曾惠明

（中國(guó)鐵路南寧局集團(tuán)公司 科學(xué)技術(shù)研究所，工程師，廣西 南寧 530029）

1 概述

根據(jù)鐵路工務(wù)部門道口管理工作的需要，道口預(yù)警和管理設(shè)備必須具有列車接近預(yù)警，現(xiàn)場(chǎng)“一鍵觸發(fā)”式機(jī)車報(bào)警，道口人員作業(yè)監(jiān)督，道口作業(yè)記錄存儲(chǔ)，道口作業(yè)記錄遠(yuǎn)程查詢等幾大功能。目前，南寧局集團(tuán)公司管內(nèi)使用的道口預(yù)警及管理設(shè)備主要有四個(gè)廠商生產(chǎn)的設(shè)備，該四種設(shè)備由于開(kāi)發(fā)時(shí)間較早，均存在不同程度的技術(shù)及功能缺陷，已經(jīng)不能滿足當(dāng)前工務(wù)部門對(duì)道口管理的現(xiàn)實(shí)需求。因此，有必要根據(jù)需求研制出一款新的鐵路平交道口預(yù)警及管理設(shè)備，對(duì)鐵路平交道口進(jìn)行更好的管理，提高工務(wù)人員的工作效率，增強(qiáng)鐵路平交道口運(yùn)行的安全性。

2 系統(tǒng)技術(shù)方案

“鐵路平交道口預(yù)警防護(hù)及遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)”由前端列車接近預(yù)警系統(tǒng)、道口作業(yè)監(jiān)控系統(tǒng)、終端數(shù)據(jù)庫(kù)及遠(yuǎn)程監(jiān)控查詢軟件四大部分構(gòu)成的綜合系統(tǒng)。當(dāng)列車接近平交道口1.75 km時(shí)，前端列車接近預(yù)警系統(tǒng)檢測(cè)到列車信號(hào)后向道口房發(fā)出列車接近預(yù)警信號(hào)；道口作業(yè)監(jiān)控系統(tǒng)可被操作向列車發(fā)出停車的報(bào)警語(yǔ)音，叫停列車，它通過(guò)查詢自身提供的在崗、作業(yè)等按鍵的工作狀態(tài)查詢道口人員是否在崗并記錄道口人員日常的作業(yè)步驟；終端數(shù)據(jù)庫(kù)主要接收不同道口傳回終端的作業(yè)數(shù)據(jù)并建立數(shù)據(jù)庫(kù)存儲(chǔ)；遠(yuǎn)程監(jiān)控查詢軟件則為工務(wù)道口管理人員提供了查詢檢索終端數(shù)據(jù)庫(kù)道口作業(yè)記錄的人機(jī)操作界面。系統(tǒng)框架示意圖如圖1所示：

圖1 系統(tǒng)框架示意圖

2.1 列車接近預(yù)警系統(tǒng)列車接近預(yù)警系統(tǒng)分為4 個(gè)部分：車輪檢測(cè)傳感器、檢測(cè)信號(hào)處理電路、無(wú)線通信傳輸、太陽(yáng)能供電。

2.1.1 車輪檢測(cè)傳感器 本系統(tǒng)車輪檢測(cè)傳感器選取無(wú)源磁鋼傳感器。每一組車輪檢測(cè)是由兩個(gè)車輪檢測(cè)傳感器組成，按照固定距離安裝在同一鋼軌上，當(dāng)車輪經(jīng)過(guò)時(shí)，這兩個(gè)傳感器分別向信號(hào)處理電路輸出感應(yīng)信號(hào)。

2.1.2 檢測(cè)信號(hào)處理電路 由車輪檢測(cè)傳感器輸出的信號(hào)有很多外界干擾，必須先對(duì)其進(jìn)行一定硬件電路處理。檢測(cè)信號(hào)處理電路又分為信號(hào)輸入，整流濾波電路，比較電路和隔離電平轉(zhuǎn)換電路。

信號(hào)輸入是將傳感器輸出的信號(hào)進(jìn)行電流電壓轉(zhuǎn)換，并且?guī)в蟹€(wěn)壓保護(hù)作用，防止高速度車輪通過(guò)產(chǎn)生的高電壓或者雷電感應(yīng)產(chǎn)生的高脈沖對(duì)電路的沖擊。

