礦區(qū)鐵路道口無人值守系統(tǒng)研究與應(yīng)用

李電強(qiáng)

（開灤（集團(tuán)） 有限責(zé)任公司，河北 唐山 063018）

1 概 況

礦區(qū)專用鐵路是連接礦區(qū)各礦井及有關(guān)單位的專用線，我國大部分老礦區(qū)鐵路道口采用有人值守模式，道口設(shè)置的欄桿或柵門，由道口看守員負(fù)責(zé)看護(hù)和操作。當(dāng)看守員接到電話通知或列車接近的自動(dòng)通知后及時(shí)關(guān)閉欄木，與此同時(shí)用音響器和閃光的道口信號機(jī)向公路車輛和行人報(bào)警，列車通過后立即開放欄木。多年來，有關(guān)公司研制了城市鐵路道口的全自動(dòng)無人值守自動(dòng)控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)列車到來時(shí)自動(dòng)報(bào)警并放下欄桿，列車離開時(shí)自動(dòng)取消報(bào)警并升起欄桿的功能。許多煤炭企業(yè)也實(shí)施了礦區(qū)鐵路道口改造，但不可避免受到諸如技術(shù)、安全、通行保障、成本等的限制。基于對無人道口技術(shù)研究和開灤礦區(qū)道口現(xiàn)場改造實(shí)際，提出一套完善的鐵路道口無人值守系統(tǒng)改造方案，并經(jīng)過現(xiàn)場實(shí)際驗(yàn)證，取得非常好的效果，為礦區(qū)更新?lián)Q代、智能化改造、無人值守少人巡視、安全高效生產(chǎn)提供有力支持。

2 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

礦區(qū)鐵路道口無人值守系統(tǒng)由現(xiàn)場設(shè)備層、網(wǎng)絡(luò)傳輸層和系統(tǒng)管理層三層結(jié)構(gòu)組成，如圖1 所示。設(shè)備層包括車輪傳感器、欄桿門、攝像頭、紅外探測傳感器、信號機(jī)、PLC 控制柜、語音單元、夜間（補(bǔ)光） 照明等，現(xiàn)場采集車輪傳感器、欄桿門控制器、紅外探測傳感器等信號數(shù)據(jù)傳輸至道口的分站PLC（該分站具有遠(yuǎn)程、就地控制功能），與現(xiàn)場音視頻信號進(jìn)行集成后，通過有線和無線網(wǎng)絡(luò)傳輸至集控室主站控制設(shè)備；網(wǎng)絡(luò)傳輸層包括交換機(jī)、光電轉(zhuǎn)換器、無線網(wǎng)橋、光纖線路等；系統(tǒng)管理層包括主控制柜、上位機(jī)、顯示屏、硬盤錄像機(jī)、語音單元、控制系統(tǒng)軟件等，集控室將接收到的數(shù)據(jù)信息經(jīng)過加工處理，通過顯示系統(tǒng)、語音系統(tǒng)、主站PLC 的邏輯運(yùn)算處理、上位機(jī)控制界面或者控制柜的按鈕，對道口的設(shè)備實(shí)現(xiàn)自動(dòng)或遠(yuǎn)程控制。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig.1 System structure

當(dāng)火車距離道口達(dá)到限定監(jiān)測位置時(shí)，設(shè)在道口兩端的公路端信號機(jī)顯示交替閃爍紅燈信號并鳴響報(bào)警音。行人、車輛停在道口外安全區(qū)域等待，道口欄桿可自動(dòng)放下或由集控室值守人員通過道口音視頻監(jiān)視系統(tǒng)，根據(jù)道口行人、車輛情況遠(yuǎn)程控制欄桿動(dòng)作；當(dāng)火車通過道口達(dá)到限定監(jiān)測位置后，道口欄桿可自動(dòng)或由集控室值守人員遠(yuǎn)程控制道口欄桿抬起，道口公路端信號機(jī)顯示白燈信號并消除報(bào)警聲。

欄桿放下時(shí)，若有行人、車輛進(jìn)入到道口區(qū)域內(nèi)（即視頻監(jiān)控報(bào)警區(qū)域），視頻監(jiān)控模塊輸出報(bào)警信號，系統(tǒng)自動(dòng)進(jìn)行報(bào)警。提醒集控室值守人員和火車司機(jī)注意道口區(qū)域行人、車輛情況，鐵路信號燈變?yōu)榧t色，欄桿門重新抬起，待行人、車輛離開道口區(qū)域后，欄桿門放下。

在集控室值守人員可實(shí)時(shí)監(jiān)控道口的情況，當(dāng)?shù)揽诔霈F(xiàn)緊急情況，值守人員可以對道口自動(dòng)運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行強(qiáng)制解鎖，獲得控制權(quán)限，進(jìn)行遠(yuǎn)程控制操作。

