李文峰，呂紅娟，2

（1.西安科技大學(xué)通信學(xué)院，陜西西安710054；2.西安鐵路職業(yè)技術(shù)學(xué)院陜西西安710014）

鐵路平交道口無線安全監(jiān)控系統(tǒng)

李文峰1，呂紅娟1，2

（1.西安科技大學(xué)通信學(xué)院，陜西西安710054；2.西安鐵路職業(yè)技術(shù)學(xué)院陜西西安710014）

文中分析了目前鐵路平交道口3種監(jiān)控系統(tǒng)的特點(diǎn)及不足：基于單片機(jī)的道口監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單、成本低廉，但該系統(tǒng)信息只能單向傳輸；基于ARM和GPS、GPRS的道口監(jiān)控系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了道口與司機(jī)的通信，但在GPRS網(wǎng)絡(luò)盲區(qū)通信得不到保障；基于工控機(jī)的道口監(jiān)控系統(tǒng)組成復(fù)雜，花費(fèi)巨大。基于以上的分析提出一種無線安全監(jiān)控系統(tǒng)方案：當(dāng)列車運(yùn)行接近道口時(shí)，觸發(fā)傳感器，發(fā)射裝置將列車運(yùn)行方向、速度等信息通過無線方式發(fā)射，接收裝置接收到信號(hào)后啟動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)。該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單、成本低廉、能實(shí)現(xiàn)司機(jī)與道口值班人員之間的聯(lián)系。通過計(jì)算和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證表明：即使在陰雨天，系統(tǒng)也可在列車通過道口前1.5min得到預(yù)警信息，實(shí)現(xiàn)了鐵路道口的安全監(jiān)控和信息管理。

鐵路平交道口；監(jiān)控系統(tǒng)；單片機(jī)；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(dá)數(shù)千人，道口安全成了鐵路運(yùn)輸安全的重要組成部分。由于道口現(xiàn)場環(huán)境、建設(shè)成本等因素的限制，在很長的時(shí)間內(nèi)還不可能對(duì)所有道口實(shí)現(xiàn)改造，列車要想快速、安全的通過道口，司機(jī)必須及時(shí)掌握道口情況，所以在鐵路道口需要建立一個(gè)有保障的安全監(jiān)控系統(tǒng)［1］。

1　幾種典型平交道口監(jiān)控系統(tǒng)分析

經(jīng)過資料查找和現(xiàn)場調(diào)查，目前廣泛應(yīng)用的有3種典型的監(jiān)控系統(tǒng)。

1.1基于單片機(jī)的鐵路平交道口監(jiān)控系統(tǒng)

基于單片機(jī)的鐵路平交道口安全監(jiān)控系統(tǒng)主要由傳感器系統(tǒng)、信號(hào)處理系統(tǒng)、單片機(jī)系統(tǒng)以及報(bào)警系統(tǒng)四部分組成，其系統(tǒng)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(hào)處理系統(tǒng)將采集到的信號(hào)進(jìn)行處理，并傳輸給控制系統(tǒng)，最后單片機(jī)按照程序完成道口交通燈、語音、欄木等預(yù)警及控制。

該系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)是系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單、成本低廉，不依賴鐵路電務(wù)、機(jī)車等其他系統(tǒng)。缺點(diǎn)是系統(tǒng)信息單向傳輸，在列車通過時(shí)，如果道口有意外情況發(fā)生，則不能及時(shí)把信息反饋給機(jī)車司機(jī)，有可能造成事故。

圖1　系統(tǒng)組成框圖Fig.1The system composition block diagram

1.2基于ARM和GPS、GPRS的鐵路道口監(jiān)控系統(tǒng)

這種監(jiān)控系統(tǒng)一部分為車載設(shè)備子系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)列車定位。車載系統(tǒng)使用ARM內(nèi)核芯片，構(gòu)成嵌入式系統(tǒng)，如圖2所示。另一部分為控制中心系統(tǒng)，主要由GPRS接收模塊、單片機(jī)控制模塊以及聲光報(bào)警模塊構(gòu)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(jī)對(duì)接收的信息進(jìn)行處理，并計(jì)算出列車預(yù)計(jì)到達(dá)時(shí)間，啟動(dòng)聲光報(bào)警電路。

圖2　車載設(shè)備系統(tǒng)框圖Fig.2Block diagram of the system of vehicle equipment

圖3　控制中心系統(tǒng)框圖Fig.3Central control system block diagram

該系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)是使用全球定位方式對(duì)列車進(jìn)行定位，然后結(jié)合計(jì)算機(jī)及GPRS無線通信技術(shù)，提醒機(jī)車乘務(wù)員進(jìn)入道口前提前鳴笛示警［4］，同時(shí)道口報(bào)警顯示牌顯示列車到達(dá)時(shí)間及速度，實(shí)現(xiàn)了信息的雙向傳輸。該系統(tǒng)缺點(diǎn)是在一些GPRS網(wǎng)絡(luò)的盲區(qū)，列車與鐵路道口設(shè)備的通信得不到保障［5］。

1.3基于工控機(jī)的鐵路道口監(jiān)控系統(tǒng)

