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[摘要] 铁路营业线施工引发的行车、人身安全事故一直困绕着一代代铁路工作者，为在列车通过前让施工人员、机具、材料等能及时撤到安全限界，确保安全，按照铁路“故障-安全”原则，利用感应线圈原理、系统软件开发等手段研发铁路施工安全防护装置，增加一道安全屏障。
[关键词] 铁路；施工安全；防护装置；设计；运用；
中图分类号：U215.8
一、研究背景
铁路营业线施工安全一直以来都是铁路生产的重中之重，在投入大量人力物力的今天，每年还是有大量安全事故发生，为确保列车通过前让施工人员、机具、材料等及时撤到安全限界，特研制铁路施工安全防护装置。
二、设计原则
1.设计基本原则
按照铁路行车安全“故障-安全”原则 （当设备发生故障时，能自动导向安全一方的技术原则），满足现场实用性，可操作性为前提，充分考虑应体积小、重量轻、拆卸安装方便、便于携带；选用低功耗元器件，尽量减少外围元器件，所有元器件仅工作时才供电；采用无线数据传输技术，不使用通信电缆；采用ARM芯片，高速度低功耗、安全可靠；操作简单，维护方便。
2.总体设计
施工安全防护报警装置由报警终端、无线数传电台、列车接近检测终端和传感器组
成。示意图如下所示：
传感器应用电磁感应原理对过往列车进行准确的实时测量，将测量信号传递列车接近检测终端。当列车通过地感线圈时，信号发生变化，通过检测信号的变化情况，判断列车是否通过。目前，该技术已被大量应用，从实际应用中得出特点：稳定度好、检测准确、易维护等。该类检测技术已属于成熟技术。
列车接近检测终端采用双功能检测输入，实时监测传感器的工作状态，确保列车接近时能正确报警。输入的信号用于判别列车是否通过，且同时能检测传感器是否正常。当发现传感器异常状时，显示传感器故障标志，该列车接近检测终端立即提示并通知报警终端该检测端有故障。当传感器正常且有列车通过时，显示列车通过标志，发出列车接近信号给报警终端。
列车接近检测终端与报警终端通过无线数传电台通讯，间隔每秒的时间发送状态包（设备各部分是否正常）。当列车通过时，发送列车接近信号，确认应答，则按1秒的时间间隔发送状态包。报警终端能方便识别列车是否通过、列车接近检测终端及传感器是否正常。一旦有故障，将声音告警提示。
该装置在终端部件、通讯等所有信号采集和数据链路上均采用自动监测技术，保障该系统的安全性。只要接近列车接近检测终端及传感器任何故障，报警终端都能准确的检测到；确保系统绝对安全，报警终端符合“故障-安全”原则。
报警终端主要功能是接收列车接近检测终端数据、监测与检测终端的通讯是否正常、本机是否正常工作等；当列车通过时产生告警音，同时灯光闪烁报警。一旦有报警，装置将保持报警状态，直到人工通过按钮取消或者设置报警解锁时间自动取消报警；并保存该报警信息。
报警主机通过动态驱动电路解决本机的系统故障。系统工作时，通过动态脉冲驱动两路动态电路（两路互备份），输出两路直流电压使继电器吸合，从而使声光报警器电源断开。一旦系统故障（IO口坏、MCU故障等），便会产生报警电平，声光报警器将工作产生明确的告警音和灯光闪烁信号。
通过按下人工报警按钮，可测试装置报警功能是否正常。为了更安全，防止声光报警故障时，装置能正确报警，增加了辅助报警电路，其辅助报警电路是通过声音检测主声光报警器的是否正常工作，一旦主声光报警器故障，便启动辅报警器报警。
三、系统硬件设计
1.地感线圈传感器的硬件设计
主要考虑材料轻便，拆装容易便于携带；能稳固的卡在轨道中间不影响行车安全；采用热熔对接、胶灌封等保证传感器的性能稳定可靠。
2.列车接近检测终端的硬件设计
按功能分为电源管理电路、电量检测电路、地感線圈信号处理电路、LCD显示电路、按键接口电路、声音报警电路、无线数传电台、无线数据隔离传输转换电路、低功耗MCU。
电源管理电路将锂电池输出分为四路：一路经DC/DC模块转换成+12V电源给无线数传电台、无线数据隔离传输转换电路及报警电路供电；一路经电源转换成+5V和+3.3V电源给低功耗MCU、电量检测电路、信号振荡及采集电路、LCD显示电路及按键接口电路供电；另外两路经电源转换成+12V和-12V给地感线圈信号处理电路供电。电源转换芯片选用低功耗的芯片，以减少电源管理芯片自身电能消耗。
