铁路道口智能防护系统研制

陈艳平 徐伟人 上海铁路局科研所

铁路道口智能防护系统研制

陈艳平 徐伟人 上海铁路局科研所

铁路道口作为铁路安全的薄弱环节，人身伤亡安全事故时有发生。随着铁路运营里程和速度地不断提升，铁路道口的安全防护压力也越来越大。通过调研道口现有安全防护设备现状，采用先进安全控制理念和数字控制技术，研究一套铁路道口智能防护系统，以有效防范道口安全事故的发生。

道口防护；单片机；安全控制；自动报警

1 概述

近年来我国铁路建设快速发展，目前铁路运营里程已突破1.12×105km。在铁路路网不断扩大的过程中，铁路与公路的平交道口也越来越多。若要采用立交化方式解决，既存在诸多技术难题，费用也十分昂贵，这决定了平交道口在今后相当长的一个时期内仍将继续存在于铁路运输生产中。同时，随着铁路行车速度、密度的不断提高和公路车辆及行人的增多，平交道口易发生安全事故。

因此，本文利用单片机技术、传感测量技术、有线通信技术和无线通信技术，研制出一种具有高可靠性的道口智能防护设备，在列车接近道口前发出声光警报，提示道口职守人员进行接车及行人、车辆停候等待列车通过；汽车在道口抛锚等其他紧急情况下道口栏杆不能及时放下时，该系统能自动向列车司机发送紧急停车指令，待道口恢复通行条件时通知列车可以通过。

2 系统方案组成

2.1 总体设计方案

铁路道口安全智能防护系统的总体设计方案框图如1所示，该系统集列车接近预警、栏杆开闭状态检测和道口故障报警功能于一体。系统采用模块化设计，模块之间通过RS232、RS485方式进行通信，获取的信息通过中央控制子系统集中进行逻辑判断、控制、报警、显示，操作按钮集中安装在控制台上，统一操作。

系统采用单片机作为道口智能防护系统的核心，用安装在钢轨内侧成对的无源传感器组成检测点，感应到来车信息通过无线传送中央控制单元，最后根据道口栏杆的开闭状态做出是否发出紧急停车报警的判断。该系统主要包括中央控制单元、列车接近预警单元、无线故障报警单元、栏杆开闭检测单元。

图1 系统总体设计方案框图

2.2 中央控制单元

中央控制单元由单片机主控板、显示屏、语音功放、GPS时钟、电源等组成。中央控制单元接收其他各单元的信息进行综合处理，其中单片机是系统的控制核心。单片机由于其速度快、价格低、功能强等诸多优点，目前在智能化产品开发和传统产业技术改造中得到广泛应用。本文采用了可靠性高、价位低、普及程度高的XMEGA128作为中央控制核心，具备32 MHz最大工作频率，8个16位TC，8个串口，128KB FLASH，8KB SRAM，性价比高。它通过串口与其他各单元进行通信连接，进行综合处理来实现系统功能，其通信硬件接口设计如图2所示。

图2 单片机通信硬件接口

2.3 列车接近预警单元

列车接近预警单元由来车感应传感器、无线发射和接收模块、太阳能电池板、蓄电池等组成。本系统对传感器的要求非常严格，要求适应铁路复杂的环境，灵敏度高且耐用，采用了凸出极磁电式轨道传感器，此传感器为永磁体材料，坚硬铸钢外壳，具有高温度、高速比较器的特性。列车通过传感器时切割磁力线，根据法拉第电磁感应定律产生强大的脉冲信号，能够充分满足列车通过信号被有效采集；采用多重抗干扰措施，能够比较有效的抑制静电、雷击、电磁等环境干扰。

为了能用单片机系统计算出火车的速度，在来车检测端设计两只传感器并排连接，距离固定为1 m，这样可以依据脉冲发生间隔时间算出火车的行驶速度，其测速原理如图3所示。

图3 电池传感器测速原理图

2.4 无线故障报警单元

无线故障报警单元由主CPU、记录控制仪、电源管理模块、通信模块和无线发射模块组成。无线故障报警单元是发送道口故障报警信息的设备，当其接收到报警指令后，自动发出道口报警信息。当道口故障恢复后，也可人工操作向司机发出平安通行信息。

