机柜中设备会对速度传感器和加速计输入数据的一致性进行监控。如检测到速度或速度传感器信息的非常规变化，则会对异常情况进行记录。这些状况表明，出现了打滑或空转现象，或者可能出现速度传感器信号丢失。

当发现空转／打滑现象发生时，将依据加速度计测量的加速度率和减速度率计算实际速度。这就确保列车在空转-打滑过程中仍能计算速度和位置，并当检测到应答器时，将进行车辆的位置校正。如果空转-打滑超过了设定的时间，那么机柜中相关设备将会产生空转-打滑警报。

（2）LCA-100系列伺服加速度传感器介绍

LCA-100系列伺服加速度传感器如图3．2．4所示。它可用于振动测试与分析，可直接焊接在PCB版上，可测量重力加速度，可测量动态冲击加速度，也可应用加速度传感器来集成倾角处理系统，测试速度和振动。其技术参数如下：

图3．2．4

●测量范围：±0．5 g，±2 g，±5 g。

●电源电压：±12～18 VDC。

●灵敏度：10 V／g，2．5 V／g，1 V／g。

●输出信号：±5 VDC。

●固有频率：60 Hz。

●频率响应：60 Hz，-3 dB。

●分辨率：100 μ g。

●消耗电流：±25 mA。

●输出阻抗：100 Ω。

●噪声：0．005 Vrms。

●工作温度：-55～85℃。

●存储温度：-60～90℃。

（3）车载雷达测速仪

雷达和测速电机一起用于速度的测量。通过使用雷达，可提高速度测量的精度。安装在车辆上的雷达如图3．2．5所示。

微波辐射到轨道，然后经过反射后被雷达检测到。根据多普勒效应，将会发生随列车速度变化的频率差，由此检测实际列车速度和行驶距离，并且几乎不受车轮空转／打滑的影响。

【任务考评】

以学生自评互评为主，教师综合评定。

图3．2．5

任务实施过程考核评价表

【场景设计】

1．在城市轨道交通司机室内实地进行现场教学，或利用多媒体展示城轨系统中司机室的实际应用界面显示。

2．将学生每6～8人分为1组。

3．考评所需的记录、评价表。

【知识准备】

车载信号系统人机交互界面是车载信号系统与列车驾驶员之间的信息交互平台，是信号自动控制系统的重要设备之一。通过车载信号人机交互界面，司机可完成信息输入，对列车有关参数进行设置，实时得到车载信号设备的状态信息及轨旁的信号显示等信息，对车载信号设备发出的命令及报警进行响应处理。

人机交互界面在列车自动控制系统中发挥着更加重要的作用，良好的人机交互界面可将尽可能多的信息清晰明了地显示出来，有助于司机获得更多的有用信息进而更好地了解所要完成的任务，提高控制操作的高速和精确实现，减少人为失误的可能性，最大程度上保证列车运行的安全性。

列车操作显示器（TOD）是列车操作控制台的一部分，提供驾驶员和车载控制系统之间的人机交互界面。TOD向列车驾驶员提供运行模式、故障、操作等信息。列车司机显示器的报警器在超速时发出持续的声音。