电量检测电路采用德州仪器的低噪声芯片TIL2264对采集到的电源电压进行滤波跟随送入低功耗MCU处理。
地感线圈信号处理电路采用MC1648芯片组成信号振荡及采集电路、采用轨对轨运算放大电路以及波形整形AD转换电路；使采集到的地感线圈传感器信号处理成低功耗MCU能识别的数字信号。为了增强电路的抗干扰能力加入了二阶模拟滤波电路。
无线数传电台选用华奥通的HM96B模块，其无线透明传输，可以大大简化软件设计，非常方便的组建点对多点的无线数据传输网络。
无线数据隔离传输转换电路选用美国ADI公司基于芯片级变压器磁耦合隔离芯片ADUM1201来转换无线数据信号，与低功耗MCU相匹配。
3.主报警器的硬件设计
采用一体化声光报警设计，声音检测传感器采用压电声音片植入一体化声光报警内部，把采集到的声音信号传递给报警终端，由报警终端检测处理。根据施工现场的情况报警声音的音量越大越好。
4.报警终端的硬件设计
按功能分为主处理电路、电源管理电路、无线数传电台、实时时钟电路、数据存储电路、动态报警电路、辅助报警电路、声音检测电路。
主处理电路包含ARM Cortex-M3内核的主处理器STM32F103、LCD显示电路、按键接口电路、电量检测电路、RS232通讯电路。 电源管理电路把锂电池的输出分成三路：两路经DC/DC转换成+12V和-12V电源给无线数传电台、动态报警电路、辅助报警电路、声音检测电路供电；一路经电源转换成+5V和+3.3V电源给主处理电路、实时时钟电路、数据存储电路供电；电源转换芯片选用低功耗的芯片，以减少电源管理芯片自身电能消耗。
无线数传电台、电量检测电路、声音检测电路以及辅助报警电路采用和列车接近检测终端相同的电路。
实时时钟使用ST公司的M41T81MH6芯片可以提供年、月、日、时、分、秒等信息；数据存储采用铁电存储器FM24CL16芯片，与MCU具有I2C接口。
动态报警电路采用扫描两路动态脉冲驱动电路（两路互备份）的方式，输出两个直流电压使相应的继电器吸合，断开声光报警器电源，一旦系统故障（IO口、MCU故障等），便会失去动态电平从而使继电器断开，闭合声光报警器电源，产生声光报警。辅助报警电路，通过声音检测主声光报警器是否正常工作，一旦主声光报警器故障，便启动辅报警器报警。
四、系统软件设计
1.检测端软件设计
检测端软件主要任务是：准确及时监测列车到达和通过检测点，具有自诊断能力，将数据准确传到报警端，符合“故障-安全”要求。
因传感器采用地感线圈，考虑到温度变化及安装位置对振荡频率有一定影响，因此应采用动态基频率法判断列车达到与否。
为了满足“故障-安全”要求，通信以一定的周期进行，必须考虑无线信号冲突问题，应采用冲突避免载波侦听多路访问（CSMA/CA）算法。发送数据时，先随机延时一个时间，然后发送。如果发生冲突，采用二进制指数退避算法延时，然后重新开始整个发送过程，数据采用CRC校验。
考虑到采用占先式RTOS实时操作系统，应保证在每个任务规定的时间内必须至少执行一次，否则看门狗将复位系统。
为了保证传感器信号的准确采集，在分配任务时，将传感器信号采集单独划分为一个任务，并安排为最高优先级。
2.报警端程序设计
报警端软件主要任务是：准确及时检测列车是否到达，如到达予以声光报警，具有自诊断能力，符合“故障-安全”要求。
考虑“故障-安全”要求，在输出驱动动态电路的方波时，不使用MCU功能模块（如定时器、PWM等）输出，因为设备故障时，可能MCU功能模块还正常，导致出现设备故障无法报警的危险状态。
考虑报警端不知道安装了多少检测端，通过设置实际检测端个数，一旦规定时间内未收到设置个数的检测端数据，系统认为通信出现了故障，将故障报警。
报警端一旦检测到过车，报警状态将一直保持，直到人工取消为止；也可以设置报警解除时间，一旦設置值非零，系统报警时间到达设置值时将自动解除报警。
考虑采用占先式RTOS实时操作系统，应保证在每个任务规定的时间内必须至少执行一次，否则看门狗将复位系统。
