鐵路貨場平過道道口自動防護系統設計與實現

張德軍，邱培軍，李 映，荊長順

（1.中國鐵路青藏集團有限公司，西寧 810007；2.成都貨安計量技術中心有限公司，成都 611731）

近幾年，隨著我國經濟快速發展，鐵路貨場、物流園區、專用線的新建、改建及擴建，鐵路貨場、物流園區平過道的數量大量增加，而貨場平過道道口是鐵路和公路交通的結合部，平過道道口的安全既關系到鐵路行車安全，也關系到道路車輛和行人的安全。為加強鐵路貨場平過道道口運輸暢通和行車安全，研究開發一套安全、智能、高效、無人值守的自動防護系統應用于平過道道口，既能保障行人、機動車安全通行，消除平過道道口安全隱患，又能夠提高貨場平過道道口科技管理和安全管理水平，提高貨場調車作業效率，改善鐵路貨場平過道道口的安全狀況，降低平過道道口事故發生率，最大程度保護人民的生命財產安全[1]。

1 系統設計

1.1 系統邏輯結構

根據鐵路貨場平過道道口自動防護系統結構特點及用戶管理需求，系統邏輯結構，如圖1 所示[2]。

圖1 系統邏輯結構

（1）用戶展示層：為系統監控人員、安全管理人員及系統管理人員提供人機交互界面，通過該人機交互界面對整個貨場平過道過車、智能閘機抬桿/落桿等情況進行實時監控和遠程控制。

（2）業務處理層：通過JDBC API 接收經處理后的平過道道口車輛檢測及列車接近預警信息，完成現場設備的啟動、聯鎖邏輯及智能閘機、聲光提示的自動控制。

（3）數據處理層：通過TCP/IP 數據訪問協議，完成地感線圈、遠近端磁鋼傳感器數據的采集、轉換、糾錯、傳輸和存儲，形成系統相關業務系統的數據源[3]，應用服務器安裝有MySQL 數據庫，實現業務邏輯數據存儲和管理，解析處理客戶端的請求，把處理后的結果通過網絡返回到客戶端。

（4）前端設備層：通過前端采集設備實現列車接近平過道道口報警信息、列車通過平過道道口圖像視頻信息的實時采集，為業務系統通過數據源[4]。

1.2 系統控制工作原理

在鐵路貨場平過道道口兩端鋼軌上安裝遠端無源磁鋼和近端有源磁鋼。其中，遠端磁鋼檢測列車接近信息，近端磁鋼判斷列車進出平過道道口方向，記錄列車通過軸數。平過道道口安裝有智能閘機、檢測機動車車輛的地感線圈、平過道道口信號燈、高音喇叭、高清視頻監控攝像機，采集平過道道口車輛、行人、列車通行情況及閘機工作狀態。

（1）當列車接近平過道道口時，遠端磁鋼將檢測到列車接近信號實時傳送給系統中央處理單元，經處理轉換后，生成列車接近報警信息，控制平過道道口信號燈狀態信息發生變化，高音喇叭開始播放語音信息，警示機動車輛及行人通行。

（2）當平過道道口內停有車輛時，地感線圈輸出低電平信號，該信號通過數據線纜傳輸給中央處理單元，經處理轉換后，將控制信號傳輸給智能閘機和語音控制器，提示司機盡快通過平過道道口，并保持閘機處于抬桿狀態，車輛通過平過道道口對側地感線圈后，傳感器輸出高電平信號，中央處理單元向智能閘機發出落桿控制信號，同時將催促語音信息轉換為列車通過警示信息。

（3）當平過道道口內未停有車輛時，地感線圈輸出高電平信號，經中央處理單元處理轉換后，生成落桿控制信號，控制智能閘機落桿。

（4）列車通過平過道道口時，平過道道口兩端近端有源磁鋼開始記錄通過車輛軸數，將記錄數據實時傳輸給中央處理單元，中央處理單元對兩側記錄的軸數進行比對，當軸數相等時，說明列車已經安全通過平過道道口，中央處理單元向智能閘機發出抬桿控制指令，轉化平過道道口信號燈狀態信息，切斷語音控制器播報，否則，不發出抬桿控制指令[5]。

