基于微波感應和超短波無線電通信自動化在鐵路營業線施工安全防護中的應用研究

曾昭強

（甘肅酒額鐵路有限公司，甘肅 酒泉735000）

1 引言

近年來，隨著鐵路項目建設的迅猛發展，鐵路運輸調度指揮、生產和維修設備設施自動化程度不斷提高，營業線及鄰近營業線施工作業時的安全風險和損失影響程度不斷增大。但營業線及鄰近營業線施工作業在探索自動化發展方向上取得的成果甚微，現場防護和安全防控工作仍停留在以兩端防護員、施工安全員等人工防護和現場響應指揮為核心的基本層面。因此，開發研究營業線及鄰近營業線施工安全自動化防護和響應系統十分必要。

為了解決營業線及鄰近營業線施工安全防護自動化中的問題，本文從安全防護監測對象、預警信號傳遞、現場報警信號響應、自動化系統構建思路和應用可行性等幾個方面進行研究。首先，分析安全防護監測對象的特點和存在的影響因素，確定以監測對象機械波為切入點，采用以多普勒效應原理的微波感應開關作為監測設備進行實時監測；然后，分析信號發送和傳遞條件，結合現場作業環境的特點，確定以超短波無線電通信方式進行預警信號傳遞；再分析接收預警信號的表示方式，明確預警的覆蓋范圍和響應程度，判別安全防護自動化方案的可行性；最后，簡要總結全文內容。

2 安全防護監測對象和分析

在營業線及鄰近營業線施工作業管理中，防護監測對象和重點始終以現場作業人員及行為為主，現場防護員、安全員均是圍繞這一核心思想開展工作，但防護員的防護成效受其自身的職業素養和履職能力影響，這點以往是通過現場負責人、監理人員和建設單位配合人員進行巡視檢查督促和呼叫應答響應機制進行規范和管理，會存在“行為盲區”。為此，將自動化感應監測代替視覺、聽覺的人員行為，可以提高監測過往鐵路機車行駛的實時性和可靠性，有效提高現場作業安全防護成效和作業人員下道避讓行車的及時性。

2.1 監測對象特點

鐵路機車在行駛過程中，會壓縮周圍的空氣介質，產生機械波，這就是機車車輛運行時噪聲的來源。同時，機車車輛在運行時，其產生的機械波在與車輛行駛方向相同時，波長被壓縮、變短；產生的機械波在與車輛行駛方向相反時，波長被拉長、變長。

2.2 監測參數分析

基于多普勒效應表達公示，設波源為S，觀察者L 分別以速度VS、VL在靜止的介質中沿同一直線相向運動，波源發出波在介質中的傳播速度為V，且VS＜V，VL＜V。當波源不動時，波源發射頻率為f，波長為X 的波，觀察者接收到的波的頻率為：

1）當觀察者和波源都不動時，VS=0，VL=0，由式（1）得f′=f；

2）當觀察者不動VL=0，波源接近觀察者時，觀察者接收到的頻率可簡化為f′=fV/(V-VS)。此時，當觀察者與波源相互靠近時VS＞0，f′＞f；當觀察者與波源相互遠離時VS＜0，f′＜f。

運用多普勒效應表達式的分析結果，并結合濾波技術，有效篩分剔除空氣介質中傳遞的其他機械波，排除周邊環境因素和人為因素影響，有針對性地監測接收機車車輛運行時產生機械波的情況，計算防護監測點接收到的機械波變化數值的大小，判別機車車輛的運行速度、相對距離，實現監控自動化和實時化。

3 報警信號發送和傳遞技術

當機車車輛通過時，監測設備輸出預警信號，此時，需要將預警信號進行放大并傳輸。因鐵路工程本身的特點，線路穿越自然地理環境復雜，沿線區間施工作業面有限，導致使用信號功率放大設備、攜帶蓄電設備、占用信號傳輸網絡通道等受限，信號傳遞延遲且不穩定。為此，信號發送和傳輸，采用超短波無線電通信方式，克服現場信號傳輸無網絡問題，同時，超短波無線電信號發送和接收設備無須時刻待機，有效降低信號發送裝置能耗，可采用充電鋰電池代替，輕量化信號發送裝置。

