一種軌道交通信號設備的物理式故障監控裝置

劉泓麟，吳云飛（通信作者）

（佳木斯大學理學院 黑龍江 佳木斯 154007）

0 引言

隨著我國軌道交通事業的蒸蒸日上，提速方案的確立，高新技術的運用，我國沿用了幾十年的軌道交通信號系統，在技術功能方面并未得到充分發揮。傳統的軌道交通信號燈信號反饋慢、檢測周期長、維修成本高，使行車安全存在潛在威脅。隨著火車、高鐵、輕軌等領域迅速發展，越來越多的人在遠途出行中選擇軌道交通出行方式，截至2021年12月，31個省（自治區、直轄市）和新疆生產建設兵團共有51個城市開通運營城市軌道交通線路269條，運營里程為8 708 km，實際開行列車279萬列次，完成客運量20.8億人次，進站量12.7億人次，客運量環比增加1.1億人次、增長5.6%，較2020年12月增加0.5億人次、增長2.5%[1-4]。人們對軌道交通的需求正不斷增加，在未來的發展中，軌道交通信號設備故障監控裝置擁有巨大潛力。

在現有軌道交通信號設備故障監控裝置中，智能自主運行控制系統檢測方式是使用車載控制器（vehicle onboard controller，VOBC），包括ATP、ATO，以及ATS子系統與STC子系統進行交互工作[5-7]，通過實時監控避免事故發生。監控外部故障方面，國內現有實用新型專利：一種軌道交通信號設備的物理式故障監控裝置[8]，是通過軌道交通信號設備受外部撞擊的力度評定是否發生故障，從而實現故障監控。目前，外部遮擋故障監控領域還未有相關研究報道，本文提出的裝置正能彌補外部遮擋故障監控領域的空白。

軌道交通信號設備的物理式故障監控裝置滿足軌道信息化管理需求，該裝置是否能被推廣，一定程度上決定日后鐵路信息發展現狀，該裝置可實現實時故障監控，并及時反饋所在問題[9]。

1 軌道交通信號設備的物理式故障監控裝置

1.1 基本構成

軌道交通信號設備的物理式故障監控裝置，解決了軌道交通設備受城市環境影響的問題，軌道交通信號燈非常容易被沙塵、樹葉、臟水污染，在城市的大環境下，很難被城市監管人員發現，嚴重影響了行人、司機的視線，且在大霧天氣、沙塵天氣里，能見度也會顯著降低，缺乏相應的設備對軌道交通信號燈的交通指揮作用進行監管，無法提示城市監管人員前往相應路段進行緊急疏導，這些技術問題均給軌道交通留下了安全隱患。

為解決上述技術問題，本文提出了一種軌道交通信號設備的物理式故障監控裝置。該裝置基本構成如下：安裝框內固定嵌設有軌道交通信號燈，安裝框的后側安裝有裝配支架，裝配支架和安裝框之間安裝有平移組，平移組件的上下兩端均有夾持架，夾持架內均有螺絲固定的檢測盒，2個檢測盒內分別固定嵌設有紅外線發射器和紅外線接收器，紅外線接收器通過檢測接收到的紅外線發射器發出的紅外光線的多少，來判定軌道交通信號燈是否指揮異常。軌道交通信號設備故障監控裝置三維圖，如圖1所示。

圖1 軌道交通信號設備故障監控裝置三維圖

其中，軌道交通信號燈的前側固定嵌設有透明玻璃，且紅外線發射器和紅外線接收器均傾斜設置，使得紅外線發射器發出的紅外線經透明玻璃反射后被紅外線接收器所接收，紅外線為不可見光，能夠防止對司機、行人視線的影響，可保障軌道交通信號燈正常使用。

平移組件包括直線滑軌，直線滑軌固定焊接在直線滑軌的后側兩壁之間，所述直線滑軌上滑動嵌設有滑塊，滑塊固定連接有凹型框，凹型框的兩端均延伸至安裝框的前側位置，且凹型框的兩端均固定連接有夾持架，夾持架能夠分別位于軌道交通信號燈的上下兩側（圖2），這樣便能從遠處觀察軌道交通信號燈，不會被阻擋視線。

