韋 煒 陳 寧 趙朋軒 黃一中

1(西安文理學院 陜西 西安 710065) 2(西安中瑞鐵路新技術(shù)有限公司 陜西 西安 710065)

鐵道平交道口智能綜合交通監(jiān)控系統(tǒng)設計應用

韋 煒1陳 寧1趙朋軒1黃一中2

1(西安文理學院 陜西 西安 710065)2(西安中瑞鐵路新技術(shù)有限公司 陜西 西安 710065)

針對鐵路平交道口缺乏完善的交通綜合自動預警監(jiān)控，設計一套平交道口無人值守交通監(jiān)控系統(tǒng)。系統(tǒng)下位機是以PLC為控制核心，對道口交通警示標志及設備進行有效控制，并與由組態(tài)王構(gòu)建的上位機監(jiān)控系統(tǒng)及遠程監(jiān)控計算機建立動態(tài)鏈接，實現(xiàn)本地和遠程監(jiān)控道口狀態(tài)的功能。實驗證明，該系統(tǒng)具有多模式操作、自動化控制、安全穩(wěn)定性高和維護成本低的特點，能夠在減少交通事故發(fā)生和提高運輸效率方面起到一定作用。

平交道口 交通 監(jiān)控

0 引 言

在我國，由于鐵路列車不斷提速，立交道口逐步替代了平交道口，但道路和區(qū)域的多樣性導致平交道口仍然存在。擁有警示標志的平交道口通常是有人值守，并通過警示欄桿實現(xiàn)防護功能，但道口事故發(fā)生率較高，傷亡人員較多。國內(nèi)現(xiàn)有三萬余處道口中，配備警示防護設備的占60%，其余均無任何警示防護裝置[1-2]。平交道口對于行人、車輛存在重大安全隱患。

市場上現(xiàn)有鐵路道口控制方式主要是人工控制和自動控制。國外自動控制系統(tǒng)已較成熟，例如：日本的MAPLE警報裝置可由傳感器采集列車接近信號，通過微控制器向行人、車輛發(fā)出預警[3]；美國的Hxp-3型報警設備具有定時預警、數(shù)據(jù)記錄等特點[4]。國內(nèi)的道口預警設備總體上存在自動化程度不高，防護預警功能單一，控制系統(tǒng)體積大，操作和維護困難的缺點。

因此，需要研制一種針對平交道口能起到綜合防護預警作用的智能監(jiān)控系統(tǒng)。保證能在列車接近時，對行人及車輛進行警示和防護，排除安全隱患，提高通過效率。

1 控制系統(tǒng)整體方案

根據(jù)我國鐵路道口預警規(guī)則，預警措施需在列車抵達2分鐘前完成。因為經(jīng)過道口的所有火車最高時速為180 km/h，則檢測來車的傳感器分布在距離道口的S處：S=50 m/s×120 s=6 km。距離檢測傳感器有14個，對稱分布，每間隔1 000 m布置一個，其中的A、B、C、D等4個傳感器同時用于道口防護設備控制。如圖1所示，當列車駛?cè)? km檢測區(qū)域，啟動道口防護裝置，以確保防護措施能在火車到達道口前2分鐘就位。

圖1 道口控制要求示意圖

該無人值守鐵路平交道口自動控制系統(tǒng)由遠程監(jiān)控計算機、本地上位機監(jiān)控系統(tǒng)和下位機控制系統(tǒng)等三部分組成。其中下位機控制系統(tǒng)包含：壓力檢測、主控單元、自動欄木、聲光報警器和距離顯示裝置，主控單元采用可編程控制器作為控制核心，對道口交通警示標志及設備進行有效控制；本地上位機監(jiān)控系統(tǒng)采用組態(tài)軟件進行前臺界面和后臺程序設計，并通過網(wǎng)絡發(fā)布與遠程監(jiān)控計算機建立動態(tài)鏈接，形成本地與遠程同時監(jiān)控的人機交互模式。

該控制系統(tǒng)有三種控制方式，即：自動控制、手動控制和遠程控制。自動控制可在無人看守的道口根據(jù)火車到來的傳感器信號觸發(fā)防護裝置和實現(xiàn)距離顯示；手動控制可以對各模塊進行測試，及時發(fā)現(xiàn)故障并處理，也可在突發(fā)狀況對防護裝置進行手動操作；遠程控制可以通過網(wǎng)絡對道口狀態(tài)進行遠程實時監(jiān)控?？刂葡到y(tǒng)組成如圖2所示。

圖2 控制系統(tǒng)組成框圖

2 下位機控制系統(tǒng)

