秦武

摘 要： 列車接近無線報警系統(tǒng)自動采集列車接近信息，通過無線通信將采集到的報警信息傳輸?shù)较到y(tǒng)主機，實現(xiàn)了故障?安全原則，更有效的實現(xiàn)列車安全運行，可廣泛應用于鐵路道口、橋梁、隧道等地點，用來保證生命和財產(chǎn)安全。

關鍵詞： 列車接近報警； 無線通信； 報警信息傳輸； 故障?安全原則

中圖分類號： TN925?34 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2014）09?0117?04

0 引 言

鐵路和公路有眾多交叉道口，目前提速干線實現(xiàn)了封閉式、立交化，但在支線鐵路、地方鐵路線路以及港口、廠礦企業(yè)所屬的專用鐵路上，仍然存在一定數(shù)量的道口（以天津塘沽港口為例，就有多條鐵路專用線路形成的道口十多個），而鐵路部門由于人力和物力的限制，其中無人看守道口占很大比重[1]。由于目前汽車車輛的顯著增加，無人值守平交口的車流量大增，再加上氣候原因、行人及駕駛員安全意識淡漠、列車速度提高等多種原因，道口處的交通事故較多，嚴重影響鐵路行車安全。另外鐵路技術人員在鐵路線路上進行施工維護時，由于在長大橋梁、隧道，需要提前更長時間進行避讓列車，也需要在這些地點配備安全可靠的列車接近報警系統(tǒng)。

1 列車接近報警系統(tǒng)的發(fā)展

列車接近報警系統(tǒng)是指在鐵路平交道口上以及長大隧道、橋梁等地點裝設視覺和聽覺信號，以警示鐵路施工維護技術人員或者公路車輛和行人，保證人身安全的一種安全措施。

20世紀50年代我國也開始研制無人看守的列車接近報警信號和自動起落欄木設備。隨著鐵路安全型繼電器的廣泛采用，進入60年代后，利用感應器以及電磁繼電器組成的報警系統(tǒng)得到快速發(fā)展，但由于故障率較高，在實際鐵路現(xiàn)場通常采用人工方式，即采集列車接近信號利用自動感應方式，鐵路值班人員接收和觀察到列車接近信號后采取人工方式控制報警聲光系統(tǒng)和控制欄木起落，這種控制方式容易發(fā)生漏報、誤報等人為事故，嚴重影響行車安全[2]。

目前鐵路系統(tǒng)中使用的列車接近報警設備，均是通過信號電纜傳輸采集信息，施工工程量大，維護成本較高。雖然個別報警系統(tǒng)已經(jīng)實現(xiàn)采用計算機進行監(jiān)控，但是還需要在道口控制室內(nèi)安裝計算機。并且多數(shù)的自動檢測設備沒有計算機網(wǎng)絡通信功能，即使具有網(wǎng)絡通信功能的設備，也多是采用有線局域網(wǎng)的傳輸方式來連接控制室的系統(tǒng)主機，施工、維護及使用不便。

2 系統(tǒng)概述

2.1 系統(tǒng)簡介

本系統(tǒng)依靠無線通道進行列車接近信息的可靠傳遞，節(jié)省大量的電纜通道，減少投資；在無線數(shù)據(jù)采集及傳遞中，按照目前鐵路信號自動控制中廣泛采用的冗余切換技術及科學的容錯技術，保障系統(tǒng)在實際運輸環(huán)境中連續(xù)可靠、安全運行。系統(tǒng)適用于無人看守道口、也適用于有人看守道口、橋梁、隧道等地點。采用太陽能電池或者固定電源方式供電、以車輪感應電磁傳感器監(jiān)測列車接近信號，雙路進行采集，實現(xiàn)雙路對比驗證，經(jīng)感應信號無線發(fā)送設備組建冗余編碼后，由無線數(shù)據(jù)傳輸模塊按照一定的時間間隔向報警主機發(fā)送列車駛近報警信號，道口報警主機接收到報警信號后，經(jīng)過運算驗證后即按鐵路《技規(guī)》報警規(guī)程報警和解除報警。該無限接近報警系統(tǒng)能夠及時預報列車接近信息，同時顯示紅燈并發(fā)出音響告警聲，警示行人及車輛，提高了道口的安全性，為鐵路安全運輸提供強有力的保障。

