韋 煒 陳 寧 趙朋軒 黃一中

1(西安文理學(xué)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(shè)計(jì)應(yīng)用

韋 煒1陳 寧1趙朋軒1黃一中2

1(西安文理學(xué)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(duì)鐵路平交道口缺乏完善的交通綜合自動(dòng)預(yù)警監(jiān)控，設(shè)計(jì)一套平交道口無(wú)人值守交通監(jiān)控系統(tǒng)。系統(tǒng)下位機(jī)是以PLC為控制核心，對(duì)道口交通警示標(biāo)志及設(shè)備進(jìn)行有效控制，并與由組態(tài)王構(gòu)建的上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)及遠(yuǎn)程監(jiān)控計(jì)算機(jī)建立動(dòng)態(tài)鏈接，實(shí)現(xiàn)本地和遠(yuǎn)程監(jiān)控道口狀態(tài)的功能。實(shí)驗(yàn)證明，該系統(tǒng)具有多模式操作、自動(dòng)化控制、安全穩(wěn)定性高和維護(hù)成本低的特點(diǎn)，能夠在減少交通事故發(fā)生和提高運(yùn)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(guó)，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(dǎo)致平交道口仍然存在。擁有警示標(biāo)志的平交道口通常是有人值守，并通過(guò)警示欄桿實(shí)現(xiàn)防護(hù)功能，但道口事故發(fā)生率較高，傷亡人員較多。國(guó)內(nèi)現(xiàn)有三萬(wàn)余處道口中，配備警示防護(hù)設(shè)備的占60%，其余均無(wú)任何警示防護(hù)裝置[1-2]。平交道口對(duì)于行人、車輛存在重大安全隱患。

市場(chǎng)上現(xiàn)有鐵路道口控制方式主要是人工控制和自動(dòng)控制。國(guó)外自動(dòng)控制系統(tǒng)已較成熟，例如：日本的MAPLE警報(bào)裝置可由傳感器采集列車接近信號(hào)，通過(guò)微控制器向行人、車輛發(fā)出預(yù)警[3]；美國(guó)的Hxp-3型報(bào)警設(shè)備具有定時(shí)預(yù)警、數(shù)據(jù)記錄等特點(diǎn)[4]。國(guó)內(nèi)的道口預(yù)警設(shè)備總體上存在自動(dòng)化程度不高，防護(hù)預(yù)警功能單一，控制系統(tǒng)體積大，操作和維護(hù)困難的缺點(diǎn)。

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

1 控制系統(tǒng)整體方案

根據(jù)我國(guó)鐵路道口預(yù)警規(guī)則，預(yù)警措施需在列車抵達(dá)2分鐘前完成。因?yàn)榻?jīng)過(guò)道口的所有火車最高時(shí)速為180 km/h，則檢測(cè)來(lái)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(cè)傳感器有14個(gè)，對(duì)稱分布，每間隔1 000 m布置一個(gè)，其中的A、B、C、D等4個(gè)傳感器同時(shí)用于道口防護(hù)設(shè)備控制。如圖1所示，當(dāng)列車駛?cè)? km檢測(cè)區(qū)域，啟動(dòng)道口防護(hù)裝置，以確保防護(hù)措施能在火車到達(dá)道口前2分鐘就位。

圖1 道口控制要求示意圖

該無(wú)人值守鐵路平交道口自動(dòng)控制系統(tǒng)由遠(yuǎn)程監(jiān)控計(jì)算機(jī)、本地上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)和下位機(jī)控制系統(tǒng)等三部分組成。其中下位機(jī)控制系統(tǒng)包含：壓力檢測(cè)、主控單元、自動(dòng)欄木、聲光報(bào)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(duì)道口交通警示標(biāo)志及設(shè)備進(jìn)行有效控制；本地上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)采用組態(tài)軟件進(jìn)行前臺(tái)界面和后臺(tái)程序設(shè)計(jì)，并通過(guò)網(wǎng)絡(luò)發(fā)布與遠(yuǎn)程監(jiān)控計(jì)算機(jī)建立動(dòng)態(tài)鏈接，形成本地與遠(yuǎn)程同時(shí)監(jiān)控的人機(jī)交互模式。

