發(fā)布時間：2021-05-13所屬分類：工程師職稱論文瀏覽：1次
摘 要： 摘要：針對鐵路公路平交道口日常管理難度大、安全隱患風險多問題，利用不斷進步的電子、通信及計算機軟件技術(shù)研制出一款鐵路平交道口預警和管理設備，該設備系統(tǒng)具有列車接近預警，現(xiàn)場一鍵觸發(fā)式機車報警，道口人員作業(yè)監(jiān)督，道口作業(yè)記錄存儲，道口作業(yè)記
摘要：針對鐵路公路平交道口日常管理難度大、安全隱患風險多問題，利用不斷進步的電子、通信及計算機軟件技術(shù)研制出一款鐵路平交道口預警和管理設備，該設備系統(tǒng)具有列車接近預警，現(xiàn)場“一鍵觸發(fā)”式機車報警，道口人員作業(yè)監(jiān)督，道口作業(yè)記錄存儲，道口作業(yè)記錄遠程查詢等幾大功能，提高了工務人員對平交道口的管理效率，降低了平交道口發(fā)生事故的概率。
關鍵詞：平交道口;無線預警;預警防護;作業(yè)監(jiān)控;遠程查詢
1概述
根據(jù)鐵路工務部門道口管理工作的需要，道口預警和管理設備必須具有列車接近預警，現(xiàn)場“一鍵觸發(fā)”式機車報警，道口人員作業(yè)監(jiān)督，道口作業(yè)記錄存儲，道口作業(yè)記錄遠程查詢等幾大功能。目前，南寧局集團公司管內(nèi)使用的道口預警及管理設備主要有四個廠商生產(chǎn)的設備，該四種設備由于開發(fā)時間較早，均存在不同程度的技術(shù)及功能缺陷，已經(jīng)不能滿足當前工務部門對道口管理的現(xiàn)實需求。因此，有必要根據(jù)需求研制出一款新的鐵路平交道口預警及管理設備，對鐵路平交道口進行更好的管理，提高工務人員的工作效率，增強鐵路平交道口運行的安全性。
2系統(tǒng)技術(shù)方案
“鐵路平交道口預警防護及遠程監(jiān)控系統(tǒng)”由前端列車接近預警系統(tǒng)、道口作業(yè)監(jiān)控系統(tǒng)、終端數(shù)據(jù)庫及遠程監(jiān)控查詢軟件四大部分構(gòu)成的綜合系統(tǒng)。當列車接近平交道口1.75km時，前端列車接近預警系統(tǒng)檢測到列車信號后向道口房發(fā)出列車接近預警信號;道口作業(yè)監(jiān)控系統(tǒng)可被操作向列車發(fā)出停車的報警語音，叫停列車，它通過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)庫存儲;遠程監(jiān)控查詢軟件則為工務道口管理人員提供了查詢檢索終端數(shù)據(jù)庫道口作業(yè)記錄的人機操作界面。系統(tǒng)框架示意圖如圖1所示：
2.1列車接近預警系統(tǒng)列車接近預警系統(tǒng)分為4個部分：車輪檢測傳感器、檢測信號處理電路、無線通信傳輸、太陽能供電。
2.1.1車輪檢測傳感器本系統(tǒng)車輪檢測傳感器選取無源磁鋼傳感器。每一組車輪檢測是由兩個車輪檢測傳感器組成，按照固定距離安裝在同一鋼軌上，當車輪經(jīng)過時，這兩個傳感器分別向信號處理電路輸出感應信號。
2.1.2檢測信號處理電路由車輪檢測傳感器輸出的信號有很多外界干擾，必須先對其進行一定硬件電路處理。檢測信號處理電路又分為信號輸入，整流濾波電路，比較電路和隔離電平轉(zhuǎn)換電路。
信號輸入是將傳感器輸出的信號進行電流電壓轉(zhuǎn)換，并且?guī)в蟹�(wěn)壓保護作用，防止高速度車輪通過產(chǎn)生的高電壓或者雷電感應產(chǎn)生的高脈沖對電路的沖擊。
相關期刊推薦：《鐵道運營技術(shù)》于1995年元月創(chuàng)刊,由廣西鐵道學會主辦。目前,是全國省級鐵道學會主辦的唯一國內(nèi)外公開發(fā)行的科技期刊。每季首月25日出版。主要欄目：鐵道運輸、機車車輛、工務工程、通信信號、電腦技術(shù)、綜合論述
整流濾波電路是將信號的高頻干擾雜波過濾掉，并去掉負電壓部分，向比較器輸出一個正電壓的信號，與設定的脈沖觸發(fā)門限電壓進行比較，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。由此當一個車輪經(jīng)過車輪檢測傳感器后，產(chǎn)生并輸出一個方波，經(jīng)電平轉(zhuǎn)換成單片機使用的TTL電平。并且使用光耦隔離，防止傳感器及線路引進的干擾和雷電沖擊處理器。
