史 宏，張 巖，楊文韜，張義川

SHI Hong, ZHANG Yan, YANG Wen-tao, ZHANG Yi-chuan

（中國(guó)鐵道科學(xué)研究院 運(yùn)輸及經(jīng)濟(jì)研究所，北京 100081）

(Transportation & Economics Research Institute， China Academy of Railway Sciences， Beijing 100081， China)

1 概述

鐵路警沖標(biāo)是用來(lái)確定機(jī)車(chē)車(chē)輛停車(chē)位置的信號(hào)標(biāo)志[1]，其作用是使停放在道岔后部?jī)删€(xiàn)匯合處的車(chē)輛不妨礙鄰線(xiàn)上的列車(chē)運(yùn)行，保證行車(chē)安全[2]。列車(chē)進(jìn)站后，應(yīng)停于接車(chē)線(xiàn)警沖標(biāo)內(nèi)方，否則屬于越過(guò)警沖標(biāo)事故。隨著列車(chē)運(yùn)行監(jiān)控記錄裝置的廣泛運(yùn)用和列車(chē)超速防護(hù)、調(diào)車(chē)監(jiān)控系統(tǒng)的不斷推廣[3-4]，對(duì)有效防止列車(chē)越過(guò)警沖標(biāo)事故起到了良好作用。

目前鐵路警沖標(biāo)還存在以下問(wèn)題：現(xiàn)有鐵路警沖標(biāo)沒(méi)有實(shí)現(xiàn)電子化，不能判斷車(chē)輛是否超越警沖標(biāo)停車(chē)并發(fā)出明顯的報(bào)警信息，以提醒司機(jī)注意停車(chē)位置；現(xiàn)有警沖標(biāo)不具備聲光報(bào)警功能，不便于司機(jī)和地面調(diào)車(chē)輔助作業(yè)人員在夜間、陰雨、大霧天氣進(jìn)行觀察；現(xiàn)有警沖標(biāo)沒(méi)有通信功能，不能將警沖標(biāo)狀態(tài)發(fā)送到地面監(jiān)控中心，不便于車(chē)站監(jiān)控中心對(duì)于壓標(biāo)作業(yè)進(jìn)行監(jiān)視。為解決現(xiàn)有鐵路警沖標(biāo)面臨的問(wèn)題，亟需設(shè)計(jì)一種鐵路智能電子警沖標(biāo)，自動(dòng)判斷車(chē)輛是否超越警沖標(biāo)停車(chē)，發(fā)出報(bào)警信息，提醒司機(jī)注意停車(chē)位置，預(yù)防超過(guò)警沖標(biāo)事故。

2 鐵路智能電子警沖標(biāo)設(shè)計(jì)

2.1 結(jié)構(gòu)及模塊功能設(shè)計(jì)

鐵路智能電子警沖標(biāo)包括警沖標(biāo)帽、警沖標(biāo)體、燈罩、走線(xiàn)孔、報(bào)警燈、報(bào)警控制模塊、喇叭、CPU 處理模塊、無(wú)線(xiàn)通信模塊、位置速度傳感器數(shù)據(jù)采集模塊、供電單元和電纜孔等模塊。鐵路智能電子警沖標(biāo)結(jié)構(gòu)如圖 1 所示。

警沖標(biāo)帽和警沖標(biāo)體拼裝在一起，構(gòu)成完整的鐵路智能電子警沖標(biāo)。燈罩位于警沖標(biāo)帽的上方，與傳統(tǒng)警沖標(biāo)不同，鐵路智能電子警沖標(biāo)需要具備透明的燈罩，用來(lái)傳輸報(bào)警光源。位置速度傳感器數(shù)據(jù)采集模塊，用于接收外接傳感器的位置速度信息，并將信息轉(zhuǎn)化為 CPU 處理模塊的規(guī)范輸入格式。位置信息為軌道上兩點(diǎn)之間的鐵路智能電子警沖標(biāo)監(jiān)視區(qū)域內(nèi)是否有列車(chē)占用，速度信息為監(jiān)視區(qū)域內(nèi)的列車(chē)運(yùn)行速度。報(bào)警控制模塊接收 CPU 處理模塊的報(bào)警命令，控制報(bào)警燈和喇叭發(fā)出聲光報(bào)警信息，CPU 處理模塊可以設(shè)置報(bào)警控制模塊的報(bào)警持續(xù)時(shí)間。CPU 處理模塊向無(wú)線(xiàn)通信模塊發(fā)送鐵路智能電子警沖標(biāo)狀態(tài)，包括：空閑、移動(dòng)占用、停車(chē)占用報(bào)警和占用報(bào)警。無(wú)線(xiàn)通信模塊采用無(wú)線(xiàn)局域網(wǎng)的方式[5-6]，將鐵路智能電子警沖標(biāo)狀態(tài)信息發(fā)送至監(jiān)控中心。同時(shí)，無(wú)線(xiàn)通信模塊可以接收外部手持機(jī)、監(jiān)控中心等設(shè)備通過(guò)無(wú)線(xiàn)發(fā)送的標(biāo)準(zhǔn)格式的配置參數(shù)，并轉(zhuǎn)送給 CPU 處理模塊進(jìn)行設(shè)置[7]。供電單元接入外部太陽(yáng)能電池，轉(zhuǎn)化成鐵路智能電子警沖標(biāo)內(nèi)各電子單元的工作電壓，通過(guò)走線(xiàn)孔實(shí)現(xiàn)與各電子單元的供電線(xiàn)路連接。電纜孔用于引入外部太陽(yáng)能電池和車(chē)輪傳感器的線(xiàn)纜。

