孫鵬宇，魏立明，何佳旺

（吉林建筑大學(xué)電氣與計(jì)算機(jī)學(xué)院，吉林 長(zhǎng)春 130118）

0 引言

伴隨著科技的發(fā)展、生活節(jié)奏速度的加快，快速便捷的交通能力不斷提高，現(xiàn)代交通運(yùn)輸在生活中扮演的角色越來越重要。尤其是在鐵路部門，其運(yùn)輸與水路、公路與航空等部門相比，不僅方便快捷，且全天運(yùn)營(yíng)、容量大，并有著較低的運(yùn)輸成本。因此，鐵路運(yùn)輸作為一種安全、快速的運(yùn)輸方式受到大眾的青睞。然而，需要注意的是，如果忽視了鐵路的安全保障工作，來往的車輛、行人可能與行駛中的列車發(fā)生交通事故，會(huì)對(duì)人們的生命和財(cái)產(chǎn)安全造成重大的損失。因此，行人、汽車、列車應(yīng)有序通行，進(jìn)行安全預(yù)防工作尤為重要。鐵路平交道口，實(shí)際上是公路和鐵路的匯合點(diǎn)。因此，往來的車輛、行人很容易與行駛中的火車發(fā)生碰撞，因此必須讓火車、汽車、行人和其他交通工具有條不紊地參與到交通行為中，以確保生命和財(cái)產(chǎn)的安全，交通暢順。

1 系統(tǒng)簡(jiǎn)介及工作原理

1.1 系統(tǒng)簡(jiǎn)介

整個(gè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)過程可以根據(jù)預(yù)先計(jì)算出的距離在鐵路軌道的特定位置處安裝傳感器。如果列車將要經(jīng)過路口，需要提前60 s～100 s發(fā)出聲、光的預(yù)報(bào)警信號(hào)，可以在列車到達(dá)之前發(fā)出警報(bào)信號(hào)。能夠提醒車輛和行人，保障他們的安全。為起到警示作用，一般將信號(hào)設(shè)計(jì)成雙光模式[1]。比如，綠燈狀態(tài)下代表沒有車輛接近，交叉路口通常是打開的，可以通行。紅燈狀態(tài)代表有車輛正在接近，此時(shí)禁止行人通行與車輛過往。這樣既便于控制交叉口的開啟，也方便鐵路道口的管理，并且可以快速有效地確保人員的安全。系統(tǒng)組成如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)組成框圖

1.2 系統(tǒng)的工作狀態(tài)

整體設(shè)計(jì)過程中力求節(jié)約資源、行之有效。作為重中之重的傳感器系統(tǒng)，當(dāng)交叉口房間的上位機(jī)系統(tǒng)檢測(cè)到外來信號(hào)傳入時(shí)，工作人員能夠接收到接近車輛的信息，從而實(shí)現(xiàn)自動(dòng)報(bào)警功能，如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)工作的狀態(tài)示意圖

在整個(gè)系統(tǒng)工作流程中，需要預(yù)先設(shè)計(jì)好基本圖紙、明確各部分的功能，以及對(duì)應(yīng)信息的儲(chǔ)存位置。在這里，要考慮鐵軌上傳感器部分，需要將系統(tǒng)主機(jī)安裝在房間里，注意傳感器與系統(tǒng)主機(jī)之間的距離。

1.3 系統(tǒng)的技術(shù)指標(biāo)

本系統(tǒng)涉及的技術(shù)指標(biāo)見表1。

表1 系統(tǒng)的技術(shù)指標(biāo)

當(dāng)列車以某一指定速度經(jīng)過傳感器時(shí)，在傳感器處會(huì)產(chǎn)生1個(gè)一定強(qiáng)度的脈沖信號(hào)，在示波器處會(huì)產(chǎn)生2個(gè)固定頻率的輸出波形。等列車通過后，在相反的軌道上重復(fù)此過程。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖3～圖4所示。

從圖3～圖4中可以發(fā)現(xiàn)，本文的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)能夠達(dá)到預(yù)期的效果。在后期施工過程中，系統(tǒng)可以自由切換方式來選擇報(bào)警的方向。

圖3 左側(cè)軌道傳感器脈沖圖

圖4 右側(cè)軌道傳感器脈沖圖

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 傳感器選擇依據(jù)

