摘 要： 列车接近无线报警系统自动采集列车接近信息，通过无线通信将采集到的报警信息传输到系统主机，实现了故障⁃安全原则，更有效的实现列车安全运行，可广泛应用于铁路道口、桥梁、隧道等地点，用来保证生命和财产安全。
关键词： 列车接近报警； 无线通信； 报警信息传输； 故障⁃安全原则
中图分类号： TN925⁃34 文献标识码： A 文章编号： 1004⁃373X（2014）09⁃0117⁃04
0 引 言
铁路和公路有众多交叉道口，目前提速干线实现了封闭式、立交化，但在支线铁路、地方铁路线路以及港口、厂矿企业所属的专用铁路上，仍然存在一定数量的道口（以天津塘沽港口为例，就有多条铁路专用线路形成的道口十多个），而铁路部门由于人力和物力的限制，其中无人看守道口占很大比重[1]。由于目前汽车车辆的显著增加，无人值守平交口的车流量大增，再加上气候原因、行人及驾驶员安全意识淡漠、列车速度提高等多种原因，道口处的交通事故较多，严重影响铁路行车安全。另外铁路技术人员在铁路线路上进行施工维护时，由于在长大桥梁、隧道，需要提前更长时间进行避让列车，也需要在这些地点配备安全可靠的列车接近报警系统。
1 列车接近报警系统的发展
列车接近报警系统是指在铁路平交道口上以及长大隧道、桥梁等地点装设视觉和听觉信号，以警示铁路施工维护技术人员或者公路车辆和行人，保证人身安全的一种安全措施。
20世纪50年代我国也开始研制无人看守的列车接近报警信号和自动起落栏木设备。随着铁路安全型继电器的广泛采用，进入60年代后，利用感应器以及电磁继电器组成的报警系统得到快速发展，但由于故障率较高，在实际铁路现场通常采用人工方式，即采集列车接近信号利用自动感应方式，铁路值班人员接收和观察到列车接近信号后采取人工方式控制报警声光系统和控制栏木起落，这种控制方式容易发生漏报、误报等人为事故，严重影响行车安全[2]。
目前铁路系统中使用的列车接近报警设备，均是通过信号电缆传输采集信息，施工工程量大，维护成本较高。虽然个别报警系统已经实现采用计算机进行监控，但是还需要在道口控制室内安装计算机。并且多数的自动检测设备没有计算机网络通信功能，即使具有网络通信功能的设备，也多是采用有线局域网的传输方式来连接控制室的系统主机，施工、维护及使用不便。
2 系统概述
2.1 系统简介
本系统依靠无线通道进行列车接近信息的可靠传递，节省大量的电缆通道，减少投资；在无线数据采集及传递中，按照目前铁路信号自动控制中广泛采用的冗余切换技术及科学的容错技术，保障系统在实际运输环境中连续可靠、安全运行。系统适用于无人看守道口、也适用于有人看守道口、桥梁、隧道等地点。采用太阳能电池或者固定电源方式供电、以车轮感应电磁传感器监测列车接近信号，双路进行采集，实现双路对比验证，经感应信号无线发送设备组建冗余编码后，由无线数据传输模块按照一定的时间间隔向报警主机发送列车驶近报警信号，道口报警主机接收到报警信号后，经过运算验证后即按铁路《技规》报警规程报警和解除报警。该无限接近报警系统能够及时预报列车接近信息，同时显示红灯并发出音响告警声，警示行人及车辆，提高了道口的安全性，为铁路安全运输提供强有力的保障。
列车接近无线自动报警系统传输报警信息的通道采用点对点的“多路多编码的超远距离无线接收、发射组件”；检测列车驶近或驶离道口信息采用安置在钢轨旁的电磁传感器以及放大电路信号的有源、无源盘和报警用的闪光器、喇叭音响器等设备。
2.2 系统特点
（1） 报警系统无接点化，系统由可编程序控制器PLC（又称工业控制计算机）替代了传统的铁路信号安全型电磁继电器，由于继电器本身是机电一体化部件，存在机械磨损，故障率较高，通过取消继电器，大幅提高了系统的反应速度和安全性，减少了系统故障率[3]。