列車接近無線自動報警系統(tǒng)傳輸報警信息的通道采用點對點的“多路多編碼的超遠距離無線接收、發(fā)射組件”；檢測列車駛近或駛離道口信息采用安置在鋼軌旁的電磁傳感器以及放大電路信號的有源、無源盤和報警用的閃光器、喇叭音響器等設備。

2.2 系統(tǒng)特點

（1） 報警系統(tǒng)無接點化，系統(tǒng)由可編程序控制器PLC（又稱工業(yè)控制計算機）替代了傳統(tǒng)的鐵路信號安全型電磁繼電器，由于繼電器本身是機電一體化部件，存在機械磨損，故障率較高，通過取消繼電器，大幅提高了系統(tǒng)的反應速度和安全性，減少了系統(tǒng)故障率[3]。

（2） 本系統(tǒng)依靠無線通道進行列車接近信息的可靠傳遞，節(jié)省了大量的信號電纜通道，由于電纜目前造價較高，而且施工量大，這樣就大幅降低信號工程的工作量以及施工和維護成本，減少工程投資。

（3） 在無線數(shù)據(jù)采集及傳遞中，應用目前鐵路信號自動控制中廣泛采用的冗余技術及科學的容錯技術；且報警系統(tǒng)與既有鐵路通信信號設備不發(fā)生任何聯(lián)系，是完全獨立的系統(tǒng)，保障系統(tǒng)在實際運輸環(huán)境中連續(xù)可靠、安全運行。

（4） 在列車接近道口的信息采集點及無人看守道口或無可靠電源的道口房內(nèi)采用太陽能電池供電。因而縮小了機柜體積，節(jié)省了電能，減少了電磁干擾及污染，它又是一套低碳、節(jié)能、環(huán)保的設備。

3 系統(tǒng)結構及工作原理

3.1 系統(tǒng)結構

列車接近無線自動報警系統(tǒng)設備的組成如圖1所示，它由道口信號機、道口音響器、列車接近道口檢知模塊、通信模塊、接口模塊、無線自動報警主機等部分組成。電源部分在報警點及無可靠交流電源的道口房內(nèi)，分別設一組太陽能電池板和一組蓄電池，其容量可視其耗電量及當?shù)貧夂驐l件決定。

圖1 列車接近無線自動報警系統(tǒng)結構圖

無線自動報警主機控制柜界面設置操作按鈕（復原按鈕、手動報警按鈕、故障按鈕、室內(nèi)音響控制按鈕、鐘/光切換按鈕）、相應表示燈以及蜂鳴器等，界面清晰，便于鐵路值班人員操作。

3.2 工作原理

3.1.1 系統(tǒng)整體工作原理

無線自動報警設備的工作過程如下：

當有列車經(jīng)過報警點的報警傳感器上方時，報警傳感器會把其感應電勢傳給列車接近檢知模塊，檢知模塊經(jīng)判斷、整形、放大后由點對點無線發(fā)送裝置以較大功率發(fā)送出去。

設在道口附近的與無線發(fā)送裝置配對的接收裝置收到報警點發(fā)來的有車信息后也要經(jīng)判斷、整形、放大后送至報警主機，再由報警主機控制道口信號機和音響器向公路方向發(fā)出燈光和音響報警。

當列車的最后一個輪對通過設置在道口報警解除輪對傳感器上方時，感應到的列車遠離信號無線傳遞到報警主機，便自動解除系統(tǒng)的聲光報警。

道口無線自動報警設備還設有手動報警、人工解除報警等人機對話功能，以靈活、方便地使用該系統(tǒng)。

3.1.2 無線自動報警的發(fā)送與接收設備工作原理

列車接近無線自動報警的發(fā)送、接收設備負責將采集到的列車輪對感應信號傳遞到報警主機，再由系統(tǒng)報警主機控制道口色燈信號機和報警音響設備處于開放報警狀態(tài)，從而警示道路上的汽車車輛和過往行人注意鐵路即將有列車到來，從而以確保道口人員及設備安全。

