摘要：针对铁路公路平交道口日常管理难度大、安全隐患风险多问题，利用不断进步的电子、通信及计算机软件技术研制出一款铁路平交道口预警和管理设备，该设备系统具有列车接近预警，现场“一键触发”式机车报警，道口人员作业监督，道口作业记录存储，道口作业记录远程查询等几大功能，提高了工务人员对平交道口的管理效率，降低了平交道口发生事故的概率。
关键词：平交道口;无线预警;预警防护;作业监控;远程查询
1概述
根据铁路工务部门道口管理工作的需要，道口预警和管理设备必须具有列车接近预警，现场“一键触发”式机车报警，道口人员作业监督，道口作业记录存储，道口作业记录远程查询等几大功能。目前，南宁局集团公司管内使用的道口预警及管理设备主要有四个厂商生产的设备，该四种设备由于开发时间较早，均存在不同程度的技术及功能缺陷，已经不能满足当前工务部门对道口管理的现实需求。因此，有必要根据需求研制出一款新的铁路平交道口预警及管理设备，对铁路平交道口进行更好的管理，提高工务人员的工作效率，增强铁路平交道口运行的安全性。
2系统技术方案
“铁路平交道口预警防护及远程监控系统”由前端列车接近预警系统、道口作业监控系统、终端数据库及远程监控查询软件四大部分构成的综合系统。当列车接近平交道口1.75km时，前端列车接近预警系统检测到列车信号后向道口房发出列车接近预警信号;道口作业监控系统可被操作向列车发出停车的报警语音，叫停列车，它通过查询自身提供的在岗、作业等按键的工作状态查询道口人员是否在岗并记录道口人员日常的作业步骤;终端数据库主要接收不同道口传回终端的作业数据并建立数据库存储;远程监控查询软件则为工务道口管理人员提供了查询检索终端数据库道口作业记录的人机操作界面。系统框架示意图如图1所示：
2.1列车接近预警系统列车接近预警系统分为4个部分：车轮检测传感器、检测信号处理电路、无线通信传输、太阳能供电。
2.1.1车轮检测传感器本系统车轮检测传感器选取无源磁钢传感器。每一组车轮检测是由两个车轮检测传感器组成，按照固定距离安装在同一钢轨上，当车轮经过时，这两个传感器分别向信号处理电路输出感应信号。
2.1.2检测信号处理电路由车轮检测传感器输出的信号有很多外界干扰，必须先对其进行一定硬件电路处理。检测信号处理电路又分为信号输入，整流滤波电路，比较电路和隔离电平转换电路。
信号输入是将传感器输出的信号进行电流电压转换，并且带有稳压保护作用，防止高速度车轮通过产生的高电压或者雷电感应产生的高脉冲对电路的冲击。
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整流滤波电路是将信号的高频干扰杂波过滤掉，并去掉负电压部分，向比较器输出一个正电压的信号，与设定的脉冲触发门限电压进行比较，高于门限电压，输出为高电平，低于门限电压，则输出为低电平。由此当一个车轮经过车轮检测传感器后，产生并输出一个方波，经电平转换成单片机使用的TTL电平。并且使用光耦隔离，防止传感器及线路引进的干扰和雷电冲击处理器。
2.1.3无线通信传输无线通信传输是在前端系统检测到车轮信号后，将列车接近信号向道口房设备发送。在本系统当中，无线传输采用高性能射频无线数字传输，使用两个频段传输，一个工作在410～441MHz频段，一个工作在148～173.5MHz，均是121dBm灵敏度，两种传输均使用扩频技术，带来更远的通讯距离，且具有功率密度集中，抗干扰能力强的优势。
2.1.4太阳能供电由于列车接近预警系统处于铁路沿线距离道口房1.75km处，考虑到系统供电问题，选择使用太阳能供电向列车接近预警系统提供电源，其由50W大功率太阳能电池板和40AH锂电池组成;在无太阳光照下或者太阳能板故障时，锂电池仍能向系统提供两星期的稳定供电，完全满足现场需要。
2.2道口作业监控系统道口作业监控系统位于道口房内，它对道口作业人员日常作业步骤形成作业监控记录并通过无线传输传送到终端服务器进行存储，在接收到前端设备的列车接近预警信号后道口作业监控系统启动对道口作业人员和路过道口的行人进行列车接近声光预警，在检测到列车到达信号后停止预警;通过检测道口拦门传感器、在岗传感器的运行状态来判断道口运行状态，在道口作业人员未按照规定动作完成作业步骤时向其发出警告;提供“一键报警”功能，在道口遇到异常突发情况时，道口作业人员可以通过其紧急拦停列车。其具体的结构框图如图2所示：
2.3终端数据库在系统设计当中，应用MySQL创建了一个用于存储道口作业记录信息的数据库，用于存储道口事件、道口事件id、道口设备、日志文档、用户信息等数据。
2.4远程监控查询软件远程查询软件分为DTU道口设备服务端程序和铁路道口设备查询系统两部分。DTU道口设备服务端程序的主要功能是与前端道口监控设备进行通信，获取前端设备采集到的数据，同时可以远程设置校正前端设备时间、远程复位前端设备，并可远程直接读取前端设备在选定时间内的前端存储的所有道口事件数据。
