羅海堤, 廖夢婕

(廣州鐵路(集團)公司 科學(xué)技術(shù)研究所, 廣東廣州 510100)

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鐵路供電技術(shù)

電力機車接觸網(wǎng)終端防護裝置的設(shè)計與實現(xiàn)

羅海堤, 廖夢婕

(廣州鐵路(集團)公司 科學(xué)技術(shù)研究所, 廣東廣州 510100)

在電氣化鐵路中接觸網(wǎng)終端設(shè)置的警示標識功能單一，電力機車作業(yè)時易發(fā)生誤闖接觸網(wǎng)終端的事故，采用遠距離高速射頻識別定位技術(shù)，設(shè)計出一種對電力機車進入接觸網(wǎng)終端區(qū)域進行自動提醒和防護的裝置。該裝置由接觸網(wǎng)承力索上的電子標簽、機車車頂?shù)臉撕為喿x器和機車車內(nèi)的防護裝置及指示組成，防護裝置通過閱讀器讀取定位信號，并根據(jù)信號內(nèi)容自動發(fā)出語音提醒或執(zhí)行制動、斷主斷和降弓等動作，從而有效地達到接觸網(wǎng)終端區(qū)域完全防護的目的，避免電力機車誤闖接觸網(wǎng)終端此類事故的發(fā)生。

電力機車; 接觸網(wǎng)終端; 防護; 射頻標簽

在電氣化鐵路線路上，電力機車的行使必須保證在接觸網(wǎng)內(nèi)，為防止電力機車調(diào)車作業(yè)時闖入無網(wǎng)區(qū)造成事故，在接觸網(wǎng)邊界設(shè)置了接觸網(wǎng)終端標，以提醒工作人員注意前方是接觸網(wǎng)的終端。然而在現(xiàn)實工作中，全路各地仍發(fā)生不少電力機車調(diào)車作業(yè)時闖入無電區(qū)的事故，給鐵路運輸生產(chǎn)秩序帶來嚴重影響，甚至造成巨額經(jīng)濟損失。究其原因，主要是由于目前設(shè)置的接觸網(wǎng)終端標是一種無聲靜態(tài)的指示，功能單一，不能有效的起到提醒警示的作用。電力機車接觸網(wǎng)終端防護裝置的設(shè)計與實現(xiàn)，可有效保證電力機車在接觸網(wǎng)終端作業(yè)的安全。

1 系統(tǒng)組成

1.1 總體結(jié)構(gòu)

電力機車接觸網(wǎng)終端防護實現(xiàn)的目標：一是在接觸網(wǎng)終點前有明確的提醒警告功能，二是若電力機車過于接近終點時的實施強制制動等保護功能。要實現(xiàn)此目標，首要的是定位信號的確立，其次是收到定位信號后的處理等?？紤]到線路環(huán)境等復(fù)雜因素，我們采用遠距離高速射頻識別技術(shù)來進行定位，防護裝置的信號處理則采用工業(yè)級品質(zhì)的Rabbit微處理器核心模塊。電力機車接觸網(wǎng)終端防護系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意如圖1所示。

電力機車接觸網(wǎng)終端防護系統(tǒng)包括了標簽、標簽閱讀器、防護裝置和信息指示4大部分。其中標簽和標簽閱讀器是實現(xiàn)無線定位的設(shè)備。警告標簽和防護標簽分別對應(yīng)警告功能和防護功能的定位信息。

圖1 電力機車接觸網(wǎng)終端防護系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

1.2 定位技術(shù)

系統(tǒng)的定位采用遠距離高速射頻識別技術(shù)，通過無源射頻標簽和標簽閱讀器實現(xiàn)無線定位。標簽讀出距離如圖2所示。

系統(tǒng)使用的標簽和標簽閱讀器是從遠望谷公司專門定制的，工作溫度為 -25℃～+70℃，工作頻率為910.1 MHz，適應(yīng)速度為0～300 km/h。其中標簽是無源射頻標簽，標簽閱讀器將天線和主機合為一體，工作電壓為DC 12 V±1 V，電源由防護裝置提供，同時通過485串口與防護裝置通信。

