轉轍機手搖把智能管理系統設計

孫彪

摘 要：針對傳統轉轍機手搖把管理存在的效率低、安全性差等問題，設計一套轉轍機手搖把智能管理系統。介紹組成該系統的智能保管箱和管理軟件平臺 2 部分內容，其中智能保管箱采用射頻識別（RFID）技術，實現對箱內手搖把數量、開關門時間等信息的實時監測;管理軟件平臺包括手搖把使用管理、平臺管理和保管箱實時監測 3 個模塊，使手搖把的使用申請、發令授權等流程實現電子化作業。

關鍵詞：鐵路;轉轍機;手搖把;智能管理;系統設計;射頻識別

中圖分類號：U213.6+1

國內鐵路系統中，在發生轉轍機故障、線路集中維修等情況時，很多單位仍需使用手搖把進行人工搖道岔。由于手搖把作用關鍵，所以對其管理也非常嚴格。在《呼和浩特鐵路局行車組織規則》（以下簡稱《行規》）中對手搖把的使用申請、批復、保管、使用及歸還等各環節都有具體明確的要求，以防因管理不善或不法分子蓄意破壞造成不良后果，影響鐵路正常運輸[1]。目前，雖然對手搖把的使用管理有具體的規定，但仍存在一定的困難，有待進一步研究解決。例如：電務或車務調度部門無法實時監測所屬各站手搖把保管箱中手搖把的數量和編號、使用及歸還時間、箱門的開鎖及關閉時間等重要信息，因此存在一定的安全管理隱患 [2]。為使手搖把的使用和管理更加便捷、規范與透明，推進手搖把管理的電子化和智能化，研制一套轉轍機手搖把智能管理系統。

1 系統概述

轉轍機手搖把智能管理系統主要由智能保管箱和管理軟件平臺2部分組成。智能保管箱采用RFID技術，通過內置讀寫器和天線讀取存儲有手搖把編號信息的電子標簽，并將讀取信息傳輸給箱內的微型主機，最后通過網線共享至企業辦公局域網服務器。管理軟件平臺設計有手搖把使用管理、平臺管理等模塊，使手搖把使用和調度管理部門可在辦公局域網上完成手搖把的使用申請、發令授權等作業流程，實時監測智能保管箱內手搖把的數量、編號、拿取或歸還時間等信息，并進行記錄和存檔等。

2 智能保管箱設計

轉轍機手搖把智能保管箱主要由箱體結構、RFID單元和開關門檢測單元3部分組成。

2.1 箱體結構設計

智能保管箱用于放置手搖把及讀寫器、天線、微型主機、接近開關等電氣設備，其結構主要由箱體、手搖把支座、電器隔板和機箱面板組成，如圖1所示。

2.1.1 箱體

根據手搖把及電氣設備的數量及放置要求，設計箱體的尺寸為540mm×520mm×520mm，材料選用0.8mm厚的鋼板。在箱體左側面板上開有長45mm、高70mm的矩形孔，用于安裝帶電源和網線接口的機箱面板;在箱體內左右兩側板上，各焊接2個擋片，用于安裝電器隔板。箱門上設置2把機械鎖和1組鉛封套環，供鎖閉及加鉛封使用。

2.1.2 手搖把支座

手搖把支座用于放置手搖把，采用分體式結構，用螺栓組裝固定，方便拆裝。支座由左右對稱布置的橫置角鋼組件和豎置角鋼，以及上、下橫梁組成，其中橫梁采用斜置式結構，方便拿取和放置手搖把，每個橫梁上可放置11個手搖把，如圖2所示。

2.1.3 電器隔板

電器隔板用于放置和固定微型主機、讀寫器、電源、插排等設備，與箱體兩側的擋片通過螺栓連接進行固定。

2.1.4 機箱面板

按照保管箱的設計要求，智能保管箱需設置外接電源和與辦公局域網通信的接口，因此選擇帶有三孔電源插座、網口、USB等接口的機箱面板，其安裝在保管箱左側壁板的預留孔上。

2.2RFID 單元

RFID俗稱電子標簽，是一種非接觸式的自動識別技術，其工作原理是：電子標簽在磁場中接收讀寫器發出的射頻信號，憑借感應電流所獲得的能量發送出存儲在芯片的產品信息，讀寫器讀取信息并解碼后，送至中央信息系統進行數據處理[3-6]。

手搖把智能保管箱RFID單元包括電子標簽、天線、讀寫器、微型主機等幾個部分，如圖3所示。

2.2.1 讀寫器

讀寫器是RFID單元的信息控制和處理中心，一般由耦合模塊、收發模塊、控制模塊和接口單元組成[7-10]。根據智能保管箱的使用要求及當前讀寫器主流配置條件，所選讀寫器需具備以下幾項功能。

