周 帥，周 培，武恒頡，周靈鈺

(南京鐵道職業(yè)技術(shù)學(xué)院，南京 210056）

1 概述

鐵路道口是鐵路和公路的一個交匯處，其中道口欄木起降時間不合理、行人盲目強行侵入道口等是造成各類事故的主要原因。如今尚不能把所有平交道口立交化。而傳統(tǒng)的鐵路管理模式，即由班組負(fù)責(zé)值守的方式，主要用于處理人流和車流量密集的關(guān)鍵路口，這種方式不僅效率較低，且成本高昂，同時還存在潛在的安全風(fēng)險。雖然近年來，針對專用鐵路線的安全工作已經(jīng)取得顯著進步，安全狀況也在不斷改善。但是鐵路安全工作仍然面臨著巨大挑戰(zhàn)。

相較于傳統(tǒng)道口預(yù)警實現(xiàn)方案，本系統(tǒng)在道口攔截部分設(shè)計上選擇使用無線射頻通信技術(shù)，當(dāng)列車觸發(fā)來車傳感器時，由預(yù)警分機向道口預(yù)警主機發(fā)出預(yù)到達信號，主機迅速算出關(guān)閉道口的恰當(dāng)時間，實現(xiàn)預(yù)警；列車通過離去傳感器后，預(yù)警主機馬上解除報警，并打開道口讓道路車輛通行。在道口監(jiān)控部分設(shè)計上選擇使用車輛與行人目標(biāo)識別技術(shù)，并依靠車地的相互通信，將道口視頻傳輸至列車駕駛室，使列車司機能實時掌握即將通過道口的情況。鐵路道口的集中控制將傳統(tǒng)的道口現(xiàn)場人工管理轉(zhuǎn)變?yōu)槿詣拥倪h(yuǎn)程管理，這可以大大減少道口值班人員的數(shù)量，從而帶來顯著的經(jīng)濟效益。另外，遠(yuǎn)程集中控制在鐵路道口的應(yīng)用也帶來了新的管理形態(tài)，通過對鐵路道口的運輸作業(yè)流程改革，進一步提高其管理效率，將傳統(tǒng)的人工觀察和操作方式轉(zhuǎn)變?yōu)椤斑h(yuǎn)程可觀測和操控的無人監(jiān)控”模式。

2 預(yù)警系統(tǒng)設(shè)計

如圖1 所示，該系統(tǒng)結(jié)合多傳感器技術(shù)、現(xiàn)代化的通信手段以及視頻監(jiān)控技術(shù)，目的是為全方位地自動化管理并實時監(jiān)控鐵路無人道口。該系統(tǒng)主要包括4 個核心組成部分：分別是列車上/下行傳感器、無線預(yù)警分機、道口預(yù)警主機以及車地聯(lián)動視頻監(jiān)控。

圖1 道口預(yù)警系統(tǒng)原理示意Fig.1 Schematic diagram of principles of crossing early warning system

列車上/下行傳感器的主要功能是捕捉列車距離鐵路道口的數(shù)據(jù)，其設(shè)計包括在距離道口大約3 km 的列車上行方向分別設(shè)置兩個來車傳感器，在道口旁列車下行方向分別設(shè)置兩個離去傳感器，這些傳感器呈十字形布局在規(guī)定的鐵路安全距離內(nèi)。這種配置不僅可以獲取列車的行進方向和通過速度等關(guān)鍵信息，還可以識別潛在的干擾因素。

預(yù)警分機的主要功能是將傳感器捕捉到的列車經(jīng)過信息，通過無線信號處理器處理后，發(fā)送至道口預(yù)警主機，從而實現(xiàn)是否存在列車靠近的信息傳遞。

預(yù)警主機的主要功能是在收到來自預(yù)警分機的列車接近通知后，自動降低道口聯(lián)動道閘，以防止行人與車輛通行。同時，它還會啟動道口聲光報警器來提醒行人及車輛注意安全。一旦接收到列車離去的信息，道閘就會重新升起，信號燈變?yōu)榫G色，向行人及車輛傳達出道口已經(jīng)安全的信息，允許繼續(xù)通行。

