基于机车800MHz无线通信技术的列车接近预警终端设计

基于机车800MHz无线通信技术的列车接近预警终端设计

刘鑫

新疆新铁工业装备有限公司 新疆乌鲁木齐市 830001

摘要：随着中国铁路运输规模的不断扩大，铁路施工作业也在不断增多，因作业量的增加，以及部分现场存在的一些违章作业情况，导致近几年列车撞人事故多次发生。因此，提出了一种基于机车800MHz无线通信技术的列车接近预警终端设计，该终端利用800MHz无线通信技术，能够实时接收和显示列车的位置、速度等信息，帮助工作人员监测列车运行状态，及时发现异常情况，并采取相应的预警措施。列车接近预警功能主要是为现场施工作业的工务、电务、供电以及工程施工等部门的现场作业人员提供列车接近全方位防护预警信息，以确保他们的人身安全。该终端还集成了DMR对讲、公网对讲和北斗高精度定位功能。这些功能的集成，极大提高了现场作业的安全性和作业效率。

关键词：800MHz，列车接近预警、无线通信、施工作业

Abstract

With the continuous expansion of China's railway transportation scale, railway construction operations are also increasing, due to the increase in the amount of operations, as well as some illegal operations in some sites, resulting in train collision accidents in recent years. Therefore, a train approach warning terminal design based on locomotive 800MHz wireless communication technology is proposed. The terminal can receive and display the train position, speed and other information in real time by using 800MHz wireless communication technology, and help the staff to monitor the train operation status, detect abnormal situations in time, and take appropriate early warning measures. Train approach warning function is mainly to provide train approach comprehensive protection early warning information for the field operators in the departments of public works, electrical affairs, power supply and engineering construction, so as to ensure their personal safety. The terminal also integrates DMR intercom, public network intercom and Beidou high-precision positioning functions. The integration of these functions greatly improves the safety and efficiency of field operations.

Key words: 800MHz, train approach warning, wireless communication, construction operation

一、引言

随着中国铁路运输规模的不断扩大，铁路线的施工作业也在不断增多，因作业量的增加，以及部分现场存在的一些违章作业情况，导致近几年列车撞人事故多次发生。如何在列车接近的时候，现场安全防护人员能够及时得到预警信息并组织施工人员下道避让，是我们重点研究的问题。传统的列车接近预警系统大部分采用固定方式安装，无法适应现场流动作业的需求，因此，需要一种可随时移动的、轻型便捷的列车接近预警装置保障铁路施工作业人员人身安全。本文提出了一种基于机车800MHz无线通信技术的列车接近预警手持终端，该终端不仅具备DMR对讲、公网对讲和北斗高精度定位功能，而且能够实现对列车接近的实时预警，提高铁路施工作业的安全性。未来，随着技术的不断发展和进步，相信该终端的功能和性能将得到进一步优化和完善。它可以集成更多的智能化功能，如数据分析、故障诊断等，以实现更加高效和安全的铁路运输。因此，基于

机车800MHz无线通信技术的列车接近预警终端具有广阔的应用前景和市场前景。

二、系统总体设计

本文设计基于机车800MHz无线通信技术的列车接近预警手持终端主要包括以下功能模块：控制模块、800MHz列车预警模块、基带处理模块、DMR对讲模块、公网对讲模块、北斗高精度定位模块和显示模块。这些模块协同工作，实现了列车接近预警、实时通信和精确定位等功能。

三、硬件设计

1、控制模块

控制模块是整个终端的中枢，负责接收传感器模块的信号，进行数据处理和预警信息的生成。它采用了高性能的微控制器，CPU为MT6765,8核2.3GHz，内部采用4G内存，64G存储空间，具备强大的数据处理能力和高度的可靠性。

