CN1887628B - 无人值守铁路平交道口声控自动预警装置及其方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了属于铁路交通安全设备范围的无人值守铁路平交道口声控自动预警装置及其方法。由监听器U1、集成控制模块和声、光示警装置U7和电源U8组成。预警方法采用监听并接收列车在钢轨上运行发出的声音，通过数字化处理，使用电子芯片比较判断，计算列车到达道口所需的时间，在列车驶近无人值守铁路平交道口时提前发出语声和灯光示警信号，提示过往车辆、行人注意，通过本装置的使用可实现列车接近道口时自动预警，减少交通事故和路外伤亡。本装置在存在非静态噪声或在信噪比较低的环境中也可检测和判断，可避免漏报误报，耐强震、耐冰水，防尘、防潮，可在不便于经常维护的-50℃～150℃野外环境中长期使用。

Description

无人值守铁路平交道口声控自动预警装置及其方法

技术领域

本发明属于铁路交通安全设备范围，特别涉及无人值守铁路平交道口声控自动预警装置及其方法。

背景技术

由于大量的铁路无人看守道口的存在，使道口交通事故和路外伤亡居高不下。因当地的条件限制，又必须设立铁路平交道口，而铁路部门由于人力和物力的限制和道口的车流、人流较小，使无人看守道口客观存在；受道口自然条件(了望、弯道、坡道等因素)的影响，车辆、行人的违章和大意等因素，使铁路平交无人看守道口交通事故屡屡发生，特别是机动车辆发生交通事故，严重影响铁路交通安全，而且常常造成多人路外伤亡事故，损失巨大。随着铁路列车运行速度的不断提高，铁路道口的交通事故率更是显著地上升。

铁路无人值守平交道口的安全问题早就引起了人们的关注，现有技术中出现了很多道口报警器或自动报警装置，如在专利文件CN 2111905U(张德惠)、CN2167912Y(韶关钢铁厂)以及CN 1358147A(西门子公司)中都就公开了一种道口报警装置，在这些文件所公开的术方案中，在距离道口一定距离的线路上设置传感器，当列车触发了这些传感器时发出技报警信号，但这样的报警装置只能当列车到达一定距离时开始报警，在铁路第五次大提速后客车和货车的速度有了明显差异，固定距离时开始报警导致客车报警偏晚而货车报警偏早的问题。在现有技术文件CN 2106764U(黄福霞)、EP 1118522A(西门子公司)、以及JP2001-328535(RAILWAY TECHNICAL RES INST)中公开了无线射频类型的道口报警器，现有工程实践中也出现了一些微波类型的道口自动监控系统，但这些装置或系统由于采用模拟工作模式，系统所能提供的信息量不足，且可靠性差，造价高。此外，现有铁路道口采用轨道电路方式采集列车接近信号，且与无线列调共用450MHz的频段进行报警通知，存在同频干扰及与无线列调相互干扰问题。而CN1202973C(北京世纪东方国铁电讯科技有限公司)提出的采用800MHz的数字综合电台进行预警，工程费用也会很高。

众所周知，声音在不同的介质中以不同的速度传播。在空气中声音的传播速度是340米/秒；在水中的传播速度是1440米/秒；在钢轨中声音的传播速度是5200米/秒(当环境温度为15℃时)。而火车的时速一般为100~200千米，比声音在钢轨中的传播速度慢得多。如果距离道口1800米处有一列火车以30米/秒驶来，火车到达道口需要60秒的时间；如果站立着听，将近5秒才能听到火车的声音；如果将耳朵贴在钢轨上，只需1/3秒左右就能听到隆隆的火车声。此外，声音的强度在传播过程中会衰减。声音在空气中传播，声音是飞向四面八方的，衰减得很快。而由于钢轨对声音的导向作用，声音在钢轨中衰减得较慢。把耳朵贴在道口的钢轨上听到火车的声响时，就知道火车即将驶来。由于地平线的遮掩，薄雾浮尘的荫蔽，轨道的弯曲，山峦、树丛、建筑物的阻挡等原因，人们无法一览无余地看清远在2000米外的火车。所以，要判断远处是否有列车驶来，最简单易行的办法就是把麦克风贴在钢轨上替人们监听，并运用成熟的现代数据处理技术通过分析、计算，确定列车到达道口的时间，提前发出语声和灯光，提示过往车辆、行人注意，实现自动预警。通过在无人看守道口设置一个当列车接近时的自动预警装置，提醒道口的行人和车辆，将大大减少道口交通事故的发生。