本設(shè)計(jì)過程中所選用凸極磁電跟蹤傳感器，傳輸速度快，信號(hào)轉(zhuǎn)換效率高，供電電壓是12 V，輸出信號(hào)是電壓。一般軌道傳感器多采用速度信號(hào)，傳輸速度慢，信號(hào)可靠性低,而且在取樣速度比較快的同時(shí)會(huì)容易產(chǎn)生多余的輸出信號(hào),這樣就可能會(huì)大大降低系統(tǒng)的信號(hào)精準(zhǔn)分辨率和信號(hào)靈敏度[2]。此傳感器能夠改善一般軌道傳感器中存在的信號(hào)在傳播中斷時(shí)的中斷現(xiàn)象；而且在遭遇極端天氣時(shí)，能夠避免出現(xiàn)像傳統(tǒng)傳感器的信號(hào)輸出效率低下，及傳感器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)受損現(xiàn)象。在傳統(tǒng)軌道傳感器的設(shè)計(jì)基礎(chǔ)上，需要進(jìn)一步完善和優(yōu)化，使該傳感器能夠完善其余各類傳統(tǒng)軌道傳感器存在的缺陷。而磁電式傳感器的磁極為一個(gè)凸出極式磁電結(jié)構(gòu),且磁極中心底部設(shè)有半密封極結(jié)構(gòu)凸極磁鐵芯。且具有良好的防風(fēng)雨雷電檢測(cè)性能和比較高的信號(hào)靈敏度,即使在遭遇風(fēng)雨雷電等各種惡劣條件下,也依然能非常精準(zhǔn)、準(zhǔn)時(shí)地高速輸出有效信號(hào)。傳感器的工作原理主要有以下2點(diǎn)。

圖5 電壓與速度的關(guān)系

2）感應(yīng)信號(hào)電壓E和工作間距H的變化趨勢(shì)如圖6所示。

圖6 感生信號(hào)電壓與工作間隙的關(guān)系

2.2 傳感器安裝及使用方法

為確保整個(gè)系統(tǒng)能夠安全準(zhǔn)確地運(yùn)行，不僅在傳感器選擇上具有嚴(yán)格的標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)于傳感器的安裝和使用方法也要有嚴(yán)格的要求。因?yàn)槿绻诎惭b位置上出現(xiàn)問題，將很有可能影響到最終的檢測(cè)結(jié)果，甚至造成不必要的危險(xiǎn)和傷亡[3]。所以，為保證傳感器能安全穩(wěn)定工作，結(jié)合傳感器自身及鐵路的實(shí)際情況，其安裝過程應(yīng)考慮以下幾個(gè)因素。

首先，車輛踏面允許的最大范圍應(yīng)為9 mm，達(dá)此限度的車輪踏面將不可以再使用；其次，車輛輪沿高度25 mm，機(jī)車輪沿高度為28 mm。在實(shí)際設(shè)計(jì)和應(yīng)用過程中，需要考慮的是：傳感器應(yīng)用必須安全無風(fēng)險(xiǎn)、無不良后果。且滿足信息傳輸效率和準(zhǔn)確率達(dá)到一定標(biāo)準(zhǔn)等相關(guān)因素。系統(tǒng)在設(shè)計(jì)過程中應(yīng)使傳感器面距離鐵軌面的高度為37 mm；在沒有機(jī)動(dòng)車輛及重型車輛行走的情況下，此高度可調(diào)整為34 mm。

傳感器的具體安裝：由于整個(gè)系統(tǒng)硬件電路主要是由單片機(jī)控制實(shí)現(xiàn)的。而單片機(jī)系統(tǒng)則需由觸發(fā)信號(hào)算出火車的行駛速度，所以結(jié)合物理知識(shí)，為了便于測(cè)量和計(jì)算，將觸發(fā)端設(shè)計(jì)成2個(gè)傳感器并排放置的形式?？梢栽O(shè)定2個(gè)傳感器之間的距離長(zhǎng)度為s，并由2個(gè)脈沖之間的間隔便可借助軟件計(jì)算出速度。設(shè)系統(tǒng)檢測(cè)到車輪通過2個(gè)傳感器所用時(shí)間為t，則列車接近速度為v=s/t。

