車輛溜逸安全防護(hù)系統(tǒng)研究

烏 崢， 朱攀峰，李亞亞

（1.中國鐵路北京局集團(tuán)有限公司 運輸部，北京 100860；2.北京思維鑫科信息技術(shù)有限公司，北京 100067；3.機(jī)械工業(yè)經(jīng)濟(jì)管理研究院，北京 100055）

車輛防溜作業(yè)是行車安全中的一項重要環(huán)節(jié)，通常，由調(diào)車作業(yè)人員使用防溜器具，如普通鐵鞋、人力制動機(jī)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(shè)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(tài)是否良好，如遇大風(fēng)等惡劣天氣，則縮短巡檢周期。人工辦法不能及時發(fā)現(xiàn)車輛防溜狀態(tài)異常，同時，由于車站環(huán)境復(fù)雜，人工巡檢會帶來人身安全問題。目前，國內(nèi)很多學(xué)者就車輛溜逸監(jiān)測進(jìn)行了研究，崔志斌[1]等人研究了智能鐵鞋聯(lián)網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)，通過分析鐵鞋防溜狀態(tài)，輸出制動信號，控制機(jī)車走行，以保證機(jī)車安全，但是，該系統(tǒng)一旦出現(xiàn)誤報故障，會導(dǎo)致機(jī)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(tǒng)，實現(xiàn)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(yè)人員勞動強(qiáng)度。上述研究均未考慮車站作業(yè)環(huán)境（如設(shè)備取電困難）和作業(yè)流程，本文基于上述研究，梳理既有防溜作業(yè)流程，研究車輛溜逸安全防護(hù)系統(tǒng)，實現(xiàn)防溜作業(yè)全過程監(jiān)測，提高車輛防溜作業(yè)標(biāo)準(zhǔn)化程度，采用射頻識別（RFID）技術(shù)識別作業(yè)人員信息及設(shè)防信息，避免人工錄入，以及由此導(dǎo)致的錯誤問題，通過圖像識別技術(shù)與微機(jī)聯(lián)鎖進(jìn)行信息聯(lián)控，避免因防溜器具漏設(shè)、漏撤等導(dǎo)致的行車慣性事故。采用低功耗物聯(lián)網(wǎng)通信技術(shù)和鐵鞋箱光伏供電方式，解決現(xiàn)場設(shè)備部署取電困難等問題。

1 現(xiàn)狀及需求分析

1.1 現(xiàn)狀分析

當(dāng)前，車輛防溜作業(yè)主要由室外調(diào)車作業(yè)人員與室內(nèi)值班員組成，調(diào)車作業(yè)人員負(fù)責(zé)從防溜器具箱取用鐵鞋并對車輛進(jìn)行設(shè)防作業(yè)，設(shè)防完成后，通過無線電臺告知值班人員設(shè)防信息，包括設(shè)防股道、設(shè)防方向、警內(nèi)距離等，值班人員根據(jù)設(shè)防信息進(jìn)行手工登記。調(diào)車作業(yè)人員按一定周期進(jìn)行現(xiàn)場巡視，檢查車輛防溜狀態(tài)。撤防時，由調(diào)車作業(yè)人員將防溜器具歸位并上報撤防信息，值班員根據(jù)撤防信息進(jìn)行手工銷記。該作業(yè)存在以下缺陷[3]。

（1）信息延遲及誤報

設(shè)防人員通過無線電臺上報設(shè)防與撤防信息，部分車站完成當(dāng)前調(diào)車作業(yè)后再上報設(shè)防與撤防信息，防溜信息延遲大，同時，作業(yè)人員通過電臺語音溝通，漏報、錯報等情況時有發(fā)生。

（2）警內(nèi)距離不準(zhǔn)確

人工估算警內(nèi)距離，估算誤差大，由此導(dǎo)致的超限車輛擠岔事故時有發(fā)生。

（3）防溜器具狀態(tài)無法實時掌握

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

（4）“帶鞋開車”事故風(fēng)險

鐵鞋“漏撤”導(dǎo)致“帶鞋開車”的調(diào)車事故時有發(fā)生。

（5）人身安全

作業(yè)人員頻繁穿越股道進(jìn)行巡檢作業(yè)，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(jìn)行防溜查詢，無法實現(xiàn)自動統(tǒng)計、查詢功能。

1.2 需求分析

根據(jù)現(xiàn)狀分析，得系統(tǒng)功能需求，如表1所示。

2 系統(tǒng)架構(gòu)及主要功能

2.1 系統(tǒng)架構(gòu)

車輛溜逸安全防護(hù)系統(tǒng)以車站為中心[4]，通過引入傳感器、物聯(lián)網(wǎng)、無線通信、網(wǎng)絡(luò)通信、GPS/BD定位等技術(shù)，研發(fā)智能鐵鞋、防溜器具箱、無線通信基站等設(shè)備，結(jié)合現(xiàn)場的人、車、防溜狀態(tài)等實時狀態(tài)，從車輛防溜著手，進(jìn)行流程再造，實現(xiàn)車輛防溜作業(yè)安全防護(hù)的整體提升，系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示。

表1 系統(tǒng)功能需求表

圖1 系統(tǒng)架構(gòu)示意圖

2.2 主要功能

（1） 防溜失效自動檢測

防溜鐵鞋內(nèi)置高精度傳感器，實時監(jiān)測當(dāng)前鐵鞋與車輪之間的距離和鐵鞋在軌信息，當(dāng)距離超出設(shè)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(xiàn)場查看鐵鞋，有效防止溜車事故發(fā)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(nèi)置定位模塊，出箱時，啟動其定位功能；設(shè)防時，可自動上報當(dāng)前設(shè)防股道與警內(nèi)距離信息，距離誤差≤5 m，警內(nèi)距離精確度明顯提高。智能鐵鞋離開當(dāng)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(dǎo)致的部署難題。