（2） 本系统依靠无线通道进行列车接近信息的可靠传递，节省了大量的信号电缆通道，由于电缆目前造价较高，而且施工量大，这样就大幅降低信号工程的工作量以及施工和维护成本，减少工程投资。
（3） 在无线数据采集及传递中，应用目前铁路信号自动控制中广泛采用的冗余技术及科学的容错技术；且报警系统与既有铁路通信信号设备不发生任何联系，是完全独立的系统，保障系统在实际运输环境中连续可靠、安全运行。
（4） 在列车接近道口的信息采集点及无人看守道口或无可靠电源的道口房内采用太阳能电池供电。因而缩小了机柜体积，节省了电能，减少了电磁干扰及污染，它又是一套低碳、节能、环保的设备。
3 系统结构及工作原理
3.1 系统结构
列车接近无线自动报警系统设备的组成如图1所示，它由道口信号机、道口音响器、列车接近道口检知模块、通信模块、接口模块、无线自动报警主机等部分组成。电源部分在报警点及无可靠交流电源的道口房内，分别设一组太阳能电池板和一组蓄电池，其容量可视其耗电量及当地气候条件决定。
图1 列车接近无线自动报警系统结构图
无线自动报警主机控制柜界面设置操作按钮（复原按钮、手动报警按钮、故障按钮、室内音响控制按钮、钟/光切换按钮）、相应表示灯以及蜂鸣器等，界面清晰，便于铁路值班人员操作。
3.2 工作原理
3.1.1 系统整体工作原理
无线自动报警设备的工作过程如下：
当有列车经过报警点的报警传感器上方时，报警传感器会把其感应电势传给列车接近检知模块，检知模块经判断、整形、放大后由点对点无线发送装置以较大功率发送出去。
设在道口附近的与无线发送装置配对的接收装置收到报警点发来的有车信息后也要经判断、整形、放大后送至报警主机，再由报警主机控制道口信号机和音响器向公路方向发出灯光和音响报警。
当列车的最后一个轮对通过设置在道口报警解除轮对传感器上方时，感应到的列车远离信号无线传递到报警主机，便自动解除系统的声光报警。
道口无线自动报警设备还设有手动报警、人工解除报警等人机对话功能，以灵活、方便地使用该系统。
3.1.2 无线自动报警的发送与接收设备工作原理
列车接近无线自动报警的发送、接收设备负责将采集到的列车轮对感应信号传递到报警主机，再由系统报警主机控制道口色灯信号机和报警音响设备处于开放报警状态，从而警示道路上的汽车车辆和过往行人注意铁路即将有列车到来，从而以确保道口人员及设备安全。
无线发送和接收设备采用“多路远距离编码无线发射、接收组件”（以下简称“组件”），其中心频率为145 MHz，发送设备可输出3～5 W的无线调频信号，接收设备中有高品质的鉴频、整形、解码器件；这种组件内部采用数字信号冗余结构进行排列，组建密码重复度高达几十万组，并且只有在发送、接收编码运算验证完全一致时，才能使接收运算输出惟一结果。该接收和发送系统具有保密性能好、遥控距离远、抗外界干扰能力强等特点。
无线自动报警设备中的每个报警点需使用多路“组件”中的三路收、发系统，具体作用是：
第一路作为无线发送、接收设备的自检。道口自动报警设备必须经常处于正常工作的良好状态，否则，当有列车接近道口时，将不能保证道口正常报警。 “自检”是报警点每8 s向主机发送一次自检信号，用来检查无线发送与接收设备的正常工作，如接收设备不能按时收到“自检”信号，则说明“组件”出现问题，应及时提请相关人员维修。
第二路用于发送报警点检知的有列车接近道口的信息。
第三路用于报警点检知列车的运行方向。
由于“组件”在同一时间内只能收发一路信息，为避免冲突，采取的措施如下：一是如第一、第三路要同时发送信息，设计为第三路优先发送；二是如第一、第二路要同时发送时，把每次的有车信息连续发送3～4次，这样既保证主机能可靠收到有车接近道口的信息，又能使第一、第二路信息错开发送。