2.1.3無線通信傳輸無線通信傳輸是在前端系統(tǒng)檢測到車輪信號后，將列車接近信號向道口房設備發(fā)送。在本系統(tǒng)當中，無線傳輸采用高性能射頻無線數(shù)字傳輸，使用兩個頻段傳輸，一個工作在410～441MHz頻段，一個工作在148～173.5MHz，均是121dBm靈敏度，兩種傳輸均使用擴頻技術(shù)，帶來更遠的通訊距離，且具有功率密度集中，抗干擾能力強的優(yōu)勢。
2.1.4太陽能供電由于列車接近預警系統(tǒng)處于鐵路沿線距離道口房1.75km處，考慮到系統(tǒng)供電問題，選擇使用太陽能供電向列車接近預警系統(tǒng)提供電源，其由50W大功率太陽能電池板和40AH鋰電池組成;在無太陽光照下或者太陽能板故障時，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)位于道口房內(nèi)，它對道口作業(yè)人員日常作業(yè)步驟形成作業(yè)監(jiān)控記錄并通過無線傳輸傳送到終端服務器進行存儲，在接收到前端設備的列車接近預警信號后道口作業(yè)監(jiān)控系統(tǒng)啟動對道口作業(yè)人員和路過道口的行人進行列車接近聲光預警，在檢測到列車到達信號后停止預警;通過檢測道口攔門傳感器、在崗傳感器的運行狀態(tài)來判斷道口運行狀態(tài)，在道口作業(yè)人員未按照規(guī)定動作完成作業(yè)步驟時向其發(fā)出警告;提供“一鍵報警”功能，在道口遇到異常突發(fā)情況時，道口作業(yè)人員可以通過其緊急攔停列車。其具體的結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示：
2.3終端數(shù)據(jù)庫在系統(tǒng)設計當中，應用MySQL創(chuàng)建了一個用于存儲道口作業(yè)記錄信息的數(shù)據(jù)庫，用于存儲道口事件、道口事件id、道口設備、日志文檔、用戶信息等數(shù)據(jù)。
2.4遠程監(jiān)控查詢軟件遠程查詢軟件分為DTU道口設備服務端程序和鐵路道口設備查詢系統(tǒng)兩部分。DTU道口設備服務端程序的主要功能是與前端道口監(jiān)控設備進行通信，獲取前端設備采集到的數(shù)據(jù)，同時可以遠程設置校正前端設備時間、遠程復位前端設備，并可遠程直接讀取前端設備在選定時間內(nèi)的前端存儲的所有道口事件數(shù)據(jù)。
鐵路道口設備查詢系統(tǒng)主要分為PC客戶端版和手機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Android版道口查詢軟件具有道口設備狀態(tài)、道口事件查詢功能。
3關鍵技術(shù)及實現(xiàn)
3.1列車接近檢測的實現(xiàn)列車接近檢測是整套系統(tǒng)的設計基礎，大部分的邏輯判斷與檢測均是在檢測到列車接近的基礎上來完成的，因此，需要從設計上確保列車接近信號檢測的可靠性(原則為不漏報，少誤報)。
在具體的硬件設計當中，為保證車輪檢測的可靠性，從整體上進行雙機冗余設計。使用兩個磁鋼傳感器作為車輪檢測傳感器，傳感器的檢測信號經(jīng)過兩路參數(shù)一樣的信號處理電路進行信號處理后分別輸入前端MCU的兩個IO引腳，使用1K的采集頻率對信號輸入的兩個IO進行電平采集，無車情況下，IO電平狀態(tài)是高電平，當有一個車輪經(jīng)過時，產(chǎn)生一個低電平脈沖。利用車輪經(jīng)過檢測傳感器產(chǎn)生的脈沖的時間特性，按時間對脈沖進行消抖和過濾，如小于10ms的脈沖，視為無效脈沖，被過濾掉。當脈沖恢復高電平達到一定時間，才認為結(jié)束一個脈沖，這樣消除了脈沖里發(fā)生的抖動現(xiàn)象或單個脈沖發(fā)裂成幾個小脈沖現(xiàn)象。