整流濾波電路是將信號(hào)的高頻干擾雜波過(guò)濾掉，并去掉負(fù)電壓部分，向比較器輸出一個(gè)正電壓的信號(hào)，與設(shè)定的脈沖觸發(fā)門限電壓進(jìn)行比較，高于門限電壓，輸出為高電平，低于門限電壓，則輸出為低電平。由此當(dāng)一個(gè)車輪經(jīng)過(guò)車輪檢測(cè)傳感器后，產(chǎn)生并輸出一個(gè)方波，經(jīng)電平轉(zhuǎn)換成單片機(jī)使用的TTL 電平。并且使用光耦隔離，防止傳感器及線路引進(jìn)的干擾和雷電沖擊處理器。

2.1.3 無(wú)線通信傳輸 無(wú)線通信傳輸是在前端系統(tǒng)檢測(cè)到車輪信號(hào)后，將列車接近信號(hào)向道口房設(shè)備發(fā)送。在本系統(tǒng)當(dāng)中，無(wú)線傳輸采用高性能射頻無(wú)線數(shù)字傳輸，使用兩個(gè)頻段傳輸，一個(gè)工作在410～441 MHz 頻段，一個(gè)工作在148～173.5 MHz，均是-121 dBm 靈敏度，兩種傳輸均使用擴(kuò)頻技術(shù)，帶來(lái)更遠(yuǎn)的通訊距離，且具有功率密度集中，抗干擾能力強(qiáng)的優(yōu)勢(shì)。

2.1.4 太陽(yáng)能供電 由于列車接近預(yù)警系統(tǒng)處于鐵路沿線距離道口房1.75 km 處，考慮到系統(tǒng)供電問(wèn)題，選擇使用太陽(yáng)能供電向列車接近預(yù)警系統(tǒng)提供電源，其由50 W 大功率太陽(yáng)能電池板和40 AH 鋰電池組成；在無(wú)太陽(yáng)光照下或者太陽(yáng)能板故障時(shí)，鋰電池仍能向系統(tǒng)提供兩星期的穩(wěn)定供電，完全滿足現(xiàn)場(chǎng)需要。

2.2 道口作業(yè)監(jiān)控系統(tǒng)道口作業(yè)監(jiān)控系統(tǒng)位于道口房?jī)?nèi)，它對(duì)道口作業(yè)人員日常作業(yè)步驟形成作業(yè)監(jiān)控記錄并通過(guò)無(wú)線傳輸傳送到終端服務(wù)器進(jìn)行存儲(chǔ)，在接收到前端設(shè)備的列車接近預(yù)警信號(hào)后道口作業(yè)監(jiān)控系統(tǒng)啟動(dòng)對(duì)道口作業(yè)人員和路過(guò)道口的行人進(jìn)行列車接近聲光預(yù)警，在檢測(cè)到列車到達(dá)信號(hào)后停止預(yù)警；通過(guò)檢測(cè)道口攔門傳感器、在崗傳感器的運(yùn)行狀態(tài)來(lái)判斷道口運(yùn)行狀態(tài)，在道口作業(yè)人員未按照規(guī)定動(dòng)作完成作業(yè)步驟時(shí)向其發(fā)出警告；提供“一鍵報(bào)警”功能，在道口遇到異常突發(fā)情況時(shí)，道口作業(yè)人員可以通過(guò)其緊急攔停列車。其具體的結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示：

圖2 道口作業(yè)監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2.3 終端數(shù)據(jù)庫(kù)在系統(tǒng)設(shè)計(jì)當(dāng)中，應(yīng)用MySQL創(chuàng)建了一個(gè)用于存儲(chǔ)道口作業(yè)記錄信息的數(shù)據(jù)庫(kù)，用于存儲(chǔ)道口事件、道口事件id、道口設(shè)備、日志文檔、用戶信息等數(shù)據(jù)。

2.4 遠(yuǎn)程監(jiān)控查詢軟件遠(yuǎn)程查詢軟件分為DTU道口設(shè)備服務(wù)端程序和鐵路道口設(shè)備查詢系統(tǒng)兩部分。

DTU 道口設(shè)備服務(wù)端程序的主要功能是與前端道口監(jiān)控設(shè)備進(jìn)行通信，獲取前端設(shè)備采集到的數(shù)據(jù)，同時(shí)可以遠(yuǎn)程設(shè)置校正前端設(shè)備時(shí)間、遠(yuǎn)程復(fù)位前端設(shè)備，并可遠(yuǎn)程直接讀取前端設(shè)備在選定時(shí)間內(nèi)的前端存儲(chǔ)的所有道口事件數(shù)據(jù)。

鐵路道口設(shè)備查詢系統(tǒng)主要分為PC 客戶端版和手機(jī)Android 版，PC 客戶端版的功能主要有道口狀態(tài)、道口事件查詢、道口定義、道口事件定義及用戶管理等，手機(jī)Android版道口查詢軟件具有道口設(shè)備狀態(tài)、道口事件查詢功能。

