铁路平交道口无线安全监控系统

李文峰，吕红娟，2

（1.西安科技大学通信学院，陕西西安710054；2.西安铁路职业技术学院陕西西安710014）

铁路平交道口无线安全监控系统

李文峰1，吕红娟1，2

（1.西安科技大学通信学院，陕西西安710054；2.西安铁路职业技术学院陕西西安710014）

文中分析了目前铁路平交道口3种监控系统的特点及不足：基于单片机的道口监控系统结构简单、成本低廉，但该系统信息只能单向传输；基于ARM和GPS、GPRS的道口监控系统实现了道口与司机的通信，但在GPRS网络盲区通信得不到保障；基于工控机的道口监控系统组成复杂，花费巨大。基于以上的分析提出一种无线安全监控系统方案：当列车运行接近道口时，触发传感器，发射装置将列车运行方向、速度等信息通过无线方式发射，接收装置接收到信号后启动报警系统。该系统结构简单、成本低廉、能实现司机与道口值班人员之间的联系。通过计算和实验验证表明：即使在阴雨天，系统也可在列车通过道口前1.5min得到预警信息，实现了铁路道口的安全监控和信息管理。

铁路平交道口；监控系统；单片机；无线

目前铁路平交道口仍然大量存在，每年铁路道口事故伤亡达数千人，道口安全成了铁路运输安全的重要组成部分。由于道口现场环境、建设成本等因素的限制，在很长的时间内还不可能对所有道口实现改造，列车要想快速、安全的通过道口，司机必须及时掌握道口情况，所以在铁路道口需要建立一个有保障的安全监控系统［1］。

1　几种典型平交道口监控系统分析

经过资料查找和现场调查，目前广泛应用的有3种典型的监控系统。

1.1基于单片机的铁路平交道口监控系统

基于单片机的铁路平交道口安全监控系统主要由传感器系统、信号处理系统、单片机系统以及报警系统四部分组成，其系统组成框图如图1所示［2］。传感器采集列车接近信息，再由信号处理系统将采集到的信号进行处理，并传输给控制系统，最后单片机按照程序完成道口交通灯、语音、栏木等预警及控制。

该系统的优点是系统结构简单、成本低廉，不依赖铁路电务、机车等其他系统。缺点是系统信息单向传输，在列车通过时，如果道口有意外情况发生，则不能及时把信息反馈给机车司机，有可能造成事故。

图1　系统组成框图Fig.1The system composition block diagram

1.2基于ARM和GPS、GPRS的铁路道口监控系统

这种监控系统一部分为车载设备子系统，实现列车定位。车载系统使用ARM内核芯片，构成嵌入式系统，如图2所示。另一部分为控制中心系统，主要由GPRS接收模块、单片机控制模块以及声光报警模块构成，安装于道口地面，如图3所示［3］。GPRS模块接收列车各种信息，然后由单片机对接收的信息进行处理，并计算出列车预计到达时间，启动声光报警电路。

图2　车载设备系统框图Fig.2Block diagram of the system of vehicle equipment

图3　控制中心系统框图Fig.3Central control system block diagram

该系统的优点是使用全球定位方式对列车进行定位，然后结合计算机及GPRS无线通信技术，提醒机车乘务员进入道口前提前鸣笛示警［4］，同时道口报警显示牌显示列车到达时间及速度，实现了信息的双向传输。该系统缺点是在一些GPRS网络的盲区，列车与铁路道口设备的通信得不到保障［5］。

1.3基于工控机的铁路道口监控系统

该系统由前端信号采集模块、信息传输模块、信息处理模块、中心管理模块4部分组成。前端采集模块安装于铁路道口旁，完成对道口区域视频信息的实时采集，主要包括摄像机、红灯信号检测器等部件。信息传输模块完成对视频、音频及控制信号的传输，主要由光缆和光端机组成。信息处理模块主要对前端采集到的图像进行分析计算并能实时、快速的处理；中心管理系统负责对各种视频内容进行采集、缓存和处理，由管理服务器组成。基于工控机的铁路道口监控系统能为道口管理人员提供有图像、有声音的详实的记录，还可通过管理服务器联网共同管理多个道口，为多道口联动道口预警控制提供可靠的技术保障。但是该系统庞大复杂，造价高，在我国现有国情下，不具有普及性。