【任务实施】

任务提出：

以MFT_L11_bqe型人机交互界面为例，介绍车载信号系统人机交互界面的外观、技术参数及界面、窗口的组成。

（1）MFT_L11_bqe型人机交互界面外观及技术参数

MFT_L11_bqe型人机交互界面外观如图3．3．1及图3．3．2所示。

技术参数如下：

●显示屏背景灯：CCFL1。

●背景灯可调节范围：0～350 cd／m2。

●状态显示LED：2～3个。

●CPU／时钟频率：266 MHz。

●RAM：128 MB。

●内置闪盘：紧凑式闪存≥128 MB。

●快闪只读储存器：1 MB。

●显存：4 MB。

图3．3．1

图3．3．2

●扩展能力：根据客户需求。

●键盘接口：USB接口。

●蜂鸣器：有。

●温度管理：有。

●环境照明传感器：前置。

●电源：24 V或72～110 VDC±30%。

●功耗：＜20 W。

●显示器型号／尺寸：彩色TFT／10．4″（26．4 cm）。

●显示器分辨率／色度：640×480，18 bit。

●视频输入：4×FBAS（模拟）。

●音频输出：两路输出。

●串行接口：1×RS 422／RS 485。

（2）车载信号系统人机交互界面TOD的组成

车载信号系统人机交互界面TOD主要包括公共控制区、驾驶界面、系统管理界面。其界面如图3．3．3所示。

1）公共控制区

公共控制区包括登录子窗口、LCD调节子窗口，如图3．3．4所示。

公共控制区位于TOD界面的底部，用于实现以下功能：

●打开LCD亮度调节对话框。

图3．3．3

图3．3．4

●报警声音控制开关。

●显示司机号，打开登录对话框。

●显示系统时间。

●显示无线通信状态。

●显示Active CC状态。

●显示Backup CC状态。

●公司标示图标。

①LCD亮度调节

在公共控制区，单击LCD控制按钮，弹出对话框如图3．3．5所示。可通过按压“+”和“-”来调节屏幕亮度。

图3．3．5

②报警声音控制开关

当出现声音报警时，在公共控制区处会出现图标按钮，用户可单击该按钮图标中断声音报警。当无声音报警出现时，该控制区域的图标按钮显示为。

③司机登录

司机号位于报警声音控制调节按钮的右侧，单击司机号，弹出司机登录对话框，如图3．3．6所示。司机号和密码由数字组成。司机ID最大长度限制为5位，密码最大长度限制为8位。如司机ID与密码不匹配，将提示司机输入有误，可重新输入。

④司机注销

司机离开列车时，可通过单击公共信息栏中的“司机号”标签，弹出注销窗口，如图3．3．7所示。单击“是”按钮即可完成注销。

图3．3．6

图3．3．7

⑤系统时间同步

TOD的时间显示要与其他的CBTC设备一样，保持时间的同步。

⑥列车无线通信状态

当CC所有的通信正常时显示，否则由来表示通信丢失。同时，在列车行驶日志中会记录具体的通信失败原因。

⑦CC工作状态

CC工作状态如表3．3．1所示。

表3．3．1　CC工作状态表

续表

⑧nsigma图标

表示网新公司的Logo。当列车处于静止状态或与当前CC通信中断时，可通过单击该Logo图标进行驾驶界面与系统管理界面的切换。

2）驾驶界面

驾驶界面如图3．3．8所示。

图3．3．8

①车次信息显示区

车次信息显示区显示车次号信息，如图3．3．9所示。

图3．3．9

②驾驶模式区

驾驶模式区如图3．3．10所示，上方表示列车当前采用的驾驶模式，下方显示的是当前可用的模式。当某一模式不可用时，该模式变为灰色状态。如图3．3．10所示，当前ATO／ATP／RM／ATB 4种模式可用，IATP模式不可用，“ATO”为当前模式。具体显示含义如表3．3．2所示。其中，在非限制人工驾驶模式（NRM）下，由于车载信号系统已经被旁路，不起任何作用，TOD无法显示任何内容，TOD将显示初始界面。当前驾驶模式显示为空。

图3．3．10

表3．3．2　模式显示含义表

③速度显示区

速度显示区如图3．3．11所示，其中绿色光带表示的是推荐速度，用于司机以人工模式驾驶列车时按该速度行车，指针为列车当前速度，对应于速度盘下方数字部分。如果当列车速度超过推荐速度指针变为黄色，黄色三角为FSB速度，如果列车速度超过FSB速度，指针变为红色，需要司机调整牵引／制动力，使得列车速度回到安全范围，从而缓解FSB。红色三角为EB速度，可引起紧急制动，一旦引起EB，只能通过人工才能缓解。