由于有车接近道口的信息和列车运行方向信息是由安装在不同地点的不同传感器检知的，因此其不可能造成重叠发送。
为了充分发挥报警设备的能力，经过道口的每条铁路线的上下行报警点各设一台发送组件，而每条铁路线在报警主机处则合用一台无线接收组件，由于两个报警点不可能同时出现有车接近道口和判别列车方向的信息，因此，对于同一台接收设备也就不可能出现有车和判别列车方向信息的重叠。而上下行“自检”信息是用不同频率加以区分的。
3.1.3 无线自动报警主机工作流程
无线自动报警主机的工作流程如图2所示，其工作过程如下：
（1） 接通电源对系统初始化；
（2） 报警点每8 s发送一次自检信息，如主机收到信息下转否则自动报警；
（3） 主机判断是否收到报警点发来的方向信息，如收到则转入（5）否则转入（4）；
（4） 在没有方向信息时，主机判断是否收到报警点传来的有车信息，如收到则自动的报警，否则下转；
（5） 检查是否手控报警，且手控报警优先于自动报警，如是则报警，否则下转；
（6） 主机收到设于道口旁的解除传感器发来的解除信息或进行了手动解除报警操作后，经3 s延时后解除报警。
图2 无线自动报警主机工作流程
4 系统“故障⁃安全”原则的实现
设备的故障⁃安全体现在每个单元电路中，如每个单元电路都能满足故障⁃安全原则，则系统便能满足故障⁃安全原则。现对单元电路的故障⁃安全分别说明如下：
4.1 列车检知模块
把列车的检知模块包括检知传感器设计成一定频率的系统动态电路，动态电路的输出便是这一频率的脉冲。当动态电路中的任一元件（包括检知传感器）发生故障，都不能使动态电路输出一定频率的脉冲，从而满足故障⁃安全原则。
列车接近检知模块电路是为满足报警传感器滤波、放大等特殊需要而设置的。列车接近检知模块电路分为有源型和无源型两种，有源检知模块主要用于驱动道口报警，而无源检知模块主要用于判别列车运行方向和自动解除道口报警。
4.1.1 有源列车检知模块
有源检知模块电路原理如图3所示。
“有源”是指平时在报警传感器的线圈T1中通入一定的由电源供给的电流，则使图3中的G1有一定偏流，调整G1的工作点使之工作在放大区，从而使G2按振荡器的振荡频率导通和截止，则使电容器[C2]在G2截止时充电，在G2导通时经过继电器J1线圈放电。即平时J1一直保持有电吸起状态。当有车辆驶过传感器T1上方时，则在传感器线圈T1中产生一定的感应电势，由于[C1]的作用，它足以使G1在全部车辆驶过传感器T1上方时一直饱和导通，从而使G2不再按振荡器的振荡频率导通和截止而是一直截止，电容器[C2]不再有充、放电过程，进而使继电器J1落下。
图3 有源检知模块电路
综上原理可知：一是平时无车接近道口，继电器J1是吸起的，有车辆接近道口并驶过传感器上方时，继电器J1落下；二是当传感器线圈T1短路或断路时，都会像有车辆接近道口并驶过传感器上方时的情况一样，使G1截止或饱和导通而使G2一直饱和导通或截止，从而使G2不能正常有充、放电过程，则继电器J1会落下；三是有源检知模块电路中的任一原件发生故障，都会像传感器线圈T1短路或断路的情况一样，其结果都会使继电器J1一直落下，从而符合故障⁃安全原则[4]。
4.1.2 无源检知模块
无源检知模块电路原理如图4所示。
图4 无源检知模块电路
“无源”是指平时在报警传感器线圈T2中没有由电源供给的电流流过。则使图4中的G1在截止状态，从而使电容[C2]充电，但继电器J2落下。
当有车辆接近道口，而且是每有车轮轮对驶过传感器T2上方时，都会在传感器线圈T2中产生一个感应电势，在这一感应电势作用下，会使图4中的G1饱和导通一次，而使电容器[C2]经继电器J2放电进而使继电器J2吸起，车轮轮对驶离传感器T2上方时，又会使电容[C2]充电，每一车轮轮对驶过传感器T2上方都会重复这一过程，从而使继电器J2在全部车辆驶过传感器T2上方时一直保持吸起。和有源检知模块一样，电路中的任一原件发生故障，都不会使电容器[C2]有充、放电过程，其结果都会使继电器J2一直落下，符合故障⁃安全原则。
