移動脫軌器智能監測技術研究

唐健寧

（中國鐵路南寧局集團有限公司 科學技術研究所，工程師，廣西 南寧 530029）

0 引言

移動脫軌器是重要的行車安全設備，能讓即將進入作業區段的列車脫軌并停止行駛，保護作業區段的設備和人身安全。但移動脫軌器為無源設備，無法遠程監控工作狀態，插撤正確與否只能依靠現場作業人員判斷，值班員無法有效盯控，一旦誤插、漏插可能導致嚴重事故。隨著生產安全要求的不斷提高，需要一套移動脫軌器智能監測系統，有效監控上下脫狀態及實時位置，確保運輸生產安全可控。

1 方案選取

移動脫軌器一般在貨運站場使用，有三個主要特點，一是火車多、接發車頻繁，信號易受遮擋和屏蔽。二是站場運輸繁忙，申請施工流程復雜、改造難度大。三是涉及行車安全的敏感數據需要妥善傳輸和處理。因此在設計移動脫軌器智能監測系統時需要現場試驗并選取合適的定位和傳輸方案，以適應站場運輸生產需要。

1.1 定位方案

首先測試了最常用的射頻識別（RFID，Radio Frequency Identification）方案，在移動脫軌器上安裝RFID 標簽，在上脫區域道旁安裝RFID 讀卡器，設置為定時不間斷掃描，識別到指定編號的標簽即上脫，道旁讀卡器未識別且被鐵箱內讀卡器識別即下脫。測試發現RFID信號受金屬干擾影響嚴重，有效識別距離僅約1 米，不滿足移動脫軌器最大10 米-20 米的移動范圍需求，而且只能判斷有效識別區域內有移動脫軌器，不能精確判斷移動脫軌器是否固定在鐵軌上。

在綜合比較了北斗衛星定位和超寬帶無線通信定位（UWB，Ultra Wide Band）后，最終選擇了UWB方案，RFID、北斗、UWB三個方案優缺點如表1所示。

表1 定位方案比較

UWB 使用短的能量脈沖序列，并通過正交頻分調制或直接排序將脈沖擴展到一個頻率范圍內,使其在較寬的頻譜上能夠傳送極低功率的信號，以實現至高2Gbit/s 的數據傳輸速率，具有穿透力強、功耗低、抗干擾效果好、安全性高、空間容量大、能精確定位等諸多優點，是目前較為熱門的新技術，在室內定位、新能源汽車等領域被廣泛使用。

對比傳統UWB定位方案，選用了超寬帶到達角度測距（A0A）陣列天線單基站定位系統，其內置陣列天線，通過方位角測距，單基站即可實現實測最大半徑約30米、最小定位誤差約0.5米的三維定位，相對傳統UWB 三維定位所需的4 個基站，極大地降低了硬件成本，簡化了站場施工改造和組網難度，更便于大規模推廣。

1.2 數據傳輸方案

根據AOA 定位標簽每秒回傳一次數據，包含坐標、電量、報警等信息，分析不同的數據傳輸方案。對于遠距離無線電（Long Range Radio,LORA）方案無法滿足數據傳輸需求，而站場內敷設光纜手續繁雜難度大，采用4G網絡必須做信息安全等級保護測評，流程長費用高，最終選擇架設無線網橋將現場數據回傳至值班室，各類數據傳輸方案優缺點如表2。

表2 傳輸方案比較

1.3 上下脫判斷方案

移動脫軌器固定在鐵軌上時為上脫狀態，取走放入道旁鐵箱內保存時為下脫狀態，需要對移動脫軌器進行智能化改造，監控其上下脫狀態。

雖然UWB 技術最優定位誤差為0.5 米，但依然只能判斷出移動脫軌器在哪個股道，并不能精確判斷是否在鐵軌上。為了解決這個問題，在移動脫軌器下表面安裝了行程開關，當移動脫軌器固定在鐵軌上時，開關被按壓，拿起時，開關被釋放，結合定位坐標就可以綜合判斷移動脫軌器上脫狀態和股道號。