图3．3．11

红色的报警灯闪烁时，表示EB施加发生。当引起EB原因缓解后，红色报警灯静态显示。当EB缓解，红色报警灯消失。

当FSB发生时，为黄色的报警灯闪烁。当引起FSB原因缓解时，黄色报警灯静态显示；当FSB缓解，黄色报警灯消失。如果当FSB和EB同时发生，显示EB的状态，即红色报警灯。

④消息显示区

消息显示区如图3．3．12所示，用于显示最近收到的几条消息。如果需要查看历史消息可在停车状态下打开消息日志浏览窗口。

图3．3．12

⑤目标显示区

目标信息区如图3．3．13所示，用于显示目标速度、目标距离、停站距离、下站距离、下一站站名和终点站名。

图3．3．13

⑥状态消息区

状态消息区如图3．3．14所示，具体图标显示含义如表3．3．3所示。

表3．3．3　状态消息区显示含义表

续表

⑦站停信息区

站停信息区如图3．3．15所示，在ATP，ATO模式下，TOD的停站时间倒计时器与站台PDI同步显示停站时间，TOD将从CC接收停站时间并倒数至零，然后提示驾驶员发车。

停站时间倒计时板：

图3．3．15

3）EB窗口

当列车行驶过程中出现EB时，将在驾驶界面右部分出现“紧急制动！”的红色字样，同时会有红色警报闪烁，当EB原因解除红色警报停止闪烁。EB窗口如图3．3．16所示。

图3．3．16

4）CC被旁路窗口

当CC被旁路时，将在驾驶界面右部分出现“CC被旁路”的黄色字样，同时伴有声音报警，如图3．3．17所示。

图3．3．17

【任务考评】

以学生自评互评为主，教师综合评定。

任务实施过程考核评价表

【场景设计】

1．实地参观城市轨道交通车站的查询器进行现场教学，或利用多媒体展示城轨系统中查询器的应用。

2．将学生每6～8人分为1组。

3．考评所需的记录、评价表。

【知识准备】

（1）应答器系统组成

应答器设备在城市轨道交通中广泛应用于列车定位及点式列车通信系统中。应答器包括查询器天线、查询器主机、地面应答器3个主要设备。查询应答器是一种采用电磁感应原理的高速点式信息传输系统，用于在特定地点实现列车与地面的相互通信。安装于两根钢轨中心枕木上的地面应答器是不要求外加电源，平时处于休眠状态，仅靠接受查询器的功率而工作，并能在接收查询器的功率的同时向查询器发送大量的调制编码信息。安装于机车底部的查询器不断向地面发送瞬态功率，并在列车经过地面应答器时接收来自应答器的编码信息。查询器主机除了向查询器发送瞬态功率外，其主要任务是处理查询器接收到的来自应答器的高频调制编码信息。应答器在信号系统中作为地面里程信标为列车提供精确定位矫正功能，及时修正因列车本身测量位置产生的测量误差。随着列车走行距离的增大，列车本身的测量装置如测速电机、测速雷达的测量数据不可避免会出现积累误差，为了消除该误差当列车运行一定距离后必须对测量数据进行矫正。通过列车车载轨道数据库与应答器的物理位置进行比较，可以精确地重新校准列车的实际位置。

（2）应答器的类型及功能

1）无源应答器

①接收车载天线传递的载频能量

无源应答器是一种信息编码调制器，其工作能量来自于列车发出的功率载波，应答器与车载天线之间的通信属于无线传输，无线电波在空气中的损耗很大，如果地面应答器的功耗过大，需要对列车发出的功率载波提出很高的要求，但同时会带来散热和电磁兼容等方面的问题。

②通过车载天线向列车发送数据信息

当车载查询器天线与地面应答器在有效作用范围内时，地面应答器需要发送连续的数据信息。地面应答器发送的数据实际上是一个无缝的报文信息流，该报文由同步码、有效信息及校验码组成。