無線發(fā)送和接收設備采用“多路遠距離編碼無線發(fā)射、接收組件”（以下簡稱“組件”），其中心頻率為145 MHz，發(fā)送設備可輸出3～5 W的無線調頻信號，接收設備中有高品質的鑒頻、整形、解碼器件；這種組件內(nèi)部采用數(shù)字信號冗余結構進行排列，組建密碼重復度高達幾十萬組，并且只有在發(fā)送、接收編碼運算驗證完全一致時，才能使接收運算輸出惟一結果。該接收和發(fā)送系統(tǒng)具有保密性能好、遙控距離遠、抗外界干擾能力強等特點。

無線自動報警設備中的每個報警點需使用多路“組件”中的三路收、發(fā)系統(tǒng)，具體作用是：

第一路作為無線發(fā)送、接收設備的自檢。道口自動報警設備必須經(jīng)常處于正常工作的良好狀態(tài)，否則，當有列車接近道口時，將不能保證道口正常報警。 “自檢”是報警點每8 s向主機發(fā)送一次自檢信號，用來檢查無線發(fā)送與接收設備的正常工作，如接收設備不能按時收到“自檢”信號，則說明“組件”出現(xiàn)問題，應及時提請相關人員維修。

第二路用于發(fā)送報警點檢知的有列車接近道口的信息。

第三路用于報警點檢知列車的運行方向。

由于“組件”在同一時間內(nèi)只能收發(fā)一路信息，為避免沖突，采取的措施如下：一是如第一、第三路要同時發(fā)送信息，設計為第三路優(yōu)先發(fā)送；二是如第一、第二路要同時發(fā)送時，把每次的有車信息連續(xù)發(fā)送3～4次，這樣既保證主機能可靠收到有車接近道口的信息，又能使第一、第二路信息錯開發(fā)送。

由于有車接近道口的信息和列車運行方向信息是由安裝在不同地點的不同傳感器檢知的，因此其不可能造成重疊發(fā)送。

為了充分發(fā)揮報警設備的能力，經(jīng)過道口的每條鐵路線的上下行報警點各設一臺發(fā)送組件，而每條鐵路線在報警主機處則合用一臺無線接收組件，由于兩個報警點不可能同時出現(xiàn)有車接近道口和判別列車方向的信息，因此，對于同一臺接收設備也就不可能出現(xiàn)有車和判別列車方向信息的重疊。而上下行“自檢”信息是用不同頻率加以區(qū)分的。

3.1.3 無線自動報警主機工作流程

無線自動報警主機的工作流程如圖2所示，其工作過程如下：

（1） 接通電源對系統(tǒng)初始化；

（2） 報警點每8 s發(fā)送一次自檢信息，如主機收到信息下轉否則自動報警；

（3） 主機判斷是否收到報警點發(fā)來的方向信息，如收到則轉入（5）否則轉入（4）；

（4） 在沒有方向信息時，主機判斷是否收到報警點傳來的有車信息，如收到則自動的報警，否則下轉；

（5） 檢查是否手控報警，且手控報警優(yōu)先于自動報警，如是則報警，否則下轉；

（6） 主機收到設于道口旁的解除傳感器發(fā)來的解除信息或進行了手動解除報警操作后，經(jīng)3 s延時后解除報警。

圖2 無線自動報警主機工作流程

4 系統(tǒng)“故障?安全”原則的實現(xiàn)

設備的故障?安全體現(xiàn)在每個單元電路中，如每個單元電路都能滿足故障?安全原則，則系統(tǒng)便能滿足故障?安全原則?，F(xiàn)對單元電路的故障?安全分別說明如下：

4.1 列車檢知模塊

把列車的檢知模塊包括檢知傳感器設計成一定頻率的系統(tǒng)動態(tài)電路，動態(tài)電路的輸出便是這一頻率的脈沖。當動態(tài)電路中的任一元件（包括檢知傳感器）發(fā)生故障，都不能使動態(tài)電路輸出一定頻率的脈沖，從而滿足故障?安全原則。

