铁路平交道口预警防护及远程监控系统的制作方法

本发明属于监控技术领域，特别涉及铁路平交道口预警防护及远程监控系统。

背景技术：

近年来，随着铁路系统信息化改革的不断深入，通信技术、网络技术已经广泛的应用在铁路系统日常生产和管理之中。目前，铁路系统作为国家重要的运输部门，其日常的稳定运行决定了国民生产、生活的正常运转。

安全作为铁路永恒不变的主题一直是铁路运营发展的重中之重，而既有铁路线路当中，众多铁路公路平交道口日常安全正常运行和铁路安全息息相关。如何利用不断进步的电子、通信及计算机软件技术来研制出一款铁路平交道口预警和管理设备，提高工务人员对平交道口的管理效率，降低平交道口发生事故的概率就成为一项研究课题，所以有必要研发一种具有列车接近预警、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功能的设备，满足当前工务部门对道口管理的现实需求。

技术实现要素：

本发明要解决的技术问题是提供一种铁路平交道口预警防护及远程监控系统，实现对铁路平交道口的远程自动监控和预警防护，保障道口安全，降低生产成本，提高生产效率。

本发明采用如下技术方案解决上述技术问题：

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、终端服务器及应用终端构成；所述前端列车接近预警系统检测到列车信号，通过无线通信方式将预警信号发送到道口房作业监控主机；道口作业监控系统接收到报警信号后向列车发出报警信息，同时向终端服务器发送当次作业数据；终端服务器分别接收道口作业监控系统的作业数据并存储；终端服务器通过网络连接应用终端。

所述前端列车接近预警系统包括车轮检测传感器、检测信号处理电路模块、无线通信传输模块和太阳能供电模块；所述车轮检测传感器为无源磁钢传感器，车轮检测传感器检测到列车车轮通过信号，输出感应信号给检测信号处理电路模块；所述检测信号处理电路模块接收到车轮检测传感器的感应信号，对其进行整流滤波、比较、电平转换及隔离处理，生成预警信号并通过无线通信传输模块传输到道口作业监控系统；所述太阳能供电模块分别为车轮检测传感器、检测信号处理电路模块、无线通信传输模块提供工作电源。

所述道口作业监控系统包括道口房作业监控主机、显示器、道口预警设备、列车到达传感器、道口栏门传感器、在岗监测设备和按键面板；

道口房作业监控主机接收前端列车接近预警系统的预警信号，向道口预警设备发送报警信号，道口预警设备发出声光报警；安装在铁路线路上的列车到达传感器检测到列车到达信号并发送到道口房作业监控主机，道口房作业监控主机接收列车到达信号后向道口预警设备发送报警停止信号，道口预警设备停止声光报警；所述道口栏门传感器为倾角传感器，安装在道口栏门上，检测道口栏门状态信号发送到道口房作业监控主机；所述在岗监测设备为摄像机，监测道口作业人员在岗状态并将监测信号发送到道口房作业监控主机；道口房作业监控主机根据所收到的栏门状态信号和道口作业人员在岗状态信号判断道口运行状态后向道口作业人员发出警告信号，并记录道口作业人员日常的作业步骤；道口房作业监控主机发送道口运行状态信息到显示器显示；所述按键面板包括报警、交接班、音量调节、暂停和在岗按钮，分别按下按钮则发送对应的报警、交接班、音量调节、暂停和在岗指令到道口房作业监控主机。

所述道口预警设备包括道口作业人员执有的电台、室外声光报警器和室内蜂鸣器。

所述应用终端为个人pc机或移动设备。

本发明的优点在于：本发明的系统能自动检测列车接近道口并预警，能自动判断道口作业状态并记录作业数据，能实现作业人员或管理人员对铁路平交道口的远程自动监控，保障道口安全，降低生产成本，提高生产效率。

