鐵路線路上跨立交防護預(yù)警及遠程監(jiān)控系統(tǒng)

曾惠明

（中國鐵路南寧局集團有限公司 科學(xué)技術(shù)研究所，工程師，廣西 南寧 530029）

1 概述

目前，普速鐵路區(qū)段上跨立交防護尚未能完全到位，特別是近年來中國鐵路南寧局集團有限公司管內(nèi)多處平交道口改建上跨立交橋，防護等級較低，遇到事故（如汽車撞毀防護欄造成侵限、掉落到線路等）時不能向列車提供有效預(yù)警，給線路運輸造成極大損失。雖然高鐵區(qū)段沿線上跨立交已經(jīng)可以通過高速鐵路專線防災(zāi)系統(tǒng)中的異物侵限監(jiān)測子系統(tǒng)來實現(xiàn)監(jiān)控防護，在發(fā)生交通事故時可對列車進行有效的預(yù)警，但其屬于高鐵防災(zāi)系統(tǒng)的一部分，針對的是高速鐵路專線防護，成本造價高，且是通過高速鐵路列控系統(tǒng)向列車進行報警，與目前普速鐵路行車系統(tǒng)并不相同，無法直接應(yīng)用于普速鐵路區(qū)段的上跨立交。

針對普速鐵路上跨立交發(fā)生撞擊、跌落等事故對行車安全的影響，以合理預(yù)防為前提，可靠監(jiān)控為手段，報警及時、防止危及行車安全為目標(biāo)的設(shè)計思路及低投資、易施工的設(shè)計原則，研發(fā)“鐵路線路上跨立交防護預(yù)警及遠程監(jiān)控系統(tǒng)”作為行車安全輔助設(shè)備，通過對上跨立交路段線路進行有效監(jiān)測，在檢測到上跨立交發(fā)生撞擊、跌落事故時，能第一時間對過往機車進行無線預(yù)警，且通過通信手段對線路管理人員進行遠程報警，同時系統(tǒng)具備自檢功能。

2 系統(tǒng)設(shè)計

系統(tǒng)由上跨立交防護監(jiān)測單元、800M列車無線報警單元、主控制模塊、遠程報警單元、供電電源五個部分構(gòu)成。

系統(tǒng)上跨立交防護監(jiān)測單元對上跨立交橋梁防護及立交覆蓋范圍的鐵路線路進行實時監(jiān)測，通過檢測安裝于上跨立交橋防護網(wǎng)上的傳感器狀態(tài)及觀察上跨立交覆蓋到的鐵路線路視頻圖像來判定是否有影響行車安全的事故發(fā)生；主控制模塊負責(zé)接收各個單元的信息并向各個單元發(fā)布控制命令，同時監(jiān)測各個單元的運行狀態(tài)；在主控制模塊接收到監(jiān)測單元發(fā)送的事故信息后，向800M列車無線報警單元及遠程報警單元發(fā)出報警命令，800M列車無線報警單元啟動800M無線信號報警電臺，向附近行駛機車發(fā)送800M無線報警廣播信號（即：施工報警信息、施工報警解除信息）；遠程報警單元向線路維修管理人員發(fā)送報警短信息進行安全報警；供電電源為整套系統(tǒng)提供電源。系統(tǒng)框架結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)硬件框架結(jié)構(gòu)圖

2.1 上跨立交防護監(jiān)測單元

上跨立交防護監(jiān)測單元分為2個部分：硬件防護檢測系統(tǒng)和現(xiàn)場圖像采集系統(tǒng)。

2.1.1 硬件防護檢測系統(tǒng)硬件防護檢測系統(tǒng)是檢測鐵路上跨立交橋兩側(cè)現(xiàn)有的固定防護（如水泥防護攔、防護網(wǎng)等）設(shè)施是否被外力破壞的一個小型子系統(tǒng)。由檢測傳感器、檢測電纜、簡易信號發(fā)生電路、信號檢測電路組成，檢測傳感器現(xiàn)場安裝分布于上跨立交橋現(xiàn)有防護上；檢測電纜用于連接安裝于固定防護上的各個檢測傳感器；簡易信號發(fā)生電路生成檢測信號；信號檢測電路用于驗證檢測信號是否失真。