3 關(guān)鍵技術(shù)及實(shí)現(xiàn)

3.1 列車接近檢測(cè)的實(shí)現(xiàn)列車接近檢測(cè)是整套系統(tǒng)的設(shè)計(jì)基礎(chǔ)，大部分的邏輯判斷與檢測(cè)均是在檢測(cè)到列車接近的基礎(chǔ)上來(lái)完成的，因此，需要從設(shè)計(jì)上確保列車接近信號(hào)檢測(cè)的可靠性（原則為不漏報(bào)，少誤報(bào)）。

在具體的硬件設(shè)計(jì)當(dāng)中，為保證車輪檢測(cè)的可靠性，從整體上進(jìn)行雙機(jī)冗余設(shè)計(jì)。使用兩個(gè)磁鋼傳感器作為車輪檢測(cè)傳感器，傳感器的檢測(cè)信號(hào)經(jīng)過(guò)兩路參數(shù)一樣的信號(hào)處理電路進(jìn)行信號(hào)處理后分別輸入前端MCU 的兩個(gè)IO 引腳，使用1 K 的采集頻率對(duì)信號(hào)輸入的兩個(gè)IO 進(jìn)行電平采集，無(wú)車情況下，IO 電平狀態(tài)是高電平，當(dāng)有一個(gè)車輪經(jīng)過(guò)時(shí)，產(chǎn)生一個(gè)低電平脈沖。利用車輪經(jīng)過(guò)檢測(cè)傳感器產(chǎn)生的脈沖的時(shí)間特性，按時(shí)間對(duì)脈沖進(jìn)行消抖和過(guò)濾，如小于10 ms 的脈沖，視為無(wú)效脈沖，被過(guò)濾掉。當(dāng)脈沖恢復(fù)高電平達(dá)到一定時(shí)間，才認(rèn)為結(jié)束一個(gè)脈沖，這樣消除了脈沖里發(fā)生的抖動(dòng)現(xiàn)象或單個(gè)脈沖發(fā)裂成幾個(gè)小脈沖現(xiàn)象。

從軟件設(shè)計(jì)上定義安裝在遠(yuǎn)離道口方向的傳感器為1號(hào)傳感器，靠近道口一端的傳感器為2號(hào)傳感器。當(dāng)1號(hào)傳感器脈沖觸發(fā)時(shí)，查詢2號(hào)傳感器是否已經(jīng)有脈沖觸發(fā)，如果沒(méi)有，表示該車輪是進(jìn)入道口方向，記錄該車輪方向。兩個(gè)傳感器觸發(fā)結(jié)束后，表示1個(gè)完整軸結(jié)束，完整軸數(shù)加1。若某一傳感器故障，只有另一個(gè)傳感器產(chǎn)生脈沖觸發(fā)，則不計(jì)為完整軸數(shù)，只表示單傳感器軸數(shù)。當(dāng)完整軸數(shù)達(dá)到2 個(gè)或以上，或者單傳感器軸數(shù)達(dá)到3個(gè)或以上時(shí)，邏輯判斷表示有列車通過(guò)，此時(shí)要向道口屋的主機(jī)發(fā)送有列車通過(guò)信息。列車行駛方向由完整軸記錄的方向判斷，當(dāng)兩個(gè)完整軸的方向一致時(shí)，確定方向，當(dāng)不一致時(shí)，增加一個(gè)完整軸繼續(xù)判斷，從邏輯判斷上采取3取2，盡可能準(zhǔn)確做到精確判斷。如果是單傳感器軸無(wú)法確定列車行駛方向，發(fā)送無(wú)確定方向信息，則由道口房主機(jī)進(jìn)行判斷方向。完整軸判斷出來(lái)的方向同樣也由道口房主機(jī)再次確認(rèn)，以主機(jī)確認(rèn)結(jié)果為主。列車速度是根據(jù)兩個(gè)檢測(cè)傳感器的安裝距離除以觸發(fā)的時(shí)間差來(lái)計(jì)算得出。又根據(jù)列車的最大軸距與脈沖寬度比，當(dāng)脈沖結(jié)束后，無(wú)脈沖時(shí)間大于40 倍脈沖寬度以上的時(shí)間，表示當(dāng)前列車完全通過(guò)檢測(cè)點(diǎn)，此時(shí)向道口房主機(jī)發(fā)送列車完全通過(guò)信息。