圖2 軌道交通信號設備故障監控裝置側面

滑塊的中部螺紋連接有絲桿，絲桿的兩端均轉動連接有擋板，擋板均固定連接在安裝框的后側，且其中一個擋板的側壁上螺絲固定有電機，電機的輸出端穿過擋板與絲桿的一端固定連接，電機可帶動螺紋桿轉動，螺紋桿可螺紋驅動滑塊沿著直線滑軌。螺紋桿與紅外線發射器和接收器組合，如圖3所示。

圖3 螺紋桿與紅外線發射器和接收器組合

檢測盒位于夾持架內，且檢測盒兩側均固定連接有螺紋桿，螺紋桿的兩端分別穿出夾持架側壁螺紋連接有螺帽，擰緊螺帽，可擠壓夾持架壓緊檢測盒，這樣能夠方便調整檢測盒的角度，方便校對。

裝配支架包括裝配框，裝配框上開設有若干個定位孔，且裝配框和安裝框四角之間均固定連接有連接柱，可在裝配框和安裝框之間預留放置平移組件的空間。

1.2 工作原理

裝配框被螺絲固定在交通信號燈上，軌道交通信號燈與城市交通系統電連接，電機被設置為定時正反轉動，可帶動螺紋桿轉動，螺紋桿使螺紋驅動滑塊沿著直線滑軌往復移動，可擴大紅外線發射器和紅外線接收器檢測的范圍，紅外線發射器和紅外線接收器均傾斜一定角度，使得紅外線發射器發出的紅外光線能夠打在透明玻璃上，部分紅外光線會以同樣的角度反射至紅外線接收器內被接收，在透明玻璃受到污染或當前能見度較低時，紅外線接收器所接收到的紅外光線強度會變弱，直至達到影響司機、行人視線的程度時，紅外線接收器無法接收紅外線信號，便會觸發報警裝置上傳信號至城市交通系統，提示城市監管人員該路段的軌道交通信號燈出現了故障，以達到保障軌道交通安全的目的。工作原理流程，如圖4所示。

圖4 工作原理流程

2 紅外線發射與接收系統

紅外線發射與接收系統電路是由紅外對射電路和無線收發電路兩大部分組成。主要組成部分有紅外對射電路、放大整形電路、編解碼電路、無線收發模塊、信號鎖存及報警電路[10]。在發射端發射紅外信號時，假如中間無遮擋，紅外線對射電路通過透明玻璃反射構成閉合回路。假如有污水、枯葉、灰塵等其他可干擾視線的物質落在軌道交通信號設備上時，閉合回路斷開，接收端便無法接收到信號，此時產生1個報警信號并經過放大整形電路放大、編碼電路進行編碼和發射等環節發射出去。而接收報警電路則是通過解碼電路對信號解調、譯碼和聲光報警等電路，將電信號轉為聲音信號和光信號，從而達到無線報警的目的。若樹葉及其他物體飄過此裝置時，需同時遮擋相鄰的2束紅外線才方可觸發警報，有效防止樹葉及其他物品飄過此裝置僅遮擋1處紅外線而發生誤報的情況。報警機制工作原理，如圖5所示。

圖5 報警機制工作原理

紅外線發射器及紅外線接收器根據探測光束可分為：2、4、6、8、10、12光束6種。根據探測距離可以分為0.2、1.0、3.0、9.0、15.0、30 m等6種[11-12]。根據國內大部分現實情況，選擇4光束、探測距離為0.2 m、產品長度為10 cm、觸發時間≤0.1 s、開路時間≥1 s、工作電壓DC為12～18 V，為紅外線發射器及接收器內部結構，如圖6所示。其中，中間由多束互射式紅外光線形成防護網，一旦有任何物體及灰塵擋住兩者之間的任意相鄰2束或2束以上光線時，主機立即發送出報警信號，并提醒城市監管人員應清掃軌道交通信號設備表面。

圖6 紅外線發射器與接收器內部結構圖

3 結論

本文提出了一種軌道交通信號設備的物理式故障監控裝置，闡述了該裝置中紅外線發射與接收系統、平移組件、監測盒和裝配支架基本構成及工作方式，重點分析紅外線發射與接收系統中的報警機制，從而精確確定軌道交通信號設備發生故障并報警提示。所提故障監控裝置，結構設計穩定性高，故障檢測周期短，軌道信號設備故障監控方式巧妙，報警反應迅速，可有效避免軌道交通信號設備故障誤報情況的發生，可廣泛應用于軌道交通信號設備外部遮擋故障監控領域，以保障軌道交通安全。