3.1 超短波無線電通信技術

該技術是利用無線電波具有的波動傳遞信息的功能，從無線電波的特性來看，如同光波一樣，無線電波可以反射、折射、繞射和散射傳播。根據營業線及臨近營業線施工現場作業環境中的干擾和不確定性多的特點，監測信號傳遞采用無線電通信中超短波（30～300 MHz），超短波特點對電離層的穿透力強，主要以直線視距方式傳播，其穩定性高，受季節和晝夜變化的影響小。由于頻帶較寬，超短波通信被廣泛應用于傳送電視、調頻廣播、雷達、導航、移動通信等業務，其傳遞技術和設備成熟，可靠性強[1]。

3.2 信號發送裝置設計原理

微波監測裝置輸出監測信號，信號通過判別模塊對機車車輛速度和距離進行邏輯判別，按照邏輯優先級輸出，根據判別結果分別輸出預警準備、報警下道2 種警告信號。警告信號由簡單的兩位數字信號表示，分別為預警準備信號01、報警下道信號11。該信號通過對講機模塊調制到現場報警接收裝置同頻后，經過功率放大電路提升信號發射功率，最后，由天線電路進行輸出，如圖1 所示。

圖1 信號發送裝置設計原理

4 報警信號接收和表示技術

當監測信號在遠端防護地點通過超短波輸出和傳遞后，由作業現場報警接收裝置進行捕獲和接收，將信號轉化為報警聲音和報警燈光形式輸出，通告現場作業人員，進行現場作業物料清理和人員避讓下道，從而實現施工區段人員和設備的安全防護作用。

4.1 信號接收裝置設計原理

信號接收裝置通過選頻電路對發送的警告信號進行篩分甄別，捕獲到同頻道的警告信號后，通過高頻信號放大電路進行高頻放大，并經過混頻電路進行混頻處理還原警告信號，經對講機模塊輸出。經輸出的預警準備信號和報警下道信號，由邏輯判別模塊進行篩分，按照邏輯優先級輸出，分別輸入至預設語音模塊和報警閃光模塊，如圖2 所示。

圖2 信號發送裝置設計原理

4.2 信號表示形式和裝置設計原理

預設語音模塊和報警閃光模塊接收到警告信號后，分別輸出警告音頻和閃光信號。其中，音頻分預警準備語音和報警下道避讓兩種語音，閃光信號分藍色預警和黃色報警2 種LED 陣列閃光信號，并通過揚聲器和LED 閃光陣列輸出表示，如圖3 所示。

圖3 信號表示形式和裝置設計原理

5 營業線及鄰近營業線施工安全防護的應用方案

該施工安全防護設備由可移動遠端監測防護裝置、便攜式個人警告裝置2 部分組成。

營業線及鄰近營業線施工前，現場作業人員通過可移動遠端監測防護裝置的操作面板，對個人佩戴警告裝置進行調頻，保證信號傳遞在同一頻道上。營業線及鄰近營業線施工時，在作業區段兩端，由作業人員將遠端監測防護裝置，通過支架固定到作業同側線路路肩，并使監測設備的監測段面向線路，通過目視將監測段的視角中線調整至與線路基本垂直。

當機車車輛向作業地點行駛時，微波監測裝置監測到機車車輛的速度和位置數據，與內設速度和位置數據進行對比，達到預設值時，根據機車車輛相對觀測點的位置和距離，以及機車車輛通過速度，啟動對講模塊分別發出預警信號和下道信號。

現場作業人員佩戴的便攜式個人警告裝置，在接收到警告信號后，根據信號類型，立即啟動語音模塊和LED 閃光陣列，按照預設程序播放警告語音并接通警告燈光，提醒現場作業人員采取防護措施，實現安全防護的，如圖4 所示。

圖4 防護設備應用原理圖

6 結語

本文首次提出將微波感應技術和超短波無線電通信用于鐵路營業線及鄰近營業線施工安全防護，分析了微波感應技術用于監測機車車輛速度和位置的可行性，結合超短波無線電通信技術特點，綜合考慮警告信號的發送和接收后的現場人員行為情況，運用于現場作業施工安全防控。本應用系統由于采用監測和警告設備分離式，其設備功耗低、設備空間需求小、便攜輕便，設備內部集成模塊發展成熟，基礎電路構造簡單，信號發射波頻穩定，傳輸抗干擾性強，具有低廉的制造成本和較大運用空間。