五、机械结构设计
1.箱体设计考虑到要轻便、美观、防雨水、电池更换容易等等因素，报警终端和接近检测终端采用相似的内部隔离式结构设计，基本结构设计示意图如左图。
2.地感线圈传感器的结构设计
地感线圈传感器的设计要求是轻便，拆卸组装方便，便于携带；所以我们采用插接的方式，在保证功能的情况下，材料上选用PPR水管，即轻便又具有一定的可塑性。对接插头选用，航空对接插头，保证对接的可靠性。以下是地感线圈传感器结构示意图及安装示意图：
六、产品研制
铁路施工安全防护装置系统在成都局各部门的大力支持下，克服了诸多困难，2010年10月完成系统详细设计以及数传电台的性能测试随后就完成硬件和外观以及软件部分的开发以及调试，并成功完成样机试制。2010年11月在遂成线淮口站做现场试验，试验功能一切正常，随后又经过几次现场测试及试用，现场评价较好，同时也提出增大发射功率、增大报警声音、减小体积等建议，在经过三次优化改良设计后，完全能满足现场需求。
七、总结
为迅速改变铁路工务系统既有线施工行车、人身安全事故频发的现状，2011下半年将改进后的施工安全防护装置运用到专门的大修施工单位，经现场使用，该设备安装、拆除快捷、携带方便，每趟列车通过前均由报警信号通知现场场作业人员及时做好撤离准备，能在列车接近安全下道距离前将人员、机具材料撤出限界，给施工作业带来了更大的安全保障。截止到2012年年底，该段发生了9件事故，但没有一件是因施工防护不到位造成的事故。
作者简介：
1.毛维：1977-，男，重庆市南川县人，工程师，从事铁道工程管理。
2.钟剑：1970-，男，四川广汉市人，工程师，从事铁路电子产品开发。
参考文献：
[1]《铁路营业线施工安全》，出版社：中国铁道出版社，作者：铁道部安全监察司，出版日期：2002
[2]《铁路工务安全规则》，出版社：中国铁道出版社，作者：中华人民共和国铁道部，出版日期：2006.10
[3]《铁路工程施工》，出版社：中国铁道出版社，作者：王进，出版日期：2002.7
[4]《射频通信电路》，出版社：科学出版社，作者：陈邦媛 ，出版日期：2002
[5]《ARM Cortex-M3内核微控制器快速入门与应用》，出版社：北京航空航天大学出版社， 作者：刘同法、肖志刚、彭继卫，出版日期：2009.8
[关键词] 铁路；施工安全；防护装置；设计；运用；
中图分类号：U215.8
一、研究背景
铁路营业线施工安全一直以来都是铁路生产的重中之重，在投入大量人力物力的今天，每年还是有大量安全事故发生，为确保列车通过前让施工人员、机具、材料等及时撤到安全限界，特研制铁路施工安全防护装置。
二、设计原则
1.设计基本原则
按照铁路行车安全“故障-安全”原则 （当设备发生故障时，能自动导向安全一方的技术原则），满足现场实用性，可操作性为前提，充分考虑应体积小、重量轻、拆卸安装方便、便于携带；选用低功耗元器件，尽量减少外围元器件，所有元器件仅工作时才供电；采用无线数据传输技术，不使用通信电缆；采用ARM芯片，高速度低功耗、安全可靠；操作简单，维护方便。
2.总体设计
施工安全防护报警装置由报警终端、无线数传电台、列车接近检测终端和传感器组
成。示意图如下所示：
传感器应用电磁感应原理对过往列车进行准确的实时测量，将测量信号传递列车接近检测终端。当列车通过地感线圈时，信号发生变化，通过检测信号的变化情况，判断列车是否通过。目前，该技术已被大量应用，从实际应用中得出特点：稳定度好、检测准确、易维护等。该类检测技术已属于成熟技术。
列车接近检测终端采用双功能检测输入，实时监测传感器的工作状态，确保列车接近时能正确报警。输入的信号用于判别列车是否通过，且同时能检测传感器是否正常。当发现传感器异常状时，显示传感器故障标志，该列车接近检测终端立即提示并通知报警终端该检测端有故障。当传感器正常且有列车通过时，显示列车通过标志，发出列车接近信号给报警终端。
列车接近检测终端与报警终端通过无线数传电台通讯，间隔每秒的时间发送状态包（设备各部分是否正常）。当列车通过时，发送列车接近信号，确认应答，则按1秒的时间间隔发送状态包。报警终端能方便识别列车是否通过、列车接近检测终端及传感器是否正常。一旦有故障，将声音告警提示。