4.2 通信及接口模块
把通信模块设计成一套具有自检功能的系统，即使通信模块每8 s收、发一组自检信号，当通信模块不能收、发自检信号时，便使主机自动报警。 接口模块采用信息冗余方式，依靠增加信息的多余度来提高设备的可靠性，如在无线道口信号设备中，对于无车接近道口这样重要的信息是每8 s就会从报警点向道口主机发送一次，道口收不到这种信息，将认为是有车接近道口。对确实有列车车辆接近道口的信息，从报警点向道口主机用一种频率连续发送三次，用三取二的三模冗余提高其可靠性，而判别列车运行方向的信息是从报警点向报警主机用另一种频率连续发送三次，以提高其可靠性，同时实现故障⁃安全原则[5]。
4.3 无线自动报警主机
无线自动报警主机本身具有自检功能；
自动报警的工作流程是反复不断的被执行，一旦工作流程停止执行，主机便会自动报警；
无线自动报警主机无论接收自检信号、接近道口信息、运行方向信息中的哪种信息，都要接收信息的全部，也就是既要接收信息的脉冲部分又要接收信息的间隔部分。如果只接收脉冲或只接收间隔部分，则视为故障状态，便使主机自动报警。
上述三点保证无线自动报警主机满足铁路信号控制系统的“故障⁃安全”原则。
5 结 语
本系统成功集成了传统的列车接近道口、长大隧道及桥梁时的报警方法，结合无线通信技术，实现了信息发送的无线化，节省了投资，整个设计包含了硬件设计以及报警控制主机应用程序的编写，包含了一个完整的开发流程，将铁路现场实际应用与自动化控制理论进行了密切联系，扩展了无线通信以及PLC可编程处理器的应用领域。该系统除具备使用便利、投资小、安全可靠性高等优点外，同时具有简单的操作界面，此系统除单线以外还开发有双线和站场的道口自动报警，将在铁路多种环境下得到广泛应用，以减少事故发生，保证铁路运输安全。
参考文献
[1] 李显军.道口报警系统的设计与实现[J].铁路技术创新，2004（5）：6⁃8.
[2] 欧世杰.列车接近安全防护报警技术的研究[J].中国铁道科学，2001（2）：47⁃49.
[3] 钟贵彬.高速铁路CBTC的数据通信系统故障⁃安全策略分析[J].中国铁路，2012（11）：48⁃51.
[4] 张洪民.故障安全控制系统在工业生产过程控制中的应用[J].自动化仪表，2013（5）：81⁃84.
[5] 李民.计算机联锁系统的故障⁃安全设计[J].铁道通信信号，2009（6）：8⁃10.
[6] 欧世杰，任志坚.南京长江大桥列车接近安全防护报警系统的改造[J].铁道建筑，2010（2）：23⁃25.
[7] 任志坚 欧世杰.LJB⁃3型列车接近安全报警系统的技术特点[J].铁道建筑，2002（8）：45⁃47.
[8] 郑云水.微机联锁系统故障安全措施：容错技术[J].铁道技术监督，2008（4）：39⁃41.
[9] 侯中孝.德国平交道口安全防护系统[J].铁道通信信号，1998（2）：35⁃36.
[10] 王卫华，刘泊.便携式列车接近安全报警系统的信号处理[J].哈尔滨理工大学学报，2001（6）：64⁃67.
[11] 高兵权，肖学福，汤丽，等.基于STM8S单片机的货场铁路道口自动报警装置设计[J].华北科技学院学报，2010（10）：35⁃37.
[12] 李玲桂.国外平交道口的安全措施[J].铁道知识，2005（4）：22⁃23.
[13] 庄少群.基于无线通信实现的智能报警系统研究[J].科技创新报，2010（31）：13⁃16.