系統(tǒng)下位機被用于有效控制道口防護裝置，同時將實時數(shù)據(jù)傳送至上位機。當沒有火車通過時，道口綠燈亮，欄木處于抬起狀態(tài)，行人、車輛正常通行；當壓力傳感器檢測到列車到來時，立即啟動聲光報警器，并開始放下欄桿，紅色信號燈點亮，電子屏顯示距離。當壓力傳感器檢測到列車駛離信號時，自動取消報警并升起欄桿，綠色信號燈點亮。

2.1 硬件選型

在可編程控制器的選擇上，主要從成本低、功能夠等角度考慮，根據(jù)該系統(tǒng)的控制要求，所需可編程控制器的I/O點數(shù)為輸入14點，輸出10點，考慮適當?shù)挠嗔?，再增?0%～20%的可擴展，最終選用三菱FX2N-48MR-001可編程控制器。

在外部檢測防護設備的選型上，主要從穩(wěn)定性高、應用廣等角度考慮，設備型號及特點如表1所示。

表1 檢測防護設備選型表

2.2 可編程控制器I/O分配及硬件接線

該系統(tǒng)的檢測和控制的輸入輸出均為數(shù)字量，有14個數(shù)字輸入點，10個數(shù)字輸出點，根據(jù)系統(tǒng)的功能要求,對可編程控制器的I/O進行相關配置，具體分配如表2所示。

表2 數(shù)字輸入輸出量地址分配表

系統(tǒng)的檢測指令元件的一端均接入可編程控制器的相應輸入端口，另一端共地，接入COM端?？刂茍?zhí)行元件均通過接觸器接入可編程控制器的相應輸出端口，完成相應的控制報警功能。其硬件接線如圖3所示。

圖3 可編程控制器硬件接線圖

2.3 軟件設計

根據(jù)控制要求，系統(tǒng)開機，完成參數(shù)初始化。當列車未進入道口檢測區(qū)，道口音響停、道口欄木在最高位、道口閃光燈為綠色信號燈。當列車進入道口檢測區(qū)時，傳感器A檢測到來車信號，模擬復位開關X1按下，道口音響響起、道口欄木開始自動下降、道口閃光燈為紅色信號燈，電子屏顯示6 000 m。在欄木下降過程中，如果還有汽車或行人未通過，檢測防卡的傳感器E得到信號，欄木停止下降，當汽車或行人徹底離開道口后，欄木繼續(xù)開始下降，直到觸碰到下限位開關后停止，電子屏依次顯示距離為5 000 m、4 000 m、3 000 m、2 000 m、1 000 m。當列車通過道口后，電子屏顯示距離為0000 m，道口檢測傳感器C或D得到下降沿觸發(fā)后，電子屏熄滅，延時5秒后，道口音響停，道口閃光燈由紅色變?yōu)榫G色，道口欄木開始上升，直到上升到上限位開關觸發(fā)后，欄木停止上升。當列車徹底離開道口檢測區(qū)域后，標志位置位，檢測下一次來車。系統(tǒng)邏輯控制流程如圖4所示。

圖4 系統(tǒng)邏輯控制流程圖

3 上位機監(jiān)控系統(tǒng)

組態(tài)軟件是一種面向工業(yè)自動化的通用數(shù)據(jù)采集和監(jiān)控軟件，其提供了豐富的監(jiān)控功能，不僅可以完成小型自動化設備的集中控制，也能由互聯(lián)網(wǎng)的多臺計算機完成復雜的大型分布式監(jiān)控。因此該上位機監(jiān)控系統(tǒng)采用國內(nèi)使用較為廣泛的組態(tài)王軟件。使用組態(tài)王的圖形控件可高效完成人機界面編程，利用實時數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)可使用戶不需深入現(xiàn)場，就可獲得現(xiàn)場數(shù)據(jù)，優(yōu)化控制過程，提高道口通行安全。

3.1 后臺設置

組態(tài)王與可編程控制器之間通過串行口交換數(shù)據(jù)，在組態(tài)王中選擇可編程控制器作為外部設備之后，便可以通過上位機與可編程控制器I/O口的定義及相應串口設置來交換數(shù)據(jù)。

在組態(tài)王的數(shù)據(jù)詞典中，系統(tǒng)和自定義變量包含豐富的基本類和特殊類變量，基本類包括內(nèi)存和I/O變量。與外部設備進行數(shù)據(jù)交換均由I/O變量完成。因此，系統(tǒng)上位機和下位機進行數(shù)據(jù)上傳或下載時，均要設置I/O變量，同時將內(nèi)部運算的中間變量設置為內(nèi)存變量。

上位機與下位機要完成數(shù)據(jù)交互，還需進行通信配置。首先要選擇通信方式，常用的是RS-232串行通信，在此基礎上要選擇通信端口和相應的通信參數(shù)。下位機的參數(shù)設置需要通過D8120寄存器來進行設置，上述通信設置對應的額控制字為H0436。

