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鐵路平交道口無線安全監(jiān)控系統(tǒng)

文檔作者：李文峰1，呂紅娟1，2 文檔來源： 1. 西安科技大學通信學院 2. 西安鐵路職業(yè)技術學院		點擊數(shù)：	更新時間： 2024年06月10日
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電子設計工程
Electronic Design Engineering
第23 卷
Vol.23
第20 期
No.20
2015 年10 月
Oct. 2015
收稿日期：2015－01－06 稿件編號：201501045
基金項目：國家科技支撐計劃項目資助（2013BAK06B03）
作者簡介：李文峰（1969—），男，河南襄城人，教授，博士。研究方向：應急通信技術、礦山信息化技術、信號處理以及傳感器技
術等。
目前鐵路平交道口仍然大量存在，每年鐵路道口事故傷
亡達數(shù)千人， 道口安全成了鐵路運輸安全的重要組成部分。
由于道口現(xiàn)場環(huán)境、建設成本等因素的限制， 在很長的時間
內還不可能對所有道口實現(xiàn)改造，列車要想快速、安全的通
過道口，司機必須及時掌握道口情況，所以在鐵路道口需要
建立一個有保障的安全監(jiān)控系統(tǒng)[1]。
1 幾種典型平交道口監(jiān)控系統(tǒng)分析
經(jīng)過資料查找和現(xiàn)場調查，目前廣泛應用的有3 種典型
的監(jiān)控系統(tǒng)。
1.1 基于單片機的鐵路平交道口監(jiān)控系統(tǒng)
基于單片機的鐵路平交道口安全監(jiān)控系統(tǒng)主要由傳感
器系統(tǒng)、信號處理系統(tǒng)、單片機系統(tǒng)以及報警系統(tǒng)四部分組
成，其系統(tǒng)組成框圖如圖1 所示[2]。傳感器采集列車接近信
息，再由信號處理系統(tǒng)將采集到的信號進行處理，并傳輸給
控制系統(tǒng)，最后單片機按照程序完成道口交通燈、語音、欄木
等預警及控制。
該系統(tǒng)的優(yōu)點是系統(tǒng)結構簡單、成本低廉，不依賴鐵路
電務、機車等其他系統(tǒng)。缺點是系統(tǒng)信息單向傳輸，在列車通
過時，如果道口有意外情況發(fā)生，則不能及時把信息反饋給
鐵路平交道口無線安全監(jiān)控系統(tǒng)
李文峰1， 呂紅娟1，2
（1. 西安科技大學通信學院， 陜西西安710054； 2. 西安鐵路職業(yè)技術學院陜西西安710014）
摘要： 文中分析了目前鐵路平交道口3 種監(jiān)控系統(tǒng)的特點及不足：基于單片機的道口監(jiān)控系統(tǒng)結構簡單、成本低廉，
但該系統(tǒng)信息只能單向傳輸；基于ARM 和GPS、GPRS 的道口監(jiān)控系統(tǒng)實現(xiàn)了道口與司機的通信，但在GPRS 網(wǎng)絡盲
區(qū)通信得不到保障；基于工控機的道口監(jiān)控系統(tǒng)組成復雜，花費巨大?；谝陨系姆治鎏岢鲆环N無線安全監(jiān)控系統(tǒng)方
案：當列車運行接近道口時，觸發(fā)傳感器，發(fā)射裝置將列車運行方向、速度等信息通過無線方式發(fā)射，接收裝置接收
到信號后啟動報警系統(tǒng)。該系統(tǒng)結構簡單、成本低廉、能實現(xiàn)司機與道口值班人員之間的聯(lián)系。通過計算和實驗驗證
表明：即使在陰雨天，系統(tǒng)也可在列車通過道口前1.5min 得到預警信息，實現(xiàn)了鐵路道口的安全監(jiān)控和信息管理。
關鍵詞： 鐵路平交道口； 監(jiān)控系統(tǒng)； 單片機； 無線
中圖分類號： TN8 文獻標識碼： A 文章編號： 1674－6236（2015）20－0127－03
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 &amp;amp; Technological Institute，
Xi’an 710014，China）
Abstract: 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.
