鐵路平交道口無線安全監控系統

李文峰，呂紅娟，2

（1.西安科技大學通信學院，陜西西安710054；2.西安鐵路職業技術學院陜西西安710014）

鐵路平交道口無線安全監控系統

李文峰1，呂紅娟1，2

（1.西安科技大學通信學院，陜西西安710054；2.西安鐵路職業技術學院陜西西安710014）

文中分析了目前鐵路平交道口3種監控系統的特點及不足：基于單片機的道口監控系統結構簡單、成本低廉，但該系統信息只能單向傳輸；基于ARM和GPS、GPRS的道口監控系統實現了道口與司機的通信，但在GPRS網絡盲區通信得不到保障；基于工控機的道口監控系統組成復雜，花費巨大。基于以上的分析提出一種無線安全監控系統方案：當列車運行接近道口時，觸發傳感器，發射裝置將列車運行方向、速度等信息通過無線方式發射，接收裝置接收到信號后啟動報警系統。該系統結構簡單、成本低廉、能實現司機與道口值班人員之間的聯系。通過計算和實驗驗證表明：即使在陰雨天，系統也可在列車通過道口前1.5min得到預警信息，實現了鐵路道口的安全監控和信息管理。

鐵路平交道口；監控系統；單片機；無線

目前鐵路平交道口仍然大量存在，每年鐵路道口事故傷亡達數千人，道口安全成了鐵路運輸安全的重要組成部分。由于道口現場環境、建設成本等因素的限制，在很長的時間內還不可能對所有道口實現改造，列車要想快速、安全的通過道口，司機必須及時掌握道口情況，所以在鐵路道口需要建立一個有保障的安全監控系統［1］。

1　幾種典型平交道口監控系統分析

經過資料查找和現場調查，目前廣泛應用的有3種典型的監控系統。

1.1基于單片機的鐵路平交道口監控系統

基于單片機的鐵路平交道口安全監控系統主要由傳感器系統、信號處理系統、單片機系統以及報警系統四部分組成，其系統組成框圖如圖1所示［2］。傳感器采集列車接近信息，再由信號處理系統將采集到的信號進行處理，并傳輸給控制系統，最后單片機按照程序完成道口交通燈、語音、欄木等預警及控制。

該系統的優點是系統結構簡單、成本低廉，不依賴鐵路電務、機車等其他系統。缺點是系統信息單向傳輸，在列車通過時，如果道口有意外情況發生，則不能及時把信息反饋給機車司機，有可能造成事故。

圖1　系統組成框圖Fig.1The system composition block diagram

1.2基于ARM和GPS、GPRS的鐵路道口監控系統

這種監控系統一部分為車載設備子系統，實現列車定位。車載系統使用ARM內核芯片，構成嵌入式系統，如圖2所示。另一部分為控制中心系統，主要由GPRS接收模塊、單片機控制模塊以及聲光報警模塊構成，安裝于道口地面，如圖3所示［3］。GPRS模塊接收列車各種信息，然后由單片機對接收的信息進行處理，并計算出列車預計到達時間，啟動聲光報警電路。

圖2　車載設備系統框圖Fig.2Block diagram of the system of vehicle equipment

圖3　控制中心系統框圖Fig.3Central control system block diagram

該系統的優點是使用全球定位方式對列車進行定位，然后結合計算機及GPRS無線通信技術，提醒機車乘務員進入道口前提前鳴笛示警［4］，同時道口報警顯示牌顯示列車到達時間及速度，實現了信息的雙向傳輸。該系統缺點是在一些GPRS網絡的盲區，列車與鐵路道口設備的通信得不到保障［5］。

1.3基于工控機的鐵路道口監控系統

該系統由前端信號采集模塊、信息傳輸模塊、信息處理模塊、中心管理模塊4部分組成。前端采集模塊安裝于鐵路道口旁，完成對道口區域視頻信息的實時采集，主要包括攝像機、紅燈信號檢測器等部件。信息傳輸模塊完成對視頻、音頻及控制信號的傳輸，主要由光纜和光端機組成。信息處理模塊主要對前端采集到的圖像進行分析計算并能實時、快速的處理；中心管理系統負責對各種視頻內容進行采集、緩存和處理，由管理服務器組成。基于工控機的鐵路道口監控系統能為道口管理人員提供有圖像、有聲音的詳實的記錄，還可通過管理服務器聯網共同管理多個道口，為多道口聯動道口預警控制提供可靠的技術保障。但是該系統龐大復雜，造價高，在我國現有國情下，不具有普及性。

