鐵路機車運行監(jiān)測語音提示系統(tǒng)設(shè)計

邱建東，蔣兆遠(yuǎn)，湯旻安

（1.蘭州交通大學(xué)機電技術(shù)研究所，甘肅蘭州 730070；2.蘭州理工大學(xué)機電工程學(xué)院，甘肅蘭州 730050）

鐵路機車運行監(jiān)測語音提示系統(tǒng)設(shè)計

邱建東1，蔣兆遠(yuǎn)1，湯旻安2

（1.蘭州交通大學(xué)機電技術(shù)研究所，甘肅蘭州 730070；2.蘭州理工大學(xué)機電工程學(xué)院，甘肅蘭州 730050）

根據(jù)鐵路單司機值乘改革的需要，設(shè)計了基于高性能AVR單片機的嵌入式機車運行狀態(tài)監(jiān)測語音提示系統(tǒng)．系統(tǒng)基于RS485總線的多機通信網(wǎng)絡(luò)，從機載設(shè)備中提取數(shù)據(jù)，并運用內(nèi)嵌式專家系統(tǒng)對機車運行狀態(tài)進行監(jiān)控，對設(shè)備故障進行初判，對運行關(guān)鍵位進行瞭望，并模擬副司機進行語音提示．經(jīng)現(xiàn)場實際使用，起到了良好的效果．

機車；狀態(tài)監(jiān)測；多機通信；內(nèi)嵌專家系統(tǒng)

鐵路傳統(tǒng)的機務(wù)值乘模式是雙司機作業(yè)，正司機負(fù)責(zé)主要的機車操控，副司機負(fù)責(zé)協(xié)助正司機進行設(shè)備檢查、觀察瞭望、故障處理等．隨著鐵路改革，單司機值乘方式正慢慢成為主流，這種值乘模式雖然能有效地節(jié)約成本，但是給機車乘務(wù)員帶來了很大的精神和身體壓力，造成行車安全隱患．如果能夠設(shè)計一套系統(tǒng)，盡可能模擬副司機的工作，在機車運行到需要注意的關(guān)鍵位置或者機車設(shè)備故障時，給正司機準(zhǔn)確清晰的語音提示，就能夠有效幫助司機盡快度過轉(zhuǎn)型的不適應(yīng)階段，同時有效促進司機標(biāo)準(zhǔn)化操作，確保行車安全．基于此思想，通過機載信息平臺的數(shù)據(jù)共享方式，設(shè)計了嵌入式機車運行狀態(tài)監(jiān)測語音提示系統(tǒng)，該系統(tǒng)能夠作為一個車載信息共享處理平臺，補充LKJ機車監(jiān)控裝置的報警提示信息，部分模擬原副司機的一些工作職能，從而更好地為“單司機”值乘模式做好服務(wù)．

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計

系統(tǒng)主要模擬副司機3方面的工作職能：1）機車運行關(guān)鍵位提示；2）設(shè)備運行狀態(tài)檢查；3）設(shè)備故障診斷．其中，機車運行關(guān)鍵位是機車運行中的一些需要司機重點關(guān)注的公里標(biāo)．雙司機模式下，在這些“關(guān)鍵位”副司機都會提示司機進行某些操作或者提高注意力．副司機呼喚應(yīng)答的主要內(nèi)容有：防護信號注意、慢行注意、儀表注意、尾部風(fēng)壓注意、信號注意等等．

系統(tǒng)模擬副司機這3方面工作，需要提取必要的信息．這3方面的信息源主要來自機車的TAX箱、電氣控制柜、微機柜和其他機載檢測裝備．TAX箱又稱機車安全信息綜合監(jiān)測裝置，是一個開放式信息平臺，所有與列車運行及安全檢測設(shè)備有關(guān)的數(shù)據(jù)信息均能通過TAX箱485接口周期地向外傳送，方便用戶獲?。畽C車電氣控制柜內(nèi)的開關(guān)量信號，能夠反映劈相機狀態(tài)、主接地狀態(tài)及各種通風(fēng)機工作狀態(tài)等輔助設(shè)備狀態(tài)．機車微機柜內(nèi)可以得到主變壓器、副變壓器原邊副邊的電壓電流、牽引電機電樞電壓電流、牽引電機勵磁電流等模擬信號，這些信號反映了機車主體設(shè)備工作情況，且已調(diào)理成適合A/D轉(zhuǎn)換的電平信號．此外，目前機車上也安裝了很多在線檢測裝置，例如增壓器在線監(jiān)測系統(tǒng)，這些裝置一般都提供對外輸出接口和協(xié)議，可以充分利用其檢測信息來輔助機車運行狀態(tài)判別．