该装置在终端部件、通讯等所有信号采集和数据链路上均采用自动监测技术，保障该系统的安全性。只要接近列车接近检测终端及传感器任何故障，报警终端都能准确的检测到；确保系统绝对安全，报警终端符合“故障-安全”原则。
报警终端主要功能是接收列车接近检测终端数据、监测与检测终端的通讯是否正常、本机是否正常工作等；当列车通过时产生告警音，同时灯光闪烁报警。一旦有报警，装置将保持报警状态，直到人工通过按钮取消或者设置报警解锁时间自动取消报警；并保存该报警信息。
报警主机通过动态驱动电路解决本机的系统故障。系统工作时，通过动态脉冲驱动两路动态电路（两路互备份），输出两路直流电压使继电器吸合，从而使声光报警器电源断开。一旦系统故障（IO口坏、MCU故障等），便会产生报警电平，声光报警器将工作产生明确的告警音和灯光闪烁信号。
通过按下人工报警按钮，可测试装置报警功能是否正常。为了更安全，防止声光报警故障时，装置能正确报警，增加了辅助报警电路，其辅助报警电路是通过声音检测主声光报警器的是否正常工作，一旦主声光报警器故障，便启动辅报警器报警。
三、系统硬件设计
1.地感线圈传感器的硬件设计
主要考虑材料轻便，拆装容易便于携带；能稳固的卡在轨道中间不影响行车安全；采用热熔对接、胶灌封等保证传感器的性能稳定可靠。
2.列车接近检测终端的硬件设计
按功能分为电源管理电路、电量检测电路、地感線圈信号处理电路、LCD显示电路、按键接口电路、声音报警电路、无线数传电台、无线数据隔离传输转换电路、低功耗MCU。
电源管理电路将锂电池输出分为四路：一路经DC/DC模块转换成+12V电源给无线数传电台、无线数据隔离传输转换电路及报警电路供电；一路经电源转换成+5V和+3.3V电源给低功耗MCU、电量检测电路、信号振荡及采集电路、LCD显示电路及按键接口电路供电；另外两路经电源转换成+12V和-12V给地感线圈信号处理电路供电。电源转换芯片选用低功耗的芯片，以减少电源管理芯片自身电能消耗。
电量检测电路采用德州仪器的低噪声芯片TIL2264对采集到的电源电压进行滤波跟随送入低功耗MCU处理。
地感线圈信号处理电路采用MC1648芯片组成信号振荡及采集电路、采用轨对轨运算放大电路以及波形整形AD转换电路；使采集到的地感线圈传感器信号处理成低功耗MCU能识别的数字信号。为了增强电路的抗干扰能力加入了二阶模拟滤波电路。
无线数传电台选用华奥通的HM96B模块，其无线透明传输，可以大大简化软件设计，非常方便的组建点对多点的无线数据传输网络。
无线数据隔离传输转换电路选用美国ADI公司基于芯片级变压器磁耦合隔离芯片ADUM1201来转换无线数据信号，与低功耗MCU相匹配。
3.主报警器的硬件设计
采用一体化声光报警设计，声音检测传感器采用压电声音片植入一体化声光报警内部，把采集到的声音信号传递给报警终端，由报警终端检测处理。根据施工现场的情况报警声音的音量越大越好。
4.报警终端的硬件设计
按功能分为主处理电路、电源管理电路、无线数传电台、实时时钟电路、数据存储电路、动态报警电路、辅助报警电路、声音检测电路。
主处理电路包含ARM Cortex-M3内核的主处理器STM32F103、LCD显示电路、按键接口电路、电量检测电路、RS232通讯电路。 电源管理电路把锂电池的输出分成三路：两路经DC/DC转换成+12V和-12V电源给无线数传电台、动态报警电路、辅助报警电路、声音检测电路供电；一路经电源转换成+5V和+3.3V电源给主处理电路、实时时钟电路、数据存储电路供电；电源转换芯片选用低功耗的芯片，以减少电源管理芯片自身电能消耗。
无线数传电台、电量检测电路、声音检测电路以及辅助报警电路采用和列车接近检测终端相同的电路。
实时时钟使用ST公司的M41T81MH6芯片可以提供年、月、日、时、分、秒等信息；数据存储采用铁电存储器FM24CL16芯片，与MCU具有I2C接口。
动态报警电路采用扫描两路动态脉冲驱动电路（两路互备份）的方式，输出两个直流电压使相应的继电器吸合，断开声光报警器电源，一旦系统故障（IO口、MCU故障等），便会失去动态电平从而使继电器断开，闭合声光报警器电源，产生声光报警。辅助报警电路，通过声音检测主声光报警器是否正常工作，一旦主声光报警器故障，便启动辅报警器报警。