2　無線安全監控系統的設計與實現

綜合以上鐵路平交道口安全監控系統的分析，設計出無線安全監控系統。圖4所示為無線安全監控系統現場布置示意圖。磁電傳感器安裝在距離道口適宜距離的鐵軌上，當列車運行接近道口時，觸發傳感器，發射裝置將列車運行速度、方向等信息通過無線方式發射出去。接收裝置接收到信號后啟動報警系統，實現司機和道口值班人員的聯系［6］。

圖4　無線安全監控系統示意圖Fig.4Schematic diagram of wireless safety monitoring system

2.1發射裝置設計

發射裝置原理框圖如圖5所示［6］。其太陽能及蓄電池管理使用STC12LE5410AD芯片，控制和監測太陽能板及蓄電池充放電情況，并及時將信息發給主機微處理器；主機微處理器采用STC89C53R單片機；晶體振蕩器模塊采用高性能溫度補償晶體振蕩器及頻率校準電路；射頻功放由日本三菱公司的高頻大功率RA07H4452M模塊構成；自動功率調節模塊可使發射裝置輸出的射頻信號穩定，防止突變；射頻濾波器為七階低通濾波器，濾除各次諧波。

圖5　發射裝置框圖Fig.5Transmitting device block diagram

2.2接收報警裝置設計

接收報警裝置框圖如圖6所示。微處理器采用STC89C53R單片機；與電腦連接的接口電路使用標準接口芯片RS232C；數字解調使用芯片H31136，輸出經過低通濾波器后直接變為可用的方波信號；語音合成芯片采用AP89085，使用的編碼算法是ADPCM；音頻功放采用飛利浦公司低失真度TDA1514A芯片，具有極佳的高頻解析力［6］。

圖6　接收報警裝置框圖Fig.6Receiving and alarming device block diagram

2.3觸發傳感器和天線的位置

該系統最基本的指標是預警距離，這個距離應能確保道口異常情況下的列車緊急制動及無線信號傳輸的成功，相關參數計算如下：

按照維建斯基模型［7］：

其中：Ed為發射天線附近空間場強；Ht為發射天線高度，實際架設高度為4 m；Hd為接收天線高度，實際架設高度為3 m；λ為工作頻率的波長，實際工作頻率為150.8 MHz，波長為2 m；Pt為發射輸出功率，設計功率為10 W；d為通信距離m；G為系統增益，發射天線為3 dB，接收天線為3～6 dB；K為系統損耗，包括天線饋線電纜的損耗K1和接頭損耗K2，系統使用FB-05D電纜。

當發射電纜用5 m，接收電纜用4 m，每米損耗0.3 dB，則K1=0.3×9=2.7 dB；L16-5KB射頻接頭用4個，每個接頭損耗0.1 dB，則K2=0.1×4=0.4 dB；得到K=K1+K2=3.1dB。

代入數據計算得：

接收點最小場強Edmin=Sv+D

其中：Sv為接收機靈敏度，當信號速率為1 200 b/s時，Sv取值為17；D為通信成功率由50%提高到99%所必需增加的場強余量，根據日本Icon移動通信公司測試值，D取值為14.3 dB，因此：

從而得到：67.36-401gd＞31.3

2.4實驗數據

將觸發傳感器安裝在上行3 km、下行2 km處，通過多次實驗證明，當發射天線和接收天線架設在可見范圍內時，陰雨天信號可以穩定傳送5 km。若列車速度為200 km/h，則可在列車通過道口前1.5 min得到預警，能充分滿足列車通過道口時在緊急情況下的制動距離要求和時間的提前量。