車地聯(lián)動道口視頻監(jiān)控的主要功能是對道口通行車輛和行人信息進行識別，并實時的將道口交通狀態(tài)傳輸至列車駕駛室和鐵路交通管控部門，以實現(xiàn)車-地的相互通信，使列車司機能實時掌握即將通過道口的情況。當(dāng)系統(tǒng)設(shè)備故障時，鐵路交通管控部門可立即派設(shè)備維護人員趕往現(xiàn)場進行維修，并且對于闖卡、違規(guī)調(diào)頭、超速等危險行為進行自動抓拍、記錄，由鐵路交通管控部門審核之后交由交通管理部門依法進行處罰。

無人化道口預(yù)警集控系統(tǒng)流程如圖2 所示。

圖2 無人化道口預(yù)警集控系統(tǒng)流程Fig.2 Flowchart of centralized control system for early warning of unmanned level crossing

3 預(yù)警系統(tǒng)設(shè)備設(shè)計

本文中設(shè)計的道口預(yù)警系統(tǒng)中最重要的設(shè)備是預(yù)警分機、預(yù)警主機及視頻監(jiān)控。在設(shè)計中，預(yù)警分機、預(yù)警主機與視頻監(jiān)控通過配置進行區(qū)分，故在介紹其設(shè)計時統(tǒng)稱為道口預(yù)警設(shè)備。道口預(yù)警設(shè)備分為主控板和功率板兩部分，整體設(shè)計框如圖3所示。

圖3 道口預(yù)警設(shè)備設(shè)計框Fig.3 Block diagram of equipment design of crossing early warning

3.1 道口預(yù)警設(shè)備主控板設(shè)計

道口預(yù)警設(shè)備主控板主要包括微控制器模塊、LoRa 通信模塊、列車傳感器、RS-485 串口模塊、數(shù)據(jù)存儲模塊、圖像采集模塊、4G 圖傳模塊和電源模塊等。

微控制器模塊主要采用通用型STM32F103ZET6，每臺設(shè)備各一片，分管數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)通信功能，兼具低成本和低功耗兩個優(yōu)勢。

列車來車傳感器和列車離去傳感器，主要是采用激光對射傳感器，將列車行車信息轉(zhuǎn)化為電平信號傳入微控制器。微控制器根據(jù)不同的電平信號運行對應(yīng)的指令，而其中的通用定時器則可以對捕獲到的兩次電平信號的時間進行比較，從而計算出列車經(jīng)過道口時的區(qū)間速度。

RS-485 串口模塊作為常用的制式工業(yè)通用接口，為預(yù)警主機和預(yù)警分機保留額外功能擴展或數(shù)據(jù)交互的可能，并且可以通過外部的燒錄裝置重新為其下載新的程序，保留其本地更新功能。

數(shù)據(jù)存儲模塊選用一款可通過USB-SPI 訪問的存儲芯片，用于存儲道口視頻和下載供OpenMV使用的車輛或行人識別卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型。

圖像采集模塊主要是采用OpenMV，其搭載了MicroPython 解釋器，使其可以在嵌入式端進行本地python 開發(fā)，并且將OpenCV 訓(xùn)練后的卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型通過數(shù)據(jù)存儲模塊存入本地數(shù)據(jù)集中，在圖像識別中便于進行本地模型的調(diào)用。OpenMV進行圖像識別的原理大致如下：首先利用OpenCV對含有車輛或行人的正負(fù)樣本數(shù)據(jù)集進行訓(xùn)練，生成只可供OpenCV 調(diào)用的cascade.xml 分類器，再將xml 格式的文件通過python 轉(zhuǎn)換成cascade格式的可供OpenMV 識別的文件，后將生成的可識別格式文件導(dǎo)入OpenMV 即可進行圖像識別。

圖像識別流程如圖4 所示。其對于列車道口行車風(fēng)險等級判斷的原理是：首先根據(jù)道口的警示位置將圖像的像素坐標(biāo)劃分低風(fēng)險區(qū)和高風(fēng)險區(qū)，由OpenMV 將采集到的圖像中的車輛或行人圖像進行預(yù)處理，經(jīng)過灰度處理后，形成大小統(tǒng)一的圖像。按照行人或車輛邊界擬出相對貼合的線性矩形，并由微處理器計算線性矩形的中心坐標(biāo)。當(dāng)中心坐標(biāo)位于低風(fēng)險區(qū)或高風(fēng)險區(qū)時，即視為闖卡、翻越、調(diào)頭等交通違規(guī)行為。