列車接近檢知模塊電路是為滿足報警傳感器濾波、放大等特殊需要而設置的。列車接近檢知模塊電路分為有源型和無源型兩種，有源檢知模塊主要用于驅動道口報警，而無源檢知模塊主要用于判別列車運行方向和自動解除道口報警。

4.1.1 有源列車檢知模塊

有源檢知模塊電路原理如圖3所示。

“有源”是指平時在報警傳感器的線圈T1中通入一定的由電源供給的電流，則使圖3中的G1有一定偏流，調整G1的工作點使之工作在放大區(qū)，從而使G2按振蕩器的振蕩頻率導通和截止，則使電容器[C2]在G2截止時充電，在G2導通時經(jīng)過繼電器J1線圈放電。即平時J1一直保持有電吸起狀態(tài)。當有車輛駛過傳感器T1上方時，則在傳感器線圈T1中產(chǎn)生一定的感應電勢，由于[C1]的作用，它足以使G1在全部車輛駛過傳感器T1上方時一直飽和導通，從而使G2不再按振蕩器的振蕩頻率導通和截止而是一直截止，電容器[C2]不再有充、放電過程，進而使繼電器J1落下。

圖3 有源檢知模塊電路

綜上原理可知：一是平時無車接近道口，繼電器J1是吸起的，有車輛接近道口并駛過傳感器上方時，繼電器J1落下；二是當傳感器線圈T1短路或斷路時，都會像有車輛接近道口并駛過傳感器上方時的情況一樣，使G1截止或飽和導通而使G2一直飽和導通或截止，從而使G2不能正常有充、放電過程，則繼電器J1會落下；三是有源檢知模塊電路中的任一原件發(fā)生故障，都會像傳感器線圈T1短路或斷路的情況一樣，其結果都會使繼電器J1一直落下，從而符合故障?安全原則[4]。

4.1.2 無源檢知模塊

無源檢知模塊電路原理如圖4所示。

圖4 無源檢知模塊電路

“無源”是指平時在報警傳感器線圈T2中沒有由電源供給的電流流過。則使圖4中的G1在截止狀態(tài)，從而使電容[C2]充電，但繼電器J2落下。

當有車輛接近道口，而且是每有車輪輪對駛過傳感器T2上方時，都會在傳感器線圈T2中產(chǎn)生一個感應電勢，在這一感應電勢作用下，會使圖4中的G1飽和導通一次，而使電容器[C2]經(jīng)繼電器J2放電進而使繼電器J2吸起，車輪輪對駛離傳感器T2上方時，又會使電容[C2]充電，每一車輪輪對駛過傳感器T2上方都會重復這一過程，從而使繼電器J2在全部車輛駛過傳感器T2上方時一直保持吸起。和有源檢知模塊一樣，電路中的任一原件發(fā)生故障，都不會使電容器[C2]有充、放電過程，其結果都會使繼電器J2一直落下，符合故障?安全原則。

4.2 通信及接口模塊

把通信模塊設計成一套具有自檢功能的系統(tǒng)，即使通信模塊每8 s收、發(fā)一組自檢信號，當通信模塊不能收、發(fā)自檢信號時，便使主機自動報警。 接口模塊采用信息冗余方式，依靠增加信息的多余度來提高設備的可靠性，如在無線道口信號設備中，對于無車接近道口這樣重要的信息是每8 s就會從報警點向道口主機發(fā)送一次，道口收不到這種信息，將認為是有車接近道口。對確實有列車車輛接近道口的信息，從報警點向道口主機用一種頻率連續(xù)發(fā)送三次，用三取二的三模冗余提高其可靠性，而判別列車運行方向的信息是從報警點向報警主機用另一種頻率連續(xù)發(fā)送三次，以提高其可靠性，同時實現(xiàn)故障?安全原則[5]。

4.3 無線自動報警主機

無線自動報警主機本身具有自檢功能；

自動報警的工作流程是反復不斷的被執(zhí)行，一旦工作流程停止執(zhí)行，主機便會自動報警；

無線自動報警主機無論接收自檢信號、接近道口信息、運行方向信息中的哪種信息，都要接收信息的全部，也就是既要接收信息的脈沖部分又要接收信息的間隔部分。如果只接收脈沖或只接收間隔部分，則視為故障狀態(tài)，便使主機自動報警。