該控制系統(tǒng)有三種控制方式，即：自動(dòng)控制、手動(dòng)控制和遠(yuǎn)程控制。自動(dòng)控制可在無(wú)人看守的道口根據(jù)火車到來(lái)的傳感器信號(hào)觸發(fā)防護(hù)裝置和實(shí)現(xiàn)距離顯示；手動(dòng)控制可以對(duì)各模塊進(jìn)行測(cè)試，及時(shí)發(fā)現(xiàn)故障并處理，也可在突發(fā)狀況對(duì)防護(hù)裝置進(jìn)行手動(dòng)操作；遠(yuǎn)程控制可以通過(guò)網(wǎng)絡(luò)對(duì)道口狀態(tài)進(jìn)行遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)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(jī)控制系統(tǒng)

系統(tǒng)下位機(jī)被用于有效控制道口防護(hù)裝置，同時(shí)將實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳送至上位機(jī)。當(dāng)沒有火車通過(guò)時(shí)，道口綠燈亮，欄木處于抬起狀態(tài)，行人、車輛正常通行；當(dāng)壓力傳感器檢測(cè)到列車到來(lái)時(shí)，立即啟動(dòng)聲光報(bào)警器，并開始放下欄桿，紅色信號(hào)燈點(diǎn)亮，電子屏顯示距離。當(dāng)壓力傳感器檢測(cè)到列車駛離信號(hào)時(shí)，自動(dòng)取消報(bào)警并升起欄桿，綠色信號(hào)燈點(diǎn)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(diǎn)數(shù)為輸入14點(diǎn)，輸出10點(diǎn)，考慮適當(dāng)?shù)挠嗔?，再增?0%～20%的可擴(kuò)展，最終選用三菱FX2N-48MR-001可編程控制器。

在外部檢測(cè)防護(hù)設(shè)備的選型上，主要從穩(wěn)定性高、應(yīng)用廣等角度考慮，設(shè)備型號(hào)及特點(diǎn)如表1所示。

表1 檢測(cè)防護(hù)設(shè)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(cè)和控制的輸入輸出均為數(shù)字量，有14個(gè)數(shù)字輸入點(diǎn)，10個(gè)數(shù)字輸出點(diǎn)，根據(jù)系統(tǒng)的功能要求,對(duì)可編程控制器的I/O進(jìn)行相關(guān)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(cè)指令元件的一端均接入可編程控制器的相應(yīng)輸入端口，另一端共地，接入COM端。控制執(zhí)行元件均通過(guò)接觸器接入可編程控制器的相應(yīng)輸出端口，完成相應(yīng)的控制報(bào)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(shè)計(jì)

根據(jù)控制要求，系統(tǒng)開機(jī)，完成參數(shù)初始化。當(dāng)列車未進(jìn)入道口檢測(cè)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(hào)燈。當(dāng)列車進(jìn)入道口檢測(cè)區(qū)時(shí)，傳感器A檢測(cè)到來(lái)車信號(hào)，模擬復(fù)位開關(guān)X1按下，道口音響響起、道口欄木開始自動(dòng)下降、道口閃光燈為紅色信號(hào)燈，電子屏顯示6 000 m。在欄木下降過(guò)程中，如果還有汽車或行人未通過(guò)，檢測(cè)防卡的傳感器E得到信號(hào)，欄木停止下降，當(dāng)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(guān)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(dāng)列車通過(guò)道口后，電子屏顯示距離為0000 m，道口檢測(cè)傳感器C或D得到下降沿觸發(fā)后，電子屏熄滅，延時(shí)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(guān)觸發(fā)后，欄木停止上升。當(dāng)列車徹底離開道口檢測(cè)區(qū)域后，標(biāo)志位置位，檢測(cè)下一次來(lái)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(jī)監(jiān)控系統(tǒng)

組態(tài)軟件是一種面向工業(yè)自動(dòng)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(dòng)化設(shè)備的集中控制，也能由互聯(lián)網(wǎng)的多臺(tái)計(jì)算機(jī)完成復(fù)雜的大型分布式監(jiān)控。因此該上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)采用國(guó)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(jī)界面編程，利用實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)可使用戶不需深入現(xiàn)場(chǎng)，就可獲得現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)，優(yōu)化控制過(guò)程，提高道口通行安全。

3.1 后臺(tái)設(shè)置

組態(tài)王與可編程控制器之間通過(guò)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(shè)備之后，便可以通過(guò)上位機(jī)與可編程控制器I/O口的定義及相應(yīng)串口設(shè)置來(lái)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(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)交換均由I/O變量完成。因此，系統(tǒng)上位機(jī)和下位機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)上傳或下載時(shí)，均要設(shè)置I/O變量，同時(shí)將內(nèi)部運(yùn)算的中間變量設(shè)置為內(nèi)存變量。

