周 帥，周 培，武恒頡，周靈鈺

(南京鐵道職業(yè)技術(shù)學(xué)院，南京 210056）

1 概述

鐵路道口是鐵路和公路的一個(gè)交匯處，其中道口欄木起降時(shí)間不合理、行人盲目強(qiáng)行侵入道口等是造成各類(lèi)事故的主要原因。如今尚不能把所有平交道口立交化。而傳統(tǒng)的鐵路管理模式，即由班組負(fù)責(zé)值守的方式，主要用于處理人流和車(chē)流量密集的關(guān)鍵路口，這種方式不僅效率較低，且成本高昂，同時(shí)還存在潛在的安全風(fēng)險(xiǎn)。雖然近年來(lái)，針對(duì)專(zhuān)用鐵路線的安全工作已經(jīng)取得顯著進(jìn)步，安全狀況也在不斷改善。但是鐵路安全工作仍然面臨著巨大挑戰(zhàn)。

相較于傳統(tǒng)道口預(yù)警實(shí)現(xiàn)方案，本系統(tǒng)在道口攔截部分設(shè)計(jì)上選擇使用無(wú)線射頻通信技術(shù)，當(dāng)列車(chē)觸發(fā)來(lái)車(chē)傳感器時(shí)，由預(yù)警分機(jī)向道口預(yù)警主機(jī)發(fā)出預(yù)到達(dá)信號(hào)，主機(jī)迅速算出關(guān)閉道口的恰當(dāng)時(shí)間，實(shí)現(xiàn)預(yù)警；列車(chē)通過(guò)離去傳感器后，預(yù)警主機(jī)馬上解除報(bào)警，并打開(kāi)道口讓道路車(chē)輛通行。在道口監(jiān)控部分設(shè)計(jì)上選擇使用車(chē)輛與行人目標(biāo)識(shí)別技術(shù)，并依靠車(chē)地的相互通信，將道口視頻傳輸至列車(chē)駕駛室，使列車(chē)司機(jī)能實(shí)時(shí)掌握即將通過(guò)道口的情況。鐵路道口的集中控制將傳統(tǒng)的道口現(xiàn)場(chǎng)人工管理轉(zhuǎn)變?yōu)槿詣?dòng)的遠(yuǎn)程管理，這可以大大減少道口值班人員的數(shù)量，從而帶來(lái)顯著的經(jīng)濟(jì)效益。另外，遠(yuǎn)程集中控制在鐵路道口的應(yīng)用也帶來(lái)了新的管理形態(tài)，通過(guò)對(duì)鐵路道口的運(yùn)輸作業(yè)流程改革，進(jìn)一步提高其管理效率，將傳統(tǒng)的人工觀察和操作方式轉(zhuǎn)變?yōu)椤斑h(yuǎn)程可觀測(cè)和操控的無(wú)人監(jiān)控”模式。

2 預(yù)警系統(tǒng)設(shè)計(jì)

如圖1 所示，該系統(tǒng)結(jié)合多傳感器技術(shù)、現(xiàn)代化的通信手段以及視頻監(jiān)控技術(shù)，目的是為全方位地自動(dòng)化管理并實(shí)時(shí)監(jiān)控鐵路無(wú)人道口。該系統(tǒng)主要包括4 個(gè)核心組成部分：分別是列車(chē)上/下行傳感器、無(wú)線預(yù)警分機(jī)、道口預(yù)警主機(jī)以及車(chē)地聯(lián)動(dòng)視頻監(jiān)控。

圖1 道口預(yù)警系統(tǒng)原理示意Fig.1 Schematic diagram of principles of crossing early warning system

列車(chē)上/下行傳感器的主要功能是捕捉列車(chē)距離鐵路道口的數(shù)據(jù)，其設(shè)計(jì)包括在距離道口大約3 km 的列車(chē)上行方向分別設(shè)置兩個(gè)來(lái)車(chē)傳感器，在道口旁列車(chē)下行方向分別設(shè)置兩個(gè)離去傳感器，這些傳感器呈十字形布局在規(guī)定的鐵路安全距離內(nèi)。這種配置不僅可以獲取列車(chē)的行進(jìn)方向和通過(guò)速度等關(guān)鍵信息，還可以識(shí)別潛在的干擾因素。