如圖1，用3D 打印技術制作了一個簡易固定裝置，將定位手環固定在移動脫軌器上。手環上有兩個實體按鍵，按壓可產生報警，將移動脫軌器下表面行程開關的針腳和手環按鍵對應的電路部分相連，移動脫軌器上脫時，下表面開關被壓住，導通信號傳遞到手環按鍵對應電路上，系統即會收到帶有報警信息的坐標，比如當系統連續收到一組坐標在固定軌道區域并帶有報警信息的坐標，即可認為移動脫軌器在該軌道已上脫。

圖1 移動脫軌器改造

2 系統設計

圖2 為移動脫軌器智能監測系統主界面，可以顯示移動脫軌器的移動軌跡、劃定的邊界區域（超出報警）、股道號、上脫狀態等信息，系統還可實現移動脫軌器狀態管理、報警記錄管理、日志管理、用戶管理等功能。

圖2 移動脫軌器智能監測系統主界面

2.1 數據架構設計

系統數據結構示意圖如圖3，分為主數據和業務數據兩大塊，主數據包括系統日志、狀態監測、操作日志、劃定邊界區域等。

圖3 數據結構示意圖

2.2 技術架構

本系統后端基于DevexpressWinform 框架，采用分層架構設計。展示層采用Devexpress，提供良好的用戶界面；數據層中，系統的主數據及非敏感業務數據采用關系型數據庫MySQL 8.0 存儲，敏感業務數據如用戶密碼采用MD5消息摘要算法加密存儲。

2.3 定位坐標轉換

定位引擎轉發接收現場數據解算并生成坐標后，系統將坐標、電量、告警等信息轉發到上層應用系統。由于定位系統坐標和管理系統上顯示的地圖數值比例并不一致，還需要根據現場情況調試后按比例縮放并增加偏移量以適配地圖。將轉換后的數值放入坐標數組內，通過chart control 插件在地圖上繪制出圓點并保持顯示10秒，不斷動態更新坐標數組，即可實現移動軌跡的繪制，實現了移動脫軌器位置的實時檢測。引擎轉發數據使用UDP 協議，端口在配置信息中指定，默認端口為40001。

2.4 防漂移算法

在試驗中發現，當移動脫軌器不使用放入鐵箱中時，定位標簽的信號有時會產生漂移，即返回的坐標和實際不符，如移動脫軌器在箱中，但坐標顯示移動到了10道區域。

為此根據設備特性專門設計了一套防漂移算法，基本原理是當檢測到移動脫軌器返回的坐標在劃定的鐵箱區域內后，如果相鄰坐標偏移量超過設定閾值（即出現漂移），就不更新坐標位置，視為仍在箱內；當坐標出現連續移動時，視為移動，正常顯示移動脫軌器實時位置。經過不斷調試優化，解決了移動脫軌器放入鐵箱后，信號會受到金屬箱體的干擾導致定位漂移的問題。

3 現場試驗

系統在中國鐵路南寧局集團有限公司柳州南六場進行了試驗。由于兩條股道間距離有限，不便于立新桿。在保障行車和既有設備安全的前提下，定制了一套支架將AOA 定位基站、無線網橋安裝在站場原有的列車試風柜上，并利用站場內空閑電桿安裝無線網橋，最大化利用既有環境，減少施工環節，現場設備安裝圖如圖4。

圖4 現場設備安裝

本系統2022 年11 月份以來一直在柳南六場使用，順利實現了顯示移動脫軌器實時的軌跡，正確顯示上下脫狀態，超出作業區域報警等重要功能，值班員反應良好，有效提高了柳南六場移動移動脫軌器的管理水平。

后續還將不斷完善系統，去除手環外殼，為內部芯片重新設計外殼，更適合安裝在移動脫軌器上，更換更大容量的電池增加續航，優化下表面行程開關和芯片電路間的連接方式等。

4 結束語

目前南寧局集團公司約有百條股道正在使用移動脫軌器。為了適應日益嚴苛的安全管理需求，急需進行智能化改造。本項目可以對移動脫軌器作業的全過程進行實時監控，極大提高了移動脫軌器的管理水平，可有效保障人身安全，具有良好的推廣應用前景。