機車工作環(huán)境惡劣，電磁環(huán)境復(fù)雜，本系統(tǒng)需要從TAX箱、微機柜、電氣控制柜內(nèi)采集數(shù)據(jù)，而且又需要在兩端司機室進行語音提示，信號傳輸距離比較長，因此可靠的通信設(shè)計是本系統(tǒng)的成敗關(guān)鍵．目前機車上安裝的很多檢測裝置都具有RS485接口，而且TAX箱的信號基礎(chǔ)模式也是RS485，因此本系統(tǒng)設(shè)計了基于RS485總線的多機串行通信系統(tǒng)．系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)如圖1所示．

系統(tǒng)基于RS485總線構(gòu)建了一個單總線多機通信系統(tǒng)，是一種主從式廣播構(gòu)架．系統(tǒng)包含一臺主機，多臺從機，各從機之間不互相通信．系統(tǒng)的主機主要處理從機發(fā)送過來的信息，并根據(jù)信息進行語音播報．從機根據(jù)設(shè)置不同，分別進行關(guān)鍵位置信息提取、開關(guān)量信號提取、模擬量信號轉(zhuǎn)換提取、與機載其他監(jiān)測裝置通信及信息獲取等功能．

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig.1 Thestructure ofsystem

圖2 多機通信拓?fù)銯ig.2 Network topology ofmulti-m achine communication

2 硬件系統(tǒng)設(shè)計

由于本系統(tǒng)是基于RS485總線的多機系統(tǒng)，通信的構(gòu)架是核心，其次是主機及分機設(shè)計．本系統(tǒng)最終處理結(jié)果是要給司機一個準(zhǔn)確清晰的語音提示，因此，語音裝置設(shè)計也是本系統(tǒng)的重要內(nèi)容．

2.1 多機通信系統(tǒng)設(shè)計

RS485是一個差分?jǐn)?shù)據(jù)傳輸、支持多點通信的電氣規(guī)范接口．它的優(yōu)點是噪聲抑制能力和抗干擾能力強，傳輸距離遠(yuǎn)，具有多站能力，用戶可以利用單一的RS-485接口方便地建立起設(shè)備網(wǎng)絡(luò)．根據(jù)系統(tǒng)的設(shè)計思想，多機通信的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖2所示．

系統(tǒng)設(shè)計時為了減少傳輸信號毛刺，在總線末端設(shè)計了匹配電阻（圖1中的R1、R2）以吸收總線上反射信號，其阻值與總線的特性阻抗相當(dāng)．

另外在電源、總線差分信號正負(fù)端之間及地之間接入3個10 k電阻形成電阻網(wǎng)絡(luò)，用來提高總線懸浮狀態(tài)（沒有信號傳輸）時的抗干擾能力．當(dāng)總線懸浮時，正端電平大約為3.2V，負(fù)端電平大約為1.6V，壓差1.6V左右，即使有干擾信號也形不成串行通信的起始信號0，增加了總線抗干擾的能力．

系統(tǒng)選用MAX1480B芯片做信號處理．MAX1480B是完備的電氣隔離型的RS485/RS232數(shù)據(jù)通信接口芯片，采用混合微電路結(jié)構(gòu)．可確保數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃裕涌陔娐啡鐖D3所示，74HC86芯片的3腳和9腳連接到MCU的串口，其12腳是該模塊的使能端．

2.2 單片機選型及主從機設(shè)計

主機CPU單片機選擇了ATMEL公司的ATMEGA128[1]，這款單片機性價比很高，具有32×8個通用寄存器，128 kbyte的系統(tǒng)內(nèi)可編程flash，可進行萬次擦寫，片內(nèi)還有萬次可擦寫4 kbyteEEPROM及4 kbyte SRAM．ATMEGA128資源豐富，通過相關(guān)寄存器的設(shè)置可以很容易的控制具有SPI接口的語音芯片，其內(nèi)部的存儲空間基本能夠滿足系統(tǒng)內(nèi)嵌式專家系統(tǒng)的規(guī)則庫存儲要求[2]，是符合系統(tǒng)要求性價比最高的芯片選擇．中央控制單元圍繞單片機設(shè)計，主要還有晶振電路、指示燈電路、復(fù)位電路、JTAG電路等，因為都是通用電路，文中不一一累述[1-2]．從機CPU選擇了同系列的ATMEGA16，其內(nèi)存較少．