預(yù)警分機(jī)的主要功能是將傳感器捕捉到的列車(chē)經(jīng)過(guò)信息，通過(guò)無(wú)線信號(hào)處理器處理后，發(fā)送至道口預(yù)警主機(jī)，從而實(shí)現(xiàn)是否存在列車(chē)靠近的信息傳遞。

預(yù)警主機(jī)的主要功能是在收到來(lái)自預(yù)警分機(jī)的列車(chē)接近通知后，自動(dòng)降低道口聯(lián)動(dòng)道閘，以防止行人與車(chē)輛通行。同時(shí)，它還會(huì)啟動(dòng)道口聲光報(bào)警器來(lái)提醒行人及車(chē)輛注意安全。一旦接收到列車(chē)離去的信息，道閘就會(huì)重新升起，信號(hào)燈變?yōu)榫G色，向行人及車(chē)輛傳達(dá)出道口已經(jīng)安全的信息，允許繼續(xù)通行。

車(chē)地聯(lián)動(dòng)道口視頻監(jiān)控的主要功能是對(duì)道口通行車(chē)輛和行人信息進(jìn)行識(shí)別，并實(shí)時(shí)的將道口交通狀態(tài)傳輸至列車(chē)駕駛室和鐵路交通管控部門(mén)，以實(shí)現(xiàn)車(chē)-地的相互通信，使列車(chē)司機(jī)能實(shí)時(shí)掌握即將通過(guò)道口的情況。當(dāng)系統(tǒng)設(shè)備故障時(shí)，鐵路交通管控部門(mén)可立即派設(shè)備維護(hù)人員趕往現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行維修，并且對(duì)于闖卡、違規(guī)調(diào)頭、超速等危險(xiǎn)行為進(jìn)行自動(dòng)抓拍、記錄，由鐵路交通管控部門(mén)審核之后交由交通管理部門(mén)依法進(jìn)行處罰。

無(wú)人化道口預(yù)警集控系統(tǒng)流程如圖2 所示。

圖2 無(wú)人化道口預(yù)警集控系統(tǒng)流程Fig.2 Flowchart of centralized control system for early warning of unmanned level crossing

3 預(yù)警系統(tǒng)設(shè)備設(shè)計(jì)

本文中設(shè)計(jì)的道口預(yù)警系統(tǒng)中最重要的設(shè)備是預(yù)警分機(jī)、預(yù)警主機(jī)及視頻監(jiān)控。在設(shè)計(jì)中，預(yù)警分機(jī)、預(yù)警主機(jī)與視頻監(jiān)控通過(guò)配置進(jìn)行區(qū)分，故在介紹其設(shè)計(jì)時(shí)統(tǒng)稱(chēng)為道口預(yù)警設(shè)備。道口預(yù)警設(shè)備分為主控板和功率板兩部分，整體設(shè)計(jì)框如圖3所示。

圖3 道口預(yù)警設(shè)備設(shè)計(jì)框Fig.3 Block diagram of equipment design of crossing early warning

3.1 道口預(yù)警設(shè)備主控板設(shè)計(jì)

道口預(yù)警設(shè)備主控板主要包括微控制器模塊、LoRa 通信模塊、列車(chē)傳感器、RS-485 串口模塊、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊、圖像采集模塊、4G 圖傳模塊和電源模塊等。

微控制器模塊主要采用通用型STM32F103ZET6，每臺(tái)設(shè)備各一片，分管數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)通信功能，兼具低成本和低功耗兩個(gè)優(yōu)勢(shì)。

列車(chē)來(lái)車(chē)傳感器和列車(chē)離去傳感器，主要是采用激光對(duì)射傳感器，將列車(chē)行車(chē)信息轉(zhuǎn)化為電平信號(hào)傳入微控制器。微控制器根據(jù)不同的電平信號(hào)運(yùn)行對(duì)應(yīng)的指令，而其中的通用定時(shí)器則可以對(duì)捕獲到的兩次電平信號(hào)的時(shí)間進(jìn)行比較，從而計(jì)算出列車(chē)經(jīng)過(guò)道口時(shí)的區(qū)間速度。