2　无线安全监控系统的设计与实现

综合以上铁路平交道口安全监控系统的分析，设计出无线安全监控系统。图4所示为无线安全监控系统现场布置示意图。磁电传感器安装在距离道口适宜距离的铁轨上，当列车运行接近道口时，触发传感器，发射装置将列车运行速度、方向等信息通过无线方式发射出去。接收装置接收到信号后启动报警系统，实现司机和道口值班人员的联系［6］。

图4　无线安全监控系统示意图Fig.4Schematic diagram of wireless safety monitoring system

2.1发射装置设计

发射装置原理框图如图5所示［6］。其太阳能及蓄电池管理使用STC12LE5410AD芯片，控制和监测太阳能板及蓄电池充放电情况，并及时将信息发给主机微处理器；主机微处理器采用STC89C53R单片机；晶体振荡器模块采用高性能温度补偿晶体振荡器及频率校准电路；射频功放由日本三菱公司的高频大功率RA07H4452M模块构成；自动功率调节模块可使发射装置输出的射频信号稳定，防止突变；射频滤波器为七阶低通滤波器，滤除各次谐波。

图5　发射装置框图Fig.5Transmitting device block diagram

2.2接收报警装置设计

接收报警装置框图如图6所示。微处理器采用STC89C53R单片机；与电脑连接的接口电路使用标准接口芯片RS232C；数字解调使用芯片H31136，输出经过低通滤波器后直接变为可用的方波信号；语音合成芯片采用AP89085，使用的编码算法是ADPCM；音频功放采用飞利浦公司低失真度TDA1514A芯片，具有极佳的高频解析力［6］。

图6　接收报警装置框图Fig.6Receiving and alarming device block diagram

2.3触发传感器和天线的位置

该系统最基本的指标是预警距离，这个距离应能确保道口异常情况下的列车紧急制动及无线信号传输的成功，相关参数计算如下：

按照维建斯基模型［7］：

其中：Ed为发射天线附近空间场强；Ht为发射天线高度，实际架设高度为4 m；Hd为接收天线高度，实际架设高度为3 m；λ为工作频率的波长，实际工作频率为150.8 MHz，波长为2 m；Pt为发射输出功率，设计功率为10 W；d为通信距离m；G为系统增益，发射天线为3 dB，接收天线为3～6 dB；K为系统损耗，包括天线馈线电缆的损耗K1和接头损耗K2，系统使用FB-05D电缆。

当发射电缆用5 m，接收电缆用4 m，每米损耗0.3 dB，则K1=0.3×9=2.7 dB；L16-5KB射频接头用4个，每个接头损耗0.1 dB，则K2=0.1×4=0.4 dB；得到K=K1+K2=3.1dB。

代入数据计算得：

接收点最小场强Edmin=Sv+D

其中：Sv为接收机灵敏度，当信号速率为1 200 b/s时，Sv取值为17；D为通信成功率由50%提高到99%所必需增加的场强余量，根据日本Icon移动通信公司测试值，D取值为14.3 dB，因此：

从而得到：67.36-401gd＞31.3

2.4实验数据

将触发传感器安装在上行3 km、下行2 km处，通过多次实验证明，当发射天线和接收天线架设在可见范围内时，阴雨天信号可以稳定传送5 km。若列车速度为200 km/h，则可在列车通过道口前1.5 min得到预警，能充分满足列车通过道口时在紧急情况下的制动距离要求和时间的提前量。

3　结束语

通过对典型的铁路平交道口报警系统的研究，并结合各系统的优缺点设计出铁路平交道口无线安全监控系统。该系统结构简单，成本低廉，能实现司机与道口之间的联系，符合铁道部《平交道道口自动控制或报警的技术要求》。随着铁路运输事业的高速发展，铁路安全及信息技术的应用也将发生重大变化，将会逐步从相对独立、功能简单的人工管理向智能化、网络化、综合化的自动管理发展。

［1］贾胜峰，宁滨.铁路道口智能控制的研究［J］.中国铁路，2005（7）：51-53. JIA Sheng-feng，NING Bin.Reserch on intelligent control of railway crossover［J］.Chinese Railways，2005（7）：51-53.