圖1 鐵路智能電子警沖標(biāo)結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Structure of railway intelligent electronic fouling post

2.2 外觀與安裝方式設(shè)計(jì)

鐵路智能電子警沖標(biāo)與現(xiàn)有鐵路警沖標(biāo)的尺寸一致，距軌枕頂面高度為 300 mm，一側(cè)為白色，一側(cè)為紅、白、紅相間，寬度均為 100 mm。鐵路智能電子警沖標(biāo)高出軌枕面距離為 300～350 mm。鐵路智能電子警沖標(biāo)安裝位置示意圖如圖 2 所示，鐵路智能電子警沖標(biāo)設(shè)在兩會(huì)合線(xiàn)路間距為 4 m 的中間，圖中鐵路智能電子警沖標(biāo)與線(xiàn)路上的垂直點(diǎn)b 和 d 點(diǎn)之間的距離均為 2 m。當(dāng)股道間距不足 4 m時(shí)，鐵路智能電子警沖標(biāo)應(yīng)設(shè)在兩線(xiàn)路中心線(xiàn)最大間距的起點(diǎn)處；在線(xiàn)路曲線(xiàn)部分所設(shè)道岔附近的鐵路智能電子警沖標(biāo)與線(xiàn)路中心線(xiàn)的間距，應(yīng)按限界的加寬增加。a，b，c 和 d 為監(jiān)視邊界點(diǎn)，a 與 b之間和 c 與 d 之間分別為鐵路智能電子警沖標(biāo)旁邊的2 條相鄰線(xiàn)路上的監(jiān)視區(qū)域。a 與 b 之間的距離 Dab可設(shè)置為 20 m；c 與 d 之間的距離 Dcd可以設(shè)置為20 m。位置速度傳感器采用車(chē)輪傳感器[8]，為了考慮車(chē)輪與車(chē)頭、車(chē)尾之間的距離，則需要在軌道上的 a0，b0，c0和 d0共 4 個(gè)車(chē)輪監(jiān)視邊界點(diǎn)上安裝車(chē)輪傳感器，車(chē)輪監(jiān)視邊界點(diǎn)與監(jiān)視邊界點(diǎn)的距離Fa，F(xiàn)b，F(xiàn)c和 Fd可以配置為 3.5 m。

圖2 鐵路智能電子警沖標(biāo)安裝位置示意圖Fig.2 Installation location schematic fi gure of railway intelligent electronic fouling post

2.3 列車(chē)占用監(jiān)測(cè)算法

鐵路智能電子警沖標(biāo)利用車(chē)輪傳感器采集位置信息[9]，具體為相同軌道上 2 個(gè)監(jiān)視邊界點(diǎn)之間的監(jiān)視區(qū)域內(nèi)是否有列車(chē)占用，需要比較進(jìn)入和駛離監(jiān)視區(qū)域兩端車(chē)輪監(jiān)視邊界點(diǎn)的列車(chē)軸數(shù)，來(lái)完成監(jiān)視區(qū)域空閑與占用狀態(tài)檢查。

如果監(jiān)視區(qū)域被列車(chē)占用，則需要進(jìn)一步采集列車(chē)速度信息。由于車(chē)輪與軌道接觸點(diǎn)不連續(xù)，只有在列車(chē)車(chē)輪通過(guò)車(chē)輪傳感器時(shí)才能檢測(cè)出列車(chē)速度，需要利用公式計(jì)算列車(chē)當(dāng)前速度，計(jì)算公式為

