車輛溜逸安全防護系統研究

烏 崢， 朱攀峰，李亞亞

（1.中國鐵路北京局集團有限公司 運輸部，北京 100860；2.北京思維鑫科信息技術有限公司，北京 100067；3.機械工業經濟管理研究院，北京 100055）

車輛防溜作業是行車安全中的一項重要環節，通常，由調車作業人員使用防溜器具，如普通鐵鞋、人力制動機緊固器等，放至于車輛兩端，防止車輛溜逸。值班人員手工登記防溜器具設防與撤防信息；通過人工周期巡檢方式，并按照一定周期檢查停留車防溜狀態是否良好，如遇大風等惡劣天氣，則縮短巡檢周期。人工辦法不能及時發現車輛防溜狀態異常，同時，由于車站環境復雜，人工巡檢會帶來人身安全問題。目前，國內很多學者就車輛溜逸監測進行了研究，崔志斌[1]等人研究了智能鐵鞋聯網監控系統，通過分析鐵鞋防溜狀態，輸出制動信號，控制機車走行，以保證機車安全，但是，該系統一旦出現誤報故障，會導致機車制動，影響鐵路行車組織效率。劉鑫鵬[2]等人研究智能鐵鞋管理系統，實現了鐵鞋的運用與管理功能，但是，大量信息需要人工錄入，增加了作業人員勞動強度。上述研究均未考慮車站作業環境（如設備取電困難）和作業流程，本文基于上述研究，梳理既有防溜作業流程，研究車輛溜逸安全防護系統，實現防溜作業全過程監測，提高車輛防溜作業標準化程度，采用射頻識別（RFID）技術識別作業人員信息及設防信息，避免人工錄入，以及由此導致的錯誤問題，通過圖像識別技術與微機聯鎖進行信息聯控，避免因防溜器具漏設、漏撤等導致的行車慣性事故。采用低功耗物聯網通信技術和鐵鞋箱光伏供電方式，解決現場設備部署取電困難等問題。

1 現狀及需求分析

1.1 現狀分析

當前，車輛防溜作業主要由室外調車作業人員與室內值班員組成，調車作業人員負責從防溜器具箱取用鐵鞋并對車輛進行設防作業，設防完成后，通過無線電臺告知值班人員設防信息，包括設防股道、設防方向、警內距離等，值班人員根據設防信息進行手工登記。調車作業人員按一定周期進行現場巡視，檢查車輛防溜狀態。撤防時，由調車作業人員將防溜器具歸位并上報撤防信息，值班員根據撤防信息進行手工銷記。該作業存在以下缺陷[3]。

（1）信息延遲及誤報

設防人員通過無線電臺上報設防與撤防信息，部分車站完成當前調車作業后再上報設防與撤防信息，防溜信息延遲大，同時，作業人員通過電臺語音溝通，漏報、錯報等情況時有發生。

（2）警內距離不準確

人工估算警內距離，估算誤差大，由此導致的超限車輛擠岔事故時有發生。

（3）防溜器具狀態無法實時掌握

僅依賴周期巡檢獲知車輛防溜狀態和防溜器具箱鎖閉狀態，無法實時掌握鐵鞋防溜失效、防溜器具箱漏鎖而導致的防溜器具丟失等異常狀態。

（4）“帶鞋開車”事故風險

鐵鞋“漏撤”導致“帶鞋開車”的調車事故時有發生。

（5）人身安全

作業人員頻繁穿越股道進行巡檢作業，帶來較大的人身安全問題。

（6）管理困難

管理人員僅能通過防溜登記簿進行防溜查詢，無法實現自動統計、查詢功能。

1.2 需求分析

根據現狀分析，得系統功能需求，如表1所示。

2 系統架構及主要功能

2.1 系統架構

車輛溜逸安全防護系統以車站為中心[4]，通過引入傳感器、物聯網、無線通信、網絡通信、GPS/BD定位等技術，研發智能鐵鞋、防溜器具箱、無線通信基站等設備，結合現場的人、車、防溜狀態等實時狀態，從車輛防溜著手，進行流程再造，實現車輛防溜作業安全防護的整體提升，系統架構如圖1所示。

表1 系統功能需求表

圖1 系統架構示意圖

2.2 主要功能

（1） 防溜失效自動檢測

防溜鐵鞋內置高精度傳感器，實時監測當前鐵鞋與車輪之間的距離和鐵鞋在軌信息，當距離超出設定閾值或鐵鞋掉道后，立即上報其防溜失效信息，通知巡檢人員現場查看鐵鞋，有效防止溜車事故發生。因無需人員周期巡檢，可顯著降低因人工巡檢帶來的人身傷害概率。