其檢測原理為：由信號發(fā)生電路生成檢測信號，檢測信號通過檢測傳感器及檢測電纜形成的環(huán)路并回到信號檢測電路，若信號檢測電路檢測到的信號與發(fā)出的檢測信號無明顯失真的情況，則認為檢測環(huán)正常，檢測傳感器及檢測電纜均正常，則可判定無外力破壞上跨立交兩側(cè)的防護裝置，立交橋處于無事故狀態(tài)；若信號檢測電路檢測到的信號對比檢測信號已經(jīng)嚴(yán)重失真或者完全無法檢測到信號，則認為檢測傳感器及檢測電纜形成的檢測環(huán)路為外力破壞，判定立交橋兩側(cè)防護裝置遭到外力破壞，立交橋發(fā)生撞擊情況，可能會影響行車安全。硬件防護檢測單元（包括信號發(fā)生器和信號檢測電路）原理框圖如圖2所示。

圖2 硬件防護檢測單元原理框圖

2.1.2 圖像采集系統(tǒng)圖像采集系統(tǒng)作為現(xiàn)場觀測輔助設(shè)備，主要作用為采集上跨立交附近鐵路線路圖像后再經(jīng)遠程模塊發(fā)送給線路管理人員，由其對線路安全情況進行判斷。該子系統(tǒng)由高清夜視攝像頭和圖像采集模塊組成，高清攝像頭用于圖像的截取，圖像采集模塊用于圖像的處理及傳輸。圖像處理模塊主要由主控芯片STM32F103C8單片機及其外圍電路組成，實現(xiàn)單片機對高清攝像頭的拍照控制、圖像數(shù)據(jù)的讀取、存儲和傳輸功能，用于控制攝像頭進行拍照和攝像以及選取攝像頭拍下的照片通過遠程模塊進行遠程傳送。圖像處理模塊與某廠家型號為DS-2CD3T47EWD-L高清日夜全彩攝像頭之間以網(wǎng)絡(luò)接口連接，根據(jù)網(wǎng)絡(luò)訪問協(xié)議設(shè)計編寫底層程序控制攝像頭進行拍照以及讀取圖像。具體的程序流程如圖3所示。

圖3 圖像采集系統(tǒng)程序流程圖

2.2 800M列車無線報警單元

800M無線報警模塊主要作用是在系統(tǒng)檢測到上跨立交發(fā)生安全事故影響行車時，以鐵路專用的800MHz無線頻段以廣播的方式向周圍發(fā)射報警信息（主要是施工防護報警信息），使行駛列車能夠收到報警信息，采取緊急措施。

800MHz列車報警裝置由主機、天饋線系統(tǒng)、外置報警按鍵、揚聲器、外置交流電源構(gòu)成。其中外置交流電源和外置揚聲器2個部分為選配件，可在需要語音提示或220V供電的環(huán)境下使用。主機由主控制器、指示燈、語音、存儲、通信（含信道機）、直流電源、外部信號接口等單元構(gòu)成。如圖4所示。

圖4 800MHz報警單元硬件結(jié)構(gòu)圖

800M列車無線報警單元FFSK編解碼電路中，編解碼選用的是CMX469A芯片，該芯片具有體積小、功耗低等特點，主要完成對800M檢測儀發(fā)送的設(shè)備檢測信息進行解碼，對發(fā)送給模擬電臺的報警信息進行編碼的功能。其典型電路如圖5所示，發(fā)送報警時，CMX469A芯片將來自單片機的TTL電平報警數(shù)據(jù)信號調(diào)制成正弦波模擬信號，其中1800Hz代表TTL低電平,1200Hz代表高電平，隨后由電臺調(diào)制到射頻載波信號上發(fā)射出去；進行設(shè)備檢測時，單元接收800M檢測儀的信道機檢測和按鍵檢測無線指令，將其解調(diào)成數(shù)字信號送入單片機進行解析。

圖5 FFSK編解碼電路

CMX469A與單片機的接口電路設(shè)計主要分為兩部分：發(fā)送接口電路設(shè)計和接收接口電路設(shè)計。發(fā)送接口電路由發(fā)送允許（TX_EN）、發(fā)送時鐘線（TX_SY）、發(fā)送數(shù)據(jù)線（TX_DA）三部分構(gòu)成。此時的FFSK數(shù)據(jù)輸出線（TX_SIG）用于輸出經(jīng)過調(diào)制的FFSK信號。接收接口則由接收允許（RX_EN）、接收時鐘線（RX_SYNC）、載波檢測（CA_DETE）、時鐘同步接收數(shù)據(jù)線（C_DATA）等四部分構(gòu)成。此時，F(xiàn)FSK數(shù)據(jù)輸入線RX_SIG為需要解調(diào)的FFSK信號的輸入端口。其發(fā)送∕接收控制程序流程圖如圖6所示。

