陳艷平 徐偉人 上海鐵路局科研所

鐵路道口智能防護(hù)系統(tǒng)研制

陳艷平 徐偉人 上海鐵路局科研所

鐵路道口作為鐵路安全的薄弱環(huán)節(jié)，人身傷亡安全事故時有發(fā)生。隨著鐵路運營里程和速度地不斷提升，鐵路道口的安全防護(hù)壓力也越來越大。通過調(diào)研道口現(xiàn)有安全防護(hù)設(shè)備現(xiàn)狀，采用先進(jìn)安全控制理念和數(shù)字控制技術(shù)，研究一套鐵路道口智能防護(hù)系統(tǒng)，以有效防范道口安全事故的發(fā)生。

道口防護(hù)；單片機；安全控制；自動報警

1 概述

近年來我國鐵路建設(shè)快速發(fā)展，目前鐵路運營里程已突破1.12×105km。在鐵路路網(wǎng)不斷擴大的過程中，鐵路與公路的平交道口也越來越多。若要采用立交化方式解決，既存在諸多技術(shù)難題，費用也十分昂貴，這決定了平交道口在今后相當(dāng)長的一個時期內(nèi)仍將繼續(xù)存在于鐵路運輸生產(chǎn)中。同時，隨著鐵路行車速度、密度的不斷提高和公路車輛及行人的增多，平交道口易發(fā)生安全事故。

因此，本文利用單片機技術(shù)、傳感測量技術(shù)、有線通信技術(shù)和無線通信技術(shù)，研制出一種具有高可靠性的道口智能防護(hù)設(shè)備，在列車接近道口前發(fā)出聲光警報，提示道口職守人員進(jìn)行接車及行人、車輛停候等待列車通過；汽車在道口拋錨等其他緊急情況下道口欄桿不能及時放下時，該系統(tǒng)能自動向列車司機發(fā)送緊急停車指令，待道口恢復(fù)通行條件時通知列車可以通過。

2 系統(tǒng)方案組成

2.1 總體設(shè)計方案

鐵路道口安全智能防護(hù)系統(tǒng)的總體設(shè)計方案框圖如1所示，該系統(tǒng)集列車接近預(yù)警、欄桿開閉狀態(tài)檢測和道口故障報警功能于一體。系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計，模塊之間通過RS232、RS485方式進(jìn)行通信，獲取的信息通過中央控制子系統(tǒng)集中進(jìn)行邏輯判斷、控制、報警、顯示，操作按鈕集中安裝在控制臺上，統(tǒng)一操作。

系統(tǒng)采用單片機作為道口智能防護(hù)系統(tǒng)的核心，用安裝在鋼軌內(nèi)側(cè)成對的無源傳感器組成檢測點，感應(yīng)到來車信息通過無線傳送中央控制單元，最后根據(jù)道口欄桿的開閉狀態(tài)做出是否發(fā)出緊急停車報警的判斷。該系統(tǒng)主要包括中央控制單元、列車接近預(yù)警單元、無線故障報警單元、欄桿開閉檢測單元。

圖1 系統(tǒng)總體設(shè)計方案框圖

2.2 中央控制單元

中央控制單元由單片機主控板、顯示屏、語音功放、GPS時鐘、電源等組成。中央控制單元接收其他各單元的信息進(jìn)行綜合處理，其中單片機是系統(tǒng)的控制核心。單片機由于其速度快、價格低、功能強等諸多優(yōu)點，目前在智能化產(chǎn)品開發(fā)和傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)技術(shù)改造中得到廣泛應(yīng)用。本文采用了可靠性高、價位低、普及程度高的XMEGA128作為中央控制核心，具備32 MHz最大工作頻率，8個16位TC，8個串口，128KB FLASH，8KB SRAM，性價比高。它通過串口與其他各單元進(jìn)行通信連接，進(jìn)行綜合處理來實現(xiàn)系統(tǒng)功能，其通信硬件接口設(shè)計如圖2所示。

圖2 單片機通信硬件接口

2.3 列車接近預(yù)警單元

列車接近預(yù)警單元由來車感應(yīng)傳感器、無線發(fā)射和接收模塊、太陽能電池板、蓄電池等組成。本系統(tǒng)對傳感器的要求非常嚴(yán)格，要求適應(yīng)鐵路復(fù)雜的環(huán)境，靈敏度高且耐用，采用了凸出極磁電式軌道傳感器，此傳感器為永磁體材料，堅硬鑄鋼外殼，具有高溫度、高速比較器的特性。列車通過傳感器時切割磁力線，根據(jù)法拉第電磁感應(yīng)定律產(chǎn)生強大的脈沖信號，能夠充分滿足列車通過信號被有效采集；采用多重抗干擾措施，能夠比較有效的抑制靜電、雷擊、電磁等環(huán)境干擾。

為了能用單片機系統(tǒng)計算出火車的速度，在來車檢測端設(shè)計兩只傳感器并排連接，距離固定為1 m，這樣可以依據(jù)脈沖發(fā)生間隔時間算出火車的行駛速度，其測速原理如圖3所示。

圖3 電池傳感器測速原理圖

2.4 無線故障報警單元

無線故障報警單元由主CPU、記錄控制儀、電源管理模塊、通信模塊和無線發(fā)射模塊組成。無線故障報警單元是發(fā)送道口故障報警信息的設(shè)備，當(dāng)其接收到報警指令后，自動發(fā)出道口報警信息。當(dāng)?shù)揽诠收匣謴?fù)后，也可人工操作向司機發(fā)出平安通行信息。

