铁路线路上跨立交防护预警及远程监控系统

曾惠明

（中国铁路南宁局集团有限公司 科学技术研究所，工程师，广西 南宁 530029）

1 概述

目前，普速铁路区段上跨立交防护尚未能完全到位，特别是近年来中国铁路南宁局集团有限公司管内多处平交道口改建上跨立交桥，防护等级较低，遇到事故（如汽车撞毁防护栏造成侵限、掉落到线路等）时不能向列车提供有效预警，给线路运输造成极大损失。虽然高铁区段沿线上跨立交已经可以通过高速铁路专线防灾系统中的异物侵限监测子系统来实现监控防护，在发生交通事故时可对列车进行有效的预警，但其属于高铁防灾系统的一部分，针对的是高速铁路专线防护，成本造价高，且是通过高速铁路列控系统向列车进行报警，与目前普速铁路行车系统并不相同，无法直接应用于普速铁路区段的上跨立交。

针对普速铁路上跨立交发生撞击、跌落等事故对行车安全的影响，以合理预防为前提，可靠监控为手段，报警及时、防止危及行车安全为目标的设计思路及低投资、易施工的设计原则，研发“铁路线路上跨立交防护预警及远程监控系统”作为行车安全辅助设备，通过对上跨立交路段线路进行有效监测，在检测到上跨立交发生撞击、跌落事故时，能第一时间对过往机车进行无线预警，且通过通信手段对线路管理人员进行远程报警，同时系统具备自检功能。

2 系统设计

系统由上跨立交防护监测单元、800M列车无线报警单元、主控制模块、远程报警单元、供电电源五个部分构成。

系统上跨立交防护监测单元对上跨立交桥梁防护及立交覆盖范围的铁路线路进行实时监测，通过检测安装于上跨立交桥防护网上的传感器状态及观察上跨立交覆盖到的铁路线路视频图像来判定是否有影响行车安全的事故发生；主控制模块负责接收各个单元的信息并向各个单元发布控制命令，同时监测各个单元的运行状态；在主控制模块接收到监测单元发送的事故信息后，向800M列车无线报警单元及远程报警单元发出报警命令，800M列车无线报警单元启动800M无线信号报警电台，向附近行驶机车发送800M无线报警广播信号（即：施工报警信息、施工报警解除信息）；远程报警单元向线路维修管理人员发送报警短信息进行安全报警；供电电源为整套系统提供电源。系统框架结构示意图如图1所示。

图1 系统硬件框架结构图

2.1 上跨立交防护监测单元

上跨立交防护监测单元分为2个部分：硬件防护检测系统和现场图像采集系统。

2.1.1 硬件防护检测系统硬件防护检测系统是检测铁路上跨立交桥两侧现有的固定防护（如水泥防护拦、防护网等）设施是否被外力破坏的一个小型子系统。由检测传感器、检测电缆、简易信号发生电路、信号检测电路组成，检测传感器现场安装分布于上跨立交桥现有防护上；检测电缆用于连接安装于固定防护上的各个检测传感器；简易信号发生电路生成检测信号；信号检测电路用于验证检测信号是否失真。

其检测原理为：由信号发生电路生成检测信号，检测信号通过检测传感器及检测电缆形成的环路并回到信号检测电路，若信号检测电路检测到的信号与发出的检测信号无明显失真的情况，则认为检测环正常，检测传感器及检测电缆均正常，则可判定无外力破坏上跨立交两侧的防护装置，立交桥处于无事故状态；若信号检测电路检测到的信号对比检测信号已经严重失真或者完全无法检测到信号，则认为检测传感器及检测电缆形成的检测环路为外力破坏，判定立交桥两侧防护装置遭到外力破坏，立交桥发生撞击情况，可能会影响行车安全。硬件防护检测单元（包括信号发生器和信号检测电路）原理框图如图2所示。

图2 硬件防护检测单元原理框图

2.1.2 图像采集系统图像采集系统作为现场观测辅助设备，主要作用为采集上跨立交附近铁路线路图像后再经远程模块发送给线路管理人员，由其对线路安全情况进行判断。该子系统由高清夜视摄像头和图像采集模块组成，高清摄像头用于图像的截取，图像采集模块用于图像的处理及传输。图像处理模块主要由主控芯片STM32F103C8单片机及其外围电路组成，实现单片机对高清摄像头的拍照控制、图像数据的读取、存储和传输功能，用于控制摄像头进行拍照和摄像以及选取摄像头拍下的照片通过远程模块进行远程传送。图像处理模块与某厂家型号为DS-2CD3T47EWD-L高清日夜全彩摄像头之间以网络接口连接，根据网络访问协议设计编写底层程序控制摄像头进行拍照以及读取图像。具体的程序流程如图3所示。