通过查询应答器系统设备的地-车单向通信功能实现以下作用：

●当列车进入装备应答器的正线时初始化列车位置。

●列车位于正线时，在ATP车载计算机单元重新启动后列车位置的重新初始化。

●在预先定义的区域或点上减少安全定位的不确定性。

●将安全定位的不确定性维持在预定阈值之下。

●满足要求的站内停车精度。

用于点式通信级的应答器还为点式列车防护提供其他信息。根据应答器的识别号，车载ATP可以利用线路数据库里的线路信息对应答器进行定位。应答器定位流程如下：

a．在车载ATP的启动时，列车未定位，但是车载计算机单元的线路数据库记录有应答器的位置。

b．一旦列车连续地经过两个应答器，它初始化自己的位置参数，这样列车“已定位”。详细的步骤如下面的描述：

●第一个应答器初始化应答器查询器天线的位置，但是列车不知道自己在轨道上的运行方向。

●根据线路数据库里应答器的顺序，第二个应答器用于确定列车的运行方向。

●通过第二个应答器后，列车位置可由测速电机和雷达测量。

c．在两个应答器之间，已定位的列车位置参数得到更新，这都得益于测速电机和雷达的连续位移测量。

当经过另外一个应答器时，一列已定位的列车将调整它的位置参数，以便通过计算一个更小的位置不确定值得到更加精确的位置。

2）有源应答器

①外观

美式有源应答器具体外观如图3．4．1所示，欧式有源应答器具体外观如图3．4．2所示。

图3．4．1

图3．4．2

②功能

当信号系统使用点式通信时，可变数据应答器用于给列车传送报文。可变数据应答器连接到一个和信号机相连的轨旁电子单元（LEU）。正常情况下，可变数据应答器接收LEU（轨旁电子单元）连续发送的报文，该报文内容取决于与LEU相连接的信号机的显示信息。列车通过该应答器的瞬间，该报文被传送到列车上。

【任务实施】

任务提出：

本任务的实施以应答器系统中车载部分为例，介绍车载查询器的外观、组成及功能。

（1）查询器天线

1）外观及安装位置

查询器天线外观如图3．4．3所示，具体安装位置如图3．4．4所示。

图3．4．3

查询器天线被安装在带有司机室的拖车车厢的第一个转向架末端，居中安装在列车的纵向轴上。查询器天线边到边的安装误差为±5 mm。从车钩到天线中心的距离为5 779 mm。天线用M8螺栓安装。

图3．4．4

查询器天线安装在距离轨面（TOR）高度为300±10 mm处（静止空车状态）。

2）功能

查询器天线为双工收发天线，既可以向地面发送激活地面应答器的功率载波，还要接收地面应答器发送的数据报文。

（2）查询器主机

1）外观

查询器主机外观如图3．4．5所示。

图3．4．5

2）功能

①发送地面应答器需要的能量

由车载载频发生器与功率放大器提供用于产生激活地面应答器所需的载波能量，并通过车载查询器天线传递给地面应答器。

②接收、解调来自地面应答器的数据信息

由车载查询器天线接收来自地面应答器的数据信息。查询解码器用于对地面应答器传送的信息进行接收、滤波、数字解调与处理。分析接收到的数据流，找出完整的报文，确定精确定位参考点；将处理好的报文数据，通过相应的数据接口，在约定的接口协议下传送给车载ATC设备。

【任务考评】

以学生自评互评为主，教师综合评定。

任务实施过程考核评价表

【场景设计】

1．通过参观城轨交通系统车载无线通信设备进行现场教学，或利用多媒体展示车载无线通信设备的相关应用。

2．将学生每6～8人分为1组。

3．考评所需的记录、评价表。

【知识准备】

基于无线电台的通信方式是CBTC车-地双向连续通信方式之一。数据通信子系统的车地双向通信网络是沟通车载数据通信网络与轨旁数据通信网络的渠道，实现车地之间的双向通信。它采用IEEE 802．11g的无线局域网技术。IEEE 802．11g是当前比较先进和成熟的WLAN标准，在高速移动环境中可以支持车地之间的双向移动通信。除此之外，无线网络还支持IEEE 802．11e，802．11i等协议来实现高速、安全、可靠、实时的无线通信。MR是车载无线设备，用来在车载设备（如ATP和ATO）和轨旁设备间传输数据。