（1）高性能多標簽識別算法。

（2）雙CPU 架構設計，主CPU 負責輪詢標簽，副CPU 負責數據管理，輪詢標簽和發送數據并行，互不占用對方的時間。

（3）快速多天線輪詢功能，且能判斷天線的連接狀態。

（4）實現18000-6 B/C 全協議功能。

按照設計要求，選擇深圳市深坂科技有限公司的M-380型讀寫器，如圖4所示。

2.2.2 天線

電子標簽中的芯片啟動電路工作時，需要通過天線在讀寫器產生的電磁場中獲得足夠的能量，所以天線在電子標簽與讀寫器數據通信中起關鍵作用。根據保管箱中手搖把的讀寫要求，天線需要滿足以下幾項指標：①頻率為920～925 MHz;②增益≥3.5 dBic;③電壓駐波比≤1.3 ： 1;④極化：圓極化[11-13]。按照智能保管箱的設計結構，手搖把并排放置在手搖把支座上，電子標簽粘貼固定在手搖把上。為避免不被其他結構件干涉，更好地實現電子標簽的準確識別，選擇超高頻RFID平板天線，安裝固定在箱門內側，如圖5所示。

2.2.3 電子標簽

電子標簽一般按照工作頻率可分為低頻（LF）、高頻（HF）、超高頻（UHF）和微波（MW）4種;按照封裝類型又可分為貼紙式電子標簽、塑料電子標簽和抗金屬電子標簽等。

在保管箱內，手搖把上的電子標簽與天線之間的距離約150mm。由于超高頻電子標簽讀取距離較遠，讀取的準確率和效率也較好，因此選擇超高頻電子標簽。由于手搖把是金屬材質，因此電子標簽需具有抗金屬性能，大小尺寸應適合在手搖把上粘貼固定。經過綜合比較，選擇超高頻抗金屬電子標簽，尺寸為25mm×9mm×3mm。電子標簽的封裝方式為先在手搖把表面粘一層電磁屏蔽膜，然后粘貼電子標簽，最后用2mm厚的熱縮管封裝固定。

2.2.4 微型主機

微型主機是智能保管箱的處理器，對讀寫器的讀寫數據進行存儲和處理，并通過網線將保管箱的信息共享至局域網絡。該系統選擇英特爾NUC817BNH型主機，配備酷睿八代7-8559U處理器，配有4 個外接USB3.1端口，外形尺寸為117mm×112 mm×51 mm。

2.3 開關門檢測單元

接近開關是一種無須與運動部件直接接觸便可操作的位置開關，其具有動作可靠、性能穩定、頻率響應快等特點。選擇歐姆龍E2E-X5ME1-2型接近開關，當金屬物體與開關感應面之間的距離小于5 mm時，無須接觸或施壓即可使開關動作，給計算機提供控制指令。本電路中，接近開關與RFID讀卡器GPIO的1、2腳連接在當保管箱關門時會給讀卡器指令，使讀卡器啟動識別手搖把信息，系統自動記錄關門時間。

3 手搖把智能管理軟件平臺開發

按照《行規》中關于道岔手搖把的管理辦法，開發了手搖把智能管理軟件平臺。利用企業辦公局域網絡，手搖把使用或調度管理部門可在該平臺上完成手搖把的使用申請、發令授權等流程，可實時查看手搖把存放狀態、智能保管箱開關門時間等信息。

該轉轍機手搖把智能管理軟件平臺包括手搖把使用管理、平臺管理和保管箱實時監測3個模塊，其總體功能結構如圖6所示。

3.1 手搖把使用管理模塊

該模塊主要包括手搖把使用申請、手搖把信息管理和保管箱信息管理3部分。

3.1.1 手搖把使用申請

該模塊包括填寫申請、審核批復、申請信息查詢、特殊情況補填4個單元。按照《行規》中手搖把使用管理流程辦法，電務或車務系統手搖把使用人員在平臺填寫使用申請，電務或車務調度管理部門收到申請后進行審核批復。如果遇到斷網、停電的特殊情況時，先采用傳統紙質申請方式辦理，事后再進行申請信息補錄。

3.1.2 手搖把信息管理

該模塊包括手搖把信息查詢、出入箱管理、超時未歸還報警和手搖把信息管理4個單元。可以查看手搖把的編號、使用狀態、出入箱時間等信息，對超過申請設定使用時間未歸還的手搖把，提供自動報警提醒功能;且提供新增、刪除或編輯手搖把信息等功能。

3.1.3 保管箱信息管理

該模塊實現對保管箱所屬車站、箱內手搖把數量、開關門時間等信息的查詢，以及新增、刪除、編輯保管箱信息的功能。

3.2 平臺管理模塊

該模塊包括使用人員管理、調度人員管理和車站信息管理3個單元，實現對車站、手搖把使用人員、手搖把調度管理人員信息的添加、刪除、查詢，以及設置或修改用戶登錄密碼等功能。

3.3 保管箱實時監測模塊

該模塊主要是開發本地Access數據庫，存儲手搖把電子標簽和箱門接近開關采集的數據信息，并上傳至局域網絡服務器，以實現對手搖把和保管箱信息的實時在線監測。

4 結束語

本文介紹的轉轍機手搖把智能管理系統實現了在辦公局域網上完成手搖把的申請、批復、歸檔等作業流程，實現了電子化、無紙化辦公。該手搖把智能保管箱讓管理人員可以實時監測所屬各車站手搖把的保管狀態，以及使用和歸還時間，對超時未歸還的手搖把及時報警提示。該系統可有效提高轉轍機手搖把的管理效率和安全水平，可在國內各火車站推廣使用，市場前景十分廣闊。

參考文獻

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收稿日期 2019-12-23

責任編輯 黨選麗