鐵路平交道口預警防護及遠程監控系統

曾惠明

（中國鐵路南寧局集團公司 科學技術研究所，工程師，廣西 南寧 530029）

1 概述

根據鐵路工務部門道口管理工作的需要，道口預警和管理設備必須具有列車接近預警，現場“一鍵觸發”式機車報警，道口人員作業監督，道口作業記錄存儲，道口作業記錄遠程查詢等幾大功能。目前，南寧局集團公司管內使用的道口預警及管理設備主要有四個廠商生產的設備，該四種設備由于開發時間較早，均存在不同程度的技術及功能缺陷，已經不能滿足當前工務部門對道口管理的現實需求。因此，有必要根據需求研制出一款新的鐵路平交道口預警及管理設備，對鐵路平交道口進行更好的管理，提高工務人員的工作效率，增強鐵路平交道口運行的安全性。

2 系統技術方案

“鐵路平交道口預警防護及遠程監控系統”由前端列車接近預警系統、道口作業監控系統、終端數據庫及遠程監控查詢軟件四大部分構成的綜合系統。當列車接近平交道口1.75 km時，前端列車接近預警系統檢測到列車信號后向道口房發出列車接近預警信號；道口作業監控系統可被操作向列車發出停車的報警語音，叫停列車，它通過查詢自身提供的在崗、作業等按鍵的工作狀態查詢道口人員是否在崗并記錄道口人員日常的作業步驟；終端數據庫主要接收不同道口傳回終端的作業數據并建立數據庫存儲；遠程監控查詢軟件則為工務道口管理人員提供了查詢檢索終端數據庫道口作業記錄的人機操作界面。系統框架示意圖如圖1所示：

圖1 系統框架示意圖

2.1 列車接近預警系統列車接近預警系統分為4 個部分：車輪檢測傳感器、檢測信號處理電路、無線通信傳輸、太陽能供電。

2.1.1 車輪檢測傳感器 本系統車輪檢測傳感器選取無源磁鋼傳感器。每一組車輪檢測是由兩個車輪檢測傳感器組成，按照固定距離安裝在同一鋼軌上，當車輪經過時，這兩個傳感器分別向信號處理電路輸出感應信號。

2.1.2 檢測信號處理電路 由車輪檢測傳感器輸出的信號有很多外界干擾，必須先對其進行一定硬件電路處理。檢測信號處理電路又分為信號輸入，整流濾波電路，比較電路和隔離電平轉換電路。

信號輸入是將傳感器輸出的信號進行電流電壓轉換，并且帶有穩壓保護作用，防止高速度車輪通過產生的高電壓或者雷電感應產生的高脈沖對電路的沖擊。

整流濾波電路是將信號的高頻干擾雜波過濾掉，并去掉負電壓部分，向比較器輸出一個正電壓的信號，與設定的脈沖觸發門限電壓進行比較，高于門限電壓，輸出為高電平，低于門限電壓，則輸出為低電平。由此當一個車輪經過車輪檢測傳感器后，產生并輸出一個方波，經電平轉換成單片機使用的TTL 電平。并且使用光耦隔離，防止傳感器及線路引進的干擾和雷電沖擊處理器。

2.1.3 無線通信傳輸 無線通信傳輸是在前端系統檢測到車輪信號后，將列車接近信號向道口房設備發送。在本系統當中，無線傳輸采用高性能射頻無線數字傳輸，使用兩個頻段傳輸，一個工作在410～441 MHz 頻段，一個工作在148～173.5 MHz，均是-121 dBm 靈敏度，兩種傳輸均使用擴頻技術，帶來更遠的通訊距離，且具有功率密度集中，抗干擾能力強的優勢。

2.1.4 太陽能供電 由于列車接近預警系統處于鐵路沿線距離道口房1.75 km 處，考慮到系統供電問題，選擇使用太陽能供電向列車接近預警系統提供電源，其由50 W 大功率太陽能電池板和40 AH 鋰電池組成；在無太陽光照下或者太陽能板故障時，鋰電池仍能向系統提供兩星期的穩定供電，完全滿足現場需要。

2.2 道口作業監控系統道口作業監控系統位于道口房內，它對道口作業人員日常作業步驟形成作業監控記錄并通過無線傳輸傳送到終端服務器進行存儲，在接收到前端設備的列車接近預警信號后道口作業監控系統啟動對道口作業人員和路過道口的行人進行列車接近聲光預警，在檢測到列車到達信號后停止預警；通過檢測道口攔門傳感器、在崗傳感器的運行狀態來判斷道口運行狀態，在道口作業人員未按照規定動作完成作業步驟時向其發出警告；提供“一鍵報警”功能，在道口遇到異常突發情況時，道口作業人員可以通過其緊急攔停列車。其具體的結構框圖如圖2所示：

圖2 道口作業監控系統結構圖

2.3 終端數據庫在系統設計當中，應用MySQL創建了一個用于存儲道口作業記錄信息的數據庫，用于存儲道口事件、道口事件id、道口設備、日志文檔、用戶信息等數據。

2.4 遠程監控查詢軟件遠程查詢軟件分為DTU道口設備服務端程序和鐵路道口設備查詢系統兩部分。

DTU 道口設備服務端程序的主要功能是與前端道口監控設備進行通信，獲取前端設備采集到的數據，同時可以遠程設置校正前端設備時間、遠程復位前端設備，并可遠程直接讀取前端設備在選定時間內的前端存儲的所有道口事件數據。