上位機(jī)與下位機(jī)要完成數(shù)據(jù)交互，還需進(jìn)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(chǔ)上要選擇通信端口和相應(yīng)的通信參數(shù)。下位機(jī)的參數(shù)設(shè)置需要通過(guò)D8120寄存器來(lái)進(jìn)行設(shè)置，上述通信設(shè)置對(duì)應(yīng)的額控制字為H0436。

3.2 前臺(tái)設(shè)計(jì)與網(wǎng)絡(luò)發(fā)布

要完成上位機(jī)的人機(jī)交互界面設(shè)計(jì)，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(dòng)態(tài)圖形對(duì)象，將若干個(gè)對(duì)象按照疊加方式生成畫面，靜態(tài)畫面可由動(dòng)畫鏈接完成變量與圖素的映射關(guān)系。由下位機(jī)采集的道口現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)可實(shí)時(shí)反映到上位機(jī)人機(jī)交互畫面上。上位機(jī)監(jiān)控的各種典型實(shí)時(shí)監(jiān)控狀態(tài)如圖5所示。

(a) 道口初始狀態(tài)

(b) 列車進(jìn)入檢測(cè)區(qū)狀態(tài)

(c) 遠(yuǎn)程瀏鑒器監(jiān)控狀態(tài)

(d) 遠(yuǎn)程瀏覽器監(jiān)控狀態(tài)圖5 上位機(jī)監(jiān)控狀態(tài)圖

為了實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)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(jì)算機(jī)應(yīng)該綁定TCP/IP協(xié)議，在網(wǎng)絡(luò)參數(shù)頁(yè)中選擇連網(wǎng)選項(xiàng)，設(shè)置節(jié)點(diǎn)為本地服務(wù)器IP地址。在遠(yuǎn)程計(jì)算機(jī)端的瀏覽器地址欄輸入該地址，可看到如圖5(d)所示的遠(yuǎn)程前臺(tái)界面，可通過(guò)界面上的控制元件遠(yuǎn)程控制防護(hù)設(shè)備的動(dòng)作。

4 監(jiān)控系統(tǒng)調(diào)試結(jié)果

為了進(jìn)一步檢驗(yàn)監(jiān)控系統(tǒng)是否能夠?qū)崿F(xiàn)設(shè)計(jì)目標(biāo)，各執(zhí)行元件的邏輯動(dòng)作是否滿足設(shè)計(jì)要求，根據(jù)鐵路平交道口信號(hào)控制要求，搭建了模擬道口控制的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，如圖6所示。在進(jìn)一步的調(diào)試和模擬運(yùn)行中，發(fā)現(xiàn)并解決了設(shè)備、程序、工藝等方面出現(xiàn)的問(wèn)題。通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)，證明了該控制系統(tǒng)下位機(jī)輸入檢測(cè)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(jī)數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)實(shí)時(shí)性和人機(jī)交互良好，本地控制和遠(yuǎn)程控制靈敏有效，便于操作，可遠(yuǎn)程控制多個(gè)道口節(jié)點(diǎn)，能夠滿足道口信號(hào)控制要求。下一步可通過(guò)無(wú)線通信技術(shù)，將預(yù)警信息反饋至機(jī)車司機(jī)，使綜合預(yù)警監(jiān)控形成閉環(huán)系統(tǒng)。

圖6 系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試與模擬運(yùn)行圖

5 結(jié) 語(yǔ)

近些年來(lái)，為了提高平交道口管理水平、運(yùn)輸效率和安全性，道口信號(hào)控制出現(xiàn)了單片機(jī)控制、基于多參數(shù)邏輯運(yùn)算的城市平交道口交通信號(hào)控制、嵌入式無(wú)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(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)也為現(xiàn)代平交道口信號(hào)控制提供了一種有效參考。未來(lái)道口信號(hào)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(qiáng)、價(jià)格更低的小型化或微型化方向發(fā)展。同時(shí)向智能化和網(wǎng)絡(luò)化方向發(fā)展，開發(fā)出各種智能模塊，不斷增強(qiáng)過(guò)程控制能力，通信聯(lián)網(wǎng)功能不斷增強(qiáng)。

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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(xiàng)科研計(jì)劃項(xiàng)目(16JK2197);西安中瑞鐵路新技術(shù)有限公司橫向科研項(xiàng)目(HG2016-2)。韋煒，副教授，主研領(lǐng)域：機(jī)械工程測(cè)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