发明内容

本发明的目的是提供一种无人值守铁路平交道口声控自动预警装置及其方法。其特征在于，所述无人值守铁路平交道口声控自动预警装置由监听器U1、集成控制模块和声、光示警装置U7和电源U8组成；其中监听器U1设置为U1a、U1b两个，分别放置在钢轨下面，并和集成控制模块的模/数转换电路U2a、U2b连接；声、光示警装置U7设置为U7a、U7b两个，分别放置在钢轨两旁，并和集成控制模块的报警控制电路U6连接在一起。所述集成控制模块由模/数转换电路U2a、U2b、差分电路U3、特征提取电路U4、比较阵列U5和报警控制电路U6组成，U2a、U2b、U3～U6集成在一块电路板上形成集成控制模块。集成控制模块安装在主灯柱铸铁底座的控制室内的控制盒中；电源U8安置在控制室的下方，分别和集成U7连接。

所述监听器U1为麦克风。

所述密封的麦克风放在安装盒中，软橡胶听筒贴在钢轨底平面上，借助麦克风下面的软弹簧提供的上托力，实现良好密贴。蛇皮管内的导线将监听到的模拟信号由传导线送到模/数转换电路U2a、U2b。

所述声、光示警装置由喇叭和闪烁的红灯组成，声音示警的喇叭内固化语音信号：“火车开过来了，请停车、止步，注意安全！”接通电源后反复播放，示警是闪烁的红灯以0.5秒的间隔闪烁工作。

所述无人值守铁路平交道口声控自动预警方法，是利用分别安装在两根钢轨下面的两个监听器U1a、U1b，接收钢轨中传播的声音，每个监听器接收到的模拟声音信号经模/数转换电路U2a、U2b变成数字信号，所得到的数字信号在差分电路U3进行比较，当两个数字信号差异较小时，视为有效信号，传送到特征提取电路U4进行声音强度和梯度的提取；当两个数字信号差异较大时，视为无效信号，提取到的声音强度和梯度数据在比较阵列U5中与事先预存的典型样本比较，判断出列车的距离和速度，当其达到预警阈值时，发出触发信号到报警控制电路U6，启动声、光示警装置U7a、U7b，进行示警。同时比较阵列U5继续判断特征提取电路U4传来的数字信号，当其越过最大值开始减小时即列车已驶出道口，停止发送触发信号，关闭报警控制电路U6，停止示警。一次报警工作结束。

本发明的有益效果是无人看守铁路道口自动预警装置的设计，主要采用监听并接收列车在钢轨上运行发出的声音，通过数字化处理，使用电子芯片比较判断，计算列车到达道口所需的时间。通过本装置的使用可实现列车接近道口时自动预警，减少交通事故和路外伤亡；本发明具有设备简单、低成本，取得可观的经济效益和社会效益。

