高铁动车所车库门控及报警系统

王福生

（通号工程局集团有限公司天津分公司，天津 300240）

自2012年12月1日哈大高铁已经开通正式运行,大连北、沈阳北和长春西动车所每天都有30多组动车需要检测，尤其晚上是动车所最繁忙的时间，动车频繁从到发线进入动车所，待各工种检测后，最后经机务、电务及动车所三方联检后由机务司机将动车开到到发线。动车进出车库，都需要人工按动较大的空气开关来实现，车库外有与人行车行的交叉铁路内部通道，该通道主要是内部工作人员及相关维修人员车辆通过。由于无人看守是铁路安全的一个薄弱环节，自开通以来发生多起小事故，因此利用数字信号处理技术开发先进可靠的动车所车库门控及报警系统十分必要。

由于动车进入动车所车库附近速度较慢，可不采用成本较高的雷达传感器,利用成熟的计轴传感器作为信息源点，按照设计的预警距离将计轴传感器安装在到发线和车库之间，如：最高列车运行速度50 km/h时，列车接近报警距离不少于500 m。当列车通过计轴传感器信息源点时，计轴传感器接收信号检测电路通过对计轴传感器产生的信号进行解调分析。确认为列车通过时，对信息进行处理，将列车接近车库信息发送给DSP控制电路，该电路在得到动车即将到来的信息并经冗余分析后，以灯光和语音2种方式向车库附近的行人及机动车进行报警，以确保经过动车所道口的行人和车辆的生命财产安全，DSP控制电路控制开启大门迎接列车入库。DSP控制电路计算机车经过计轴传感器的轴数，发送给DSP控制电路，，作为动车是否完全入库的参考，以便关闭动车所车库大门。

1 系统构成

系统主要由6部分构成如图1所示，即DSP控制电路、计轴传感器发射信号源、计轴传感器接收信号检测电路、动车所车库大门牵引电机、闪光和语音报警、精密开关电源。计轴传感器发射信号源和计轴传感器接收信号检测电路检测列车是否经过大门，并将列车的经过信息发送给DSP控制电路，它控制动车所车库大门牵引电机打开大门，并控制闪光和语音报警器以声音、灯光报警方式通知大门过往车辆及行人，以保证大门的安全。

现就系统各部分具体功能详述如下。

1）DSP控制电路。作为整个设备的核心部分，控制着整个设备的工作。当它接收到计轴传感器接收检测电路发来的信号后，先对信号进行数字滤波及频谱分析识别判断。如果确认是动车到达信号后，连续检测动车经过传感器的总轴数，并就开启信道机，向车载工区室设备发送动车经过道口及轴数信息。

2）计轴传感器发射信号源。不间断发射3.9 kHz正弦波信号，每个安装点安2组计轴传感器，以便判断动车运行方向。

3）计轴传感器接收信号检测电路。通过磁电传感器对是否有动车经过进行检测，一旦检测到列车经过即开启动车所车库大门。该磁电传感器也可以检测动车总轴数,将来可通过GSM或GMRS无线远端模块将动车经过时刻及动车总轴数传给电务人员。

4）动车所车库大门牵引电机。它是执行部件，由DSP控制电路通过继电器控制该牵引电机。

5）闪光和语音报警。用语音和闪光灯告警合成的方式通知过往动车所车库大门的行人和车辆，从而保证安全。

6）精密开关电源。由信号电源逆变提供精密各部件所需要的高可靠电源，12 、5、3.3 V等。

2 工作原理

本系统主要采用数字信号处理技术,具体如下。

哈大高铁线路达900多km,全线是电气化铁路。铁路信号指挥行车,与牵引电流一同沿钢轨传输,无疑几百安培的牵引电流将与只有0.5 A至2 A左右的ZPW-2000信号对计轴传感器接收产生强大干扰。为了可靠接收钢轨侧的计轴传感器接收信号,动车车载设备必须在频谱分析和数字解调之前,用一组指标很高的带通数字滤波器预处理，低通滤波器采用线性相位FIR数字滤波器，经多次改进验证，数字滤波器级数N=63为最佳，计轴传感器发射频率为3 200 Hz，采样率为FS=8 192 Hz，其相位延迟N/FS=63/8192 s=7.69 ms, 两组计轴传感器之间距离为30 cm, 动车接近计轴传感器时速度低于100 km/h, 因而接收信号译码应变时间 为0.3/100 000*3600=0.0108 s=10.8 ms,高于7.69 ms, 相位延迟完全满足实时性要求。

FIR滤波器采用卷积时域运算量较小,如图2所示将前N个样值与FIR滤波器系数进行卷积运算即可[4]。

由于计轴传感器发送信号为信号源，发射功率较大，不易受干扰,每完成一次A/D,产生一个样点。接收信号每完成一次A/D,都要进行数字滤波，DSP分析发送信号和接收信号的频率及相位特征，分析是否有车轮通过计轴传感器。如频率一致且相位相反，则认为有车轮通过计轴传感器，轴数加1；否则，无车轮通过计轴传感器，此过程即数字解调，如图3所示。

美国TI公司的TMS320VC33是目前较热门的DSP芯片之一。TMS320VC33是一种带34K字RAM存储器的低功耗、高性能32位浮点DSP控制器。硬件部分的正常工作是软件部分能够正常工作的前提，只有准确地采集到磁电传感器发出的模拟信号，才能提供可靠的数据到计算机，软件部分才得以根据这些数据进行分析、语音声光报警及动车所车库大门控制，如图4所示。

3 主要特点

1）抗干扰能力强。系统采用DSP软件实现计轴传感器接收信号数字滤波和频谱分析实现相位分析，准确判别动车即将经过动车所车库大门，抗电力牵引干扰、轨道信号干扰及震动干扰能力都很强，确保不误判，保证行人的生命和财产安全。

2）声光报警。动车接近动车所车库大门后，启动声光报警灯，同时启动语音报警。有效提示过往大门的行人和车辆，以免发生事故。

3）低功耗。设计时保证设备在无动车接近时处于待机状态，动车接近则自动唤醒，最大限度地提高电源效率。

4）具有很强的实用性。动车接近启动动车所车库大门，减少了动车所车库工作人员的劳动强度，也减少了工作人员的危险性，深受用户好评。有效提示过往大门的行人和车辆，以免发生道口事故。

4 结论

综上所述，高铁动车所车库门控及报警系统，能有效减少目前动车所打开及关闭大门时发生的事故。其推广应用必将为保障动车运行安全提供有力的手段。该系统在大连北动车所无人道口安装试运用了近二月时间，效果良好，深受用户好评。

[1]周杏鹏,王寿荣,况迎辉.检测技术及系统设计[M].南京：东南大学出版社,1996.

[2] R.E.Crochiere,L.R.Rabiner.Multirate Digital Signal Processing[M].Prentice Hall PTR,1983.

[3]杨小牛,楼才义,徐建良.软件无线电原理与应用[M].北京：电子工业出版社,2001

[4]樊昌信，詹道庸．通信原理[M]．北京：国防工业出版社，1992.