3　結束語

通過對典型的鐵路平交道口報警系統的研究，并結合各系統的優缺點設計出鐵路平交道口無線安全監控系統。該系統結構簡單，成本低廉，能實現司機與道口之間的聯系，符合鐵道部《平交道道口自動控制或報警的技術要求》。隨著鐵路運輸事業的高速發展，鐵路安全及信息技術的應用也將發生重大變化，將會逐步從相對獨立、功能簡單的人工管理向智能化、網絡化、綜合化的自動管理發展。

［1］賈勝峰，寧濱.鐵路道口智能控制的研究［J］.中國鐵路，2005（7）：51-53. JIA Sheng-feng，NING Bin.Reserch on intelligent control of railway crossover［J］.Chinese Railways，2005（7）：51-53.

［2］何旭濤.單片機在鐵路道口自動報警系統中的設計［D］.大連交通大學，2009.

［3］雷亞平，肖洪祥，匡晚成，等.基于GPS和GPRS的鐵路道口報警系統的研究［J］.中國儀器儀表，2007（9）：31-32. LEI Ya-ping，XIAO Hong-xiang，KUANG Wan-cheng，et al. Research on alarm system for railway crossing based on GPS and GPRS［J］.China Instrumentation，2007（9）：31-32.

［4］楊文斌.基于GPS、GPRS的鐵路道口預警裝置［J］.上海鐵道科技，2006（1）：26-27. YANG Wen-bin.Railway crossing warning device based on GPS and GPRS［J］.Shanghai Railway Science&Technology，2006（1）：26-27.

［5］楊文斌，錢雪軍.基于GPS和GPRS的鐵路道口預警裝置的研究［J］.鐵路計算機應用，2006，9（15）：14-19. YANG Wen-bin，QIAN Xue-jun.Research on early warming device for railway crossing based on GPS and GPRS［J］. Railway Compute rApplicati on，2006，9（15）：14-19.

［6］徐志根，陳繼蘭，楊義克，等.提速鐵路道口安全監控系統的設計與實現［J］.西南交通大學學報，2011（1）：70-71. XU Zhi-gen，CHEN Ji-lan，YANG Yi-ke，et al.Design and realization of security monitoring system for speed-up rail way crossing［J］.Journal of Southwest Jiaotong University，2011（2）：70-71.

［7］唐文理.關于A.B.維建斯基公式的進一步改進［J］.西南科技大學學報，1990，5（2）：24-28. TANG Wen-li.An further improvement on B.A.Vijanskyps for mul［J］.Journa l of South west University of Science and Technology，1990，5（2）：24-28.

Railway level-crossing wireless safety monitoring system

LI Wen-feng1，LV Hong-juan1，2
（1.Communication and Information Engineering College，Xi'an University of Science and Technology，Xi'an 710054；China；2.Department of Electronic Information，Xi'an Railway Vocational&Technological Institute，Xi'an 710014，China）

This paper analyzes the characteristics and problems of three current railway crossing monitoring system：The crossing monitoring system based on SCM has simple structure and low cost，but the information can be transmitted unilaterally；the crossing monitoring system based on ARM，GPS and GPRS，realizes communication of crossing and the driver，but it doesn't work in the blind area of GPRS network；the composition of the crossing monitoring system based on IPC is very complex，costly.According to the analysis，a new wireless safety monitoring system is designed：When the train approaching the crossing trigger sensor，transmitting apparatus transmits the train running direction，speed and other information，through wireless way，after receiving the signal，receiving apparatus starts the alarm system.The system has the advantages of simple structure，low cost，which can realize the communication between the driver and the crossing operator. Calculation and experimental verification show that：even in rainy days，the early warning information can be received in 1.5 minutes before the train passing through the crossing，the system achieves the safety monitoring and information management of railway crossing.

railway level-crossing；Monitoring system；Single chip microcomputer；wireless

TN8

A

1674-6236（2015）20-0127-03

2015-01-06稿件編號：201501045

國家科技支撐計劃項目資助（2013BAK06B03）

李文峰（1969—），男，河南襄城人，教授，博士。研究方向：應急通信技術、礦山信息化技術、信號處理以及傳感器技術等。