該系統(tǒng)由前端信號(hào)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(duì)道口區(qū)域視頻信息的實(shí)時(shí)采集，主要包括攝像機(jī)、紅燈信號(hào)檢測(cè)器等部件。信息傳輸模塊完成對(duì)視頻、音頻及控制信號(hào)的傳輸，主要由光纜和光端機(jī)組成。信息處理模塊主要對(duì)前端采集到的圖像進(jìn)行分析計(jì)算并能實(shí)時(shí)、快速的處理；中心管理系統(tǒng)負(fù)責(zé)對(duì)各種視頻內(nèi)容進(jìn)行采集、緩存和處理，由管理服務(wù)器組成?；诠た貦C(jī)的鐵路道口監(jiān)控系統(tǒng)能為道口管理人員提供有圖像、有聲音的詳實(shí)的記錄，還可通過管理服務(wù)器聯(lián)網(wǎng)共同管理多個(gè)道口，為多道口聯(lián)動(dòng)道口預(yù)警控制提供可靠的技術(shù)保障。但是該系統(tǒng)龐大復(fù)雜，造價(jià)高，在我國現(xiàn)有國情下，不具有普及性。

2　無線安全監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

綜合以上鐵路平交道口安全監(jiān)控系統(tǒng)的分析，設(shè)計(jì)出無線安全監(jiān)控系統(tǒng)。圖4所示為無線安全監(jiān)控系統(tǒng)現(xiàn)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(dāng)列車運(yùn)行接近道口時(shí)，觸發(fā)傳感器，發(fā)射裝置將列車運(yùn)行速度、方向等信息通過無線方式發(fā)射出去。接收裝置接收到信號(hào)后啟動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)司機(jī)和道口值班人員的聯(lián)系［6］。

圖4　無線安全監(jiān)控系統(tǒng)示意圖Fig.4Schematic diagram of wireless safety monitoring system

2.1發(fā)射裝置設(shè)計(jì)

發(fā)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(jiān)測(cè)太陽能板及蓄電池充放電情況，并及時(shí)將信息發(fā)給主機(jī)微處理器；主機(jī)微處理器采用STC89C53R單片機(jī)；晶體振蕩器模塊采用高性能溫度補(bǔ)償晶體振蕩器及頻率校準(zhǔn)電路；射頻功放由日本三菱公司的高頻大功率RA07H4452M模塊構(gòu)成；自動(dòng)功率調(diào)節(jié)模塊可使發(fā)射裝置輸出的射頻信號(hào)穩(wěn)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(fā)射裝置框圖Fig.5Transmitting device block diagram

2.2接收?qǐng)?bào)警裝置設(shè)計(jì)

接收?qǐng)?bào)警裝置框圖如圖6所示。微處理器采用STC89C53R單片機(jī)；與電腦連接的接口電路使用標(biāo)準(zhǔn)接口芯片RS232C；數(shù)字解調(diào)使用芯片H31136，輸出經(jīng)過低通濾波器后直接變?yōu)榭捎玫姆讲ㄐ盘?hào)；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?qǐng)?bào)警裝置框圖Fig.6Receiving and alarming device block diagram

2.3觸發(fā)傳感器和天線的位置

該系統(tǒng)最基本的指標(biāo)是預(yù)警距離，這個(gè)距離應(yīng)能確保道口異常情況下的列車緊急制動(dòng)及無線信號(hào)傳輸?shù)某晒Γ嚓P(guān)參數(shù)計(jì)算如下：

按照維建斯基模型［7］：

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

當(dāng)發(fā)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(gè)，每個(gè)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(shù)據(jù)計(jì)算得：

接收點(diǎn)最小場強(qiáng)Edmin=Sv+D

其中：Sv為接收機(jī)靈敏度，當(dāng)信號(hào)速率為1 200 b/s時(shí)，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(qiáng)余量，根據(jù)日本Icon移動(dòng)通信公司測(cè)試值，D取值為14.3 dB，因此：

從而得到：67.36-401gd＞31.3

2.4實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

將觸發(fā)傳感器安裝在上行3 km、下行2 km處，通過多次實(shí)驗(yàn)證明，當(dāng)發(fā)射天線和接收天線架設(shè)在可見范圍內(nèi)時(shí)，陰雨天信號(hào)可以穩(wěn)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(yù)警，能充分滿足列車通過道口時(shí)在緊急情況下的制動(dòng)距離要求和時(shí)間的提前量。

3　結(jié)束語

通過對(duì)典型的鐵路平交道口報(bào)警系統(tǒng)的研究，并結(jié)合各系統(tǒng)的優(yōu)缺點(diǎn)設(shè)計(jì)出鐵路平交道口無線安全監(jiān)控系統(tǒng)。該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，成本低廉，能實(shí)現(xiàn)司機(jī)與道口之間的聯(lián)系，符合鐵道部《平交道道口自動(dòng)控制或報(bào)警的技術(shù)要求》。隨著鐵路運(yùn)輸事業(yè)的高速發(fā)展，鐵路安全及信息技術(shù)的應(yīng)用也將發(fā)生重大變化，將會(huì)逐步從相對(duì)獨(dú)立、功能簡單的人工管理向智能化、網(wǎng)絡(luò)化、綜合化的自動(dòng)管理發(fā)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(jī)在鐵路道口自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)中的設(shè)計(jì)［D］.大連交通大學(xué)，2009.

［3］雷亞平，肖洪祥，匡晚成，等.基于GPS和GPRS的鐵路道口報(bào)警系統(tǒng)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.

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［7］唐文理.關(guān)于A.B.維建斯基公式的進(jìn)一步改進(jìn)［J］.西南科技大學(xué)學(xué)報(bào)，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(hào)：201501045

國家科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目資助（2013BAK06B03）

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