每列车上安装有两套MR，分别位于列车的两端，每端一套MR。所有列车收发的数据都由在列车两端的MR传输，提供连续的数据传输冗余。车载ATP和ATO子系统通过两个独立的以太网连接到MR。采用双绞线彼此连接的以太网扩展设备来实现车厢之间的通信。车-地无线传输系统选用两个互不重叠的信道，对于每端车载无线信号设备以及每个轨旁无线AP具备两个信道的冗余通信功能，并能根据现场信号场强的情况，实现两个信道的无扰切换，以确保车-地无线信息正确与可靠地传输。

车载无线通信设备包括MR天线及MR主机。

【任务实施】

任务提出：

本任务的实施以车载无线通信设备的组成为线，介绍车载MR天线及车载MR主机。

（1）车载MR天线

1）外观

车载MR天线外观如图3．5．1所示。

2）安装位置

车载无线采用八木天线，安装于两端司机室上方车体内，如图3．5．2所示。信号发射方向为准水平向前。

图3．5．1

图3．5．2

3）SL14011F型天线的技术参数

●频率范围：2 400～2 500 MHz。

●输入阻抗：50 Ω。

●增益：9 dBi。

●前后比：≥15 dB。

●极化形式：垂直或水平。

●最大功率：100 W。

●输入接口：N型阴头。

●雷电保护：直流接地。

●长度：245 mm。

●质量：498 g。

●支撑杆：φ 35～φ 50 mm。

●工作温度：-40～60℃。

（2）车载MR主机

1）外观及特点

专为车载工作环境定制，外观结构如图3．5．3、图3．5．4所示，并具有以下特点：

●支持机柜安装。

●可靠的防振设计（有H3C振动试验报告）。

●环境满足机车车辆电子装置标准（第三方检验报告）。

●EMC满足行业标准（第三方测试报告）。

●同时支持2．4 GHz和5 GHz频段。

图3．5．3

图3．5．4

2）WA2220E-AG-T型号技术参数

●尺寸：长×宽×高=436 mm×360 mm×43．6 mm（不含天线和安装附件）。

●质量：4．2 kg。

●工作温度：-25～70℃。

●工作湿度：10%～95%（非冷凝）。

●MTBF：＞27年（25℃）。

●工作频段：5．725～5．850 GHz。

●整机功耗：＜15 W。

●供电方式：本地供电+110 VDC（77～135 V）。

【任务考评】

以学生自评互评为主，教师综合评定。

任务实施过程考核评价表

【项目小结】

本项目主要介绍了车载信号系统的基础设备，包括速度传感器测速原理及安装、加速度计及雷达测速仪、司机操作人机交互设备、查询器的组成及作用、车载无线通信设备。

速度传感器是车载信号系统中重要的速度及距离测量设备，学习时应对其输出的脉冲数量与车轮走行距离成正比的测速原理深入理解；车载人机交互界面是车载信号系统与列车驾驶员之间的信息交互平台，对该设备应了解其功能及界面外观；通过本项目的学习，重点还应对查询器的组成及作用、车载无线通信设备的组成深入理解。

【思考与练习】

1．试述速度传感器的测速原理及如何进行安装。

2．试述加速度传感器是如何实现测速的。

3．简述加速度计的分类。

4．分析雷达测速仪的工作原理。

5．简述司机操作人机交互设备的功能。

6．试述车载信号系统人机交互界面TOD的组成。

7．简述查询器的组成及作用。

8．简述应答器的基本作用。

9．简述应答器的类型。

10．简述无源应答器与有源应答器的区别。

11．简述应答器系统的工作原理。

12．试述查询器天线的一般安装。

13．试述车载无线通信设备的组成。