圖2 標簽讀出距離示意圖

定位標簽安裝在接觸網(wǎng)承力索上，射頻標簽閱讀器則安裝在機車車頂上，如圖1所示。系統(tǒng)上電后，閱讀器的微波組件即開始工作，通過天線向外發(fā)射微波查詢信號；當機車經(jīng)過定位標簽時，標簽把存儲的信息調(diào)制到微波中并反射回閱讀器；標簽閱讀器接收到定位標簽內(nèi)的定位信息，經(jīng)過處理后將相應(yīng)的信息通過串口發(fā)送給防護裝置。

(1)標簽安裝位置分析

標簽分為警告標簽(標簽1)和防護標簽(標簽2)，當機車到達防護標簽時應(yīng)立即緊急制動，所以標簽2安裝距離尤為重要，根據(jù)《列車牽引計算與操縱》第五章列車制動問題的解算，可對制動距離進行如下分析。

制動距離的計算是比較復(fù)雜的一個過程，涉及很多方面的因素，標簽2的運用情況是機車單機緊急制動情況下的制動，其制動距離則可進行簡化計算，如式(1)。

Sz=Sk+Se=

(1)

以韶山3型電力機車為例可求得各系數(shù)為：空走時間tk=2.5 s；換算摩擦系數(shù)φh=0.256；列車換算制動率θh=0.517；常用制動系數(shù)在緊急制動時βc=1；列車單位基本阻力w0=2.472；取加算坡度千分數(shù)ij=-6；

一般電力機車在接觸網(wǎng)終點區(qū)域運行速度為5 km/h以下，現(xiàn)取制動速度為其兩倍，即v0=10 km/h，代入上述公式可得：

Sz=Sk+Se=

6.94+3.24=10.18m

即制動距離為10.18 m。

則防護標簽的安裝距離L=機車長度/2 +制動距離=22/2+10.18=21.18 m，考慮到閱讀器不一定在正中位置以及 各種電力機車的不同，取L=25 m。即設(shè)置防護標簽到接觸網(wǎng)終點標的距離為25 m。

警告標簽(標簽1)如圖3，含提醒警示的定位信息，由于接觸網(wǎng)終點區(qū)域長短不一，為了不影響機車在接觸網(wǎng)終點區(qū)域的作業(yè)，設(shè)置警告標簽到防護標簽的距離為60 m。此距離在機車速度為10 km/h左右時，司機將有接近21.6 s的反應(yīng)時間。

1.3 裝置設(shè)計

防護裝置作為防護系統(tǒng)的核心部分，負責接收定位信號、發(fā)出指示和控制動作等內(nèi)容，防護裝置連接如圖4所示。

圖3 警告標簽

圖4 防護裝置連接示意圖

(1)裝置硬件電路

防護裝置采用直流110 V直接供電，通過電源模塊轉(zhuǎn)換提供所需電壓，如圖5所示。

圖5 防護裝置供電方式示意圖

電源模塊：采用廣州市愛浦電子科技有限公司針對鐵路設(shè)備生產(chǎn)的SANGMEI專用電源模塊。

中央處理單元：中央處理單元采用Rabbit微處理器核心模塊，模塊運行采用Dynamic C進行實時開發(fā)和調(diào)試，并提供多種標準接口。

控制電路：防護裝置的控制電路采用無觸點輸出控制單元，即使用大功率的固態(tài)繼電器(從寧波星成電子有限公司定制)，其具有負載能力大，開關(guān)速度高，為了防止控制電路中感性元件引起的過電壓沖擊，造成元件損壞，電路中加入吸收電路。