主機主要實現(xiàn)功能是訪問各從機，根據(jù)通信協(xié)議與各從機通信，解碼從機發(fā)送信息并進行語音播報．因此，主機主要功能模塊是通信及語音播放模塊．核心技術(shù)體現(xiàn)在軟件編程中．

從機主要任務(wù)是采集TAX箱及設(shè)備狀態(tài)信息，因此需要根據(jù)各采集點的不同而設(shè)計．但是通信模塊是其必不可少的配置．除此之外，主要是A/D轉(zhuǎn)化模塊及數(shù)字量輸入/輸出模塊．

圖3 數(shù)據(jù)通信模塊Fig.3 Data communicationmodule

圖4 數(shù)字量輸入接口Fig.4 Digital inputinterface

圖5 語音處理單元Fig.5 Voiceprocessing unit

圖6 二級功率放大Fig.6 Two levelsof poweramplification

MCU的GPIO口均可作為數(shù)字輸入端口使用．其原理如圖4所示，數(shù)字量輸入的有效直流電壓為最小55 V，具有光耦隔離作用，隔離電壓為2500Vrms（最?。?dāng)?shù)字量的輸出的直流有效電壓為12V，單路最大電壓為2 A[3]．

2.3 語音模塊設(shè)計

系統(tǒng)語音模塊由語音芯片和功放電路組成．語音芯片選用美國ISD公司的ISD4003，可進行8分鐘的長時語音錄放，將需要播報的語音都提前錄制在芯片中，按照地址調(diào)用．考慮到機車嘈雜的環(huán)境，播放的語音聲音要大，系統(tǒng)專門設(shè)計采用了二級功放設(shè)計，分別選用LM 386和TDA2822芯片[3]，可獲得清晰大音量的聲音．揚聲器選用1W 8，經(jīng)現(xiàn)場驗證，其音量及清晰度完全能夠滿足機車運行的嘈雜環(huán)境．其設(shè)計電路如圖5和圖6所示[4]．

2.4 工藝設(shè)計

機車運行環(huán)境非常惡劣．電磁干擾、灰塵、噪音、振動等都嚴(yán)重影響本系統(tǒng)的正常工作．電路EMC設(shè)計主要措施有：1）將電源功率區(qū)、數(shù)字電路區(qū)、模擬電路區(qū)設(shè)計成相對獨立區(qū)域，盡量減少互相干擾；2）各集成元器件地線電源線間分別100%接入去耦電容；3）信號線按照功率強弱分開布設(shè)，信號線上開孔盡量少；4）雙面印刷版三總線互相垂直，盡可能短，地線和電源線盡量成梳妝布設(shè)；5）數(shù)字電路中的有關(guān)邏輯器件相互靠近，與振蕩器遠(yuǎn)離，具有存儲記憶的電路相互靠近，并與CPU總線靠近[4]．

3 軟件設(shè)計

該裝置在設(shè)計軟件的時候，主要分主從機軟件和地面系統(tǒng)測試軟件兩部分．

主機軟件主要是單片機內(nèi)的程序設(shè)計，采用C語言編程，AVRStudio 4編譯環(huán)境下調(diào)試．主要實現(xiàn)功能有：1）與從機通信；2）獲得從機的數(shù)據(jù)幀；3）根據(jù)協(xié)議解碼，獲取比對信息；4）按照系統(tǒng)功能要求對數(shù)據(jù)進行比對處理；5）實現(xiàn)播放語音功能．

軟件實現(xiàn)的難點和關(guān)鍵環(huán)節(jié)有：1）主機、從機的實時準(zhǔn)確通信；2）總線分時共用的協(xié)調(diào)問題；3）確保傳輸準(zhǔn)確性的差錯控制；4）數(shù)據(jù)提取并快速轉(zhuǎn)換成需要制式；5）如何將數(shù)據(jù)進行比對處理；6）比對數(shù)據(jù)和語音對照的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)設(shè)計．