故障报警信息是通过无线传输模块来进行数据通信。无线传输模块用于较远距离无线通信，通信距离2 000 m，主要由发射器、接收器和控制器等组成。它采用工业级设计，适用于室外恶劣环境；内置软硬件看门狗，保证系统不死机不掉线，极低的数据传输误码率，保证可靠性的同时节约成本。

2.5 栏杆开闭检测单元

栏杆开闭检测单元由水银开关传感器、角度传感器、控制芯片等组成，栏杆开闭检测传感器安装于道口旁的栏杆上，通过水银开关传感器的通断和角度传感器的角度值变化判断栏杆开闭状态。

栏杆开闭角度检测采用了高精度三轴加速度传感器ADXL345，该芯片MEMS技术配备SPI和I2C数字输出，具有小巧轻薄、超低功耗、高分辨率等特点。模块上电后，加速度使惯性质量偏转、差分电容失衡，使传感器输出的电压值与加速度成正比。ADXL345不直接测量倾斜角度，而是通过测量静止状态下x、y、z三轴的加速度，利用重力加速度与其在三轴加速度传感器的x、y、z三轴的分量关系，计算出各轴与重力加速度的夹角，从而得出栏杆倾角。重力加速度在三轴的分量与倾角关系如图4所示。

由此可推导出倾角解算公式为：

其中，Ax、Ay、Az为重力加速度在x、y、z三轴的分量。由于栏杆转动过程中Ax接近于零，由此公式可简化为

根据得到的β和γ倾角值，即可得到栏杆打开的角度。

图4 重力加速度在三轴的分量与倾角关系

3 系统工作流程

如图5系统平面布置图所示，列车接近时，该系统在第一接近点检测到来车信息后开始预警提示，屏幕上显示列车上下行方向、速度并预计列车到达道口的时间，同时室内外喇叭响起和信号闪烁提醒过往行人车辆注意安全，道口员及时关闭栏杆。当列车到达第二接近点时对速度进行修正，以防止列车中途变速行驶而导致倒计时时间偏差较大，同时自动判别栏杆开闭状态，一旦栏杆故障或栏杆仍然处于打开状态并持续一定时间，系统将自动启动故障报警单元向司机发送道口故障报警信号，要求司机立即停车，确保道口行车安全。当道口故障排除并允许列车通过时，需人工按下“平安”按键约1 s，即可向司机发出平安通行指令，可以通过道口。

图5 系统平面结构示意图

当列车车头经过道口处的挂断传感器时，关闭无线故障报警功能，防止单机车通过时栏杆提早打开而误报警。在列车车位通过挂断传感器后，系统进入各单元自检的来车等待状态。系统软件设计流程如图6所示。

图6 系统软件设计流程图

4 系统性能

（1）系统实施遵循故障导向安全的原则。在设备发生故障或错误操作下，仍能使其后果导向安全方面。

（2）道口故障报警信号的发送采用铁路专用频率，增强了信号的稳定可靠性；系统备有人工报警和平安通过功能按键，能够在设备单元故障等紧急情况下手动启动故障报警功能。

（3）无线传输模块采用校验码双向通讯方式，确保了数据传输的可靠性和准确性，同时对相邻道口采用差异大的通信编码和频率，防止道口设备串码接收错误。

（4）系统具有在线自检功能，包括来车传感器开路故障检测、蓄电池低电压检测、太阳能电池板故障检测、模块间通信故障检测等。当系统出现任何一种故障时都能够发出故障语音提醒，提示设备出现故障应及时报修，确保设备在道口防护中的可靠安全。

5 结束语

本系统能够解决现阶段铁路道口长期存在的技术难题和要求，由人工控制转为智能控制，适应新时期铁路道口智能防护技术的发展需求，是在现有道口防护技术上的改进和创新。

责任编辑：王华 龚佩毅

来稿日期：2015-08-14