鐵路智能電子移動信號牌和控制系統研究

邢曉佳

（中鐵電氣化局集團有限公司鐵路工程公司，北京 100071）

1 引言

根據 《國鐵集團鐵路營業線施工管理辦法》（鐵調[2021]160 號）規定，鐵路營業線的成段（連續3 根及以上軌枕）破底清篩、成組更換道岔、無縫線路應力放散、線路架空或加固后橋涵頂進等各項施工作業完畢后，施工作業地段需根據相應的列車放行條件進行階梯提速。涉及限速的施工作業，需在施工作業地點來車方向的線路左側設置移動減速信號牌，向機車司機及時并準確地提供限速信息，提示司機減速[1]。目前應用的移動減速信號牌多采用刷漆、粘貼反光貼等方式體現，每張牌只能顯示一種限速值，每次放行列車條件的限速變換需要作業人員在非天窗進入護網更換相應的限速數值。移動減速信號牌限速數值的更換必須準時，否則可能會給機車司機提供錯誤的限速信息，從而引起事故[2]。作業人員多次在非天窗時間進入護網更換移動減速信號牌，且不能完全保證準時更換，給作業人員的人身安全及列車的安全運行帶來了巨大的隱患。

鑒于此，本文擬研發一種鐵路智能電子移動減速信號牌和控制系統，實現遠程控制切換限速值，以減少非天窗時間作業人員進入護網更換移動減速信號牌的次數，減少作業人員的工作量，降低人身、行車及施工安全隱患。

2 總體設計

《普速鐵路工務安全規則》（鐵總運[2014]272 號）對移動減速信號牌的樣式、顏色、尺寸等做出了詳細的要求。

智能電子移動信號牌的基本設計思路是在保證正、反面的外觀、顏色、尺寸符合相關規則要求的前提下，將牌體設計為中空圓柱體，圓面幾何尺寸與相關規則要求保持一致，牌體中空位置放置智能操控部件，牌體正面開顯示屏孔（280 mm×160 mm）。智能操控部件通過3G/4G/5G 網絡實現與遠程控制端的信息互通和遠程控制。本設計還考慮了顯示屏受損、故障、3G/4G/5G 網絡信號弱、信號中斷及無信號等不能準確顯示限速值情況下的應急顯示操控設計、信號牌顯示狀態的視頻監控系統設計以及智能電子移動信號牌架桿設計。智能電子移動信號牌整體架構圖如圖1 所示。

圖1 智能電子移動信號牌整體架構圖

3 智能電子移動信號牌設計

3.1 移動減速信號牌牌體外觀設計

3.1.1 外觀形狀及材質

移動減速信號牌外觀設計為圓柱體箱盒，外殼采用高硬度且有一定柔韌度的輕質金屬材質。為節省成本，箱體的背面和正面的非數值區延用噴涂反光漆。箱盒的正面和側面可采用整體沖壓工藝，一體成型，再在顯示屏位置掏孔。為方便檢修，背面設計為可拆卸后蓋，且具備防水、防塵、防潮等功能。

3.1.2 圖案及顏色

正面由外向內依次為寬10 mm 的白色反光漆涂層警示圈，寬20 mm 的黑色反光漆涂層警示圈，內圓為黃色反光漆涂層，限速值數字為黑色反光漆（兩位數的數字尺寸為170 mm×140 mm）。背面除內圓為綠色反光漆、無限速值數字外，其他與正面一致。側面顏色采用白色反光漆噴涂。移動減速信號牌的外觀設計示意圖如圖2 所示。

圖2 移動減速信號牌外觀設計示意圖

3.2 顯示系統以及控制系統

3.2.1 顯示系統

數字顯示區采用超薄、節能的戶外高清LED 顯示屏[3]。要求顯示屏顯示黃底黑字（要求能顯示3 位數，兩位數字的字高為140 mm，字寬為170 mm；三位數字的字高為140 mm，字寬為255 mm），夜間清晰可見，白天在太陽光的照射下亦能清晰可見，耐風化，防水、防塵、防潮，有一定的抗擊打能力（一定程度上可抵御冰雹等惡劣天氣帶來的破壞）。

3.2.2 控制系統

1）遠程控制系統：可通過遠程控制實現限速值切換。遠程控制采用3G/4G/5G 信號控制，此遠程控制端可以通過電腦、手機、平板電腦等多種端口控制來實現。設置人工切換、紅外感應切換模式和智能切換3 種模式。人工切換模式為紅外感應切換和智能切換出現故障時的備用模式。定時模式適用于按時段限速的數值切換，紅外感應切換模式適用于按列車通過次數切換限速值的情況。

當紅外感應切換系統或智能定時切換系統出現故障，不能及時完成限速值切換時，通過遠程控制端調整為手動切換系統，利用人工操作遠程控制端來實現限速值的切換。

遠程控制僅限于3G/4G/5G 網絡信號全覆蓋的地域。

2）紅外遙控控制系統：通過專門的紅外遙控器或有紅外功能手機的App 端來實現限速值切換。紅外遙控器或手機App根據《普速鐵路工務安全規則》中規定的限速值設置相應的按鍵，切換限速值前，作業人員到達移動減速信號牌位置的鐵路護網外側，在遙控器的有效距離范圍內利用遙控器直接切換相應的限速值，但無須進入護網。