附图说明

图1是本发明的系统结构框图。

图2是图1中道口作业监控系统的结构框图。

图3是本发明系统中检测信号处理电路的电路原理图。

图4是本发明系统的工作流程图。

具体实施方式

以下通过附图和实施例对本发明的具体实施方式作详细说明，但不构成对本发明权利要求保护范围的限制。

如图1所示，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、道口房作业监控主机、终端服务器及应用终端构成；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监控主机发出列车接近预警信号；道口房监控主机向列车发出停车的报警语音，叫停列车。道口房监控主机通过查询按键面板的在岗、交接班等按键的工作状态判断道口人员是否在岗并记录道口人员日常的作业步骤；或通过摄像机监控道路口作业人员是否在岗，并把监控信号发送到道口房监控主机以判断道口人员是否在岗并记录道口人员日常的作业步骤。终端服务器上的终端数据库主要接收各道口传回终端的各自的作业数据并建立数据库存储；应用终端如个人pc机或手机上安装的数据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。

一、前端列车接近预警系统包括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。

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。无源磁钢的工作原理是当一个车轮缘通过磁钢时，车轮切割磁钢磁力线，磁钢内的线圈产生相应的磁感应电势，其输出类似一个周期的正弦波，其输出幅值由车轮经过速度决定，速度越快，幅值越大。

每一组车轮检测传感器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检测信号处理电路输出感应信号。按列车运行方向，在每条铁路线上安装一组车轮检测传感器。

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，这使得其信号不能直接用于车轮检测，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电路、整流滤波电路、比较电路和隔离电平转换电路。如图3所示：

信号输入电路是将车轮检测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。

整流滤波电路是将信号输入电路输出的信号的高频干扰杂波过滤掉，并去掉负电压部分，向比较器电路输出一个正电压的波形。

比较器电路是由整流滤波电路输出的信号，与一个设定的电压，也就是脉冲触发的门限电压，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。

比较器产生的方波，高电平电压是运算放大器满电压输出，电压值比较高，因此需在进行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。

3无线通信传输：

每一组车轮检测传感器检测到车轮信号后，通过无线通信传输将列车接近信号向道口房作业监控主机发送。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，3w的超大输出功率，-121dbm灵敏度，一个工作在148～173.5mhz，-121dbm灵敏度，两种传输均并具有扩频技术，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。两种无线通信模块均具有软件fec前向纠错算法，其编码效率较高，纠错能力强，在突发外界干扰的情况下，能主动纠正被干扰的数据包，大大提高可靠性，增加信号传输距离。

4太阳能供电：

由于前端列车接近预警系统处于铁路沿线距离道口房1.75km处，因此，系统工作供电是需要考虑的实际问题。在本系统设计当中，我们选择使用太阳能供电向前端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。

二、道口作业监控系统

如图2所示，所述道口作业监控系统包括道口房作业监控主机、显示器、道口预警设备、列车到达传感器、道口栏门传感器、在岗监测设备和按键面板；

道口房作业监控主机接收前端列车接近预警系统的预警信号，向道口预警设备发送报警信号，道口预警设备发出声光报警；在道口的线路上安装一个磁钢传感器作为到达传感器用于检测列车到达信号，当它检测到列车到达信号后发送到道口房作业监控主机，道口房作业监控主机接收列车到达信号后向道口预警设备发送报警停止信号，道口预警设备停止声光报警；所述道口栏门传感器为倾角传感器，安装在道口栏门上，检测道口栏门状态信号发送到道口房作业监控主机；所述在岗监测设备为摄像机，监测道口作业人员在岗状态并将监测信号发送到道口房作业监控主机；道口房作业监控主机根据所收到的信号判断道口运行状态，当判断道口作业人员未按照规定动作完成作业步骤时向道口作业人员发出警告信号，监控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；道口房作业监控主机发送道口运行状态信息到显示器显示；所述按键面板包括报警、交接班、音量调节、暂停和在岗按钮，报警按钮提供一键报警功能，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报警并拦停列车。交接班按钮将道口作业人员交接班的状态信号发送到道口房作业监控主机；音量调节按钮用于控制道口预警设备的音量；按下在岗按钮则向道口房作业监控主机发送道口作业人员在岗的状态信号。还可以在室外设置“室外在岗”按钮，室外作业人员通过按下该按钮将自己的在岗状态信号发送给道口房作业监控主机，以实现道口所有作业人员的状态监控。