從軟件設計上定義安裝在遠離道口方向的傳感器為1號傳感器，靠近道口一端的傳感器為2號傳感器。當1號傳感器脈沖觸發(fā)時，查詢2號傳感器是否已經(jīng)有脈沖觸發(fā)，如果沒有，表示該車輪是進入道口方向，記錄該車輪方向。兩個傳感器觸發(fā)結(jié)束后，表示1個完整軸結(jié)束，完整軸數(shù)加1。若某一傳感器故障，只有另一個傳感器產(chǎn)生脈沖觸發(fā)，則不計為完整軸數(shù)，只表示單傳感器軸數(shù)。當完整軸數(shù)達到2個或以上，或者單傳感器軸數(shù)達到3個或以上時，邏輯判斷表示有列車通過，此時要向道口屋的主機發(fā)送有列車通過信息。列車行駛方向由完整軸記錄的方向判斷，當兩個完整軸的方向一致時，確定方向，當不一致時，增加一個完整軸繼續(xù)判斷，從邏輯判斷上采取3取2，盡可能準確做到精確判斷。如果是單傳感器軸無法確定列車行駛方向，發(fā)送無確定方向信息，則由道口房主機進行判斷方向。完整軸判斷出來的方向同樣也由道口房主機再次確認，以主機確認結(jié)果為主。列車速度是根據(jù)兩個檢測傳感器的安裝距離除以觸發(fā)的時間差來計算得出。又根據(jù)列車的最大軸距與脈沖寬度比，當脈沖結(jié)束后，無脈沖時間大于40倍脈沖寬度以上的時間，表示當前列車完全通過檢測點，此時向道口房主機發(fā)送列車完全通過信息。
3.2列車接近信號無線傳輸?shù)膶崿F(xiàn)前端列車接近信號無線傳輸硬件設計也采用了雙機冗余傳輸模式，使用兩路單獨的無線傳輸模塊，而且使用不同的工作傳輸頻段，互不干擾，當有一個頻段受到外界干擾，信號不能正常傳輸時，另一個頻段可以繼續(xù)工作，這就大大提高了信號在無線傳輸環(huán)節(jié)的可靠性和抗干擾能力。同時，在軟件邏輯設計上盡量防止外部干擾信號對無線傳輸?shù)母蓴_影響。
在本系統(tǒng)的無線通信軟件設計當中使用有效握手協(xié)議通信，當分機(前端列車接近檢測系統(tǒng))向主機(道口房作業(yè)監(jiān)控主機)發(fā)送信息，主機接收到后，會向分機發(fā)送一個應答信息，表示主機已經(jīng)收到。若分機接收不到主機的應答信息，分機會認為主機沒有收到，從而繼續(xù)向主機重發(fā)信息，直到收到主機的應答信息，或者重發(fā)次數(shù)達到一定次數(shù)。當重發(fā)次數(shù)達到了該次數(shù)后，仍然沒接收到主機的應答信息，則表示該次信息發(fā)送失敗，并且認為通信出現(xiàn)故障。在本系統(tǒng)的雙機工作模式中，形成雙通道通信，雙機分別是獨立工作，又互不干擾形式，分別在自己所用的無線頻段向主機發(fā)送列車通過信息。因為同樣的輸入信號，同樣的處理電路，因此雙機將會在同一時間檢測到相同的結(jié)果，同一時間達到發(fā)送列車信息的條件，需要同一時間向主機發(fā)送信息，但是在發(fā)送時，會先判斷對方是否正在發(fā)送中，將會等待對方發(fā)送結(jié)束后，再發(fā)送。這樣實現(xiàn)了雙通道互不干擾。
道口兩頭檢測點之間的區(qū)間段內(nèi)也沒有過車的時候，道口房主機會每200s主動向兩邊的檢測點分機發(fā)送查詢狀態(tài)心跳包。分機收到主機的查詢心跳包后，會將自檢的狀態(tài)信息發(fā)送給主機作為應答，主機收到應答后會認為通信正常，若主機沒有收到分機的應答連續(xù)超過一定次數(shù)，則會表示通信故障，此時主機顯示屏顯示前端設備通信故障，并向服務器發(fā)送提醒檢查維修信息。這樣便形成了通信互檢，第一時間發(fā)現(xiàn)通信故障的有效可靠的通信機制。
4結(jié)束語
該系統(tǒng)樣機于2016年8月研制成功后在南寧局集團公司南寧工務段湘桂線K663監(jiān)護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)段行車對列車接近信號檢測及無線預警功能的干擾,能夠準確檢測到每趟列車接近道口并發(fā)出預警，道口管理人員可以準確查詢到道口作業(yè)的每一條記錄。
該系統(tǒng)已經(jīng)獲得實用新型專利，授權(quán)證書號為2018021220181463，并已經(jīng)申請發(fā)明專利。截至2020年12月該系統(tǒng)已經(jīng)在南寧局集團公司南寧、柳州、桂林、玉林、欽州等工務段推廣使用18套，按照南寧局集團公司計劃，正逐步在全局范圍內(nèi)進行推廣使用。——論文作者：曾惠明