系統自動控制原理框圖，如圖2 所示。

圖2 系統自動控制原理

1.3 系統功能模塊

系統各模塊相互協作，共同配合，完成列車接近平過道道口信號自動采集、傳輸、存儲、轉換、輸出，實現整個系統的自動控制、信號燈燈光轉換及語音警示一系列功能。系統功能模塊框圖，如圖3所示。

圖3 系統功能模塊

1.3.1 平過道道口列車接近報警檢測模塊

平過道道口列車接近報警檢測模塊由遠端無源磁鋼、近端有源磁鋼、無源信號處理模塊、有源信號處理模塊、中央處理單元、信號燈控制模塊和高音喇叭組成。該模塊主要負責采集列車接近平過道道口信息，判別列車進出平過道道口方向，記錄通過平過道道口列車軸數，并將所采集的信息通過串口服務器傳遞給室外控制箱中的中央處理單元模塊，處理轉換后生成相應的控制信號，經接口控制模塊控制平過道道口交通信號燈及語音報警裝置，實現信號燈狀態轉換及語音報警，警示行人和機動車禁止通行[5]。平過道道口列車接近報警控制原理，如圖4 所示。

圖4 平過道道口列車接近報警控制原理

1.3.2 平過道道口智能閘機控制模塊

平過道道口智能閘機控制裝置主要由智能閘機、道閘欄桿、地感線圈等裝置和部件組成。該模塊主要負責控制平過道道口道閘欄桿的落桿與抬桿。

（1）當平過道道口地感線圈檢測到平過道道口內有機動車輛時，會將檢測到的信號通過數據總線實時發送給室外控制箱的中央處理單元模塊，分析處理后生成語音提示信號，通知機動車輛司機盡快通過平過道道口。當機動車輛通過平過道道口后，地感線圈將通過信息及時發送給中央處理單元，生成落桿控制信號，由直流繼電器控制模塊控制閘機落桿。

（2）當列車通過平過道道口后，中央處理單元分析判斷磁鋼所記錄的軸數，當平過道道口兩側磁鋼記錄軸數一致時，中央處理單元發出抬桿控制信號，由直流繼電器控制模塊控制閘機抬桿，同時變換平過道道口信號燈的控制狀態，行人和車輛可以正常通行。

平過道道口智能閘機控制原理，如圖5 所示。

圖5 平過道道口智能閘機控制原理

1.3.3 平過道道口高清視頻監控模塊

平過道道口高清視頻監控系統主要由兩臺高清攝像機、收發光端機，硬盤錄像機和計算機等組成。該模塊為一個獨立模塊，實現貨場平過道24h 全天候監控。高清攝像機實時采集平過道道口車輛、行人、列車通行情況及閘機工作狀態，所采集的視頻信息通過光端機、光纜及網絡設備實時保存在視頻服務器及監控中心上位機中，監控中心安全員可以通過上位機觀察、監視列車通過平過道道口情況，現場設備發生意外時，能夠及時通過語音對講及遠端控制做出應急處理。

1.3.4 遠程應急控制模塊

遠側應急控制模塊由上位機、交換機、串口服務器、光端機、中央處理單元組成。當出現特殊情況時，監控中心的安全人員可通過上位機遠程應急控制系統發出應急控制命令，通過網絡傳輸到串口服務器，生產串口信號，中央處理單元在接收到該信號處理轉換，控制平過道道口閘機抬桿或落桿。

1.3.5 語音警示模塊

語音警示模塊由語音功放、高音喇叭及通信線纜組成。列車車輛在接近貨場平過道道口時，語音警示系統在收到智能道閘機落桿指令后，立即播放“第X 貨物線有列車通過，現在準備落桿”，提示通過平過道道口機動車車輛司機、行人及監控中心人員注意。如果閘機欄桿正常落桿后，語音提示2次后停止播放；如果道閘機出現故障，未正常落桿，語音警示系統經判斷，發出報警提示，而且重復播放，直到監控中心人員確認后，停止播報。