指示模塊：主機采用燈顯指示，在司機室安裝喇叭用于語音提醒。語音模塊采用廣州唯創(chuàng)電子有限公司的WTV040語音芯片，并由美國國家半導(dǎo)體公司生產(chǎn)的音頻功率放大器LM386進行功率放大。USB模塊：使用飛思卡爾半導(dǎo)體公司生產(chǎn)的MCF5229芯片，該系列芯片采用一站式連接功能解決方案，是集成USB、以太網(wǎng)和CAN功能的MCU。

對外接口：開關(guān)使用上海二工電氣有限公司生產(chǎn)的萬能轉(zhuǎn)換開關(guān)，保證裝置無論開還是關(guān)都不會對正常行車造成干擾。

(2)軟件設(shè)計

采用專為基于Rabbit微處理器的控制器等而設(shè)計的用于編寫嵌入式應(yīng)用軟件的開發(fā)系統(tǒng)Dynamic C進行系統(tǒng)程序設(shè)計。

與閱讀器的485通信協(xié)議為，通訊速率：9.6 kb/s，格式：1+8+1，平時每秒發(fā)送1幀心跳幀，當讀取到標簽ID號時有2幀標簽ID號，幀間隔10 ms。閱讀器發(fā)完ID號幀后重新計時，1 s后開始發(fā)心跳幀，相同ID號5 s內(nèi)不能發(fā)第2次。

語音模塊由內(nèi)部串口控制輸出語音信息，速度信號通過中斷計數(shù)進行判斷，由DO口控制固態(tài)繼電器動作，實現(xiàn)斷主斷、降弓、制動等動作功能，信息存儲在128 M的flash存儲空間且可通過USB接口上傳。

U盤數(shù)據(jù)說明：

(1)bocon_log.txt文件，為下載到U盤保存的數(shù)據(jù)文件：

No.0 jcxh:SS30443 fangx:1 maichong:28 tag:1 chaox:J act:Y Time:2010/11/15 08:49:34

No.1 jcxh:SS30443 fangx:1 maichong:31 tag:2 chaox:J act:Y Time:2010/11/15 08:49:46

其中jcxh:SS30443表示安裝在SS3 0443電力機車上；fangx:1表示機車Ⅱ端向前行駛(0表示Ⅰ端向前)；maichong:28表示在該速度時，500 ms時間的脈沖，實算速度 28×2/200×3.14×1.25×3.6=4 km/h；tag:1表示接收到標簽1的信號；chaox:J表示向接觸網(wǎng)終點方向前進；act:Y表示接收到信號后執(zhí)行了語音提醒或動作；Time:2010/11/15 08:49:46，為接收到標簽信號后保存的時間。

(2)bocon_config.txt文件，當U盤中有此文件時，將讀取該文件中數(shù)據(jù)，若其中：

mch=40表示對速度達到某一值的語音提醒設(shè)置；

jcxh=SS00000表示設(shè)置安裝在哪臺電力機車上；

time=100811101010表示設(shè)置系統(tǒng)的時間，本數(shù)據(jù)表示2010年8月11日10點10分10秒。

erase表示對系統(tǒng)原有保存的記錄數(shù)據(jù)進行刪除。

程序流程如圖6所示。

圖6 軟件設(shè)計流程

2 主要功能及工作原理

2.1 主要功能

電力機車接觸網(wǎng)終端防護裝置，采用遠距離高速射頻識別、工業(yè)單片機控制、數(shù)據(jù)保存和轉(zhuǎn)儲和語音存儲播放等技術(shù)。(1)實現(xiàn)在接觸網(wǎng)終端區(qū)域?qū)﹄娏C車調(diào)車作業(yè)等運行中的動態(tài)提醒功能。電力機車到達警告標簽位置下方時，系統(tǒng)發(fā)出語音，提醒司機注意。(2)實現(xiàn)在接觸網(wǎng)終端區(qū)域?qū)﹄娏C車調(diào)車作業(yè)等運行中的自動防護功能。電力機車到達防護標簽位置下方時，系統(tǒng)立即斷主斷，降弓及停車，實現(xiàn)接觸網(wǎng)終點的自動防護。(3)實現(xiàn)記錄查詢功能。裝置可記錄在接觸網(wǎng)終端區(qū)域系統(tǒng)的工作狀態(tài)，為以后查詢提供依據(jù)。