當(dāng)火車已到達(dá)道口后，系統(tǒng)不需要繼續(xù)發(fā)出警報(bào)，只需在道口安裝一個(gè)復(fù)原端傳感器即可。本系統(tǒng)采用一只磁電式傳感器便可實(shí)現(xiàn)?；疖嚨降揽?，即通過傳感器給系統(tǒng)1個(gè)脈沖信號(hào)，系統(tǒng)收到信號(hào)，即可停止警告，與此同時(shí)，完成了整個(gè)過程。傳感器設(shè)計(jì)和安裝部分基本完成。觸發(fā)、復(fù)原傳感器如圖7～圖8所示。

圖7 觸發(fā)傳感器實(shí)物照片

圖8 復(fù)原傳感器實(shí)物照片

2.3 信號(hào)處理電路設(shè)計(jì)

在系統(tǒng)的運(yùn)行處理過程中，此時(shí)若有一班列車再次靠近并經(jīng)過列車傳感器時(shí),傳感器中所傳遞的信號(hào)往往不是單一的列車信號(hào),可能只是混雜了具有干擾性的信息。只有對(duì)其中有用信息信號(hào)篩選處理,才能夠使其供正常應(yīng)用程序模塊使用，否則系統(tǒng)會(huì)有礙于下一步的運(yùn)行。系統(tǒng)信號(hào)處理電路的執(zhí)行功能有以下幾點(diǎn)：①分離組合信號(hào)，形成脈沖信號(hào)；②準(zhǔn)時(shí)地對(duì)車輪信號(hào)中所包含的一系列抖動(dòng)干擾信號(hào)作出有效的濾波；③分離出復(fù)合信號(hào)中包含的故障信號(hào)；④對(duì)復(fù)合模擬信號(hào)中有用的車輪信號(hào)進(jìn)行分離處理，并將其整合為脈沖信號(hào)；⑤為了便于對(duì)設(shè)備的維護(hù),應(yīng)當(dāng)配置1個(gè)處理電路的自檢和控制裝置及1個(gè)信號(hào)顯示器[4]。

每個(gè)信號(hào)的接口通道的組成分為：中斷控制邏輯、信號(hào)調(diào)節(jié)電平、光電隔離電平、鎖存門電平和信號(hào)輸入電平。凸極磁電跟蹤傳感器的輸出：9管腳；輸出信號(hào)：15管腳、16管腳。信號(hào)處理電路圖如圖9所示。

圖9 信號(hào)處理電路圖

2.4 系統(tǒng)主電路設(shè)計(jì)

ARM芯片作為目前主流的嵌入式系統(tǒng)芯片，運(yùn)算速度快、信號(hào)轉(zhuǎn)化效率高。其核心分為14個(gè)系列，可細(xì)分為100種子系列。作為列車終端的主控芯片，一般需要考慮以下幾個(gè)方面：①芯片的運(yùn)行速度；②主控芯片與模塊硬件的接口。綜合考慮上述2個(gè)方面，列車運(yùn)輸終端的主控制器芯片主要設(shè)計(jì)主要采用STM32F103臂式意法半導(dǎo)體芯片，該芯片信號(hào)處理速度快，運(yùn)行時(shí)間短，價(jià)格便宜，且開發(fā)周期短。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 設(shè)計(jì)思路

為了使整體設(shè)計(jì)思路更加清晰明了，軟件設(shè)計(jì)過程大致包括4個(gè)部分：①軟件設(shè)備的初始化；②設(shè)備自我檢測(cè)及斷線檢測(cè)；③接入鍵盤管理；④列車接近時(shí)，報(bào)警系統(tǒng)的自我檢測(cè)。

3.2 列車通過復(fù)原流程設(shè)計(jì)

在系統(tǒng)設(shè)計(jì)過程中，要求在列車完全通過軌道交叉道口后，各個(gè)部分的設(shè)備需要重新恢復(fù)正常工作狀態(tài)。當(dāng)兩列快速列車同時(shí)或間斷通過時(shí)，由4#和5#兩個(gè)列車檢測(cè)點(diǎn)檢測(cè)并駛向鐵路的交叉口,列車過后，4#和5#兩個(gè)檢查站同時(shí)恢復(fù)列車警報(bào)。同時(shí)，4#也可能需要負(fù)責(zé)同時(shí)恢復(fù)1#點(diǎn)和檢測(cè)點(diǎn)的相關(guān)報(bào)警控制信號(hào)。到目前為止，只有整個(gè)報(bào)警系統(tǒng)正式完成報(bào)警功能。十字路口的邏輯框圖見圖10所示。

