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铁路平交道口无线安全监控系统

文档作者：李文峰1，吕红娟1，2 文档来源： 1. 西安科技大学通信学院 2. 西安铁路职业技术学院		点击数：	更新时间： 2024年06月10日
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电子设计工程
Electronic Design Engineering
第23 卷
Vol.23
第20 期
No.20
2015 年10 月
Oct. 2015
收稿日期：2015－01－06 稿件编号：201501045
基金项目：国家科技支撑计划项目资助（2013BAK06B03）
作者简介：李文峰（1969—），男，河南襄城人，教授，博士。研究方向：应急通信技术、矿山信息化技术、信号处理以及传感器技
术等。
目前铁路平交道口仍然大量存在，每年铁路道口事故伤
亡达数千人， 道口安全成了铁路运输安全的重要组成部分。
由于道口现场环境、建设成本等因素的限制， 在很长的时间
内还不可能对所有道口实现改造，列车要想快速、安全的通
过道口，司机必须及时掌握道口情况，所以在铁路道口需要
建立一个有保障的安全监控系统[1]。
1 几种典型平交道口监控系统分析
经过资料查找和现场调查，目前广泛应用的有3 种典型
的监控系统。
1.1 基于单片机的铁路平交道口监控系统
基于单片机的铁路平交道口安全监控系统主要由传感
器系统、信号处理系统、单片机系统以及报警系统四部分组
成，其系统组成框图如图1 所示[2]。传感器采集列车接近信
息，再由信号处理系统将采集到的信号进行处理，并传输给
控制系统，最后单片机按照程序完成道口交通灯、语音、栏木
等预警及控制。
该系统的优点是系统结构简单、成本低廉，不依赖铁路
电务、机车等其他系统。缺点是系统信息单向传输，在列车通
过时，如果道口有意外情况发生，则不能及时把信息反馈给
铁路平交道口无线安全监控系统
李文峰1， 吕红娟1，2
（1. 西安科技大学通信学院， 陕西西安710054； 2. 西安铁路职业技术学院陕西西安710014）
摘要： 文中分析了目前铁路平交道口3 种监控系统的特点及不足：基于单片机的道口监控系统结构简单、成本低廉，
但该系统信息只能单向传输；基于ARM 和GPS、GPRS 的道口监控系统实现了道口与司机的通信，但在GPRS 网络盲
区通信得不到保障；基于工控机的道口监控系统组成复杂，花费巨大。基于以上的分析提出一种无线安全监控系统方
案：当列车运行接近道口时，触发传感器，发射装置将列车运行方向、速度等信息通过无线方式发射，接收装置接收
到信号后启动报警系统。该系统结构简单、成本低廉、能实现司机与道口值班人员之间的联系。通过计算和实验验证
表明：即使在阴雨天，系统也可在列车通过道口前1.5min 得到预警信息，实现了铁路道口的安全监控和信息管理。
关键词： 铁路平交道口； 监控系统； 单片机； 无线
中图分类号： TN8 文献标识码： A 文章编号： 1674－6236（2015）20－0127－03
Railway level-crossing wireless safety monitoring system
LI Wen-feng1， LV Hong-juan1，2
（1. Communication and Information Engineering College， Xi’an University of Science and Technology， Xi’an 710054；
China； 2. Department of Electronic Information ， Xi’an Railway Vocational &amp;amp; Technological Institute，
Xi’an 710014，China）
Abstract: This paper analyzes the characteristics and problems of three current railway crossing monitoring system: The
crossing monitoring system based on SCM has simple structure and low cost， but the information can be transmitted
unilaterally； the crossing monitoring system based on ARM ， GPS and GPRS， realizes communication of crossing and the
driver， but it doesn't work in the blind area of GPRS network； the composition of the crossing monitoring system based on IPC
is very complex， costly. According to the analysis，a new wireless safety monitoring system is designed: When the train
approaching the crossing trigger sensor， transmitting apparatus transmits the train running direction， speed and other
information， through wireless way， after receiving the signal， receiving apparatus starts the alarm system. The system has the
advantages of simple structure， low cost， which can realize the communication between the driver and the crossing operator.
Calculation and experimental verification show that: even in rainy days， the early warning information can be received in 1.5
minutes before the train passing through the crossing， the system achieves the safety monitoring and information management
of railway crossing.