附图说明

图1是道口自动预警设备的模块结构示意图。

图2是监听器的构造和安装示意图。

图3是示警装置(灯柱)构造示意图。

图4实施例1，表示了单线铁路平交道口自动预警系统示意图。

图5实施例2，表示了双线铁路平交道口自动预警系统示意图。

具体实施方式

本发明提供一种无人值守铁路平交道口声控自动预警装置及其方法。下面结合附图对本发明予以说明。

图1和图3所示是自动预警装置的框图和安装示意图。

图1中，由监听器U1、集成控制模块和声、光示警装置U7和电源U8组成。其中监听器U1设置为U1a、U1b两个，分别放置在钢轨下面(如图2、图5、图6所示)，并和集成控制模块的模/数转换电路U2a、U2b连接；声、光示警装置U7设置为U7a、U7b两个，分别放置在钢轨两旁，并和集成控制模块的报警控制电路U6连接在一起(如图3、图5、图6所示)。所述集成控制模块由模/数转换电路U2a、U2b、差分电路U3、特征提取电路U4、比较阵列U5和报警控制电路U6组成，U2a、U2b、U3～U6集成在一块电路板上形成集成控制模块。在图3中，集成控制模块10安装在主灯柱9铸铁底座12的控制室11内的控制盒中；电源U8安置在控制室的下方，分别和集成控制模块10、发声器喇叭8、光示警装置红灯7连接。

监听器U1的核心是两个麦克风，分别安装在铁路两根钢轨的下面。

集成控制模块由模/数转换电路U2、差分电路U3、特征提取电路U4、比较阵列U5和报警控制电路U6组成。U2～U6集成在一块电路板上形成集成控制模块。集成控制模块安装在主灯柱铸铁底座的控制室内的控制盒中(加锁平时不需要维护)。电源U8安置在控制室的下方，锁在坚固的铸铁门里面。

光示警装置是闪烁的红灯，声示警装置是喇叭。红灯和喇叭安装在灯柱上，主、辅两个灯柱分别立在道口的两侧。

本发明的自动预警装置铁路行车信号系统无任何影响，安装调试也非常方便。

上述介绍是针对图4所示单线铁路平交道口自动预警系统示意图(实施例1)进行的，对于图5所示的双线铁路平交道口自动预警系统示意图(实施例2)，双线铁路道口只需要增加U1～U5部分，U6～U7部分可以公用，既方便，又经济。

对各部分组成及功能进行说明如下：

1、监听器U1

在图2中，钢轨声音监听部分由高灵敏度、宽范围监听麦克风，防潮、防水、防尘的软橡胶密封套、铸铁安装盒、铠装蛇皮导线管组成。密封的麦克风5放在安装盒2中，软橡胶密封套4贴在钢轨底平面上，安装盒2卡在钢轨3底面上，顶紧螺栓1利用钢轨3底座的斜面，借助麦克风下面的软弹簧提供的上托力，使安装盒2和软橡胶密封套4密贴于钢轨3底座的底平面上，实现良好密贴。蛇皮管内的导线将监听到的信号由传导线送到模/数转换电路U2a、U2b。铁路的两根钢轨每一根安装一个监听器。

2、模/数转换电路U2

模/数转换电路的输入端是U1接收到的声音信号。根据香农采样定理，进行模拟信号向数字信号转换的采样频率大于2倍的模拟声音信号频率(即f_采＞2f_声)。模/数转换电路输出端是数字化的声音信号。

3、差分电路U3

两个监听器分别得到的数字信号Na和Nb作为差分电路U3的输入信号，在差分电路中进行持续不断的比较，当Na与Nb的差小于设定的阈值时，视为有效输入信号，差分电路取Na和Nb的平均值作为输出信号Nc；当Na与Nb的差大于设定的阈值时，不产生有效输出信号(即Nc＝0)。使用这一技术可以有效滤除自然和人为的很多干扰信号。

4、特征提取电路U4

当差分电路输出信号Nc有效时，其中蕴涵着列车在钢轨上运行的声音强度信息和声音强度的变化信息(即声音梯度)。这两种信息是进行判断的有用信息。由声音强度可以判断列车距道口的距离；由声音梯度可以判断列车前进的速度。有了声音强度和声音梯度就可以推算出列车驶入道口所需的时间。因此，声音强度和声音梯度是预警的依据，特征提取电路从Nc中提取声音强度和声音梯度信息Nct。