3.1 通信功能設(shè)計

多機通信系統(tǒng)的功能實現(xiàn)，統(tǒng)一的通信協(xié)議設(shè)計是基礎(chǔ)．系統(tǒng)中協(xié)議有2種幀格式：呼叫幀、應(yīng)答幀，通信速率設(shè)為28800b/s．系統(tǒng)上電或復(fù)位后，主機需要將MAX1480B的DE引腳置1，允許其發(fā)送數(shù)據(jù)．分機的MAX1480B的DE引腳置0，處于接收數(shù)據(jù)的監(jiān)聽狀態(tài)．主機在網(wǎng)絡(luò)發(fā)送呼叫幀廣播以后，每個從機都將接收到，并提取呼叫幀內(nèi)的呼叫地址信息與自己地址比較，如果相符，則進行接收處理，否則拋掉．當(dāng)分機確認(rèn)廣播地址是自己的地址后，向主機發(fā)送應(yīng)答幀，應(yīng)答幀內(nèi)包含本機地址與數(shù)據(jù)信息．主機接收到該應(yīng)答幀后，進行解碼，提取數(shù)據(jù)信息，并根據(jù)內(nèi)嵌專家系統(tǒng)的檢驗規(guī)則或者公里標(biāo)信息，進行語音播報，并進入下一次循環(huán)．主機采用輪詢方式訪問各個主機，間隔周期設(shè)置成100 ms．本系統(tǒng)目前設(shè)置4個分機，分別是TAX箱、微機柜、電氣柜，以及機載增壓器檢測裝置，每秒鐘各分機最少發(fā)送2次應(yīng)答幀，能夠滿足實時性要求．主機主程序，從機中斷服務(wù)程序流程如圖7所示．

網(wǎng)絡(luò)通信設(shè)計最核心的內(nèi)容是控制好每個分機的收/發(fā)狀態(tài)，以防止各個分機在通信總線上的碰撞，造成數(shù)據(jù)錯誤或丟失．本通信系統(tǒng)是半雙工通信系統(tǒng)，總線是分時復(fù)用的．主程序需要對總線控制權(quán)做好分配工作，使各從機信號時間上完全隔離，保證能及時、正確地傳輸數(shù)據(jù)．要做到總線上設(shè)備在時序上的嚴(yán)格配合，在設(shè)計時主要考慮幾個要素即可：1）復(fù)位后，主機處于發(fā)送狀態(tài)，從機處于接收狀態(tài)；2）主機發(fā)送廣播信息內(nèi)包含從機地址，從機串行中斷方式接收廣播，如果地址與本機地址不一致，則不做處理；3）從機接收廣播中地址吻合，則發(fā)送應(yīng)答幀．芯片控制端DE/RE引腳的控制信號寬度應(yīng)大于發(fā)送或接收幀信號的寬度[6]．

3.2 基于規(guī)則的內(nèi)嵌式專家系統(tǒng)

系統(tǒng)從電子柜、微機柜提取開關(guān)量及模擬量信息，這些數(shù)據(jù)都反映著機車運行狀態(tài)，也提示這故障信息．但是能夠讓系統(tǒng)從抽象的數(shù)據(jù)信息得到具體的結(jié)論，需要專家系統(tǒng)的支持．

圖7 多機通信主/從機軟件流程圖Fig.7 The software flow ofmaster/slave inmultiprocessor communication

專家系統(tǒng)其實就是智能的計算機程序，是大量領(lǐng)域?qū)＜抑R經(jīng)驗的高度抽象，能夠模擬專家的決策過程．本系統(tǒng)設(shè)置了基于規(guī)則的內(nèi)嵌式的專家系統(tǒng)，主要通過“IF（條件）THEN（結(jié)論）”的確定性判斷方式給司機進行提示建議．其可信度因子是隨著專家知識更新而不斷調(diào)整的．

主機得到從機應(yīng)答幀以后，提取幀內(nèi)數(shù)據(jù)，并根據(jù)從機號判斷數(shù)據(jù)的來源，對數(shù)據(jù)進行解碼后，根據(jù)事先設(shè)定的規(guī)則逐條進行判斷．某一條專家規(guī)則成立以后，根據(jù)規(guī)則編碼，提取對應(yīng)的語音進行播報．由于系統(tǒng)設(shè)置的資源有限，只能比較粗略地對設(shè)備運行狀態(tài)和設(shè)備故障進行初步判斷，但是也基本達(dá)到了副司機的判斷水平．因為專家系統(tǒng)本身判斷的規(guī)則水平就高于一般工作人員，加之很多電壓電流信息也是副司機巡檢時難以得到的數(shù)據(jù)．

為了驗證其在線的準(zhǔn)確性，系統(tǒng)專門配套設(shè)計了地面專家分析系統(tǒng)，將在線存儲的數(shù)據(jù)提取后，使用更多更復(fù)雜的專家規(guī)則進行判斷，并不斷地對內(nèi)嵌式在線系統(tǒng)規(guī)則進行修正．地面分析系統(tǒng)采用VB設(shè)計，SQL數(shù)據(jù)庫，其運行界面如圖8所示[5-6]．