Key words: railway level-crossing； Monitoring system ； Single chip microcomputer； wireless
－127－
《電子設計工程》2015 年第20 期
機車司機，有可能造成事故。
1.2 基于ARM 和GPS、GPRS 的鐵路道口監(jiān)控系統(tǒng)
這種監(jiān)控系統(tǒng)一部分為車載設備子系統(tǒng)， 實現(xiàn)列車定
位。車載系統(tǒng)使用ARM 內核芯片，構成嵌入式系統(tǒng)，如圖2
所示。另一部分為控制中心系統(tǒng)，主要由GPRS 接收模塊、單
片機控制模塊以及聲光報警模塊構成， 安裝于道口地面，如
圖3 所示[3]。GPRS 模塊接收列車各種信息，然后由單片機對
接收的信息進行處理，并計算出列車預計到達時間，啟動聲
光報警電路。
該系統(tǒng)的優(yōu)點是使用全球定位方式對列車進行定位，然
后結合計算機及GPRS 無線通信技術，提醒機車乘務員進入
道口前提前鳴笛示警[4]，同時道口報警顯示牌顯示列車到達
時間及速度，實現(xiàn)了信息的雙向傳輸。該系統(tǒng)缺點是在一些
GPRS 網(wǎng)絡的盲區(qū)，列車與鐵路道口設備的通信得不到保障[5]。
1.3 基于工控機的鐵路道口監(jiān)控系統(tǒng)
該系統(tǒng)由前端信號采集模塊、信息傳輸模塊、信息處理
模塊、中心管理模塊4 部分組成。前端采集模塊安裝于鐵路
道口旁，完成對道口區(qū)域視頻信息的實時采集，主要包括攝
像機、紅燈信號檢測器等部件。信息傳輸模塊完成對視頻、音
頻及控制信號的傳輸，主要由光纜和光端機組成。信息處理
模塊主要對前端采集到的圖像進行分析計算并能實時、快速
的處理；中心管理系統(tǒng)負責對各種視頻內容進行采集、緩存
和處理，由管理服務器組成。基于工控機的鐵路道口監(jiān)控系
統(tǒng)能為道口管理人員提供有圖像、有聲音的詳實的記錄，還
可通過管理服務器聯(lián)網(wǎng)共同管理多個道口，為多道口聯(lián)動道
口預警控制提供可靠的技術保障。但是該系統(tǒng)龐大復雜，造
價高，在我國現(xiàn)有國情下，不具有普及性。
2 無線安全監(jiān)控系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)
綜合以上鐵路平交道口安全監(jiān)控系統(tǒng)的分析，設計出無
線安全監(jiān)控系統(tǒng)。圖4 所示為無線安全監(jiān)控系統(tǒng)現(xiàn)場布置示
意圖。磁電傳感器安裝在距離道口適宜距離的鐵軌上，當列
車運行接近道口時，觸發(fā)傳感器，發(fā)射裝置將列車運行速度、
方向等信息通過無線方式發(fā)射出去。接收裝置接收到信號后
啟動報警系統(tǒng)，實現(xiàn)司機和道口值班人員的聯(lián)系[6]。
2.1 發(fā)射裝置設計
發(fā)射裝置原理框圖如圖5 所示[6]。其太陽能及蓄電池管
理使用STC12LE5410AD 芯片， 控制和監(jiān)測太陽能板及蓄電
池充放電情況，并及時將信息發(fā)給主機微處理器；主機微處
理器采用STC89C53R 單片機； 晶體振蕩器模塊采用高性能
溫度補償晶體振蕩器及頻率校準電路；射頻功放由日本三菱
公司的高頻大功率RA07H4452M 模塊構成；自動功率調節(jié)模
塊可使發(fā)射裝置輸出的射頻信號穩(wěn)定， 防止突變；射頻濾波
器為七階低通濾波器， 濾除各次諧波。
2.2 接收報警裝置設計
接收報警裝置框圖如圖6 所示。微處理器采用
STC89C53R 單片機；與電腦連接的接口電路使用標準接口芯
片RS232C； 數(shù)字解調使用芯片H31136， 輸出經(jīng)過低通濾波
器后直接變?yōu)榭捎玫姆讲ㄐ盘枺?語音合成芯片采用
AP89085，使用的編碼算法是ADPCM；音頻功放采用飛利浦