5、比较阵列U5

样本比较阵列中事先固化存储了不同声音强度和梯度的M个样本。这些样本是在大量的实测数据中通过聚类得到的典型样本。

特征提取电路U4输出的有效声音强度和声音梯度信号Nct在比较阵列中与样本信号循环逐一比较。当Nct信号与某一样本一致时(即列车的距离和速度函数已达到预警范围)，触发报警控制电路U6；否则Nct与下一个样本比较；如果与M个样本比较的结果都不一致(说明列车没有到达预警范围)，则不触发报警，等待下一循环周期重新比较。

比较阵列由CMOS电路构成，样本固化在CMOS电路中，稳定、可靠、耗电量小。

6、报警控制电路U6

报警控制电路U6是一个平时处于休眠状态，得到触发信号后才开始工作的控制电路。当它获得启动信号后，立即接通声、光示警装置U7的电源，使其开始示警，并维持电源接通直到触发报警信号消失。

7、声、光示警装置U7

示警装置由喇叭和闪烁的红灯组成。声音示警的喇叭内固化语音信号：“火车开过来了，请停车、止步，注意安全！”接通电源后反复播放；光示警是闪烁的红灯以1秒的间隔闪烁工作。

声、光示警装置安装在灯柱上，顶端是闪烁灯，灯下安装喇叭。主灯柱的底座由铸铁方型箱体构成，其箱内可以设置控制盒(放置U3-U6)和电源室(放置整流设备或蓄电池)。

另一个声、光示警装置安装在辅灯柱上，设置在道口的另一侧。

8、电源U8

电源部分负责提供监听器和集成控制模块的弱电(6V由整流器或蓄电池获得)及声、光示警装置所需的电力，在可以利用市电的地方可以直接使用220V交流电；若无市电可用，可以用蓄电池供电(12V)。本发明的自动预警装置结构简单、耗电少。其电源有条件的采用市电；无市电的可以用蓄电池供电。由于耗电少，蓄电池2～4周更换一次即可。

实施例1无人值守单线铁路平交道口

在图4中，在铁路的两根钢轨每一根安装一个监听器U1a(U1b)。安装盒卡在钢轨底面上，顶紧螺栓利用钢轨底座的斜面使安装盒密贴于钢轨底座的底平面上。

密封的麦克风放在安装盒中，软橡胶听筒贴在钢轨底平面上，借助麦克风下面的软弹簧提供的上托力，实现良好密贴。导线经蛇皮管将监听到的模拟信号送到位于示警器底座铸铁方型箱体内的控制盒中的U2a(U2b)上。差分电路U3的两个输入端分别是数字信号Na和Nb，在差分电路中进行持续不断的比较，通常情况下Na与Nb反映的是列车车轮在钢轨上滚动产生的数字信号，这两个信号应当相当一致。我们可以设定一个很小的差值作为阈值，Na与Nb之差小于阈值视为有效输入信号，差分电路取Na和Nb的平均值作为输出信号Nc；当Na与Nb的差大于设定的阈值时(即声音不是列车行进产生的)，不产生有效输出信号。使用这一技术可以有效滤除自然和人为的很多干扰信号。例如人为的敲击钢轨(一般不会在两根钢轨上同时且同频率敲击)产生的声音；再如通过道口的机动车辆(特别是履带拖拉机经过道口时碾压钢轨)产生的声音。

当差分电路输出信号Nc有效时，其中蕴涵着列车在钢轨上运行的声音强度信息和声音强度的变化信息(即声音梯度)。这两种信息是进行判断的有用信息。由声音强度可以判断列车距道口的距离；由声音梯度可以判断列车前进的速度。有了声音强度和声音梯度就可以推算出列车驶入道口所需的时间。因此，声音强度和声音梯度是预警的依据，特征提取电路从Nc中提取声音强度和声音梯度信息Nct。

样本比较阵列U5中事先固化存储了不同声音强度和梯度的M个样本。这些样本是在大量的实测数据中通过聚类得到的典型样本。将特征提取电路U4输出的有效声音强度和声音梯度信号Nct与比较阵列中与样本信号循环逐一比较。当Nct信号与某一样本一致时(即列车的距离和速度函数已达到预警范围)，触发报警控制电路U6，开始示警，并不断的循环比较，以决定是否保持继续触发报警控制电路。当Nct信号越过最大值开始减小时(列车已驶出道口)，停止发送触发信号，关闭报警控制电路U6，停止示警。一次报警工作结束。如果Nct信号与M个样本比较的结果都不一致(说明列车没有到达预警范围)，则不触发报警，等待下一循环周期重新比较。

