運用北斗定位系統實現自輪運轉特種設備防撞預警的研究

張永青，趙 猛

（國能朔黃鐵路肅寧分公司，河北 滄州 062350）

1 研究背景

自輪運轉特種設備是在鐵路營業線上運行的鐵路軌道車、救援起重機及鐵路施工、維修專用車輛（包含架橋機、鋪軌機、接觸網作業車、大型養路機械等）的總稱[1]，其運行狀態直接關系到鐵路運輸過程及作業中的安全。隨著近年來我國鐵路的跨越式發展，自輪運轉特種設備上線運行時間不斷增加，同時施工作業也更為頻繁，尤其是在同一封鎖區間內的幾輛車分解作業時，防撞方面存在很多安全隱患，因此對行車及作業安全的卡控提出了更高的技術與設備要求[2]。

目前，自輪運轉特種設備在同一封鎖區間作業時，為多輛車連掛編組。整列進入封鎖區間，進入區間后分解作業，作業完畢后按照作業計劃逐臺進行連掛編組，編組完畢后整列返回車站。

多輛車在同一封鎖區間作業時和作業完畢后連掛時采用的防撞措施有：明確作業計劃中各車的分解、連掛地點及作業范圍，依照預先計劃實現防撞；司機在列車運行監控裝置中輸入相應地點和范圍的公里標，通過監控裝置進行控制；新建線路沒有完整的列車運行監控裝置地面基礎數據時，各車司機使用對講機進行聯控，互相確認對方車輛的位置和運行狀態。

車輛在封鎖區間運行作業時，調度與列車自帶的防撞系統作用十分有限，上述的幾種防撞措施存在不確定的人為因素，均未實現自動化監測，在防撞過程中人控優先，無法對突發情況做出及時預警且判斷的精確度較低。另外，監控數據輸入錯誤或列車位于曲線地段因天氣不良而導致駕駛員視線不佳等情況，在區間運行作業或連掛作業時極易造成兩車碰撞事故。為避免此類事故發生，提高自輪運轉特種設備的作業、運行安全性，提高監控系統的可靠性與自動化程度，盡量減少對鐵路運輸安全的影響，急需在自輪運轉特種設備上安裝一種智能化的防撞安全預警裝置。

2 解決方案

本文設計了一種自輪運轉特種設備防撞安全預警系統，可在自輪運轉特種設備行車過程中實時監控行車前后方的道路狀況。通過構建無線中心自主網絡和信號，實時將列車的各項數據傳輸到網絡中心。當列車在封鎖區間續行或相對運行時，安全中心能不間斷地計算出兩臺自輪運轉特種設備間的距離。報警采用分級判斷，當距離小于設定值時開始報警，當距離呈繼續縮小趨勢時報警信號不斷加重，可及時不間斷地提醒司機采取制動減速措施直到報警完全解除，從而消除自輪運轉特種設備在作業期間發生碰撞的安全隱患。同時，控制中心的計算機可以模擬出設備的運行制動距離，以便更好地進行預警。該系統具有很大的應用價值。

2.1 系統構成

防撞安全預警裝置的距離計算與監測采用北斗衛星定位技術。北斗衛星導航系統是我國自主研發設計的面向全球的衛星導航系統，主體由空間段、地面段和用戶段3部分組成，面向全球，全天候、全天時為用戶提供高精度、高可靠定位的導航及授時服務。該系統還具備短報文通信能力，經過多年的發展已經廣泛應用于重點運輸過程監控、公路基礎設施安全監控、港口高精度實時定位調度監控等領域。自輪運轉特種設備防撞安全預警系統采用北斗衛星定位技術，安全性與可靠性有保障[3]。通信方面，自輪運轉特種設備防撞安全預警系統采用無線通信技術。區別于傳統的雷達或總線技術，無線通信技術具有綜合成本低、性能穩定、安裝周期短、維護方便、擴容能力強等優點。