RS-485 串口模塊作為常用的制式工業(yè)通用接口，為預(yù)警主機(jī)和預(yù)警分機(jī)保留額外功能擴(kuò)展或數(shù)據(jù)交互的可能，并且可以通過(guò)外部的燒錄裝置重新為其下載新的程序，保留其本地更新功能。

數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊選用一款可通過(guò)USB-SPI 訪問(wèn)的存儲(chǔ)芯片，用于存儲(chǔ)道口視頻和下載供OpenMV使用的車(chē)輛或行人識(shí)別卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型。

圖像采集模塊主要是采用OpenMV，其搭載了MicroPython 解釋器，使其可以在嵌入式端進(jìn)行本地python 開(kāi)發(fā)，并且將OpenCV 訓(xùn)練后的卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型通過(guò)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊存入本地?cái)?shù)據(jù)集中，在圖像識(shí)別中便于進(jìn)行本地模型的調(diào)用。OpenMV進(jìn)行圖像識(shí)別的原理大致如下：首先利用OpenCV對(duì)含有車(chē)輛或行人的正負(fù)樣本數(shù)據(jù)集進(jìn)行訓(xùn)練，生成只可供OpenCV 調(diào)用的cascade.xml 分類(lèi)器，再將xml 格式的文件通過(guò)python 轉(zhuǎn)換成cascade格式的可供OpenMV 識(shí)別的文件，后將生成的可識(shí)別格式文件導(dǎo)入OpenMV 即可進(jìn)行圖像識(shí)別。

圖像識(shí)別流程如圖4 所示。其對(duì)于列車(chē)道口行車(chē)風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)判斷的原理是：首先根據(jù)道口的警示位置將圖像的像素坐標(biāo)劃分低風(fēng)險(xiǎn)區(qū)和高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)，由OpenMV 將采集到的圖像中的車(chē)輛或行人圖像進(jìn)行預(yù)處理，經(jīng)過(guò)灰度處理后，形成大小統(tǒng)一的圖像。按照行人或車(chē)輛邊界擬出相對(duì)貼合的線性矩形，并由微處理器計(jì)算線性矩形的中心坐標(biāo)。當(dāng)中心坐標(biāo)位于低風(fēng)險(xiǎn)區(qū)或高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)時(shí)，即視為闖卡、翻越、調(diào)頭等交通違規(guī)行為。

圖4 道口預(yù)警圖像識(shí)別流程Fig.4 Image recognition process of crossing early warning

4G 圖傳模塊主要是用于將OpenMV 處理后的已標(biāo)注圖像數(shù)據(jù)，傳輸至列車(chē)駕駛室和鐵路交通管控部門(mén)。此視頻信息采集系統(tǒng)為管理者提供詳細(xì)且全面的記錄，不僅可以追蹤運(yùn)動(dòng)目標(biāo)，獲取經(jīng)過(guò)道口的車(chē)輛的速度、車(chē)牌、狀態(tài)，還增加區(qū)域監(jiān)測(cè)和劃定的區(qū)域框，可以對(duì)鐵路道口的車(chē)輛超速、違規(guī)掉頭、闖卡等行為進(jìn)行智能視覺(jué)識(shí)別，將違規(guī)車(chē)輛的信息上傳到交通控制平臺(tái)。此外，它還可以通過(guò)管理服務(wù)器實(shí)現(xiàn)多道口的聯(lián)合管理，為多道口聯(lián)動(dòng)道口預(yù)警控制提供可靠的技術(shù)保障，構(gòu)建無(wú)人值守的鐵路道口遠(yuǎn)程集控管理系統(tǒng)。