报警控制电路U6是一个平时处于休眠状态，得到触发信号后才开始工作的控制电路。当它获得启动信号后，立即接通声、光示警装置的电源U8，使其开始示警，并维持电源接通直到触发报警信号消失。

示警装置由喇叭和闪烁的红灯组成。声音示警的喇叭内固化语音信号：“火车开过来了，请停车、止步，注意安全。”接通电源后反复播放。光示警是闪烁的红灯以0.5秒的间隔闪烁工作。

两个声、光示警装置安装分别设置在道口的两侧。

实施例2无人值守双线铁路平交道口

在图5中，在上行和下行铁路的每根钢轨上安装一个监听器。上行的两根构成一组，下行的两根构成另一组。后续同例1，接上U2～U5，U5的输出由一个或门电路并接到U6上，即U6～U8部分上行和下行公用。

Claims (5)

1.一种无人值守铁路平交道口声控自动预警装置，其特征在于，所述无人值守铁路平交道口声控自动预警装置由监听器U1、集成控制模块和声、光示警装置U7和电源U8组成；其中监听器U1设置为U1a、U1b两个，分别放置在钢轨下面，并和集成控制模块的模/数转换电路U2a、U2b连接；声、光示警装置U7设置为U7a、U7b两个，分别放置在钢轨两旁，并和集成控制模块的报警控制电路U6连接在一起；所述集成控制模块由模/数转换电路U2a、U2b、差分电路U3、特征提取电路U4、比较阵列U5和报警控制电路U6组成，U2a、U2b、U3～U6集成在一块电路板上形成集成控制模块；集成控制模块安装在主灯柱铸铁底座的控制室内的控制盒中；电源U8安置在控制室的下方，分别和集成控制模块、声、光示警装置U7连接。

2.根据权利要求1所述无人值守铁路平交道口声控自动预警装置，其特征在于，所述监听器U1为麦克风。

3.根据权利要求2所述无人值守铁路平交道口声控自动预警装置，其特征在于，所述密封的麦克风放在安装盒中，软橡胶听筒贴在钢轨底平面上，借助麦克风下面的软弹簧提供的上托力，实现良好密贴；蛇皮管内的导线将监听到的模拟信号由传导线送到模/数转换电路U2a、U2b。

4.根据权利要求1所述无人值守铁路平交道口声控自动预警装置，其特征在于，所述声、光示警装置由喇叭和闪烁的红灯组成，声音示警的喇叭内固化语音信号：“火车开过来了，请停车、止步，注意安全！”接通电源后反复播放，示警是闪烁的红灯以1秒的间隔闪烁工作。

5.一种无人值守铁路平交道口声控自动预警方法，其特征在于，采用权利要求1所述无人值守铁路平交道口声控自动预警装置的预警方法是利用分别安装在两根钢轨下面的两个监听器U1a、U1b，接收钢轨中传播的声音，每个监听器接收到的模拟声音信号经模/数转换电路U2a、U2b变成数字信号，所得到的数字信号在差分电路U3进行比较，当两个数字信号差异较小时，视为有效信号，传送到特征提取电路U4进行声音强度和梯度的提取；当两个数字信号差异较大时，视为无效信号，提取到的声音强度和梯度数据在比较阵列U5中与事先预存的典型样本比较，判断出列车的距离和速度，当其达到预警阈值时，发出触发信号到报警控制电路U6，启动声、光示警装置U7a、U7b，进行示警；同时比较阵列U5继续判断特征提取电路U4传来的数字信号，当其越过最大值开始减小时即列车已驶出道口，停止发送触发信号，关闭报警控制电路U6，停止示警，一次报警工作结束。