上述三點保證無線自動報警主機滿足鐵路信號控制系統(tǒng)的“故障?安全”原則。

5 結 語

本系統(tǒng)成功集成了傳統(tǒng)的列車接近道口、長大隧道及橋梁時的報警方法，結合無線通信技術，實現(xiàn)了信息發(fā)送的無線化，節(jié)省了投資，整個設計包含了硬件設計以及報警控制主機應用程序的編寫，包含了一個完整的開發(fā)流程，將鐵路現(xiàn)場實際應用與自動化控制理論進行了密切聯(lián)系，擴展了無線通信以及PLC可編程處理器的應用領域。該系統(tǒng)除具備使用便利、投資小、安全可靠性高等優(yōu)點外，同時具有簡單的操作界面，此系統(tǒng)除單線以外還開發(fā)有雙線和站場的道口自動報警，將在鐵路多種環(huán)境下得到廣泛應用，以減少事故發(fā)生，保證鐵路運輸安全。

參考文獻

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[13] 莊少群.基于無線通信實現(xiàn)的智能報警系統(tǒng)研究[J].科技創(chuàng)新報，2010（31）：13?16.

4.1.2 無源檢知模塊

無源檢知模塊電路原理如圖4所示。

圖4 無源檢知模塊電路

“無源”是指平時在報警傳感器線圈T2中沒有由電源供給的電流流過。則使圖4中的G1在截止狀態(tài)，從而使電容[C2]充電，但繼電器J2落下。

當有車輛接近道口，而且是每有車輪輪對駛過傳感器T2上方時，都會在傳感器線圈T2中產(chǎn)生一個感應電勢，在這一感應電勢作用下，會使圖4中的G1飽和導通一次，而使電容器[C2]經(jīng)繼電器J2放電進而使繼電器J2吸起，車輪輪對駛離傳感器T2上方時，又會使電容[C2]充電，每一車輪輪對駛過傳感器T2上方都會重復這一過程，從而使繼電器J2在全部車輛駛過傳感器T2上方時一直保持吸起。和有源檢知模塊一樣，電路中的任一原件發(fā)生故障，都不會使電容器[C2]有充、放電過程，其結果都會使繼電器J2一直落下，符合故障?安全原則。

4.2 通信及接口模塊

把通信模塊設計成一套具有自檢功能的系統(tǒng)，即使通信模塊每8 s收、發(fā)一組自檢信號，當通信模塊不能收、發(fā)自檢信號時，便使主機自動報警。 接口模塊采用信息冗余方式，依靠增加信息的多余度來提高設備的可靠性，如在無線道口信號設備中，對于無車接近道口這樣重要的信息是每8 s就會從報警點向道口主機發(fā)送一次，道口收不到這種信息，將認為是有車接近道口。對確實有列車車輛接近道口的信息，從報警點向道口主機用一種頻率連續(xù)發(fā)送三次，用三取二的三模冗余提高其可靠性，而判別列車運行方向的信息是從報警點向報警主機用另一種頻率連續(xù)發(fā)送三次，以提高其可靠性，同時實現(xiàn)故障?安全原則[5]。

4.3 無線自動報警主機

無線自動報警主機本身具有自檢功能；

自動報警的工作流程是反復不斷的被執(zhí)行，一旦工作流程停止執(zhí)行，主機便會自動報警；

無線自動報警主機無論接收自檢信號、接近道口信息、運行方向信息中的哪種信息，都要接收信息的全部，也就是既要接收信息的脈沖部分又要接收信息的間隔部分。如果只接收脈沖或只接收間隔部分，則視為故障狀態(tài)，便使主機自動報警。