（4）“帶鞋開車”自動監(jiān)測

實時監(jiān)測信號員微機(jī)聯(lián)鎖操作狀態(tài)，股道進(jìn)路開放前，若未撤除防溜，系統(tǒng)將及時報警，提示開放進(jìn)路風(fēng)險，預(yù)防“帶鞋開車”事故的發(fā)生[5]。

（5）防溜器具全程管理（電子占線板）

系統(tǒng)通過電子化手段，實現(xiàn)對防溜器具在庫內(nèi)、途中、設(shè)防、撤防的狀態(tài)全過程閉環(huán)管理，自動生成占線板，實現(xiàn)防溜器具及防溜過程的自動化記錄，取代傳統(tǒng)的人工登、銷記管理模式，提升設(shè)備管理水平。

（6）防溜作業(yè)自動記錄

系統(tǒng)能夠自動記錄設(shè)備狀態(tài)與操作過程，優(yōu)化既有防溜作業(yè)流程，規(guī)范管理手段。

3 關(guān)鍵技術(shù)

3.1 RFID

RFID是物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的核心技術(shù)之一[6]。本系統(tǒng)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(biāo)簽進(jìn)行掃碼開箱，防溜器具箱識別該RFID身份標(biāo)簽：具備開箱權(quán)限時，驅(qū)動開鎖模塊自動打開防溜器具箱，否則，視為無效標(biāo)簽，不予開箱。在鐵鞋設(shè)防/撤防時，由鐵鞋掃碼模塊掃碼設(shè)防/撤防人員RFID身份標(biāo)簽，并自動上傳至系統(tǒng)服務(wù)器，確保設(shè)防/撤防人員信息準(zhǔn)確無誤。

3.2 圖像識別

采用高清攝像頭采集微機(jī)聯(lián)鎖界面并實時分析信號員操作信息，在信號員操作微機(jī)聯(lián)鎖界面時，系統(tǒng)同步識別出股道開放信息，若當(dāng)前開放股道存在防溜器具未撤除時，系統(tǒng)發(fā)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(yuǎn)距離無線通信技術(shù)，利用線性調(diào)制擴(kuò)頻技術(shù)，在犧牲了傳輸帶寬的基礎(chǔ)上，實現(xiàn)低功耗及遠(yuǎn)距離傳輸[7]，本文在利用LORA無線通信的基礎(chǔ)上，采用超低功耗策略，實現(xiàn)防溜器具箱以極低的功耗運行。

（1）防溜器具箱設(shè)定3 min休眠周期。防溜器具箱檢測完自身狀態(tài)并上報服務(wù)器，完成數(shù)據(jù)發(fā)送后進(jìn)入休眠狀態(tài)。

（2）開箱動作產(chǎn)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(tài)，箱門關(guān)閉后，進(jìn)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(tǒng)可維持供電106天，滿足一般情況下的冬季運轉(zhuǎn)周期。

表2 圖像識別模塊及功能表

4 系統(tǒng)作業(yè)流程

系統(tǒng)采用閉環(huán)控制策略，可實時查看當(dāng)前鐵鞋所處狀態(tài)，如出/入箱、設(shè)防、撤防、防溜異常、丟失報警等。

（1）圖像識別采集當(dāng)前車站股道占用情況，并傳輸至服務(wù)器，服務(wù)器根據(jù)股道占用情況、調(diào)車信號機(jī)開放狀態(tài)、股道占用情況共同確定待防溜股道。

（2）調(diào)車人員通過人員ID標(biāo)簽貼近鐵鞋箱掃碼區(qū)進(jìn)行開箱，開箱完成后由鐵鞋箱自動上報開箱人員信息。

（3）調(diào)車人員行走至設(shè)防位置后，再次將人員ID標(biāo)簽貼近鐵鞋掃碼區(qū)并進(jìn)行設(shè)防操作，設(shè)防完成后，由鐵鞋自動上報設(shè)防人員信息及當(dāng)前防溜狀態(tài)。

（4）服務(wù)器根據(jù)鐵鞋上報設(shè)防人員信息、設(shè)防方向、當(dāng)前股道GPS/BD定位信息，結(jié)合圖像識別采集的股道占用信息進(jìn)行股道設(shè)防信息確認(rèn)。

（5）系統(tǒng)界面輸出防溜確認(rèn)信息，由信號員與調(diào)車人員進(jìn)行防溜作業(yè)確認(rèn)。

（6）連接員撤除防溜鐵鞋后，掃碼自身RFID標(biāo)簽，鐵鞋上報撤防成功。

5 結(jié)束語

本系統(tǒng)于2018年部署至北京局集團(tuán)有限公司任丘站，如圖2所示。系統(tǒng)可實時監(jiān)測車站防溜作業(yè)狀態(tài)、防溜器具箱的狀態(tài)、箱內(nèi)智能鐵鞋數(shù)量及電量信息，避免因防溜器具漏設(shè)、漏撤等導(dǎo)致的行車事故，通過現(xiàn)場應(yīng)用，驗證了系統(tǒng)的有效性。與傳統(tǒng)防溜作業(yè)比較，顯著降低了防溜作業(yè)的勞動強(qiáng)度，提高了車輛防溜作業(yè)的標(biāo)準(zhǔn)化水平。

圖2 車輛溜逸安全防護(hù)系統(tǒng)現(xiàn)場部署圖