Key words: railway level-crossing； Monitoring system ； Single chip microcomputer； wireless
－127－
《电子设计工程》2015 年第20 期
机车司机，有可能造成事故。
1.2 基于ARM 和GPS、GPRS 的铁路道口监控系统
这种监控系统一部分为车载设备子系统， 实现列车定
位。车载系统使用ARM 内核芯片，构成嵌入式系统，如图2
所示。另一部分为控制中心系统，主要由GPRS 接收模块、单
片机控制模块以及声光报警模块构成， 安装于道口地面，如
图3 所示[3]。GPRS 模块接收列车各种信息，然后由单片机对
接收的信息进行处理，并计算出列车预计到达时间，启动声
光报警电路。
该系统的优点是使用全球定位方式对列车进行定位，然
后结合计算机及GPRS 无线通信技术，提醒机车乘务员进入
道口前提前鸣笛示警[4]，同时道口报警显示牌显示列车到达
时间及速度，实现了信息的双向传输。该系统缺点是在一些
GPRS 网络的盲区，列车与铁路道口设备的通信得不到保障[5]。
1.3 基于工控机的铁路道口监控系统
该系统由前端信号采集模块、信息传输模块、信息处理
模块、中心管理模块4 部分组成。前端采集模块安装于铁路
道口旁，完成对道口区域视频信息的实时采集，主要包括摄
像机、红灯信号检测器等部件。信息传输模块完成对视频、音
频及控制信号的传输，主要由光缆和光端机组成。信息处理
模块主要对前端采集到的图像进行分析计算并能实时、快速
的处理；中心管理系统负责对各种视频内容进行采集、缓存
和处理，由管理服务器组成。基于工控机的铁路道口监控系
统能为道口管理人员提供有图像、有声音的详实的记录，还
可通过管理服务器联网共同管理多个道口，为多道口联动道
口预警控制提供可靠的技术保障。但是该系统庞大复杂，造
价高，在我国现有国情下，不具有普及性。
2 无线安全监控系统的设计与实现
综合以上铁路平交道口安全监控系统的分析，设计出无
线安全监控系统。图4 所示为无线安全监控系统现场布置示
意图。磁电传感器安装在距离道口适宜距离的铁轨上，当列
车运行接近道口时，触发传感器，发射装置将列车运行速度、
方向等信息通过无线方式发射出去。接收装置接收到信号后
启动报警系统，实现司机和道口值班人员的联系[6]。
2.1 发射装置设计
发射装置原理框图如图5 所示[6]。其太阳能及蓄电池管
理使用STC12LE5410AD 芯片， 控制和监测太阳能板及蓄电
池充放电情况，并及时将信息发给主机微处理器；主机微处
理器采用STC89C53R 单片机； 晶体振荡器模块采用高性能
温度补偿晶体振荡器及频率校准电路；射频功放由日本三菱
公司的高频大功率RA07H4452M 模块构成；自动功率调节模
块可使发射装置输出的射频信号稳定， 防止突变；射频滤波
器为七阶低通滤波器， 滤除各次谐波。
2.2 接收报警装置设计
接收报警装置框图如图6 所示。微处理器采用
STC89C53R 单片机；与电脑连接的接口电路使用标准接口芯
片RS232C； 数字解调使用芯片H31136， 输出经过低通滤波
器后直接变为可用的方波信号； 语音合成芯片采用
AP89085，使用的编码算法是ADPCM；音频功放采用飞利浦
公司低失真度TDA1514A 芯片，具有极佳的高频解析力[6]。
图5 发射装置框图
Fig. 5 Transmitting device block diagram
图4 无线安全监控系统示意图
Fig. 4 Schematic diagram of wireless safety monitoring system
图3 控制中心系统框图
Fig. 3 Central control system block diagram
图1 系统组成框图
Fig. 1 The system composition block diagram
图2 车载设备系统框图
Fig. 2 Block diagram of the system of vehicle equipment
－128－
2.3 触发传感器和天线的位置
该系统最基本的指标是预警距离， 这个距离应能确保道
口异常情况下的列车紧急制动及无线信号传输的成功，相关
参数计算如下:
按照维建斯基模型[7]:
Ed=38.9+201g（（Ht·Hd）/λ）+101gPt－401gd+G－K
其中：Ed 为发射天线附近空间场强；Ht 为发射天线高度，
实际架设高度为4 m；Hd 为接收天线高度，实际架设高度为3
m；λ 为工作频率的波长，实际工作频率为150.8 MHz，波长为
2 m；Pt 为发射输出功率，设计功率为10 W；d 为通信距离m；
G 为系统增益，发射天线为3 dB，接收天线为3～6 dB；K 为系
统损耗，包括天线馈线电缆的损耗K1 和接头损耗K2，系统使
用FB－05D 电缆。
当发射电缆用5 m，接收电缆用4 m，每米损耗0.3 dB，
则K1=0.3×9=2.7 dB；L16－5KB 射频接头用4 个， 每个接头损
耗0.1 dB，则K2=0.1×4=0.4 dB；得到K=K1+K2=3.1dB。
代入数据计算得:
Ed=67.36－401gd
接收点最小场强Edmin=Sv+D
其中：Sv 为接收机灵敏度，当信号速率为1 200 b/s 时，Sv
取值为17；D 为通信成功率由50% 提高到99% 所必需增加
的场强余量， 根据日本Icon 移动通信公司测试值，D 取值为
14.3 dB，因此：
Edmin=17+14.3=31.3
从而得到：67.36－401gd＞31.3
d＜7.9 km
2.4 实验数据
将触发传感器安装在上行3 km、下行2 km 处，通过多次
实验证明， 当发射天线和接收天线架设在可见范围内时，阴
雨天信号可以稳定传送5 km。若列车速度为200 km/h， 则可
在列车通过道口前1.5 min 得到预警， 能充分满足列车通过
道口时在紧急情况下的制动距离要求和时间的提前量。
3 结束语
通过对典型的铁路平交道口报警系统的研究，并结合各
系统的优缺点设计出铁路平交道口无线安全监控系统。该系
统结构简单，成本低廉，能实现司机与道口之间的联系，符合
铁道部《平交道道口自动控制或报警的技术要求》。随着铁路
运输事业的高速发展， 铁路安全及信息技术的应用也将发生
重大变化，将会逐步从相对独立、功能简单的人工管理向智
能化、网络化、综合化的自动管理发展。
参考文献：
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图6 接收报警装置框图
Fig. 6 Receiving and alarming device block diagram
李文峰， 等铁路平交道口无线安全监控系统
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