3.3 地面模擬測試源

系統(tǒng)需要在實驗室試驗和調(diào)試，但是沒有TAX源是個掣肘環(huán)節(jié)．為此，在系統(tǒng)設(shè)計的同時，還專門設(shè)計了模擬源軟件．

該軟件用VB設(shè)計，按照TAX的協(xié)議格式，和不同的測試要求，按照28800的波特率，通過計算機串口發(fā)出數(shù)據(jù)幀．調(diào)試時，還需要外接一個232-485的研華模塊，就能夠完全模擬TAX箱的數(shù)據(jù)源了．模擬源的界面如圖9所示．

4 裝車運行情況與結(jié)論

本系統(tǒng)在寧東地方鐵路、中鐵一局、中鐵三局等多家單位的運營機車上裝車應(yīng)用，以先進、實用、穩(wěn)定獲得了現(xiàn)場的肯定．該系統(tǒng)已經(jīng)成為這些單位機車司乘人員、檢修人員、管理人員認(rèn)可的機車大部件之一，成為行車主要設(shè)備并列入正常維護檢修范圍，系統(tǒng)相關(guān)配件也列入采購備用必須件范疇．

基于嵌入式的機車運行狀態(tài)監(jiān)控語音提示系統(tǒng)的設(shè)計思想，緊扣鐵路新值乘制度實行給值乘工作帶來困難的客觀實際，結(jié)構(gòu)原理雖然簡單，但是功能穩(wěn)定，語音播放清晰，關(guān)鍵位置提取準(zhǔn)確，有效地部分替代了副司機的職能，受到了現(xiàn)場的好評．本系統(tǒng)還作為“鐵路機車單值乘可視化安全監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)的開發(fā)與應(yīng)用”項目的有機組成部分，獲得了“2013年甘肅省機械工程學(xué)會科技進步二等獎”稱號，得到了專家和社會的認(rèn)可．

圖8 地面專家分析系統(tǒng)Fig.8 Expertanalysissystem

圖9 測試軟件界面Fig.9 Testing software interface

[1]馬潮．AVR單片機嵌入式系統(tǒng)原理與應(yīng)用實例[M]．北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2007．

[2]沈建良．ATmega128單片機入門與提高[M]．北京：北京航空航天大學(xué)出版，2009．

[3]沈立春，林紅，鄧欣．自動語音提示系統(tǒng)在焦?fàn)t生產(chǎn)中的應(yīng)用[J]．測控技術(shù)，2012，31（9）：141-143．

[4]郭治國，許新偉，苗衛(wèi)東．全自動站場信息無線語音提示系統(tǒng)設(shè)計[J]．鐵道運輸與經(jīng)濟，2005，27（6）：68-69．

[5]王崇華．機車語音記錄裝置的改進[J]．鐵路計算機應(yīng)用，2013，22（7）：51-54．

[6]顏秋容，于濤，田利偉，等．車站列車進路語音提示與報警系統(tǒng)[J]．鐵道運輸與經(jīng)濟，2007，29（7）：43-45．

[責(zé)任編輯 楊屹]

The design of voice promptsystem for locomotive runningmonitor

QIU Jiandong1，JIANG Zhaoyuan1，TangM inan2

(1.M echatronic T&R Institute,Lanzhou Jiaotong University,Gansu LanZhou730070,China;2.SchoolofM echanicaland Electronic Engineering,Lanzhou University of Technology,Gansu Lanzhou 730050,China)

According to theneed for the reform of the Railway Single Driversystem,a setof voicemonitoring system for locomotive runningstatusbased onhigh-performancem icrocontrollerAVRhasbeen designed.Running insingle-busmultiprocessor communication network based on RS485bus,thesystem extractsdata from airborneequipmentand usesembedded expertsystem tomonitor thestatusof the locomotiveequipment,to getprelim inary judgmentofequipment failure, to observe running criticalbitsand simulate co-drivervoiceprompts.The effectused in the actual field shows it canmeet the actual requirements very w ell.

locomotive;statusmonitoring;multiprocessor communication;embed expertsystem

TP3

A

1007-2373(2015)02-0038-05

10.14081/j.cnki.hgdxb.2015.02.009

2014-05-20

甘肅省自然科學(xué)基金（1208RJZA 292）；甘肅省科技支撐計劃（090GKCA 009，1304GKCA 023）

邱建東（1974-），男（漢族），高級工程師，qiupeter327@163.com．