圖6 CMX469A發(fā)送/接收控制程序流程圖

2.3 主控單元

系統(tǒng)的主控單元是整個系統(tǒng)的核心部分，它監(jiān)測各個單元的運行狀態(tài)信息并對各個單元發(fā)布控制命令。它與各個單元之間通過RS485總線進行通信聯(lián)系。

主控單元采用STM32F103RC作為核心芯片，是32位并帶512k字節(jié)閃存的微控制器，接口類型及數(shù)量豐富。其工作溫度范圍為-40℃至105℃，供電電壓范圍為2.0V至3.6V，省電模式保證低功耗應(yīng)用的要求。

由于現(xiàn)場供電電源的限制，以及總線通信和控制的現(xiàn)場需求，該芯片既能提供足夠的通信接口也能滿足低功耗工作要求，更易于模塊化設(shè)計和生產(chǎn)，因此，在項目中采用其作為主控芯片。

主控單元除了對各個單元進行控制之外，還有一個重要作用，即定期查詢各單元工作狀態(tài)并存儲記錄，可實現(xiàn)對系統(tǒng)整體的自檢，同時可記錄各單元出故障的數(shù)據(jù)，方便以后對設(shè)備的改進及升級。

2.4 遠程報警單元

遠程報警模塊用于在系統(tǒng)檢測到上跨立交安全事故影響行車安全時對線路管理人員進行短信報警，由于現(xiàn)場條件限制以及傳輸報警信號的簡易性，系統(tǒng)采取無線傳輸進行遠程報警。系統(tǒng)中設(shè)計了獨立的GPRS無線傳輸模塊，在插入物聯(lián)網(wǎng)卡后于4G的無線環(huán)境下可向線路管理人員進行手機短信報警。

GPRS無線模塊選用功能完善、接口豐富、高性能、設(shè)計方便使用范圍廣的工業(yè)級模塊SIM900A，該模塊支持RS232串口，工作電壓為5V～24V,方便單片機控制從而提供包括語音、短信和GPRS數(shù)據(jù)傳輸?shù)裙δ堋?/p>

遠程報警單元主控芯片選取STM32F103C8，它與主控單元主控芯片同屬一個系列的ARM單片機芯片，性能穩(wěn)定，通用性好，可在同一軟件環(huán)境下進行開發(fā)，提高開發(fā)效率。遠程報警效果如圖7所示。

圖7 遠程報警效果圖

2.5 供電電源

為了降低電源安裝、使用成本，研究采用太陽能供電的方式為系統(tǒng)提供電源。在實際應(yīng)用中，為滿足足夠的電源供應(yīng)，使用2塊功率100W的單晶太陽能板作為發(fā)電板，容量80A∕h、輸出12V電壓的鋰電池作為供給電源，經(jīng)測試該電源能夠保證給整個系統(tǒng)穩(wěn)定運行供電。

3 系統(tǒng)應(yīng)用

鐵路線路上跨立交防護預(yù)警及遠程監(jiān)控系統(tǒng)樣機安裝在黔桂線K17+900處進行現(xiàn)場試驗和使用，經(jīng)過現(xiàn)場模擬測試，系統(tǒng)工作穩(wěn)定，能夠滿足對上跨立交的有效監(jiān)控，目前仍在試用。該項目已經(jīng)完成結(jié)題驗收，其相關(guān)技術(shù)已經(jīng)應(yīng)用在中國鐵路武漢局京廣線、武九線兩處危巖落石防護系統(tǒng)中，應(yīng)用效果良好。

4 結(jié)束語

針對鐵路上跨立交發(fā)生事故影響行車安全的問題，研制出鐵路線路上跨立交防護預(yù)警及遠程監(jiān)控系統(tǒng)。詳細介紹了系統(tǒng)的模塊構(gòu)成、原理設(shè)計及功能作用，并經(jīng)現(xiàn)場實際測試，系統(tǒng)工作穩(wěn)定，應(yīng)用效果良好，實現(xiàn)了對普速鐵路上跨立交的有效監(jiān)控。