3.2 前臺設計與網(wǎng)絡發(fā)布

要完成上位機的人機交互界面設計，首先要在開發(fā)環(huán)境中建立工程，根據(jù)交互需求構(gòu)建靜態(tài)或動態(tài)圖形對象，將若干個對象按照疊加方式生成畫面，靜態(tài)畫面可由動畫鏈接完成變量與圖素的映射關系。由下位機采集的道口現(xiàn)場數(shù)據(jù)可實時反映到上位機人機交互畫面上。上位機監(jiān)控的各種典型實時監(jiān)控狀態(tài)如圖5所示。

(a) 道口初始狀態(tài)

(b) 列車進入檢測區(qū)狀態(tài)

(c) 遠程瀏鑒器監(jiān)控狀態(tài)

(d) 遠程瀏覽器監(jiān)控狀態(tài)圖5 上位機監(jiān)控狀態(tài)圖

為了實現(xiàn)遠程監(jiān)控，首先必須在組態(tài)王工程瀏覽器窗口中選擇聯(lián)網(wǎng)模式，并與計算機應該綁定TCP/IP協(xié)議，在網(wǎng)絡參數(shù)頁中選擇連網(wǎng)選項，設置節(jié)點為本地服務器IP地址。在遠程計算機端的瀏覽器地址欄輸入該地址，可看到如圖5(d)所示的遠程前臺界面，可通過界面上的控制元件遠程控制防護設備的動作。

4 監(jiān)控系統(tǒng)調(diào)試結(jié)果

為了進一步檢驗監(jiān)控系統(tǒng)是否能夠?qū)崿F(xiàn)設計目標，各執(zhí)行元件的邏輯動作是否滿足設計要求，根據(jù)鐵路平交道口信號控制要求，搭建了模擬道口控制的現(xiàn)場實驗平臺，如圖6所示。在進一步的調(diào)試和模擬運行中，發(fā)現(xiàn)并解決了設備、程序、工藝等方面出現(xiàn)的問題。通過現(xiàn)場實驗，證明了該控制系統(tǒng)下位機輸入檢測和輸出邏輯控制滿足控制要求，具有較好的穩(wěn)定性。上位機數(shù)據(jù)監(jiān)測實時性和人機交互良好，本地控制和遠程控制靈敏有效，便于操作，可遠程控制多個道口節(jié)點，能夠滿足道口信號控制要求。下一步可通過無線通信技術(shù)，將預警信息反饋至機車司機，使綜合預警監(jiān)控形成閉環(huán)系統(tǒng)。

圖6 系統(tǒng)現(xiàn)場調(diào)試與模擬運行圖

5 結(jié) 語

近些年來，為了提高平交道口管理水平、運輸效率和安全性，道口信號控制出現(xiàn)了單片機控制、基于多參數(shù)邏輯運算的城市平交道口交通信號控制、嵌入式無人值守道口控制等控制方式，組態(tài)王和可編程控制器構(gòu)成的監(jiān)控系統(tǒng)設計與實現(xiàn)也為現(xiàn)代平交道口信號控制提供了一種有效參考。未來道口信號控制的發(fā)展在系統(tǒng)構(gòu)成規(guī)模上，向體積更小、速度更快、功能更強、價格更低的小型化或微型化方向發(fā)展。同時向智能化和網(wǎng)絡化方向發(fā)展，開發(fā)出各種智能模塊，不斷增強過程控制能力，通信聯(lián)網(wǎng)功能不斷增強。

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DESIGNANDAPPLICATIONOFRAILROADGRADECROSSINGINTELLIGENTTRAFFICMONITORINGSYSTEM

Wei Wei1Chen Ning1Zhao Pengxuan1Huang Yizhong2

1(Xi’anUniversity,Xi’an710065,Shaanxi,China)2(Xi’anZhongRuiRailwayNewTechnologyCo.,Ltd.,Xi’an710065,Shaanxi,China)

Aiming at the lack of comprehensive traffic automatic warning and monitoring of the railway crossing, a set of unmanned traffic monitoring system was designed. The remote computer used PLC as the control core, had the effective control of road traffic warning signs and equipment and also built the establishment of a dynamic link with the PC monitoring system constructed by Kingview and remoted monitoring computer to achieve local and remoted monitoring of crossing. Experimental results showed that the system had the characteristics of multi-mode operation, automatic control, high safety and stability and low maintenance cost. It could play a role in reducing traffic accidents and improving the efficiency of transportation.

Railroad grade crossing Traffic Monitor

2017-03-02。陜西省教育廳專項科研計劃項目(16JK2197);西安中瑞鐵路新技術(shù)有限公司橫向科研項目(HG2016-2)。韋煒，副教授，主研領域：機械工程測試與控制。陳寧，碩士生。趙朋軒，碩士生。黃一中，高工。

TP3

A

10.3969/j.issn.1000-386x.2017.12.025