［2］何旭涛.单片机在铁路道口自动报警系统中的设计［D］.大连交通大学，2009.

［3］雷亚平，肖洪祥，匡晚成，等.基于GPS和GPRS的铁路道口报警系统的研究［J］.中国仪器仪表，2007（9）：31-32. LEI Ya-ping，XIAO Hong-xiang，KUANG Wan-cheng，et al. Research on alarm system for railway crossing based on GPS and GPRS［J］.China Instrumentation，2007（9）：31-32.

［4］杨文斌.基于GPS、GPRS的铁路道口预警装置［J］.上海铁道科技，2006（1）：26-27. YANG Wen-bin.Railway crossing warning device based on GPS and GPRS［J］.Shanghai Railway Science&Technology，2006（1）：26-27.

［5］杨文斌，钱雪军.基于GPS和GPRS的铁路道口预警装置的研究［J］.铁路计算机应用，2006，9（15）：14-19. YANG Wen-bin，QIAN Xue-jun.Research on early warming device for railway crossing based on GPS and GPRS［J］. Railway Compute rApplicati on，2006，9（15）：14-19.

［6］徐志根，陈继兰，杨义克，等.提速铁路道口安全监控系统的设计与实现［J］.西南交通大学学报，2011（1）：70-71. XU Zhi-gen，CHEN Ji-lan，YANG Yi-ke，et al.Design and realization of security monitoring system for speed-up rail way crossing［J］.Journal of Southwest Jiaotong University，2011（2）：70-71.

［7］唐文理.关于A.B.维建斯基公式的进一步改进［J］.西南科技大学学报，1990，5（2）：24-28. TANG Wen-li.An further improvement on B.A.Vijanskyps for mul［J］.Journa l of South west University of Science and Technology，1990，5（2）：24-28.

Railway level-crossing wireless safety monitoring system

LI Wen-feng1，LV Hong-juan1，2
（1.Communication and Information Engineering College，Xi'an University of Science and Technology，Xi'an 710054；China；2.Department of Electronic Information，Xi'an Railway Vocational&Technological Institute，Xi'an 710014，China）

This paper analyzes the characteristics and problems of three current railway crossing monitoring system：The crossing monitoring system based on SCM has simple structure and low cost，but the information can be transmitted unilaterally；the crossing monitoring system based on ARM，GPS and GPRS，realizes communication of crossing and the driver，but it doesn't work in the blind area of GPRS network；the composition of the crossing monitoring system based on IPC is very complex，costly.According to the analysis，a new wireless safety monitoring system is designed：When the train approaching the crossing trigger sensor，transmitting apparatus transmits the train running direction，speed and other information，through wireless way，after receiving the signal，receiving apparatus starts the alarm system.The system has the advantages of simple structure，low cost，which can realize the communication between the driver and the crossing operator. Calculation and experimental verification show that：even in rainy days，the early warning information can be received in 1.5 minutes before the train passing through the crossing，the system achieves the safety monitoring and information management of railway crossing.

railway level-crossing；Monitoring system；Single chip microcomputer；wireless

TN8

A

1674-6236（2015）20-0127-03

2015-01-06稿件编号：201501045

国家科技支撑计划项目资助（2013BAK06B03）

李文峰（1969—），男，河南襄城人，教授，博士。研究方向：应急通信技术、矿山信息化技术、信号处理以及传感器技术等。