紅外遙控控制系統適用于3G/4G/5G 網絡信號未覆蓋、信號較弱的地區及網絡信號中斷的情況。該紅外遙控器可與應急裝置的遙控合用。

3）供電系統：移動減速信號牌的設置時長由營業線施工管理細則中的列車放行條件和鐵路天窗的設置決定。一般移動限速牌在現場設置會持續2～8 d 或更長（長期限速且未納入列車運行監控記錄裝置的限速）。因鐵路沿線無電源，移動限速信號牌應采用體積小、容量大的蓄電池供電，蓄電方式采用電源直充和太陽能充電相結合的方式。移動減速信號牌設置2個蓄電池組供電，一個為主蓄電池，另一個為應急備用蓄電池；正常工作時只用主蓄電池供電，應急備用蓄電池保持電量充盈，不參與供電；待主蓄電池電量用盡或者主蓄電池出現故障時，啟用應急備用蓄電池。

4）實時監控系統：加裝監控裝置，以便隨時查看移動減速信號牌的狀態及限速值顯示是否正確。監控裝置宜采用微型高清攝像頭，并將其與移動減速信號牌設計成為一個整體，將畫面實時反饋回來。

5）應急備用系統：加裝應急備用裝置，一旦發生顯示屏破裂、集成電路出現問題、主電源沒電、接觸不良、遠程信號中斷等無法正常顯示信號的情況時，可以啟動應急備用裝置，避免給機車司機提供錯誤信息或不能提供信息。

應急備用系統主要由應急備用電源、控制模塊、電機、顯示卷軸等組成。該應急備用裝置單獨成立控制系統，應急備用裝置供電采用獨立的備用電源（備用電源在未啟用的狀態下可利用主電源補充電量），應急備用裝置利用紅外線或4G 網絡遠程實現控制，該裝置采用遙控卷軸傳動的方式轉換限速數值，在顯示器后面增加2 個卷軸，顯示材料采用反光噴繪布，將所有限速數值印刷在反光噴繪布上，視覺效果要求黃底黑字，卷在上方卷軸上，牽引線繞過屏幕連接在下方卷軸上，通過遠程控制端、遙控或手機App 等設備的遠程控制，啟動卷軸，卷軸轉動，將上方卷軸上印有限速值的材料牽引至下方卷軸，以此實現切換限速數值。可設置數控模塊，當選擇某個數值時，模塊根據事先設置好的程序將正確的數值展現出來。應急裝置設計示意圖如圖3 所示。

圖3 應急裝置設計示意圖

6）遙控的設計：紅外線遙控內部設置變波發射裝置，可以根據不同的需求來切換相應的波段發射，以實現對不同模塊的控制。

4 智能電子移動信號牌架桿桿體設計

桿體采用不銹鋼二級伸縮桿設計，桿體收縮狀態長度為1 000 mm，桿體展開狀態長度為1 900 mm。二級桿底部車出卡槽，伸縮關節處采用螺絲對應卡槽固定，防止二級桿隨意滑動。二級桿頂部設置凸出環邊，防止二級桿全部落入一級桿內。

桿體與移動減速信號牌箱體的連接采用絲扣連接方式，二級桿頂部車成螺桿絲扣，移動減速信號牌箱體底部焊接螺帽。

底部設折疊式三腳架腿，架腿展開長度為400 mm。架腿末端設置楔釘，楔釘入土深度200 mm。架腿分為平支撐和斜支撐兩部分，平支撐采用不銹鋼扁鋼，遠離桿體端開楔釘孔；斜支撐采用不銹鋼圓管，末端開楔釘槽以藏匿楔釘。楔釘采用高強不銹鋼釘，楔釘長度不小于250 mm，釘體開貫穿孔，用鉚釘穿過楔釘貫穿孔使其與斜支撐連接在一起。

一級桿頂部設置可自動收線的纜風繩盒。防風繩采用防風化、防腐蝕、高韌性、耐磨、抗拉性強的聚乙烯線繩。防風繩的主要作用為將移動減速信號牌與既有接觸網桿或柵欄捆綁在一起，或系在鐵路反方向的固定物上，防止移動減速信號牌傾倒且倒向鐵路線路方向，從而侵入鐵路限界，引起事故。

5 結語

綜上所述，本文提出的智能電子移動減速信號牌具有以下優點，值得在今后研發、生產及推廣應用。

1）智能電子移動減速信號牌可以實現通過遠程控制達到切換移動減速信號牌限速數值的目的。

2）可以實現減少作業人員在非天窗時間進入鐵路護網及和穿越鐵路運行線路的次數及在護網內逗留的時間，從而降低以上作業帶來的人身及行車安全隱患。

3）可以通過視頻監控來實現對移動減速信號牌顯示狀態的實時監控。

5）解決遠程控制系統或顯示裝置出現故障后的應急處置，以及信號未覆蓋區域遠程控制系統不能發揮作用的問題。

6）解決傳統桿體插入深度不足、不方便插入路肩、整體不穩的問題。