四、系统软件设计
1.检测端软件设计
检测端软件主要任务是：准确及时监测列车到达和通过检测点，具有自诊断能力，将数据准确传到报警端，符合“故障-安全”要求。
因传感器采用地感线圈，考虑到温度变化及安装位置对振荡频率有一定影响，因此应采用动态基频率法判断列车达到与否。
为了满足“故障-安全”要求，通信以一定的周期进行，必须考虑无线信号冲突问题，应采用冲突避免载波侦听多路访问（CSMA/CA）算法。发送数据时，先随机延时一个时间，然后发送。如果发生冲突，采用二进制指数退避算法延时，然后重新开始整个发送过程，数据采用CRC校验。
考虑到采用占先式RTOS实时操作系统，应保证在每个任务规定的时间内必须至少执行一次，否则看门狗将复位系统。
为了保证传感器信号的准确采集，在分配任务时，将传感器信号采集单独划分为一个任务，并安排为最高优先级。
2.报警端程序设计
报警端软件主要任务是：准确及时检测列车是否到达，如到达予以声光报警，具有自诊断能力，符合“故障-安全”要求。
考虑“故障-安全”要求，在输出驱动动态电路的方波时，不使用MCU功能模块（如定时器、PWM等）输出，因为设备故障时，可能MCU功能模块还正常，导致出现设备故障无法报警的危险状态。
考虑报警端不知道安装了多少检测端，通过设置实际检测端个数，一旦规定时间内未收到设置个数的检测端数据，系统认为通信出现了故障，将故障报警。
报警端一旦检测到过车，报警状态将一直保持，直到人工取消为止；也可以设置报警解除时间，一旦設置值非零，系统报警时间到达设置值时将自动解除报警。
考虑采用占先式RTOS实时操作系统，应保证在每个任务规定的时间内必须至少执行一次，否则看门狗将复位系统。
五、机械结构设计
1.箱体设计考虑到要轻便、美观、防雨水、电池更换容易等等因素，报警终端和接近检测终端采用相似的内部隔离式结构设计，基本结构设计示意图如左图。
2.地感线圈传感器的结构设计
地感线圈传感器的设计要求是轻便，拆卸组装方便，便于携带；所以我们采用插接的方式，在保证功能的情况下，材料上选用PPR水管，即轻便又具有一定的可塑性。对接插头选用，航空对接插头，保证对接的可靠性。以下是地感线圈传感器结构示意图及安装示意图：
六、产品研制
铁路施工安全防护装置系统在成都局各部门的大力支持下，克服了诸多困难，2010年10月完成系统详细设计以及数传电台的性能测试随后就完成硬件和外观以及软件部分的开发以及调试，并成功完成样机试制。2010年11月在遂成线淮口站做现场试验，试验功能一切正常，随后又经过几次现场测试及试用，现场评价较好，同时也提出增大发射功率、增大报警声音、减小体积等建议，在经过三次优化改良设计后，完全能满足现场需求。
七、总结
为迅速改变铁路工务系统既有线施工行车、人身安全事故频发的现状，2011下半年将改进后的施工安全防护装置运用到专门的大修施工单位，经现场使用，该设备安装、拆除快捷、携带方便，每趟列车通过前均由报警信号通知现场场作业人员及时做好撤离准备，能在列车接近安全下道距离前将人员、机具材料撤出限界，给施工作业带来了更大的安全保障。截止到2012年年底，该段发生了9件事故，但没有一件是因施工防护不到位造成的事故。
作者简介：
1.毛维：1977-，男，重庆市南川县人，工程师，从事铁道工程管理。
2.钟剑：1970-，男，四川广汉市人，工程师，从事铁路电子产品开发。
参考文献：
[1]《铁路营业线施工安全》，出版社：中国铁道出版社，作者：铁道部安全监察司，出版日期：2002
[2]《铁路工务安全规则》，出版社：中国铁道出版社，作者：中华人民共和国铁道部，出版日期：2006.10
[3]《铁路工程施工》，出版社：中国铁道出版社，作者：王进，出版日期：2002.7
[4]《射频通信电路》，出版社：科学出版社，作者：陈邦媛 ，出版日期：2002
[5]《ARM Cortex-M3内核微控制器快速入门与应用》，出版社：北京航空航天大学出版社， 作者：刘同法、肖志刚、彭继卫，出版日期：2009.8