2、800MHz列车预警模块

终端内置铁路机车800MHz信号接收模块，列车行驶过程中每隔6秒或每前进200米时通过列车LBJ（800MHz机车电台）发送一次列车接近预警信息（时间、车次号、上下行、速度、公里标、车距），终端接收列车预警距离不小于3公里。当终端接收到列车接近预警信息后，发出声光提示（语音播报、震动、提示灯），提醒现场工作人员进行防护[1]。列车预警示意图如图1。

图1 列车预警

3、基带处理模块

负责对接收到的信号进行预处理，包括解调、解码等操作。该模块采用高速数字信号处理器（DSP）或现场可编程门阵列（FPGA）实现，可对接收到的信号进行实时处理，提取出列车的位置、速度等信息。同时，基带处理模块还负责将处理后的信息发送给其他模块。

4、DMR对讲模块

DMR对讲模块是实现列车之间无线通信的关键部分。该模块采用了数字对讲技术，可以实现多组列车之间的无线通信，提高了通信效率和可靠性[3]。在实现过程中，我们采用了符合DMR标准的数字对讲芯片，并设计了高效的数据传输协议和语音压缩算法。同时，我们还设计了回声抑制和噪音抑制算法，进一步提高了语音通信的质量。此外，我们还实现了身份认证和加密传输功能，确保了通信的安全性和保密性。

5、公网对讲

公网对讲系统是一种以公共移动网络为基础完成移动通信的行业应用，以IP/TCP连接作为终端和对讲服务器，当某个终端用户发起了呼叫时，就可以将语音信号利用手机网络形成的数据通道上传到相应的位置，而后交由服务器来完成业务的分发，最后实现对讲通话的一种现代科技[2]。

公网对讲是实现列车与地面指挥中心之间通信的关键部分。该模块可以通过公网网络实现列车与指挥中心之间的实时语音通信。在实现过程中，我们采用了符合公网通信标准的通信芯片和协议栈，并设计了相应的数据传输和控制程序。同时，我们还设计了数据加密和身份认证机制，确保了通信的安全性和可靠性。此外，我们还实现了自动拨号和语音留言等功能，提高了指挥中心与列车之间的通信效率。

6、北斗高精度定位模块

是实现列车实时跟踪和定位的关键部分。该模块采用了北斗高精度定位技术，可以实现对列车的实时跟踪和定位。在实现过程中，我们采用了高性能的北斗定位芯片和高精度的地图数据，并设计了相应的数据处理和融合算法。同时，我们还设计了数据接口和协议，方便与其他系统进行集成和交互。此外，我们还实现了位置信息和行驶轨迹的记录和分析功能，为列车的安全运行提供了有力支持[3]。

7、显示模块

该模块负责将预警信息和其他重要信息显示给终端操作员。它采用高清显示屏，能够清晰地显示列车接近情况、通信内容和定位等关键信息。操作员可以通过显示模块随时了解列车运行状态和相关预警信息，确保列车的安全运行。

这些功能模块的集成使得基于机车800MHz无线通信技术的列车接近预警终端具备了传统列车接近预警系统所不具备的优势。它不仅能够实时检测列车接近情况并发出预警信息，还具备高精度的定位功能和实时的通信能力，为铁路运输的安全和高效提供了有力保障。

四、终端软件设计

1、信号处理算法

这部分软件负责处理从射频模块接收到的信号，通过高效的算法进行解调、解码等操作，以提取出列车的位置、速度等信息。主要的算法包括频域滤波、时域滤波、信噪分离等。这些算法可以显著提高信号的接收灵敏度和抗干扰能力，确保准确提取列车信息。除此之外，为了提高处理效率，软件中还包含一些优化算法，例如快速傅里叶变换（FFT）、最小均方误差（MMSE）等。这些算法能够快速准确地处理接收到的信号，为实时预警提供有力支持[6]。