3 系統(tǒng)運(yùn)行環(huán)境搭建

該系統(tǒng)作為遠(yuǎn)程監(jiān)測控制系統(tǒng)，需要搭建運(yùn)行環(huán)境。該系統(tǒng)需要列車監(jiān)測單元、目標(biāo)位置監(jiān)測單元、聲光預(yù)警單元部署在現(xiàn)場。

3.1 列車監(jiān)測單元

采用PLC 控制，列車監(jiān)測傳感器每股道設(shè)置4個(gè)計(jì)軸傳感器，安裝在距離道口中心50～100 m 位置，同組2 個(gè)傳感器距離0.5～1 m，布置如圖2 所示。當(dāng)火車經(jīng)過1 號、2 號傳感器，監(jiān)測電路發(fā)出上行來車信號。同理，當(dāng)火車經(jīng)過3 號、4 號傳感器，監(jiān)測電路發(fā)出下行來車信號。通過采集設(shè)置在每股道的2 組傳感器的信號，經(jīng)過PLC 邏輯判斷后，實(shí)現(xiàn)火車行駛方向的判定。系統(tǒng)設(shè)計(jì)中規(guī)定只有在0.5 s 內(nèi)經(jīng)過傳感器1 號和2 號產(chǎn)生的信號為列車信號。

圖2 道口計(jì)軸傳感器布置示意Fig.2 Layout of gauge shaft sensor at crossing

3.2 移動(dòng)目標(biāo)越界監(jiān)測單元

設(shè)置遠(yuǎn)紅外光柵和智能視頻識別設(shè)備，監(jiān)測移動(dòng)目標(biāo)是否非法侵入道口區(qū)域。距離攔人門前方10 m、后方5 m，各處設(shè)置遠(yuǎn)紅外光柵，監(jiān)測移動(dòng)目標(biāo)（行人、車輛等） 越界情況，當(dāng)火車進(jìn)入道口區(qū)域，系統(tǒng)監(jiān)測到移動(dòng)目標(biāo)（行人、車輛等） 非法侵入道口區(qū)域時(shí)，系統(tǒng)自動(dòng)發(fā)出報(bào)警信號并進(jìn)行告警。攔人門前方10 m 紅外光柵為主動(dòng)防護(hù)，火車來臨時(shí)，移動(dòng)目標(biāo)（行人、車輛等） 遮擋紅外光柵，系統(tǒng)自動(dòng)報(bào)警，發(fā)出“小心火車，請勿靠近”語音提示；攔人門后方5 m 紅外光柵為被動(dòng)防護(hù)，移動(dòng)目標(biāo)（行人、車輛等） 非法侵入道口區(qū)域，遮擋紅外光柵，系統(tǒng)自動(dòng)報(bào)警，發(fā)出“小心火車，請速撤回”語音提示，并啟動(dòng)高音喇叭鳴叫。

道口設(shè)置球型攝像機(jī)，通過球型攝像機(jī)對道口區(qū)域內(nèi)進(jìn)行視頻監(jiān)測識別。當(dāng)火車進(jìn)入道口區(qū)域，系統(tǒng)自動(dòng)進(jìn)入視頻識別狀態(tài)，通過視頻畫面的偵測，識別出區(qū)域內(nèi)非法侵入的移動(dòng)目標(biāo)（行人、車輛等），通過NVR 輸出控制信號，啟動(dòng)報(bào)警并進(jìn)行告警。

3.3 聲光預(yù)警單元

當(dāng)火車行駛至接近道口，通過計(jì)軸傳感器檢測到來車信號，系統(tǒng)自動(dòng)開啟道口兩側(cè)信號燈及語音系統(tǒng)，對行人、車輛進(jìn)行聲光預(yù)警，語音為“小心火車，注意安全”，紅燈左右交替閃爍，提醒行人和車輛。無列車通過時(shí)，語音系統(tǒng)關(guān)閉，紅燈滅，白（黃） 燈燈亮。

4 系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)

（1） 語音擴(kuò)播功能。系統(tǒng)設(shè)置有語音擴(kuò)播系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)控制室對道口的語音擴(kuò)播通訊。值守人員通過對現(xiàn)場的控制信息和視頻信息的監(jiān)視，當(dāng)火車行進(jìn)道口過程中，能對行人或車輛進(jìn)行語音喊話提醒。

（2） 音視頻監(jiān)控功能。通過設(shè)置在鐵路道口的槍式攝像機(jī)、球形攝像機(jī)和拾音器采集到道口現(xiàn)場的音視頻信息，實(shí)現(xiàn)對2 個(gè)道口現(xiàn)場的監(jiān)視。

（3） 攔人門防砸功能。沿?cái)r人門外側(cè)設(shè)置遠(yuǎn)紅外光柵，在攔人門下降過程中如有車輛、人員通過紅外檢測區(qū)域，紅外檢測模塊將報(bào)警信號輸出到PLC，系統(tǒng)自動(dòng)進(jìn)行報(bào)警，提醒值班人員和火車司機(jī)；同時(shí)，攔人門停止下降，將此車輛放回。