電源模塊主要包括主控板電源產(chǎn)生和自檢以及外置蓄電池信息的采集。主控板電源主要依靠線性減壓芯片產(chǎn)生，滿(mǎn)足板上各芯片的各級(jí)電壓需求，同時(shí)運(yùn)用分壓原理實(shí)現(xiàn)自檢。外置蓄電池配有專(zhuān)用電源管理模塊，其信息可通過(guò)RS-485 通信讀取。

3.2 道口預(yù)警設(shè)備功率板設(shè)計(jì)

功率板主要包括天線、LoRa 芯片、射頻前端模塊和電源管理模塊等。

天線選擇科信無(wú)線的433 MHz 吸盤(pán)天線，主要參數(shù)如表1 所示。在通信系統(tǒng)中，增益的強(qiáng)弱將影響到天線的輻射能力或接收無(wú)線信號(hào)的能力。一般情況下，增益越高，無(wú)線信號(hào)的傳播距離越遠(yuǎn)。因此，為了提升預(yù)警無(wú)線模塊的通信距離，選擇使用外置全向高增益高增益的吸盤(pán)天線，此類(lèi)型的天線具有較高的增益，能夠增強(qiáng)無(wú)線信號(hào)的傳輸和接收能力，從而提升預(yù)警系統(tǒng)通信距離。

表1 科信無(wú)線433 MHz吸盤(pán)天線參數(shù)Tab.1 Parameters of Kexin 433 MHz wireless suction cup antenna

LoRa 通信芯片選用美國(guó)SEMTECH 的SX126X芯片，主要參數(shù)如表2 所示。LoRa 通信模塊用于傳輸列車(chē)傳感器收集到的信息。許多傳統(tǒng)的無(wú)線通信系統(tǒng)使用頻移鍵控（FSK）調(diào)制作為物理層，因?yàn)樗且环N實(shí)現(xiàn)低功耗的非常有效的調(diào)制。但是在鐵路系統(tǒng)中，雷達(dá)設(shè)備與電臺(tái)通信設(shè)備均會(huì)對(duì)物理層FSK 產(chǎn)生巨大的干擾，而 LoRa 是一種基于線性調(diào)頻擴(kuò)頻調(diào)制的通信技術(shù)，它具有類(lèi)似FSK 調(diào)制的低功耗特性，但在通信距離上具有顯著的提升。線性擴(kuò)頻技術(shù)已在軍事領(lǐng)域和空間通信領(lǐng)域使用了數(shù)十年，由于其可以實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)通信距離和抗干擾的魯棒性。而LoRa 則是第一個(gè)將這種技術(shù)用于商業(yè)用途的低成本實(shí)現(xiàn)方式，可以極大地減弱鐵路設(shè)備對(duì)于道口預(yù)警系統(tǒng)的信號(hào)干擾。

表2 SX126X芯片參數(shù)Tab.2 Parameters of SX126X chip

射頻前端模塊是指連接LoRa 通信芯片和天線之間的電路和模塊。它負(fù)責(zé)將數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換為適合傳輸?shù)臒o(wú)線信號(hào)，提供必要的放大、濾波和調(diào)制等功能，并直接影響著預(yù)警系統(tǒng)的整體信號(hào)質(zhì)量、傳輸速率和功耗等性能指標(biāo)。運(yùn)算放大器和混頻器是射頻前端的核心組件，主要功能是將數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換為無(wú)線信號(hào)，并將接收到的無(wú)線信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)。濾波器在射頻前端中起到關(guān)鍵作用，用于去除不需要的頻率分量，保留所需的信號(hào)。功率放大器是射頻前端中的重要組成部分，用于增強(qiáng)發(fā)送信號(hào)的功率，以便在預(yù)警信息傳輸過(guò)程中能夠達(dá)到2.5 ～5 km 距離的覆蓋。

電源管理模塊選用德國(guó)西門(mén)子的6EP1332-2BA20 開(kāi)關(guān)電源，主要參數(shù)如表3 所示。由于預(yù)警系統(tǒng)對(duì)于無(wú)線通信的實(shí)時(shí)性與穩(wěn)定性要求較高，因而需要經(jīng)常使用開(kāi)關(guān)電源來(lái)進(jìn)行電壓的變壓處理。開(kāi)關(guān)電源主要通過(guò)AC/DC 變壓穩(wěn)壓器，對(duì)獲得的電壓進(jìn)行降壓、穩(wěn)壓，以保持電壓的穩(wěn)定性，進(jìn)而有效控制電壓振動(dòng)波形，確保無(wú)線通信設(shè)備的有效運(yùn)行和功能的正常發(fā)揮。