圖4 道口預(yù)警圖像識別流程Fig.4 Image recognition process of crossing early warning

4G 圖傳模塊主要是用于將OpenMV 處理后的已標(biāo)注圖像數(shù)據(jù)，傳輸至列車駕駛室和鐵路交通管控部門。此視頻信息采集系統(tǒng)為管理者提供詳細(xì)且全面的記錄，不僅可以追蹤運動目標(biāo)，獲取經(jīng)過道口的車輛的速度、車牌、狀態(tài)，還增加區(qū)域監(jiān)測和劃定的區(qū)域框，可以對鐵路道口的車輛超速、違規(guī)掉頭、闖卡等行為進行智能視覺識別，將違規(guī)車輛的信息上傳到交通控制平臺。此外，它還可以通過管理服務(wù)器實現(xiàn)多道口的聯(lián)合管理，為多道口聯(lián)動道口預(yù)警控制提供可靠的技術(shù)保障，構(gòu)建無人值守的鐵路道口遠(yuǎn)程集控管理系統(tǒng)。

電源模塊主要包括主控板電源產(chǎn)生和自檢以及外置蓄電池信息的采集。主控板電源主要依靠線性減壓芯片產(chǎn)生，滿足板上各芯片的各級電壓需求，同時運用分壓原理實現(xiàn)自檢。外置蓄電池配有專用電源管理模塊，其信息可通過RS-485 通信讀取。

3.2 道口預(yù)警設(shè)備功率板設(shè)計

功率板主要包括天線、LoRa 芯片、射頻前端模塊和電源管理模塊等。

天線選擇科信無線的433 MHz 吸盤天線，主要參數(shù)如表1 所示。在通信系統(tǒng)中，增益的強弱將影響到天線的輻射能力或接收無線信號的能力。一般情況下，增益越高，無線信號的傳播距離越遠(yuǎn)。因此，為了提升預(yù)警無線模塊的通信距離，選擇使用外置全向高增益高增益的吸盤天線，此類型的天線具有較高的增益，能夠增強無線信號的傳輸和接收能力，從而提升預(yù)警系統(tǒng)通信距離。

表1 科信無線433 MHz吸盤天線參數(shù)Tab.1 Parameters of Kexin 433 MHz wireless suction cup antenna

LoRa 通信芯片選用美國SEMTECH 的SX126X芯片，主要參數(shù)如表2 所示。LoRa 通信模塊用于傳輸列車傳感器收集到的信息。許多傳統(tǒng)的無線通信系統(tǒng)使用頻移鍵控（FSK）調(diào)制作為物理層，因為它是一種實現(xiàn)低功耗的非常有效的調(diào)制。但是在鐵路系統(tǒng)中，雷達設(shè)備與電臺通信設(shè)備均會對物理層FSK 產(chǎn)生巨大的干擾，而 LoRa 是一種基于線性調(diào)頻擴頻調(diào)制的通信技術(shù)，它具有類似FSK 調(diào)制的低功耗特性，但在通信距離上具有顯著的提升。線性擴頻技術(shù)已在軍事領(lǐng)域和空間通信領(lǐng)域使用了數(shù)十年，由于其可以實現(xiàn)長通信距離和抗干擾的魯棒性。而LoRa 則是第一個將這種技術(shù)用于商業(yè)用途的低成本實現(xiàn)方式，可以極大地減弱鐵路設(shè)備對于道口預(yù)警系統(tǒng)的信號干擾。

