鐵路線路上跨立交防護預警及遠程監控系統

曾惠明

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

1 概述

目前，普速鐵路區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警，給線路運輸造成極大損失。雖然高鐵區段沿線上跨立交已經可以通過高速鐵路專線防災系統中的異物侵限監測子系統來實現監控防護，在發生交通事故時可對列車進行有效的預警，但其屬于高鐵防災系統的一部分，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向列車進行報警，與目前普速鐵路行車系統并不相同，無法直接應用于普速鐵路區段的上跨立交。

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

2 系統設計

系統由上跨立交防護監測單元、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成。

系統上跨立交防護監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測，通過檢測安裝于上跨立交橋防護網上的傳感器狀態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生；主控制模塊負責接收各個單元的信息并向各個單元發布控制命令，同時監測各個單元的運行狀態；在主控制模塊接收到監測單元發送的事故信息后，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送報警短信息進行安全報警；供電電源為整套系統提供電源。系統框架結構示意圖如圖1所示。

圖1 系統硬件框架結構圖

2.1 上跨立交防護監測單元

上跨立交防護監測單元分為2個部分：硬件防護檢測系統和現場圖像采集系統。

2.1.1 硬件防護檢測系統硬件防護檢測系統是檢測鐵路上跨立交橋兩側現有的固定防護（如水泥防護攔、防護網等）設施是否被外力破壞的一個小型子系統。由檢測傳感器、檢測電纜、簡易信號發生電路、信號檢測電路組成，檢測傳感器現場安裝分布于上跨立交橋現有防護上；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出的檢測信號無明顯失真的情況，則認為檢測環正常，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的防護裝置，立交橋處于無事故狀態；若信號檢測電路檢測到的信號對比檢測信號已經嚴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路為外力破壞，判定立交橋兩側防護裝置遭到外力破壞，立交橋發生撞擊情況，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 圖像采集系統圖像采集系統作為現場觀測輔助設備，主要作用為采集上跨立交附近鐵路線路圖像后再經遠程模塊發送給線路管理人員，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，實現單片機對高清攝像頭的拍照控制、圖像數據的讀取、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絡接口連接，根據網絡訪問協議設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檢測到上跨立交發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、外置報警按鍵、揚聲器、外置交流電源構成。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成。如圖4所示。

圖4 800MHz報警單元硬件結構圖

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檢測儀發送的設備檢測信息進行解碼，對發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，發送報警時，CMX469A芯片將來自單片機的TTL電平報警數據信號調制成正弦波模擬信號，其中1800Hz代表TTL低電平,1200Hz代表高電平，隨后由電臺調制到射頻載波信號上發射出去；進行設備檢測時，單元接收800M檢測儀的信道機檢測和按鍵檢測無線指令，將其解調成數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計主要分為兩部分：發送接口電路設計和接收接口電路設計。發送接口電路由發送允許（TX_EN）、發送時鐘線（TX_SY）、發送數據線（TX_DA）三部分構成。此時的FFSK數據輸出線（TX_SIG）用于輸出經過調制的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）、時鐘同步接收數據線（C_DATA）等四部分構成。此時，FFSK數據輸入線RX_SIG為需要解調的FFSK信號的輸入端口。其發送∕接收控制程序流程圖如圖6所示。

圖6 CMX469A發送/接收控制程序流程圖

2.3 主控單元

系統的主控單元是整個系統的核心部分，它監測各個單元的運行狀態信息并對各個單元發布控制命令。它與各個單元之間通過RS485總線進行通信聯系。

主控單元采用STM32F103RC作為核心芯片，是32位并帶512k字節閃存的微控制器，接口類型及數量豐富。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用的要求。

由于現場供電電源的限制，以及總線通信和控制的現場需求，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，更易于模塊化設計和生產，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并存儲記錄，可實現對系統整體的自檢，同時可記錄各單元出故障的數據，方便以后對設備的改進及升級。

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，由于現場條件限制以及傳輸報警信號的簡易性，系統采取無線傳輸進行遠程報警。系統中設計了獨立的GPRS無線傳輸模塊，在插入物聯網卡后于4G的無線環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、設計方便使用范圍廣的工業級模塊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數據傳輸等功能。

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，性能穩定，通用性好，可在同一軟件環境下進行開發，提高開發效率。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提供電源。在實際應用中，為滿足足夠的電源供應，使用2塊功率100W的單晶太陽能板作為發電板，容量80A∕h、輸出12V電壓的鋰電池作為供給電源，經測試該電源能夠保證給整個系統穩定運行供電。

3 系統應用

鐵路線路上跨立交防護預警及遠程監控系統樣機安裝在黔桂線K17+900處進行現場試驗和使用，經過現場模擬測試，系統工作穩定，能夠滿足對上跨立交的有效監控，目前仍在試用。該項目已經完成結題驗收，其相關技術已經應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中，應用效果良好。

4 結束語

針對鐵路上跨立交發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警及遠程監控系統。詳細介紹了系統的模塊構成、原理設計及功能作用，并經現場實際測試，系統工作穩定，應用效果良好，實現了對普速鐵路上跨立交的有效監控。