1.3.6 語音對講模塊

語音對講模塊由麥克風、前端話放、光端機、音頻功放、喇叭組成。當火車即將通過平過道道口時，中央控制單元在接收到列車接近報警信號，控制循環播放語音芯片中的內容，警示過往的行人和車輛。

1.3.7 事故追責查詢模塊

當列車通過貨場平過道道口時，高清攝像機對通過平過道道口列車運行及道閘控制狀態進行實時錄像，錄像文件通過視頻信號傳輸線纜存儲監控中心硬盤錄像機中，當出現事故時，可以通過監控中心上位機按檢測點及錄像時間調取當時監控錄像，以判定事故發生的原因，追查事故責任。

1.4 系統網絡結構

系統網絡拓撲圖，如圖6 所示[6]。前端設備控制處理裝置通過標準TCP/IP 協議，完成前端設備數據采集、處理和控制，數據存儲管理中心實現數據的存儲和管理[7]。

圖6 系統網絡拓撲圖

2 系統實現

2.1 系統開發工具

系統由上位機管理系統及現場控制嵌入式系統組成。上位機管理系統客戶端架構使用基于ExtJS的Web desktop 應用框架，系統服務端邏輯功能使用Visual C#語言實現平過道道口業務邏輯處理和控制。現場控制嵌入式系統采用Visual Studio 開發工具，實現車輛列車檢測傳感器信號采集、處理，智能閘機、交通信號燈等子系統自動控制和管理。

2.2 關鍵技術

2.2.1 貨場平過道道口數學模型

平過道道口是鐵路貨場內火車、汽車及行人通行交匯點，在實際應用中復雜多變，從種類上主要分為貫通式、盡頭式2 種平過道，這2 種類型的平過道道口根據線路又可分為單股道、多股道平過道道口。有無道岔，是否有共用節點等實際應用情況，導致即便是同一個站場內的平過道道口也可能不會完全一致，如何開發出一套系統能夠適用于所有的平過道道口自動防護裝置系統成為了一個急需解決的技術難題。

項目組成員通過對國內大量的貨運站場平過道道口分布場景進行調研，提出根據項目功能需求將平過道道口應用抽象為一個統一的模型，這個模型既能夠滿足項目的功能需求，也能夠實現將任何復雜的平過道道口都分解為不同數量的基本模型，站場平過道數學模型，如圖7 所示。

圖7 站場平過道道口數學模型

在平過道道口的左右兩側各布置2 個傳感器，遠離平過道道口的信號監測傳感器作為車輛信號觸發裝置，當有列車接近或列車離開檢測區間時，將相關信號數據進行上傳，接近平過道道口的位置傳感器作為車輛位置檢測裝置，判斷列車是否已經或即將行駛到平過道道口位置，位置傳感器應離平過道道口較近以便于判斷列車是否已經正在平過道道口內，可減少列車被卸載到檢測區間內并觸發位置傳感器信號導致誤判車輛未出清的情況。