鐵路道口設備查詢系統主要分為PC 客戶端版和手機Android 版，PC 客戶端版的功能主要有道口狀態、道口事件查詢、道口定義、道口事件定義及用戶管理等，手機Android版道口查詢軟件具有道口設備狀態、道口事件查詢功能。

3 關鍵技術及實現

3.1 列車接近檢測的實現列車接近檢測是整套系統的設計基礎，大部分的邏輯判斷與檢測均是在檢測到列車接近的基礎上來完成的，因此，需要從設計上確保列車接近信號檢測的可靠性（原則為不漏報，少誤報）。

在具體的硬件設計當中，為保證車輪檢測的可靠性，從整體上進行雙機冗余設計。使用兩個磁鋼傳感器作為車輪檢測傳感器，傳感器的檢測信號經過兩路參數一樣的信號處理電路進行信號處理后分別輸入前端MCU 的兩個IO 引腳，使用1 K 的采集頻率對信號輸入的兩個IO 進行電平采集，無車情況下，IO 電平狀態是高電平，當有一個車輪經過時，產生一個低電平脈沖。利用車輪經過檢測傳感器產生的脈沖的時間特性，按時間對脈沖進行消抖和過濾，如小于10 ms 的脈沖，視為無效脈沖，被過濾掉。當脈沖恢復高電平達到一定時間，才認為結束一個脈沖，這樣消除了脈沖里發生的抖動現象或單個脈沖發裂成幾個小脈沖現象。

從軟件設計上定義安裝在遠離道口方向的傳感器為1號傳感器，靠近道口一端的傳感器為2號傳感器。當1號傳感器脈沖觸發時，查詢2號傳感器是否已經有脈沖觸發，如果沒有，表示該車輪是進入道口方向，記錄該車輪方向。兩個傳感器觸發結束后，表示1個完整軸結束，完整軸數加1。若某一傳感器故障，只有另一個傳感器產生脈沖觸發，則不計為完整軸數，只表示單傳感器軸數。當完整軸數達到2 個或以上，或者單傳感器軸數達到3個或以上時，邏輯判斷表示有列車通過，此時要向道口屋的主機發送有列車通過信息。列車行駛方向由完整軸記錄的方向判斷，當兩個完整軸的方向一致時，確定方向，當不一致時，增加一個完整軸繼續判斷，從邏輯判斷上采取3取2，盡可能準確做到精確判斷。如果是單傳感器軸無法確定列車行駛方向，發送無確定方向信息，則由道口房主機進行判斷方向。完整軸判斷出來的方向同樣也由道口房主機再次確認，以主機確認結果為主。列車速度是根據兩個檢測傳感器的安裝距離除以觸發的時間差來計算得出。又根據列車的最大軸距與脈沖寬度比，當脈沖結束后，無脈沖時間大于40 倍脈沖寬度以上的時間，表示當前列車完全通過檢測點，此時向道口房主機發送列車完全通過信息。

3.2 列車接近信號無線傳輸的實現前端列車接近信號無線傳輸硬件設計也采用了雙機冗余傳輸模式，使用兩路單獨的無線傳輸模塊，而且使用不同的工作傳輸頻段，互不干擾，當有一個頻段受到外界干擾，信號不能正常傳輸時，另一個頻段可以繼續工作，這就大大提高了信號在無線傳輸環節的可靠性和抗干擾能力。同時，在軟件邏輯設計上盡量防止外部干擾信號對無線傳輸的干擾影響。

在本系統的無線通信軟件設計當中使用有效握手協議通信，當分機（前端列車接近檢測系統）向主機（道口房作業監控主機）發送信息，主機接收到后，會向分機發送一個應答信息，表示主機已經收到。若分機接收不到主機的應答信息，分機會認為主機沒有收到，從而繼續向主機重發信息，直到收到主機的應答信息，或者重發次數達到一定次數。當重發次數達到了該次數后，仍然沒接收到主機的應答信息，則表示該次信息發送失敗，并且認為通信出現故障。在本系統的雙機工作模式中，形成雙通道通信，雙機分別是獨立工作，又互不干擾形式，分別在自己所用的無線頻段向主機發送列車通過信息。因為同樣的輸入信號，同樣的處理電路，因此雙機將會在同一時間檢測到相同的結果，同一時間達到發送列車信息的條件，需要同一時間向主機發送信息，但是在發送時，會先判斷對方是否正在發送中，將會等待對方發送結束后，再發送。這樣實現了雙通道互不干擾。

道口兩頭檢測點之間的區間段內也沒有過車的時候，道口房主機會每200 s主動向兩邊的檢測點分機發送查詢狀態心跳包。分機收到主機的查詢心跳包后，會將自檢的狀態信息發送給主機作為應答，主機收到應答后會認為通信正常，若主機沒有收到分機的應答連續超過一定次數，則會表示通信故障，此時主機顯示屏顯示前端設備通信故障，并向服務器發送提醒檢查維修信息。這樣便形成了通信互檢，第一時間發現通信故障的有效可靠的通信機制。

4 結束語

該系統樣機于2016年8月研制成功后在南寧局集團公司南寧工務段湘桂線K663 監護道口處安裝上線試用。試用期間，該系統很好地克服了電氣化區段行車對列車接近信號檢測及無線預警功能的干擾,能夠準確檢測到每趟列車接近道口并發出預警，道口管理人員可以準確查詢到道口作業的每一條記錄。

該系統已經獲得實用新型專利，授權證書號為2018021220181463，并已經申請發明專利。截至2020年12月該系統已經在南寧局集團公司南寧、柳州、桂林、玉林、欽州等工務段推廣使用18 套，按照南寧局集團公司計劃，正逐步在全局范圍內進行推廣使用。