圖10 道口平面邏輯圖

由于1#，5#兩個(gè)實(shí)時(shí)檢測(cè)點(diǎn)不能同時(shí)連接檢測(cè)一輛來車,所以將這兩個(gè)點(diǎn)均重新定義以作為能連接到檢測(cè)來車的實(shí)時(shí)報(bào)警點(diǎn)。圖11中14#點(diǎn)分別定義了作為一輛列車接收到兩個(gè)信號(hào)同時(shí)報(bào)警的兩個(gè)復(fù)原對(duì)等點(diǎn),4#點(diǎn)被分別定義為1輛發(fā)車同時(shí)接受2次報(bào)警的2個(gè)復(fù)原對(duì)等點(diǎn),15#點(diǎn)分別定義了作為1輛發(fā)車同時(shí)接受2次報(bào)警的2個(gè)復(fù)原對(duì)等點(diǎn)[5]。為完整數(shù)據(jù)恢復(fù)，重新定義每個(gè)檢查點(diǎn)的原因是4#，5#，14#，15#為檢查點(diǎn)內(nèi)的范圍。14#是觸發(fā)傳感器，檢測(cè)到列車觸發(fā)為1#，按流程圖向下進(jìn)行；工作標(biāo)，是判斷確認(rèn)，同時(shí)檢測(cè)到為1#，執(zhí)行對(duì)應(yīng)操作，如圖11所示。

圖11 軟件復(fù)原流程圖

4 系統(tǒng)調(diào)試

4.1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)驗(yàn)證調(diào)試

為了使該系統(tǒng)在現(xiàn)場(chǎng)完成安裝之后能夠穩(wěn)定地運(yùn)行,需要做到在模擬仿真或者到現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行安裝調(diào)試之前,在實(shí)驗(yàn)室里對(duì)該系統(tǒng)進(jìn)行大量的測(cè)試準(zhǔn)備。為了檢測(cè)到模擬列車通過時(shí)由于車輪傳感器向其發(fā)出的脈沖信號(hào),需要針對(duì)各個(gè)道口所有車輛通過的實(shí)際路段線和信號(hào)采樣地點(diǎn)的差異,研發(fā)出一種新型的模擬信號(hào)控制板和試驗(yàn)?zāi)K,信號(hào)處理模塊采用的是HJR101-模擬信號(hào)控制板，如圖12～圖13所示。

圖12 信號(hào)實(shí)驗(yàn)板

圖13 控制板電路

4.2 系統(tǒng)模擬運(yùn)行

在進(jìn)行實(shí)驗(yàn)的整個(gè)過程中,將看到模擬觸發(fā)脈沖傳感器的1個(gè)控制按鍵被自動(dòng)關(guān)閉后,就可能會(huì)向控制系統(tǒng)內(nèi)部發(fā)出1個(gè)模擬脈沖控制信號(hào)。所以每次按下1個(gè)模仿火車軌道傳感器的按鈕,系統(tǒng)就會(huì)自動(dòng)使得火車上只有經(jīng)過了1個(gè)模擬線路復(fù)原后的傳感器,系統(tǒng)自動(dòng)模擬，并停止向列車發(fā)送報(bào)警信號(hào)。設(shè)置后可以顯示當(dāng)時(shí)的時(shí)間，相當(dāng)于數(shù)字鐘的功能，如圖14所示,系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)電路如圖15所示。

圖14 數(shù)字顯示

圖15 系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)電路

圖14中上排的00:05:49，表示開機(jī)5 min49 s；下排的02:098:054，表示第二道來車，來車速度98 km/h，經(jīng)54 s到達(dá)道口。

5 結(jié)論

本設(shè)計(jì)能夠很好與鐵路道口的視頻監(jiān)控系統(tǒng)相結(jié)合，充分發(fā)揮視頻監(jiān)控的針對(duì)性和實(shí)用性。將該系統(tǒng)與鐵路道口的電網(wǎng)連接，實(shí)現(xiàn)來車報(bào)警與道口關(guān)閉2種功能之間的完美結(jié)合。特別是在某些大霧等低能見度天氣情況下，能充分體現(xiàn)出該系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)，減少某些交通事故的發(fā)生，是保障鐵路運(yùn)營(yíng)和車輛、行人基本安全的有效措施。