軌道車（GYK）距離報警防撞設備的應用研究

周志強 中國鐵路上海局集團有限公司電務部

1 概述

隨著鐵路運行速度的不斷提高和運行密度不斷加大、特種車輛運行環境日趨復雜，安全矛盾日益突出，切實保障鐵路軌道車的行車安全就尤為重要。由于各個車站、站場線路情況復雜，特別是夜間施工時，無法及時掌握其他車輛的實時位置，存在安全隱患。因此需要獲取軌道車之間的的距離并進行相應判斷，及時地進行語音圖像報警，預防事故發生。軌道車距離報警防撞設備提供一種基于測距天線實現軌道車調車連掛作業預警的車載系統，通過測距天線測量本車與車站或站場內的其他車輛距離信息，通過多點均衡計算，實現車輛間距離精確計算，為軌道車行車、調車、連掛安全提供了保障，使軌道車在防撞、連掛時，速度能符合鐵道部對于不同車距下速度防護要求，實現防撞預警。

2 系統簡介

2.1 系統設計目標

（1）系統通過測距天線測量本車與車站或站場內的其他車輛距離信息，通過多點均衡計算，對車輛間距離精確計算，實現防撞預警；

（2）系統集成了無線射頻技術、信號分析、數據處理等技術，可有效便捷地運用于軌道車距離判斷并進行聲音圖像警報警；

（3）通過對系統的車輛的信號的收集，可以顯示多輛車輛的信息，可以針對性地選擇防撞車輛，接收多個車輛的距離，通過算法做到動態智能防撞。

2.2 設計原則

（1）可靠性和安全性原則

系統采用安全可靠的元器件，和嚴謹的電路設計，使整個系統的架構簡單而穩定、可靠性強，特別適應復雜惡劣工作環境。電路設計充分利用了集成電子信息技術、無線射頻技術、智能報警技術等相關成熟技術，無論是惡劣天氣還是黑夜，或是隧道內都可以方便靈活使用。主機工作時能同時接收工作環境下多個車輛的相對距離，通過軟件編程計算做到動態智能防撞控制，確保軌道車行車安全。

（2）先進性和成熟性原則

系統不受場地影響，適應各種復雜地形。地面不需要安裝任何設備，只需要在防護車輛兩端安裝車載測距天線。便攜式測距天線設備可任意放置，適合軌道車作業經常轉場的特點。

（3）實用性與可拓展性原則系統的核心在于優化計算距離，實現防撞預警。對于距離信息的分析分為預處理、精準校正、防撞預警。系統配有顯示器，報警圖像和語音提示都有針對性。系統還帶有便攜式設備，對于平板車等其他沒有安裝車輛都可以放置使用，工作人員也可方便攜帶作為距離測定。

（4）易維護性和方便性原則

系統配有設備故障檢測功能，能及時提醒工作人員設備的運行情況，對軌道車距離報警設備提供設備正常使用的基礎保障。系統還帶有記錄功能，留有USB專用接口用于記錄數據讀取、系統軟件升級等，同時并配有地面記錄分析軟件進行數據分析。

3 硬件構成

3.1 性能指標

（1）環境條件

①周圍空氣溫度：-20℃～40℃；

②相對濕度：5%～85%；

③大氣壓力：86 kPa～106 kPa（海拔高度不超過2 500 m）；

④潔凈度：粒數≥0.5 μm，個數≤10 000個；

⑤周圍無腐蝕性和引起爆炸危險的有害氣體及導電塵埃。

（2）防護等級

防護等級：IP65。

（3）人機界面

①尺寸：6.5 ″；

②色彩：64 000色；

③輸入方式：全觸摸。

（4）操作系統

①采用Windows XPE嵌入式系統；

②CPU主頻不小于1 GHz，內存不小于512 M。

（5）供電方式

①內置鋰電池供電。電池容量4.4 Ah，使用220 V交流進行充電；

②外接AC220 V交流直接供電使用。

（6）整機功耗

①整機功率：48 W；

②電池供電工作時間：＞3 h。

3.2 系統組成

系統主要由兩個主機設備、兩個天線、多個便攜式無線設備組成。每輛車都裝有兩個主機和兩個天線，如圖1所示。

圖1 設備系統組成

車載測距天線：采集有效范圍內所有測距天線的距離信息，并提供給車載設備。

便攜式測距天線：提供測距信息，使車載測距天線能測量距離。

車載設備：接收車載測距天線發來的所有距離信息，通過預設參數，經過優化計算，實現距離精確計算，并根據距離發出對應的報警信息。

3.3 硬件結構

見圖2。

圖2 硬件結構示意圖

3.4 系統模塊構成及功能

系統中的模塊包括人機交互模塊、通信模塊、設置模塊、升級模塊、轉儲模塊、記錄模塊、業務模塊等7大模塊，詳細內容見表1。

表1 模塊功能表

4 工作流程

4.1 工作流程

每輛軌道車的兩端天線獲取另外車輛的兩端天線的距離，如果該車輛前方還有平板車或者其他設備相連，可以設置計長和誤差，天線間的距離減去相應的計長和誤差，實現兩輛軌道車之間的實際距離的獲取。選取防撞車輛，動態的顯示實時距離，并對防撞對象進行報警。