（4） 系統(tǒng)保障功能模塊。道口設(shè)置的計(jì)軸傳感器有斷線、斷電保護(hù)功能，系統(tǒng)定時(shí)自檢，發(fā)現(xiàn)故障及時(shí)報(bào)警；網(wǎng)絡(luò)傳輸采用有線和無線雙網(wǎng)冗余，增強(qiáng)了數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃裕幌到y(tǒng)存儲(chǔ)30 d 運(yùn)行數(shù)據(jù)，可重演（回放） 該時(shí)段系統(tǒng)的運(yùn)行情況。

（5） 遠(yuǎn)程監(jiān)控功能。采用高效可靠的客戶/服務(wù)器架構(gòu)，控制室計(jì)算機(jī)實(shí)時(shí)監(jiān)控?cái)r人門抬/落桿、急停、報(bào)警燈報(bào)警、遠(yuǎn)程喊話、信號燈通行/禁行等設(shè)備信號狀態(tài)信息，通過高清晰度的攝像機(jī)可實(shí)時(shí)監(jiān)視道口現(xiàn)場視頻圖像。

（6） 事件記錄功能。系統(tǒng)運(yùn)行數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)存儲(chǔ)，當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生故障或事故時(shí)，能夠調(diào)用系統(tǒng)內(nèi)存儲(chǔ)的運(yùn)行數(shù)據(jù)和視頻信息，以便對故障或事故進(jìn)行分析。

（7） 數(shù)據(jù)備份功能。通過獨(dú)立存儲(chǔ)網(wǎng)絡(luò)同步備份所有視頻圖像，視頻圖像可通過矩陣任意調(diào)取顯示。

（8） 故障預(yù)警功能。系統(tǒng)通過實(shí)時(shí)接收處理傳感數(shù)據(jù)，監(jiān)測現(xiàn)場設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)，出現(xiàn)故障及時(shí)預(yù)警并提示故障原因，減少故障處理時(shí)間。

（9） 權(quán)限管理功能。系統(tǒng)具有密碼用戶權(quán)限管理控制功能和密碼保護(hù)功能。

（10） 接口設(shè)計(jì)。開發(fā)專用接口控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)與原有道口控制設(shè)備完全兼容，與信號系統(tǒng)無縫連接。

5 系統(tǒng)實(shí)施

該設(shè)計(jì)已在林西運(yùn)輸部和錢營運(yùn)輸部實(shí)施運(yùn)行。原林西運(yùn)輸部2 個(gè)道口，包括勞服公司道口和磚廠道口，設(shè)有道口值班室；錢營運(yùn)輸部為7 股道道口，兩側(cè)設(shè)有道口值班室。值守人員通過電話和對講機(jī)進(jìn)行調(diào)車聯(lián)絡(luò)，人工控制道口設(shè)備，作業(yè)效率較低；安全技術(shù)防護(hù)手段落后，對道口內(nèi)行人、車輛等移動(dòng)目標(biāo)監(jiān)測功能不夠完善，闖桿事件時(shí)有發(fā)生；道口無自動(dòng)化設(shè)備，不能實(shí)現(xiàn)自動(dòng)和遠(yuǎn)程控制，易造成道口區(qū)域內(nèi)行人、車輛的擁堵，存在安全隱患，影響鐵路運(yùn)輸系統(tǒng)的高效運(yùn)行。

通過對現(xiàn)場分析，對道口值守系統(tǒng)進(jìn)行整體技術(shù)改造。通過音視頻監(jiān)控、自動(dòng)控制和計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的有機(jī)結(jié)合，實(shí)現(xiàn)對道口的虛擬看守。通過對大道口欄桿門、電控系統(tǒng)、音視頻監(jiān)控系統(tǒng)、信號系統(tǒng)等設(shè)施進(jìn)行建設(shè)，實(shí)現(xiàn)道口機(jī)電設(shè)備的自動(dòng)化控制，提升道口設(shè)備的控制水平，增強(qiáng)安全可靠性，達(dá)到減人提效的目的。

6 結(jié) 語

基于兩化融合的鐵路“無人道口”已在開灤集團(tuán)所屬鐵路道口實(shí)施推進(jìn)，系統(tǒng)采用異構(gòu)數(shù)據(jù)交換技術(shù)，構(gòu)建了集視頻監(jiān)控、音頻采集、網(wǎng)絡(luò)傳輸、信息監(jiān)測控制為一體的全息數(shù)據(jù)采集與控制系統(tǒng)平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)的自動(dòng)運(yùn)行、遠(yuǎn)程集控和無人值守目標(biāo)。該系統(tǒng)可以與鐵路調(diào)度指揮系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)無縫并聯(lián)運(yùn)行，對鐵路運(yùn)輸系統(tǒng)綜合管理平臺(tái)起到輔助作用。系統(tǒng)逐步推廣應(yīng)用后，將進(jìn)一步提高鐵路運(yùn)輸安全生產(chǎn)和綜合管理水平。