上述三點保證無線自動報警主機滿足鐵路信號控制系統(tǒng)的“故障?安全”原則。

5 結 語

本系統(tǒng)成功集成了傳統(tǒng)的列車接近道口、長大隧道及橋梁時的報警方法，結合無線通信技術，實現(xiàn)了信息發(fā)送的無線化，節(jié)省了投資，整個設計包含了硬件設計以及報警控制主機應用程序的編寫，包含了一個完整的開發(fā)流程，將鐵路現(xiàn)場實際應用與自動化控制理論進行了密切聯(lián)系，擴展了無線通信以及PLC可編程處理器的應用領域。該系統(tǒng)除具備使用便利、投資小、安全可靠性高等優(yōu)點外，同時具有簡單的操作界面，此系統(tǒng)除單線以外還開發(fā)有雙線和站場的道口自動報警，將在鐵路多種環(huán)境下得到廣泛應用，以減少事故發(fā)生，保證鐵路運輸安全。

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[13] 莊少群.基于無線通信實現(xiàn)的智能報警系統(tǒng)研究[J].科技創(chuàng)新報，2010（31）：13?16.

4.1.2 無源檢知模塊

無源檢知模塊電路原理如圖4所示。

圖4 無源檢知模塊電路

“無源”是指平時在報警傳感器線圈T2中沒有由電源供給的電流流過。則使圖4中的G1在截止狀態(tài)，從而使電容[C2]充電，但繼電器J2落下。

當有車輛接近道口，而且是每有車輪輪對駛過傳感器T2上方時，都會在傳感器線圈T2中產(chǎn)生一個感應電勢，在這一感應電勢作用下，會使圖4中的G1飽和導通一次，而使電容器[C2]經(jīng)繼電器J2放電進而使繼電器J2吸起，車輪輪對駛離傳感器T2上方時，又會使電容[C2]充電，每一車輪輪對駛過傳感器T2上方都會重復這一過程，從而使繼電器J2在全部車輛駛過傳感器T2上方時一直保持吸起。和有源檢知模塊一樣，電路中的任一原件發(fā)生故障，都不會使電容器[C2]有充、放電過程，其結果都會使繼電器J2一直落下，符合故障?安全原則。

4.2 通信及接口模塊

把通信模塊設計成一套具有自檢功能的系統(tǒng)，即使通信模塊每8 s收、發(fā)一組自檢信號，當通信模塊不能收、發(fā)自檢信號時，便使主機自動報警。 接口模塊采用信息冗余方式，依靠增加信息的多余度來提高設備的可靠性，如在無線道口信號設備中，對于無車接近道口這樣重要的信息是每8 s就會從報警點向道口主機發(fā)送一次，道口收不到這種信息，將認為是有車接近道口。對確實有列車車輛接近道口的信息，從報警點向道口主機用一種頻率連續(xù)發(fā)送三次，用三取二的三模冗余提高其可靠性，而判別列車運行方向的信息是從報警點向報警主機用另一種頻率連續(xù)發(fā)送三次，以提高其可靠性，同時實現(xiàn)故障?安全原則[5]。

4.3 無線自動報警主機

無線自動報警主機本身具有自檢功能；

自動報警的工作流程是反復不斷的被執(zhí)行，一旦工作流程停止執(zhí)行，主機便會自動報警；

無線自動報警主機無論接收自檢信號、接近道口信息、運行方向信息中的哪種信息，都要接收信息的全部，也就是既要接收信息的脈沖部分又要接收信息的間隔部分。如果只接收脈沖或只接收間隔部分，則視為故障狀態(tài)，便使主機自動報警。

上述三點保證無線自動報警主機滿足鐵路信號控制系統(tǒng)的“故障?安全”原則。

5 結 語

本系統(tǒng)成功集成了傳統(tǒng)的列車接近道口、長大隧道及橋梁時的報警方法，結合無線通信技術，實現(xiàn)了信息發(fā)送的無線化，節(jié)省了投資，整個設計包含了硬件設計以及報警控制主機應用程序的編寫，包含了一個完整的開發(fā)流程，將鐵路現(xiàn)場實際應用與自動化控制理論進行了密切聯(lián)系，擴展了無線通信以及PLC可編程處理器的應用領域。該系統(tǒng)除具備使用便利、投資小、安全可靠性高等優(yōu)點外，同時具有簡單的操作界面，此系統(tǒng)除單線以外還開發(fā)有雙線和站場的道口自動報警，將在鐵路多種環(huán)境下得到廣泛應用，以減少事故發(fā)生，保證鐵路運輸安全。

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