式中：s 為列車(chē)速度；s0為車(chē)輪通過(guò)車(chē)輪傳感器瞬間測(cè)量到的速度；s0′為下一個(gè)車(chē)輪通過(guò)任意車(chē)輪傳感器的速度；t 為 當(dāng)前時(shí)間；t0為當(dāng)前車(chē)輪經(jīng)過(guò)監(jiān)視區(qū)域任一端的時(shí)間；t0′為下一個(gè)車(chē)輪經(jīng)過(guò)監(jiān)視區(qū)域任一端的時(shí)間；d 為 a0和 b0或 c0和 d0之間的距離；td為按列車(chē)速度為勻速 s0計(jì)算的列車(chē)勻速通過(guò)監(jiān)視區(qū)域的時(shí)間。

在列車(chē)加速行駛的情況下，下一個(gè)車(chē)輪經(jīng)過(guò)監(jiān)視區(qū)域任一端的時(shí)間 t0′小于列車(chē)勻速通過(guò)時(shí)間 td。按照公式 ⑴，當(dāng)前時(shí)間 t 在下一個(gè)車(chē)輪還未經(jīng)過(guò)監(jiān)視區(qū)域之前，列車(chē)當(dāng)前速度 s 為車(chē)輪通過(guò)車(chē)輪傳感器瞬間測(cè)量到的速度 s0；當(dāng)前時(shí)間 t 在下一個(gè)車(chē)輪經(jīng)過(guò)監(jiān)視區(qū)域之后，列車(chē)當(dāng)前速度為下一個(gè)車(chē)輪經(jīng)過(guò)監(jiān)視區(qū)域任一端的速度 s0′。

在列車(chē)減速行駛不改變運(yùn)行方向的情況下，下一個(gè)車(chē)輪經(jīng)過(guò)監(jiān)視區(qū)域任一端的時(shí)間 t0′大于列車(chē)勻速通過(guò)時(shí)間 td。按照公式 ⑵，當(dāng)前時(shí)間 t 在列車(chē)勻速通過(guò)時(shí)間 td之前，列車(chē)當(dāng)前速度 s 為車(chē)輪通過(guò)車(chē)輪傳感器瞬間測(cè)量到的速度 s0；當(dāng)前時(shí)間 t 在列車(chē)勻速通過(guò)時(shí)間 td之后，在下一個(gè)車(chē)輪經(jīng)過(guò)監(jiān)視區(qū)域之前，列車(chē)當(dāng)前速度 s 為通過(guò)距離除以時(shí)間估算列車(chē)速度，當(dāng)估算速度小于規(guī)定值時(shí)，設(shè) s 為零；當(dāng)前時(shí)間 t 在下一個(gè)車(chē)輪經(jīng)過(guò)監(jiān)視區(qū)域之后，列車(chē)當(dāng)前速度為下一個(gè)車(chē)輪經(jīng)過(guò)監(jiān)視區(qū)域任一端的速度 s0′。

在列車(chē)減速行駛并改變運(yùn)行方向的情況下，列車(chē)速度值可為負(fù)。當(dāng)下一個(gè)車(chē)輪經(jīng)過(guò)監(jiān)視區(qū)域任一端的時(shí)間 t0′小于列車(chē)勻速通過(guò)時(shí)間 td的時(shí)候，可按照公式 ⑴ 計(jì)算列車(chē)速度；當(dāng)下一個(gè)車(chē)輪經(jīng)過(guò)監(jiān)視區(qū)域任一端的時(shí)間 s0′大于列車(chē)勻速通過(guò)時(shí)間 td的時(shí)候，可按照公式 ⑵ 計(jì)算列車(chē)速度，當(dāng)估算速度小于規(guī)定值時(shí)，設(shè) s 為零。

2.4 工作模式及流程

鐵路智能電子警沖標(biāo)具有停車(chē)越界報(bào)警和越界報(bào)警 2 種工作模式，其中：停車(chē)越界報(bào)警，需要根據(jù)列車(chē)的位置信息和速度信息，判斷列車(chē)是否越過(guò)警沖標(biāo)停車(chē)，并控制輸出報(bào)警命令；越界報(bào)警，需要根據(jù)列車(chē)的位置信息，判斷列車(chē)是否越過(guò)警沖標(biāo)，并控制輸出報(bào)警命令。

當(dāng)鐵路智能電子警沖標(biāo)工作在“停車(chē)越界報(bào)警”模式下，CPU 處理模塊向無(wú)線(xiàn)通信模塊發(fā)送的鐵路智能電子警沖標(biāo)狀態(tài)包括空閑、移動(dòng)占用、停車(chē)占用報(bào)警；當(dāng)鐵路智能電子警沖標(biāo)工作在“越界報(bào)警”模式下，CPU 處理模塊向無(wú)線(xiàn)通信模塊發(fā)送的鐵路智能電子警沖標(biāo)狀態(tài)包括空閑、占用報(bào)警。“越界報(bào)警”模式下分析處理過(guò)程示意圖如圖 3 所示。“停車(chē)越界報(bào)警”模式下分析處理過(guò)程示意圖如圖 4 所示。