故障報警信息是通過無線傳輸模塊來進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。無線傳輸模塊用于較遠(yuǎn)距離無線通信，通信距離2 000 m，主要由發(fā)射器、接收器和控制器等組成。它采用工業(yè)級設(shè)計，適用于室外惡劣環(huán)境；內(nèi)置軟硬件看門狗，保證系統(tǒng)不死機不掉線，極低的數(shù)據(jù)傳輸誤碼率，保證可靠性的同時節(jié)約成本。

2.5 欄桿開閉檢測單元

欄桿開閉檢測單元由水銀開關(guān)傳感器、角度傳感器、控制芯片等組成，欄桿開閉檢測傳感器安裝于道口旁的欄桿上，通過水銀開關(guān)傳感器的通斷和角度傳感器的角度值變化判斷欄桿開閉狀態(tài)。

欄桿開閉角度檢測采用了高精度三軸加速度傳感器ADXL345，該芯片MEMS技術(shù)配備SPI和I2C數(shù)字輸出，具有小巧輕薄、超低功耗、高分辨率等特點。模塊上電后，加速度使慣性質(zhì)量偏轉(zhuǎn)、差分電容失衡，使傳感器輸出的電壓值與加速度成正比。ADXL345不直接測量傾斜角度，而是通過測量靜止?fàn)顟B(tài)下x、y、z三軸的加速度，利用重力加速度與其在三軸加速度傳感器的x、y、z三軸的分量關(guān)系，計算出各軸與重力加速度的夾角，從而得出欄桿傾角。重力加速度在三軸的分量與傾角關(guān)系如圖4所示。

由此可推導(dǎo)出傾角解算公式為：

其中，Ax、Ay、Az為重力加速度在x、y、z三軸的分量。由于欄桿轉(zhuǎn)動過程中Ax接近于零，由此公式可簡化為

根據(jù)得到的β和γ傾角值，即可得到欄桿打開的角度。

圖4 重力加速度在三軸的分量與傾角關(guān)系

3 系統(tǒng)工作流程

如圖5系統(tǒng)平面布置圖所示，列車接近時，該系統(tǒng)在第一接近點檢測到來車信息后開始預(yù)警提示，屏幕上顯示列車上下行方向、速度并預(yù)計列車到達(dá)道口的時間，同時室內(nèi)外喇叭響起和信號閃爍提醒過往行人車輛注意安全，道口員及時關(guān)閉欄桿。當(dāng)列車到達(dá)第二接近點時對速度進(jìn)行修正，以防止列車中途變速行駛而導(dǎo)致倒計時時間偏差較大，同時自動判別欄桿開閉狀態(tài)，一旦欄桿故障或欄桿仍然處于打開狀態(tài)并持續(xù)一定時間，系統(tǒng)將自動啟動故障報警單元向司機發(fā)送道口故障報警信號，要求司機立即停車，確保道口行車安全。當(dāng)?shù)揽诠收吓懦⒃试S列車通過時，需人工按下“平安”按鍵約1 s，即可向司機發(fā)出平安通行指令，可以通過道口。

圖5 系統(tǒng)平面結(jié)構(gòu)示意圖

當(dāng)列車車頭經(jīng)過道口處的掛斷傳感器時，關(guān)閉無線故障報警功能，防止單機車通過時欄桿提早打開而誤報警。在列車車位通過掛斷傳感器后，系統(tǒng)進(jìn)入各單元自檢的來車等待狀態(tài)。系統(tǒng)軟件設(shè)計流程如圖6所示。

圖6 系統(tǒng)軟件設(shè)計流程圖

4 系統(tǒng)性能

（1）系統(tǒng)實施遵循故障導(dǎo)向安全的原則。在設(shè)備發(fā)生故障或錯誤操作下，仍能使其后果導(dǎo)向安全方面。

（2）道口故障報警信號的發(fā)送采用鐵路專用頻率，增強了信號的穩(wěn)定可靠性；系統(tǒng)備有人工報警和平安通過功能按鍵，能夠在設(shè)備單元故障等緊急情況下手動啟動故障報警功能。

（3）無線傳輸模塊采用校驗碼雙向通訊方式，確保了數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃院蜏?zhǔn)確性，同時對相鄰道口采用差異大的通信編碼和頻率，防止道口設(shè)備串碼接收錯誤。

（4）系統(tǒng)具有在線自檢功能，包括來車傳感器開路故障檢測、蓄電池低電壓檢測、太陽能電池板故障檢測、模塊間通信故障檢測等。當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)任何一種故障時都能夠發(fā)出故障語音提醒，提示設(shè)備出現(xiàn)故障應(yīng)及時報修，確保設(shè)備在道口防護(hù)中的可靠安全。

5 結(jié)束語

本系統(tǒng)能夠解決現(xiàn)階段鐵路道口長期存在的技術(shù)難題和要求，由人工控制轉(zhuǎn)為智能控制，適應(yīng)新時期鐵路道口智能防護(hù)技術(shù)的發(fā)展需求，是在現(xiàn)有道口防護(hù)技術(shù)上的改進(jìn)和創(chuàng)新。

責(zé)任編輯：王華 龔佩毅

來稿日期：2015-08-14