2、通信协议

为了确保信息传输的准确性和实时性，软件设计中需要制定高效的通信协议。该协议应包含数据帧格式、数据传输速率、数据加密等内容。具体来说，数据帧格式应定义清晰，能够准确表达列车的位置、速度等信息；数据传输速率应根据实际需求进行调整，以保证信息的实时性；数据加密则用于确保信息传输的安全性，防止信息被非法获取或篡改。此外，通信协议还应具备良好的兼容性和可扩展性，以便适应不同用户的需求和未来的发展需要。通过合理的协议设计，可以大大提高列车接近预警系统的性能表现和安全性。

五、电源及功耗设计

电源及功耗设计是列车接近预警终端的重要组成部分，它为整个系统提供稳定的电力支持，并确保系统正常运行时的功耗处于合理范围内。

1、电源部分

考虑到列车运行环境的特殊性，电源部分采用耐低温锂电池供电，容量为3000mAh。并配备电源适配器对锂电池进行充电。

主板电源采用DC-DC电源芯片和LDO电源芯片，可以提供系统正常工作所需要的全部电压，对整个终端系统进行供电。

2、功耗设计

为了降低系统功耗，系统采用低功耗器件和电路设计。对于主处理器、无线通信模块等主要功耗器件，采用低功耗芯片或具有休眠模式的芯片。同时，在系统不工作时，可以通过软件控制将部分模块或电路置于休眠状态，以进一步降低功耗。此外，还可以采用智能电源管理技术，根据系统负载情况动态调整供电电压和电流，以达到节能目的[4]。

3、节能模式

为了更好地平衡系统性能和功耗，产品设计有节能模式。在节能模式下，系统会根据实际需求降低某些功能或服务的性能和响应速度，从而减少相应的功耗。例如，在列车接近预警系统中，可以在不影响安全预警的前提下，降低定位精度、减少数据传输频率等措施来降低功耗。同时，可以通过设置定时唤醒机制，让系统在特定时间段内保持高负载工作状态，而在其他时间段进入低功耗模式

六、应用

1、列车接近预警

当列车接近车站、桥梁、隧道等特定区域时，该终端能够通过接收和解析列车的位置、速度等信息，实时发出预警，提醒现场工作人员及时避让。

2、道口安全预警

终端具有道口安全预警功能，可以实时显示列车运行情况，防止列车与道路车辆或行人发生碰撞。

3、作业人员人身安全防护

在铁路线路的施工、维修、保养等作业中，终端能够为现场作业人员提供列车接近的安全防护预警，包括时间、车次号、车速、上下行、公里标、车距等，保障他们的人身安全。

4、定位

利用北斗/GPS定位技术，该终端能够实时获取列车的位置信息，实现对列车运行轨迹的追踪，有助于提高运营管理的效率和安全性。

5、通信灵活性

支持公网对讲、DMR对讲等多种通信方式，该终端能够根据实际需求选择合适的通信方式，提高了信息传输的灵活性和可靠性。

6、环境适应性

具备高防护性能的终端能够在恶劣的环境条件下稳定工作，有效应对各种复杂气候和地理条件，提高了铁路运输的可靠性和稳定性。

7、智能化管理

通过智能化管理，该终端能够实现远程监控和管理，方便对设备进行维护和升级，提高了运营管理的效率和便捷性。

七、参考文献

[1]张文成.集通公司800MHz列尾和列车安全预警系统技术方案[J].铁道通信信号,2014,50(03):65-67.DOI:10.13879/j.issn1000-7458.2014.03.001.

[2]秦瑞伦,宋秦涛,赵兵兵.公网对讲机与传统对讲机的发展与融合分析[J].移动通信,2020,44(03):27-31.

[3]项鹏飞.基于北斗高精度定位的重载铁路列检安全作业管理平台设计[J].计算技术与自动化,2023,42(03):160-165.DOI:10.16339/j.cnki.jsjsyzdh.202303027.

[4]何辉.卫星通信终端的低功耗设计要点[J].数字通信世界,2022,(02):46-48.