系統控制中心采用計算機進行統一管理。控制系統主要由北斗導航接收模塊、無線通信數據模塊、計算機控制芯片、顯示屏、預警裝置等組成。北斗導航接收模塊用于傳輸列車位置及速度等信息；無線通信數據模塊用于處理車輛和控制中心的數據交互；計算機控制芯片接收數據并計算相應的制動距離；顯示屏和報警裝置輸出判斷信息和預警信息，人機界面友好。系統整體采用智能化設計，裝配簡單，操作簡便，具有獨立的判斷與預警能力，不受鐵路安全控制系統以外信號的影響，具有較高的穩定性和可靠性。該系統可在各種場景環境下及時生成報警信息，幫助駕駛員高效、準確地完成安全行車任務，有效保證行車安全，大幅減少事故發生率[4]。

2.2 具體功能

1）防撞安全預警裝置采用北斗導航接收模塊，預先采集自輪運轉特種設備運行全程線路的整體位置信息，構建線路標準位置及道路信息數據庫，將線路標準位置數據事先存儲于主機中。安全預警裝置運行時，以線路標準位置數據為基礎，對行駛中的列車進行遠距離系統定位，計算出各列車之間的距離。區分上行下行車輛對于系統作出判斷的作用十分重要，系統可以根據線路標準位置或標志位等信息準確區分同一區間不同行別的車輛，實時監測同一區間同一行別所有自輪運轉特種設備的行駛速度和相對運行速度。可根據系統內置的程序計算列車間的警戒距離，當距離過近時輸出報警信息，并通過無線網絡傳輸監測信息，對目標預警車輛的相鄰車輛實施預警。

綜上所述，該系統能夠判斷列車上行和下行方向，避免旁軌上的車輛干擾計算系統；能夠接收信號并判斷列車前后兩臺車的速度和方向信息；能夠對各種情況進行相關邏輯運算并報警。

2）系統具有分級報警的功能。當車輛運行速度超過20 km/h時報警生效，若相鄰兩車間的距離小于1 200 m，裝置開始報警，并每間隔5 s報警一次；距離小于1 000 m時，每3 s報警一次；距離小于800 m時，每1 s報警一次。當車輛運行速度低于20 km/h時，停止報警。當兩車距離小于30 m時，裝置默認兩車為連掛狀態，兩車的報警功能關閉，該車組與其他車輛之間的距離達到報警值時，相關的多臺車輛同時報警。

3）該系統有別于傳統技術方案（使用測距傳感器、雷達、超聲波、紅外線、攝像機等），采用無線通信技術，可以對自輪運轉特種設備未來的運行軌跡進行預測，具有一定的創新性和實用性[5]。當系統判斷兩輛列車上下行情況（是否為同一路線）后，根據速度與制動距離的關系進行預警。以GCY-270列車制動曲線為例，在這一車型中，列車制動距離與行駛速度近似于線性關系，計算機可以根據這種關系自動模擬出列車在對應速度下的制動距離。

對于其他新車型或未知參數的自輪運轉特種設備，可根據車輛參數（制動距離、空走距離、制動初末速、換算制動率），利用公式計算出列車從制動初速度制動至某一規定速度（例如低于20 km/h時預警不生效）所需的制動距離，從而完成防撞安全預警。

根據大量數據分析，一輛運行速度為100 km/h的普通貨運列車的極限制動距離是800~1 000 m。以朔黃鐵路工程作業車為例，行駛路段限速一般是83 km/h或者73 km/h，且工程車重量僅為42 t左右，速度較快時牽引重量極低，遠遠達不到貨運和客運列車的層級，需要額外設定除制動距離之外的安全距離。系統可以根據不同車型及道路規定等設定該距離。

系統還具有邏輯判斷能力，對于同一線路上的兩輛列車相遇、追擊、相向時的制動距離計算完全不同，系統根據兩車的速度及方向進行判斷，根據預設的公式輸出不同情況下的制動距離[6]。

3 自輪運轉特種設備防撞安全預警裝置使用

自輪運轉特種設備防撞安全預警裝置為移動便攜式設備。在自輪運轉特種設備上安裝收發天線、顯示屏與報警裝置，接入24 V電源即可運行。組件簡單，安裝靈活，可有效卡控自輪運轉特種設備的碰撞事故發生。

4 結束語

本文所述防撞安全預警裝置依托北斗定位系統的創新研究和運用，大幅增加了自輪運轉設備運行的可靠性與安全性，不僅能夠有效消除自輪運轉設備在行車作業過程中發生碰撞事故的安全隱患，同時也彌補了其在自輪運轉特種設備防撞控制領域中應用的空白。