3.2 列車接近信號(hào)無(wú)線傳輸?shù)膶?shí)現(xiàn)前端列車接近信號(hào)無(wú)線傳輸硬件設(shè)計(jì)也采用了雙機(jī)冗余傳輸模式，使用兩路單獨(dú)的無(wú)線傳輸模塊，而且使用不同的工作傳輸頻段，互不干擾，當(dāng)有一個(gè)頻段受到外界干擾，信號(hào)不能正常傳輸時(shí)，另一個(gè)頻段可以繼續(xù)工作，這就大大提高了信號(hào)在無(wú)線傳輸環(huán)節(jié)的可靠性和抗干擾能力。同時(shí)，在軟件邏輯設(shè)計(jì)上盡量防止外部干擾信號(hào)對(duì)無(wú)線傳輸?shù)母蓴_影響。

在本系統(tǒng)的無(wú)線通信軟件設(shè)計(jì)當(dāng)中使用有效握手協(xié)議通信，當(dāng)分機(jī)（前端列車接近檢測(cè)系統(tǒng)）向主機(jī)（道口房作業(yè)監(jiān)控主機(jī)）發(fā)送信息，主機(jī)接收到后，會(huì)向分機(jī)發(fā)送一個(gè)應(yīng)答信息，表示主機(jī)已經(jīng)收到。若分機(jī)接收不到主機(jī)的應(yīng)答信息，分機(jī)會(huì)認(rèn)為主機(jī)沒(méi)有收到，從而繼續(xù)向主機(jī)重發(fā)信息，直到收到主機(jī)的應(yīng)答信息，或者重發(fā)次數(shù)達(dá)到一定次數(shù)。當(dāng)重發(fā)次數(shù)達(dá)到了該次數(shù)后，仍然沒(méi)接收到主機(jī)的應(yīng)答信息，則表示該次信息發(fā)送失敗，并且認(rèn)為通信出現(xiàn)故障。在本系統(tǒng)的雙機(jī)工作模式中，形成雙通道通信，雙機(jī)分別是獨(dú)立工作，又互不干擾形式，分別在自己所用的無(wú)線頻段向主機(jī)發(fā)送列車通過(guò)信息。因?yàn)橥瑯拥妮斎胄盘?hào)，同樣的處理電路，因此雙機(jī)將會(huì)在同一時(shí)間檢測(cè)到相同的結(jié)果，同一時(shí)間達(dá)到發(fā)送列車信息的條件，需要同一時(shí)間向主機(jī)發(fā)送信息，但是在發(fā)送時(shí)，會(huì)先判斷對(duì)方是否正在發(fā)送中，將會(huì)等待對(duì)方發(fā)送結(jié)束后，再發(fā)送。這樣實(shí)現(xiàn)了雙通道互不干擾。

道口兩頭檢測(cè)點(diǎn)之間的區(qū)間段內(nèi)也沒(méi)有過(guò)車的時(shí)候，道口房主機(jī)會(huì)每200 s主動(dòng)向兩邊的檢測(cè)點(diǎn)分機(jī)發(fā)送查詢狀態(tài)心跳包。分機(jī)收到主機(jī)的查詢心跳包后，會(huì)將自檢的狀態(tài)信息發(fā)送給主機(jī)作為應(yīng)答，主機(jī)收到應(yīng)答后會(huì)認(rèn)為通信正常，若主機(jī)沒(méi)有收到分機(jī)的應(yīng)答連續(xù)超過(guò)一定次數(shù)，則會(huì)表示通信故障，此時(shí)主機(jī)顯示屏顯示前端設(shè)備通信故障，并向服務(wù)器發(fā)送提醒檢查維修信息。這樣便形成了通信互檢，第一時(shí)間發(fā)現(xiàn)通信故障的有效可靠的通信機(jī)制。

4 結(jié)束語(yǔ)

該系統(tǒng)樣機(jī)于2016年8月研制成功后在南寧局集團(tuán)公司南寧工務(wù)段湘桂線K663 監(jiān)護(hù)道口處安裝上線試用。試用期間，該系統(tǒng)很好地克服了電氣化區(qū)段行車對(duì)列車接近信號(hào)檢測(cè)及無(wú)線預(yù)警功能的干擾,能夠準(zhǔn)確檢測(cè)到每趟列車接近道口并發(fā)出預(yù)警，道口管理人員可以準(zhǔn)確查詢到道口作業(yè)的每一條記錄。

該系統(tǒng)已經(jīng)獲得實(shí)用新型專利，授權(quán)證書(shū)號(hào)為2018021220181463，并已經(jīng)申請(qǐng)發(fā)明專利。截至2020年12月該系統(tǒng)已經(jīng)在南寧局集團(tuán)公司南寧、柳州、桂林、玉林、欽州等工務(wù)段推廣使用18 套，按照南寧局集團(tuán)公司計(jì)劃，正逐步在全局范圍內(nèi)進(jìn)行推廣使用。