公司低失真度TDA1514A 芯片，具有極佳的高頻解析力[6]。
圖5 發(fā)射裝置框圖
Fig. 5 Transmitting device block diagram
圖4 無線安全監(jiān)控系統(tǒng)示意圖
Fig. 4 Schematic diagram of wireless safety monitoring system
圖3 控制中心系統(tǒng)框圖
Fig. 3 Central control system block diagram
圖1 系統(tǒng)組成框圖
Fig. 1 The system composition block diagram
圖2 車載設備系統(tǒng)框圖
Fig. 2 Block diagram of the system of vehicle equipment
－128－
2.3 觸發(fā)傳感器和天線的位置
該系統(tǒng)最基本的指標是預警距離， 這個距離應能確保道
口異常情況下的列車緊急制動及無線信號傳輸?shù)某晒?，相關
參數(shù)計算如下:
按照維建斯基模型[7]:
Ed=38.9+201g（（Ht·Hd）/λ）+101gPt－401gd+G－K
其中：Ed 為發(fā)射天線附近空間場強；Ht 為發(fā)射天線高度，
實際架設高度為4 m；Hd 為接收天線高度，實際架設高度為3
m；λ 為工作頻率的波長，實際工作頻率為150.8 MHz，波長為
2 m；Pt 為發(fā)射輸出功率，設計功率為10 W；d 為通信距離m；
G 為系統(tǒng)增益，發(fā)射天線為3 dB，接收天線為3～6 dB；K 為系
統(tǒng)損耗，包括天線饋線電纜的損耗K1 和接頭損耗K2，系統(tǒng)使
用FB－05D 電纜。
當發(fā)射電纜用5 m，接收電纜用4 m，每米損耗0.3 dB，
則K1=0.3×9=2.7 dB；L16－5KB 射頻接頭用4 個， 每個接頭損
耗0.1 dB，則K2=0.1×4=0.4 dB；得到K=K1+K2=3.1dB。
代入數(shù)據(jù)計算得:
Ed=67.36－401gd
接收點最小場強Edmin=Sv+D
其中：Sv 為接收機靈敏度，當信號速率為1 200 b/s 時，Sv
取值為17；D 為通信成功率由50% 提高到99% 所必需增加
的場強余量， 根據(jù)日本Icon 移動通信公司測試值，D 取值為
14.3 dB，因此：
Edmin=17+14.3=31.3
從而得到：67.36－401gd＞31.3
d＜7.9 km
2.4 實驗數(shù)據(jù)
將觸發(fā)傳感器安裝在上行3 km、下行2 km 處，通過多次
實驗證明， 當發(fā)射天線和接收天線架設在可見范圍內時，陰
雨天信號可以穩(wěn)定傳送5 km。若列車速度為200 km/h， 則可
在列車通過道口前1.5 min 得到預警， 能充分滿足列車通過
道口時在緊急情況下的制動距離要求和時間的提前量。
3 結束語
通過對典型的鐵路平交道口報警系統(tǒng)的研究，并結合各
系統(tǒng)的優(yōu)缺點設計出鐵路平交道口無線安全監(jiān)控系統(tǒng)。該系
統(tǒng)結構簡單，成本低廉，能實現(xiàn)司機與道口之間的聯(lián)系，符合
鐵道部《平交道道口自動控制或報警的技術要求》。隨著鐵路
運輸事業(yè)的高速發(fā)展， 鐵路安全及信息技術的應用也將發(fā)生
重大變化，將會逐步從相對獨立、功能簡單的人工管理向智
能化、網(wǎng)絡化、綜合化的自動管理發(fā)展。
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圖6 接收報警裝置框圖
Fig. 6 Receiving and alarming device block diagram
李文峰， 等鐵路平交道口無線安全監(jiān)控系統(tǒng)
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