铁路道口设备查询系统主要分为PC客户端版和手机Android版，PC客户端版的功能主要有道口状态、道口事件查询、道口定义、道口事件定义及用户管理等，手机Android版道口查询软件具有道口设备状态、道口事件查询功能。
3关键技术及实现
3.1列车接近检测的实现列车接近检测是整套系统的设计基础，大部分的逻辑判断与检测均是在检测到列车接近的基础上来完成的，因此，需要从设计上确保列车接近信号检测的可靠性(原则为不漏报，少误报)。
在具体的硬件设计当中，为保证车轮检测的可靠性，从整体上进行双机冗余设计。使用两个磁钢传感器作为车轮检测传感器，传感器的检测信号经过两路参数一样的信号处理电路进行信号处理后分别输入前端MCU的两个IO引脚，使用1K的采集频率对信号输入的两个IO进行电平采集，无车情况下，IO电平状态是高电平，当有一个车轮经过时，产生一个低电平脉冲。利用车轮经过检测传感器产生的脉冲的时间特性，按时间对脉冲进行消抖和过滤，如小于10ms的脉冲，视为无效脉冲，被过滤掉。当脉冲恢复高电平达到一定时间，才认为结束一个脉冲，这样消除了脉冲里发生的抖动现象或单个脉冲发裂成几个小脉冲现象。
从软件设计上定义安装在远离道口方向的传感器为1号传感器，靠近道口一端的传感器为2号传感器。当1号传感器脉冲触发时，查询2号传感器是否已经有脉冲触发，如果没有，表示该车轮是进入道口方向，记录该车轮方向。两个传感器触发结束后，表示1个完整轴结束，完整轴数加1。若某一传感器故障，只有另一个传感器产生脉冲触发，则不计为完整轴数，只表示单传感器轴数。当完整轴数达到2个或以上，或者单传感器轴数达到3个或以上时，逻辑判断表示有列车通过，此时要向道口屋的主机发送有列车通过信息。列车行驶方向由完整轴记录的方向判断，当两个完整轴的方向一致时，确定方向，当不一致时，增加一个完整轴继续判断，从逻辑判断上采取3取2，尽可能准确做到精确判断。如果是单传感器轴无法确定列车行驶方向，发送无确定方向信息，则由道口房主机进行判断方向。完整轴判断出来的方向同样也由道口房主机再次确认，以主机确认结果为主。列车速度是根据两个检测传感器的安装距离除以触发的时间差来计算得出。又根据列车的最大轴距与脉冲宽度比，当脉冲结束后，无脉冲时间大于40倍脉冲宽度以上的时间，表示当前列车完全通过检测点，此时向道口房主机发送列车完全通过信息。
3.2列车接近信号无线传输的实现前端列车接近信号无线传输硬件设计也采用了双机冗余传输模式，使用两路单独的无线传输模块，而且使用不同的工作传输频段，互不干扰，当有一个频段受到外界干扰，信号不能正常传输时，另一个频段可以继续工作，这就大大提高了信号在无线传输环节的可靠性和抗干扰能力。同时，在软件逻辑设计上尽量防止外部干扰信号对无线传输的干扰影响。
在本系统的无线通信软件设计当中使用有效握手协议通信，当分机(前端列车接近检测系统)向主机(道口房作业监控主机)发送信息，主机接收到后，会向分机发送一个应答信息，表示主机已经收到。若分机接收不到主机的应答信息，分机会认为主机没有收到，从而继续向主机重发信息，直到收到主机的应答信息，或者重发次数达到一定次数。当重发次数达到了该次数后，仍然没接收到主机的应答信息，则表示该次信息发送失败，并且认为通信出现故障。在本系统的双机工作模式中，形成双通道通信，双机分别是独立工作，又互不干扰形式，分别在自己所用的无线频段向主机发送列车通过信息。因为同样的输入信号，同样的处理电路，因此双机将会在同一时间检测到相同的结果，同一时间达到发送列车信息的条件，需要同一时间向主机发送信息，但是在发送时，会先判断对方是否正在发送中，将会等待对方发送结束后，再发送。这样实现了双通道互不干扰。
道口两头检测点之间的区间段内也没有过车的时候，道口房主机会每200s主动向两边的检测点分机发送查询状态心跳包。分机收到主机的查询心跳包后，会将自检的状态信息发送给主机作为应答，主机收到应答后会认为通信正常，若主机没有收到分机的应答连续超过一定次数，则会表示通信故障，此时主机显示屏显示前端设备通信故障，并向服务器发送提醒检查维修信息。这样便形成了通信互检，第一时间发现通信故障的有效可靠的通信机制。
4结束语
该系统样机于2016年8月研制成功后在南宁局集团公司南宁工务段湘桂线K663监护道口处安装上线试用。试用期间，该系统很好地克服了电气化区段行车对列车接近信号检测及无线预警功能的干扰,能够准确检测到每趟列车接近道口并发出预警，道口管理人员可以准确查询到道口作业的每一条记录。
该系统已经获得实用新型专利，授权证书号为2018021220181463，并已经申请发明专利。截至2020年12月该系统已经在南宁局集团公司南宁、柳州、桂林、玉林、钦州等工务段推广使用18套，按照南宁局集团公司计划，正逐步在全局范围内进行推广使用。——论文作者：曾惠明