表2 SX126X芯片參數(shù)Tab.2 Parameters of SX126X chip

射頻前端模塊是指連接LoRa 通信芯片和天線之間的電路和模塊。它負(fù)責(zé)將數(shù)字信號轉(zhuǎn)換為適合傳輸?shù)臒o線信號，提供必要的放大、濾波和調(diào)制等功能，并直接影響著預(yù)警系統(tǒng)的整體信號質(zhì)量、傳輸速率和功耗等性能指標(biāo)。運算放大器和混頻器是射頻前端的核心組件，主要功能是將數(shù)字信號轉(zhuǎn)換為無線信號，并將接收到的無線信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號。濾波器在射頻前端中起到關(guān)鍵作用，用于去除不需要的頻率分量，保留所需的信號。功率放大器是射頻前端中的重要組成部分，用于增強發(fā)送信號的功率，以便在預(yù)警信息傳輸過程中能夠達到2.5 ～5 km 距離的覆蓋。

電源管理模塊選用德國西門子的6EP1332-2BA20 開關(guān)電源，主要參數(shù)如表3 所示。由于預(yù)警系統(tǒng)對于無線通信的實時性與穩(wěn)定性要求較高，因而需要經(jīng)常使用開關(guān)電源來進行電壓的變壓處理。開關(guān)電源主要通過AC/DC 變壓穩(wěn)壓器，對獲得的電壓進行降壓、穩(wěn)壓，以保持電壓的穩(wěn)定性，進而有效控制電壓振動波形，確保無線通信設(shè)備的有效運行和功能的正常發(fā)揮。

表3 西門子6EP1332-2BA20開關(guān)電源參數(shù)Tab.3 Parameters of Siemens 6EP1332-2BA20 switching power supply

4 實驗驗證

為驗證道口預(yù)警系統(tǒng)功能正確性及完整性，對該系統(tǒng)的控制響應(yīng)時間、狀態(tài)反饋時間、斷網(wǎng)重連時效、識別準(zhǔn)確率、運行功率以及通信穩(wěn)定性等主要性能進行試驗，測試結(jié)果如表4、5 所示。并在南京浦鎮(zhèn)中車試車線上進行封閉區(qū)段的樣機測試，并接入道口交通信號燈、道口攔木機、道口壓道鈴、車地聯(lián)動道口視頻監(jiān)控等設(shè)備，如圖5 所示。

表4 性能可靠性測試結(jié)果Tab.4 Results of performance reliability test

表5 通信穩(wěn)定性測試結(jié)果Tab.5 Results of communication stability test

圖5 道口預(yù)警系統(tǒng)信息可視化平臺Fig.5 Information visualization platform of crossing early warning system

通信穩(wěn)定性測試的關(guān)鍵是預(yù)警分機微處理器、預(yù)警主機微處理器和OpenMV 微處理器的外部輸入和內(nèi)部輸出監(jiān)測。其主要通過PC 對串口的數(shù)據(jù)模擬，包括對OpenMV 的識別輸出點位AI、列車上/下行傳感器對預(yù)警分機微處理器的輸入點位DI 和預(yù)警主機微控制器輸出至外接設(shè)備的輸出點位DO。

測試結(jié)果表明：該系統(tǒng)的穩(wěn)定性、可靠性均達到了預(yù)期的指標(biāo)。通過使用LoRa 無線通信技術(shù)提高鐵路道口預(yù)警效率，給鐵路交通管理部門提供更穩(wěn)定管理方案和更便捷的后期維修方式，提高運行維護水平。并且預(yù)警系統(tǒng)設(shè)備可根據(jù)列車行駛位置實行自動化控制，智能視覺監(jiān)控亦可與車載監(jiān)控設(shè)備聯(lián)動、協(xié)同作業(yè)，以實現(xiàn)智能化、自動化設(shè)備運行的需要。同時可以極大地提升鐵路系統(tǒng)的運營效率，降低鐵路道口的事故發(fā)生率。

5 結(jié)語

結(jié)合當(dāng)前鐵路平交道口區(qū)域人工預(yù)警時效性低、路改橋施工成本高以及維護成本高等問題進行分析，以LoRa 無線通信為基礎(chǔ)，設(shè)計出一套鐵路道口預(yù)警系統(tǒng)，很好地解決上述問題。最后通過實際應(yīng)用測試證明，該系統(tǒng)便于管理，節(jié)省運維人力，且其智能化、自動化理念符合智慧鐵路的設(shè)計要求。