表3 西門(mén)子6EP1332-2BA20開(kāi)關(guān)電源參數(shù)Tab.3 Parameters of Siemens 6EP1332-2BA20 switching power supply

4 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

為驗(yàn)證道口預(yù)警系統(tǒng)功能正確性及完整性，對(duì)該系統(tǒng)的控制響應(yīng)時(shí)間、狀態(tài)反饋時(shí)間、斷網(wǎng)重連時(shí)效、識(shí)別準(zhǔn)確率、運(yùn)行功率以及通信穩(wěn)定性等主要性能進(jìn)行試驗(yàn)，測(cè)試結(jié)果如表4、5 所示。并在南京浦鎮(zhèn)中車(chē)試車(chē)線上進(jìn)行封閉區(qū)段的樣機(jī)測(cè)試，并接入道口交通信號(hào)燈、道口攔木機(jī)、道口壓道鈴、車(chē)地聯(lián)動(dòng)道口視頻監(jiān)控等設(shè)備，如圖5 所示。

表4 性能可靠性測(cè)試結(jié)果Tab.4 Results of performance reliability test

表5 通信穩(wěn)定性測(cè)試結(jié)果Tab.5 Results of communication stability test

圖5 道口預(yù)警系統(tǒng)信息可視化平臺(tái)Fig.5 Information visualization platform of crossing early warning system

通信穩(wěn)定性測(cè)試的關(guān)鍵是預(yù)警分機(jī)微處理器、預(yù)警主機(jī)微處理器和OpenMV 微處理器的外部輸入和內(nèi)部輸出監(jiān)測(cè)。其主要通過(guò)PC 對(duì)串口的數(shù)據(jù)模擬，包括對(duì)OpenMV 的識(shí)別輸出點(diǎn)位AI、列車(chē)上/下行傳感器對(duì)預(yù)警分機(jī)微處理器的輸入點(diǎn)位DI 和預(yù)警主機(jī)微控制器輸出至外接設(shè)備的輸出點(diǎn)位DO。

測(cè)試結(jié)果表明：該系統(tǒng)的穩(wěn)定性、可靠性均達(dá)到了預(yù)期的指標(biāo)。通過(guò)使用LoRa 無(wú)線通信技術(shù)提高鐵路道口預(yù)警效率，給鐵路交通管理部門(mén)提供更穩(wěn)定管理方案和更便捷的后期維修方式，提高運(yùn)行維護(hù)水平。并且預(yù)警系統(tǒng)設(shè)備可根據(jù)列車(chē)行駛位置實(shí)行自動(dòng)化控制，智能視覺(jué)監(jiān)控亦可與車(chē)載監(jiān)控設(shè)備聯(lián)動(dòng)、協(xié)同作業(yè)，以實(shí)現(xiàn)智能化、自動(dòng)化設(shè)備運(yùn)行的需要。同時(shí)可以極大地提升鐵路系統(tǒng)的運(yùn)營(yíng)效率，降低鐵路道口的事故發(fā)生率。

5 結(jié)語(yǔ)

結(jié)合當(dāng)前鐵路平交道口區(qū)域人工預(yù)警時(shí)效性低、路改橋施工成本高以及維護(hù)成本高等問(wèn)題進(jìn)行分析，以LoRa 無(wú)線通信為基礎(chǔ)，設(shè)計(jì)出一套鐵路道口預(yù)警系統(tǒng)，很好地解決上述問(wèn)題。最后通過(guò)實(shí)際應(yīng)用測(cè)試證明，該系統(tǒng)便于管理，節(jié)省運(yùn)維人力，且其智能化、自動(dòng)化理念符合智慧鐵路的設(shè)計(jì)要求。