三、终端服务器

在终端服务器中，应用mysql创建了用于存储道口作业记录信息的数据库，用于记录和存储各道口传回终端的不同的作业数据，并通过无线或网络连接应用终端，向终端用户提供产品查询和远程监控信息。

四、应用终端

应用终端包括个人计算机和移动设备，其上安装的远程查询软件分为dtu道口设备服务端程序和铁路道口设备查询系统两部分。

1、dtu道口设备服务端程序

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，包括获取前端设备上下线情况、获取选定前端设备的时钟信息以及选定前端设备的自身状态信息等，并将相应的数据存储到dk数据库中。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。

2、铁路道口设备查询系统

铁路道口设备查询系统主要分为pc版和mobile版，pc版的功能分为：道口信息、系统设置、用户修改密码及退出系统，其中超级用户具有系统设置权限，其他用户无此权限；各个用户均有相对应的权限划分，不同用户不能越过自己所拥有的权限。

pc版铁路道口设备查询系统分为道口设备状态与道口信息查询两项功能。道口设备状态用于显示道口设备所属的工务段、线路里程、dtu手机号码、道口设备最新上传数据的时间以及设备的上下线状态。道口信息查询可以根据时间段、道口事件以及道口设备所属的工务段、线路里程等条件进行单独条件或者联动条件查询道口信息。

系统设置功能主要有用户管理、道口定义和道口事件定义。用户管理具有新增、编辑、删除系统用户的功能。

道口定义具有新增、编辑、删除道口设备所属的工务段、线路里程及对应dtu手机号码的功能。

道口事件定义具有新增、编辑、删除道口事件id及事件描述的功能。

mobile版铁路平交道口预警防护及远程监控系统查询系统具有道口设备状态与道口信息查询两项功能，且这两项功能与pc版的功能相同。

五、提高列车接近信号检测的可靠性的方法：

为保证车轮检测的可靠性，使用两个无源磁钢传感器作为车轮检测传感器，两个无源磁钢传感器的检测信号分别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。采用两路硬件检测冗余设计的优点是：1、可有效减少部分特殊情况下车轮检测的漏检现象；2、当其中一路传感器或信号处理电路出现故障时另一路仍然能进行车轮检测；3、两路检测能形成了一个相互自检的作用，当某一路信号检测出的车轴数与另一路信号检测出的车轴数差异较大时，能判断出其中一路检测传感器或者信号处理电路故障，系统则可提醒设备检修人员及时对系统进行维修；4、使用两路信号检测还能检测出列车行驶方向，计算出列车行驶速度。使用两路信号检测设计，能大大提高列车接近检测的可靠性，抗干扰能力和功能性。

车轮脉冲检测使用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。

判定列车行驶方向和速度的方法：

如图4所示，定义安装在远离道口方向的无源磁钢传感器为1号传感器，靠近道口一端的无源磁钢传感器为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，尽可能准确的做到精确判断。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无源磁钢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。

六、提高通信有效性和可靠性的方法

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。

如图4所示，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(前端列车接近预警系统)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。独立工作是同样检测列车通过，同样在达到列车通过的条件时，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。

在无车经过的时候，前端列车接近预警系统还会自检本机状态，如电池电压，cpu温度，并定时主动向道口房作业监控主机发送状态信息，也作为心跳包功能，主机收到心跳包后，会回复一个应答，如果没有收到主机的应答连续超过一定次数，表示通信故障。

道口两头检测点之间的区间段内也没有过车的时候，道口房作业监控主机每200秒主动向两头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，同样表示通信故障，主机显示屏便表示与前端设备通信故障，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。

本系统应用效果：该系统研制成功后在湘桂线k663监护道口处安装上线应用，该道口处于湘桂线电气化区段繁忙路段，平均10分钟过车一趟，存在各种不同的道口作业情况，能够很好的检验系统在道口各种复杂情况下的各项功能运行是否正常。很好的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,能够准确的检测到每趟列车接近道口并发出预警，道口管理人员可以通过远程查询系统连接到终端服务器，准确的查询到道口作业的每一条记录，系统运行良好，保障了道口作业安全。