通過自己輸入防撞車號，可以進行提前預警。通過對車輛之間的距離判斷可以優先防護距離近的車輛，保證車輛行車安全。通過對計長、安裝誤差的設置可以動態的設置距離差值，減少距離的誤差產生。在不同車距由有不同的語音提示，尤其是在特殊距離點的語音提醒，更是起到重要的作用。記錄功能有助于行車操作、運行狀況信息的錄入。同步功能，同步了兩個主機之間的數據、操作、顯示，方便兩端的人操作。保存上一次的設置，減少司機操作。

不同距離的報警圖像和語音處理：

當其他軌道車被選為防撞對象時，主機就實時顯示該軌道車的距離。每次語音報警分別報兩遍。進入10車、5車、3車（110 m、55 m、33 m）的時候，自動報 10車、5車、3車，主機屏幕并顯示對應的10車、5車、3車。進入11 m開始顯示保留一位小數用于精確顯示，11 m，5 m、2 m、1 m是重點報警距離。其他距離實時顯示，語音每隔10 m報警。當多個防撞對象時距離近的優先作為當前防撞對象，優先報警。

4.2 詳細工作原理流程

（1）每個測距天線都有單獨編號，可在主機中測試需要測距的天線編號，可以減少其他測距天線的干擾。

（2）每臺車在車輛兩端安裝車載測距天線，實時進行測距，提供與各個天線間的距離給車載主機。

（3）車載主機根據車載測距天線測量其他車輛的距離，并進行優化計算，方法如下：

例如本車車載測距天線編號為a和b，防撞車輛測距天線編號為c和d，我們可以從測距天線獲得ab、ac、ad、bc、bd之間距離。

車載測距天線采樣周期是0.1 s，將最近采樣的距離數據，根據離散計算公式進行優化處理，排除外部干擾的影響。經過優化計算后的ab、ac、ad、bc、bd之間距離值可以進入下一步計算。

（4）車載主機根據預置天線安裝位置，準確計算與其他車輛的距離，具體計算方法如下：

①經過優化計算獲得 ab、ac、ad、bc、bd 之間的距離測量值。

②a、b測距天線安裝位置固定，且在主機中設定了固定值x，所以可以通過比較ab間測量值和固定值，來實時計算測量誤差Φ1=ab/x。

③ac、bc的測量值距離差應為ab安裝位置固定值，所以可以通過比較實際ac、bc的測量值距離差與固定值，來實時計算測量誤差Φ2=（ac-bc）/x。

④同理ad、bd的測量值距離差應為ab安裝位置固定值，所以可以通過比較實際ad、bd的測量值距離差與固定值，來實時計算測量誤差Φ3=（ad-bd）/x。

⑤實際處理ac、ad、bc、bd距離時，按以下公式進行處理：

（5）在精度要求較高的場景，可以使用便攜式測距天線輔助測距，方法如下：

①在鐵路線路整公里標位置安置便攜式測距天線，序號即為公里標；

②車載主機根據當前公里標與便攜式測距天線序號比較，獲得軌道車與便攜式測距天線實際距離y；

③車載測距天線測量與便攜式測距天線，獲得距離z；

④通過比較y、z兩個值，來實時計算測量誤差Φ4=z/y；

⑤實際處理ac、ad、bc、bd距離時，按以下公式進行處理：

（6）車載主機根據計算后的距離實時顯示防撞車輛的距離，通過語音報警實現防撞預警功能。當兩車距離較遠時，距離報警間隔會變大；距離較近時，距離報警間隔會變小，并提醒司機注意限速和距離。

5 結束語

軌道車安全距離報警系統，實現了軌道車輛通過系統主機實時接收防撞對象車輛的距離（如果沒有安裝主機設備，可以用便攜式代替防撞對象）。該系統對防撞對象車輛的距離進行圖像聲音報警處理，為軌道車行車、調車、連掛安全提供了技術保障，確保軌道車在防撞、連掛時，運行速度能符合中國鐵路總公司對于不同車距下速度等級的防護要求。

該系統適應環境性能強，無論在隧道內、惡劣天氣或黑夜，都能保證信號準確傳輸，距離準確獲取。便攜式設計更加方便攜帶，人機界面友好、操作簡便。安全控制上尤為突出的是對軌道線路上比較低矮的平板車輛的防護，在避免碰撞時不會應人為視線不足而被忽略，系統能及時輔助軌道車司機對軌道車的安全運行的有效判斷，避免軌道車碰撞其他車輛的可能。