模型1：單股道無道岔

單股道無道岔數學模型可以簡化為，如圖8 所示。

圖8 單股道無道岔數學模型

列車具有2 條進路：A→B、B→A，如果平過道道口為盡頭線則只有一條進路。

模型2：單股道有道岔

單股道有道岔數學模型可以簡化為，如圖9 所示。

圖9 單股道有道岔數學模型

列車具 有4 條進路：A→B、A→C、B→A、C→A，如果平過道道口為盡頭線則只有2 條進路。

模型3：多股道無道岔

多股道無道岔數學模型可以簡化為，如圖10 所示。

圖10 多股道無道岔數學模型

列車具有4 條進路：A→B、B→A、C→D、D→C，如果平過道道口為盡頭線，仍可歸納為該模型。

模型4：多股道有道岔

多股道有道岔數學模型可以簡化為，如圖11 所示。

圖11 多股道有道岔數學模型

列車具有8 條進路：A→B、B→A、A→D、D→A、C→D、D→C、C→B、B→C，如果平過道道口為盡頭線，仍可歸納為該模型。

（1）平過道道口的算法實現了從數學模型到功能需求的轉化，借鑒微機聯鎖的設計思路，將平過道道口的所有軌道線路在軟件上轉換為邏輯鏈路，每條邏輯鏈路都是一個基本的平過道道口數學模型，多條邏輯鏈路在實際工作中可能出現車輛運行狀態不一致的情況，比如一條邏輯鏈路為來車狀態需要道閘落下，另一條邏輯鏈路可能為車輛出清狀態需要道閘開啟，在同一平過道道口下不可能出現2 種不同的控制狀態，因此需要對同一平過道道口下的所有邏輯鏈路進行狀態歸一化處理，保證一個平過道道口只能有一個控制狀態。

（2）根據鐵路系統導向安全的設計原則，在同一平過道道口不同邏輯鏈路出現道閘開啟、關閉的狀態時，應該取關閉狀態。

（3）對于同一平過道道口不同邏輯鏈路共用檢測傳感器節點的情況，需要在車輛進入后對共用節點的邏輯鏈路狀態進行更新保證共用節點的情況下只有一條正確的邏輯鏈路為來車狀態，防止因共用節點在程序判斷中出現2 條邏輯鏈路都為來車狀態，最終出現車輛出清后道閘正確開啟后又落下的情況，邏輯鏈路中的所有傳感器節點都為可映射配置，可配置當前傳感器在整個邏輯鏈路的左側遠端、左側近端還是右側遠端、右側近端，同時可配置當前傳感器的物理端口映射，保證當前接收的數據與映射配置正確對應[7-8]。

2.2.2 雙CAN 冗余設計

采用獨立的兩路CAN 總線實現命令的傳輸，程序內部算法處理保證接收到的雙CAN 命令或參數只執行一次，防止同一條命令因此雙CAN 接收到2 次從而執行2 次的問題，當一路CAN 總線故障時則可自動切換到另一路CAN 總線，保證CAN 通信網絡暢通。

3 系統實施方案

3.1 平過道道口列車接近報警檢測裝置

對于貫通式線路，應在距貨場平過道道口200m處兩端安裝遠端車輪傳感器，在距貨場平過道道口20m 處兩端安裝近端車輪傳感器；對于非貫通式線路，應在距貨場平過道道口200m 處一端安裝遠端車輪傳感器，應在距貨場平過道道口20m 處一端安裝近端車輪傳感器。

3.2 平過道道口高清視頻監控系統

在距離平過道道口中心約3m 遠的位置兩邊各安裝1 根水泥桿，在水泥桿距地面3m 處的L 型懸臂橫桿上各安裝1 臺高清攝像機，相互對射，確保能夠輻射整個平過道道口區域，實現平過道道口24h全天候，無死角監控。視頻圖像通過帶寬為100Mbit/s的場內局域網實時傳輸到硬盤錄像機。為了確保所采集的圖像質量，各平過道道口設置有夜間補光燈。

3.3 智能閘機控制系統

智能閘機控制系統主要由智能閘機、電子檔桿、地感線圈及處理控制系統組成。在鐵路貨場平過道道口兩邊3m 遠的位置安裝4 臺智能閘機，用于平過道道口有火車時攔截平過道道口兩邊的車輛，在距離鐵路股道鋼軌兩邊2.5m 遠的位置安裝4 個地感線圈，用于檢測平過道道口內是否停有機動車輛；處理控制系統用于實現智能閘機抬桿落桿業務邏輯處理[9]。

4 結束語

鐵路貨場平過道道口自動防護系統的設計與研究，使鐵路貨場平過道安全管理從“人工時代”轉向“智能時代”，提高了貨場平過道道口科技管理水平及貨場調車作業效率，保證了貨場各運輸工具、機動車輛和人員的安全，防止發生行車和人員傷亡事故，實現了平過道道口控制自動化和無人值守的設計目標，通過對系統的研究與設計，為鐵路貨場平過道道口安全管理積累了寶貴經驗，有利于推動貨場平過道道口安全防范措施的落實和管控。