图3 图像采集系统程序流程图

2.2 800M列车无线报警单元

800M无线报警模块主要作用是在系统检测到上跨立交发生安全事故影响行车时，以铁路专用的800MHz无线频段以广播的方式向周围发射报警信息（主要是施工防护报警信息），使行驶列车能够收到报警信息，采取紧急措施。

800MHz列车报警装置由主机、天馈线系统、外置报警按键、扬声器、外置交流电源构成。其中外置交流电源和外置扬声器2个部分为选配件，可在需要语音提示或220V供电的环境下使用。主机由主控制器、指示灯、语音、存储、通信（含信道机）、直流电源、外部信号接口等单元构成。如图4所示。

图4 800MHz报警单元硬件结构图

800M列车无线报警单元FFSK编解码电路中，编解码选用的是CMX469A芯片，该芯片具有体积小、功耗低等特点，主要完成对800M检测仪发送的设备检测信息进行解码，对发送给模拟电台的报警信息进行编码的功能。其典型电路如图5所示，发送报警时，CMX469A芯片将来自单片机的TTL电平报警数据信号调制成正弦波模拟信号，其中1800Hz代表TTL低电平,1200Hz代表高电平，随后由电台调制到射频载波信号上发射出去；进行设备检测时，单元接收800M检测仪的信道机检测和按键检测无线指令，将其解调成数字信号送入单片机进行解析。

图5 FFSK编解码电路

CMX469A与单片机的接口电路设计主要分为两部分：发送接口电路设计和接收接口电路设计。发送接口电路由发送允许（TX_EN）、发送时钟线（TX_SY）、发送数据线（TX_DA）三部分构成。此时的FFSK数据输出线（TX_SIG）用于输出经过调制的FFSK信号。接收接口则由接收允许（RX_EN）、接收时钟线（RX_SYNC）、载波检测（CA_DETE）、时钟同步接收数据线（C_DATA）等四部分构成。此时，FFSK数据输入线RX_SIG为需要解调的FFSK信号的输入端口。其发送∕接收控制程序流程图如图6所示。

图6 CMX469A发送/接收控制程序流程图

2.3 主控单元

系统的主控单元是整个系统的核心部分，它监测各个单元的运行状态信息并对各个单元发布控制命令。它与各个单元之间通过RS485总线进行通信联系。

主控单元采用STM32F103RC作为核心芯片，是32位并带512k字节闪存的微控制器，接口类型及数量丰富。其工作温度范围为-40℃至105℃，供电电压范围为2.0V至3.6V，省电模式保证低功耗应用的要求。

由于现场供电电源的限制，以及总线通信和控制的现场需求，该芯片既能提供足够的通信接口也能满足低功耗工作要求，更易于模块化设计和生产，因此，在项目中采用其作为主控芯片。

主控单元除了对各个单元进行控制之外，还有一个重要作用，即定期查询各单元工作状态并存储记录，可实现对系统整体的自检，同时可记录各单元出故障的数据，方便以后对设备的改进及升级。

2.4 远程报警单元

远程报警模块用于在系统检测到上跨立交安全事故影响行车安全时对线路管理人员进行短信报警，由于现场条件限制以及传输报警信号的简易性，系统采取无线传输进行远程报警。系统中设计了独立的GPRS无线传输模块，在插入物联网卡后于4G的无线环境下可向线路管理人员进行手机短信报警。

GPRS无线模块选用功能完善、接口丰富、高性能、设计方便使用范围广的工业级模块SIM900A，该模块支持RS232串口，工作电压为5V～24V,方便单片机控制从而提供包括语音、短信和GPRS数据传输等功能。

远程报警单元主控芯片选取STM32F103C8，它与主控单元主控芯片同属一个系列的ARM单片机芯片，性能稳定，通用性好，可在同一软件环境下进行开发，提高开发效率。远程报警效果如图7所示。

图7 远程报警效果图

2.5 供电电源

为了降低电源安装、使用成本，研究采用太阳能供电的方式为系统提供电源。在实际应用中，为满足足够的电源供应，使用2块功率100W的单晶太阳能板作为发电板，容量80A∕h、输出12V电压的锂电池作为供给电源，经测试该电源能够保证给整个系统稳定运行供电。

3 系统应用

铁路线路上跨立交防护预警及远程监控系统样机安装在黔桂线K17+900处进行现场试验和使用，经过现场模拟测试，系统工作稳定，能够满足对上跨立交的有效监控，目前仍在试用。该项目已经完成结题验收，其相关技术已经应用在中国铁路武汉局京广线、武九线两处危岩落石防护系统中，应用效果良好。

4 结束语

针对铁路上跨立交发生事故影响行车安全的问题，研制出铁路线路上跨立交防护预警及远程监控系统。详细介绍了系统的模块构成、原理设计及功能作用，并经现场实际测试，系统工作稳定，应用效果良好，实现了对普速铁路上跨立交的有效监控。