（2）自動定位

智能鐵鞋內置定位模塊，出箱時，啟動其定位功能；設防時，可自動上報當前設防股道與警內距離信息，距離誤差≤5 m，警內距離精確度明顯提高。智能鐵鞋離開當前歸屬車站電子圍欄后，上報鐵鞋丟失報警信息。

（3）自動充電

智能鐵鞋歸箱具備自動充電功能，防溜器具箱具備光伏充電功能，解決車站因線路施工困難而導致的部署難題。

（4）“帶鞋開車”自動監測

實時監測信號員微機聯鎖操作狀態，股道進路開放前，若未撤除防溜，系統將及時報警，提示開放進路風險，預防“帶鞋開車”事故的發生[5]。

（5）防溜器具全程管理（電子占線板）

系統通過電子化手段，實現對防溜器具在庫內、途中、設防、撤防的狀態全過程閉環管理，自動生成占線板，實現防溜器具及防溜過程的自動化記錄，取代傳統的人工登、銷記管理模式，提升設備管理水平。

（6）防溜作業自動記錄

系統能夠自動記錄設備狀態與操作過程，優化既有防溜作業流程，規范管理手段。

3 關鍵技術

3.1 RFID

RFID是物聯網應用的核心技術之一[6]。本系統利用其身份識別功能，在打開防溜器具箱時，由開箱人員攜帶RFID身份標簽進行掃碼開箱，防溜器具箱識別該RFID身份標簽：具備開箱權限時，驅動開鎖模塊自動打開防溜器具箱，否則，視為無效標簽，不予開箱。在鐵鞋設防/撤防時，由鐵鞋掃碼模塊掃碼設防/撤防人員RFID身份標簽，并自動上傳至系統服務器，確保設防/撤防人員信息準確無誤。

3.2 圖像識別

采用高清攝像頭采集微機聯鎖界面并實時分析信號員操作信息，在信號員操作微機聯鎖界面時，系統同步識別出股道開放信息，若當前開放股道存在防溜器具未撤除時，系統發出語音報警提示，圖像識別的各個模塊及功能，如表2所示。

3.3 低功耗及光伏供電

LORA（Long Range）是一種低功耗遠距離無線通信技術，利用線性調制擴頻技術，在犧牲了傳輸帶寬的基礎上，實現低功耗及遠距離傳輸[7]，本文在利用LORA無線通信的基礎上，采用超低功耗策略，實現防溜器具箱以極低的功耗運行。

（1）防溜器具箱設定3 min休眠周期。防溜器具箱檢測完自身狀態并上報服務器，完成數據發送后進入休眠狀態。

（2）開箱動作產生中斷并喚醒防溜器具箱，此時，防溜器具箱處于正常工作狀態，箱門關閉后，進入3 min休眠周期。

防溜器具箱供電端采用光伏[8]和蓄電池供電，蓄電池容量為100 Ah電源，光伏面板采用功率為50 W多晶硅面板，光伏面板每日最低可輸入16 Ah電流（不包含冬季），防溜器具箱日均消耗電量為0.96 Ah，在無光伏電流輸入情況下，系統可維持供電106天，滿足一般情況下的冬季運轉周期。

表2 圖像識別模塊及功能表

4 系統作業流程

系統采用閉環控制策略，可實時查看當前鐵鞋所處狀態，如出/入箱、設防、撤防、防溜異常、丟失報警等。

（1）圖像識別采集當前車站股道占用情況，并傳輸至服務器，服務器根據股道占用情況、調車信號機開放狀態、股道占用情況共同確定待防溜股道。

（2）調車人員通過人員ID標簽貼近鐵鞋箱掃碼區進行開箱，開箱完成后由鐵鞋箱自動上報開箱人員信息。

（3）調車人員行走至設防位置后，再次將人員ID標簽貼近鐵鞋掃碼區并進行設防操作，設防完成后，由鐵鞋自動上報設防人員信息及當前防溜狀態。

（4）服務器根據鐵鞋上報設防人員信息、設防方向、當前股道GPS/BD定位信息，結合圖像識別采集的股道占用信息進行股道設防信息確認。

（5）系統界面輸出防溜確認信息，由信號員與調車人員進行防溜作業確認。

（6）連接員撤除防溜鐵鞋后，掃碼自身RFID標簽，鐵鞋上報撤防成功。

5 結束語

本系統于2018年部署至北京局集團有限公司任丘站，如圖2所示。系統可實時監測車站防溜作業狀態、防溜器具箱的狀態、箱內智能鐵鞋數量及電量信息，避免因防溜器具漏設、漏撤等導致的行車事故，通過現場應用，驗證了系統的有效性。與傳統防溜作業比較，顯著降低了防溜作業的勞動強度，提高了車輛防溜作業的標準化水平。

圖2 車輛溜逸安全防護系統現場部署圖