2.2 工作原理

(1)閱讀器收發(fā)標簽信號

裝置上電后，閱讀器的微波組件即開始工作，通過天線向外發(fā)射微波查詢信號，如果查詢范圍內(nèi)存在電子標簽，標簽會把存儲的信息調(diào)制到微波中并反射回閱讀器。閱讀器天線接收到電子標簽的反射微波，通過解調(diào)，還原出標簽信息，處理后通過對外接口發(fā)送給上位機。

(2)防護裝置工作原理

裝置接入有機車方向、速度、斷主斷、制動和降受電弓等信號，當接收到標簽閱讀器發(fā)送過來的定位信號后進行相應(yīng)提醒和控制。裝置上電后，若"正常"指示燈亮，則表示與標簽閱讀器通信正常，否則“故障”指示燈亮；若機車無速度，則“制動”指示燈亮。

當機車行駛時，“制動”指示燈滅，裝置處于工作狀態(tài)。機車接入接觸網(wǎng)終點區(qū)后，往終點標方向行駛經(jīng)過警告標簽(標簽1)時，閱讀器接收到該定位信息并發(fā)送給防護裝置，防護裝置立刻發(fā)出“接近接觸網(wǎng)終點，請注意”，司機室喇叭響；在繼續(xù)向前行駛時，若速度大于5 km/h，則發(fā)出“接近接觸網(wǎng)終點，請注意速度”提醒；當?shù)椒雷o標簽(標簽2)位置時，若機車仍未停車，防護裝置收到該定位信息后，將進行斷主斷和緊急制動等一系列動作，并發(fā)出"已到接觸網(wǎng)終點"提醒；在此過程中將保存相關(guān)信息，以備查詢。在正常情況下，機車退出接觸網(wǎng)終點區(qū)時，防護裝置將不采取動作。

3 結(jié)束語

電力機車接觸網(wǎng)終端防護裝置，杜絕了電力機車在車站調(diào)車作業(yè)時闖入無電區(qū)現(xiàn)象的發(fā)生，達到消滅電力機車調(diào)車作業(yè)闖入無電區(qū)這一類的安全事故，使鐵路運輸生產(chǎn)多了一份安全保障，使鐵路運輸安全管理多了一份可控，有效實現(xiàn)鐵路運輸安全即效益的目標。本裝置具有高可靠性，不影響機車原有性能，不干擾機車正常行駛，能較好的提高接觸網(wǎng)終點防護的安全性，對行車安全起到較好的保護作用。

[1] 張振波 接觸網(wǎng)與電力安全警示案例分析[M]. 北京：中國鐵道出版社, 2011.

[2] 蘇 桃. 列車牽引計算與操縱[M]. 北京：中國鐵道出版社， 2008.

[3] 中國鐵路總公司. 鐵路技術(shù)管理規(guī)程[S]. 2014.

Design and Implementation of Contact Network Terminal Protecting Device for Electric Locomotive

LUOHaidi，LIAOMengjie

(Institute of Science and Technology, Guangzhou Railway (Group) Corporation, Guangzhou 510100 Guangdong, China)

The function of warning signs set up by contact network terminal is single in electrified railway now, and electric locomotive maybe burst in contact network by mistake easily. This paper introduces the design of device which can protect electric locomotive bursting in contact network terminal area by using remote and high speed radio frequency location and recognition technology. The device consists of electronic label of contact network catenaries, label reader set at the roof of locomotive, protecting and indicating device set in the locomotive and provides voice reminding automatically, executing braking and bow down etc. All this can protect contact network area effectively and avoid locomotive bursting in contact network area by mistake.

electric locomotive; contact network terminal; protecting; radiofrequency label

1008-7842 (2015) 03-0071-04

??)男，工程師(

2014-12-03)

U225.4+2

A

10.3969/j.issn.1008-7842.2015.03.17