圖3 “越界報(bào)警”模式下分析處理過(guò)程示意圖Fig.3 Analysis and dispose process schematic fi gure of crossing the line model

圖4 “停車(chē)越界報(bào)警”模式下分析處理過(guò)程示意圖Fig.4 Analysis and dispose process schematic fi gure of stopping and crossing the line model

在“越界報(bào)警”模式下，CPU 處理模塊只根據(jù)列車(chē)位置信息判斷列車(chē)是否越過(guò)警沖標(biāo)停車(chē)，具體分析處理過(guò)程如圖 3 所示。位置速度傳感器數(shù)據(jù)采集模塊接收列車(chē)位置信息，將列車(chē)位置發(fā)送給 CPU處理模塊。CPU 處理模塊判斷列車(chē)位置是否超越警沖標(biāo)，如否，命令無(wú)線(xiàn)發(fā)送模塊向地面發(fā)送警沖標(biāo)狀態(tài)為“空閑”并返回初始狀態(tài)繼續(xù)采集列車(chē)位置信息；如是，CPU 處理模塊命令無(wú)線(xiàn)發(fā)送模塊向地面發(fā)送警沖標(biāo)狀態(tài)為“越界報(bào)警”，并命令報(bào)警控制模塊通過(guò)報(bào)警燈和喇叭發(fā)出時(shí)長(zhǎng)大于一個(gè)控制周期的報(bào)警警報(bào)。

在“停車(chē)越界報(bào)警”模式下，CPU 處理模塊根據(jù)列車(chē)的位置和速度信息，判斷列車(chē)是否越過(guò)警沖標(biāo)，具體分析處理過(guò)程如圖 4 所示。位置速度傳感器數(shù)據(jù)采集模塊接收列車(chē)位置和速度信息，將列車(chē)位置和速度發(fā)送給 CPU 處理模塊。CPU 處理模塊判斷列車(chē)位置是否越過(guò)警沖標(biāo)，如果未越過(guò)警沖標(biāo)則命令無(wú)線(xiàn)發(fā)送模塊向地面發(fā)送警沖標(biāo)狀態(tài)為“空閑”并返回初始狀態(tài)繼續(xù)采集列車(chē)位置信息，如果越過(guò)警沖標(biāo)，CPU 處理模塊判斷列車(chē)速度是否為零。如果速度不為零則命令無(wú)線(xiàn)發(fā)送模塊向地面發(fā)送警沖標(biāo)狀態(tài)為“移動(dòng)占用”并返回初始狀態(tài)繼續(xù)采集列車(chē)位置信息；如果速度為零，CPU 處理模塊命令無(wú)線(xiàn)發(fā)送模塊向地面發(fā)送警沖標(biāo)狀態(tài)為“停車(chē)占用報(bào)警”，并命令報(bào)警控制模塊通過(guò)報(bào)警燈和喇叭發(fā)出時(shí)長(zhǎng)大于一個(gè)控制周期的警報(bào)。

2.5 應(yīng)用效果

鐵路智能電子警沖標(biāo)已經(jīng)接入到自行研發(fā)的車(chē)務(wù)安全監(jiān)控平臺(tái)，一旦探測(cè)到越界，則觸發(fā)報(bào)警控制模塊，控制報(bào)警燈和喇叭發(fā)出聲光報(bào)警信息，并且通過(guò)無(wú)線(xiàn)通信模塊將相關(guān)鐵路智能電子警沖標(biāo)的工作狀態(tài)發(fā)送到地面車(chē)務(wù)安全監(jiān)控平臺(tái)，車(chē)務(wù)安全監(jiān)控系統(tǒng)接入方案如圖 5 所示?，F(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用表明，鐵路智能電子警沖標(biāo)具有以下效果：①能自動(dòng)判斷車(chē)輛是否超越警沖標(biāo)停車(chē)，并發(fā)出明顯的聲光報(bào)警信息，提醒司機(jī)注意停車(chē)位置；②鐵路智能電子警沖標(biāo)便于司機(jī)和地面調(diào)車(chē)輔助作業(yè)人員在夜間、陰雨、大霧天氣進(jìn)行觀察；③鐵路智能電子警沖標(biāo)具有無(wú)線(xiàn)通信功能，除了發(fā)出聲光報(bào)警，還能將警沖標(biāo)狀態(tài)發(fā)送到地面監(jiān)控中心，便于車(chē)站監(jiān)控中心對(duì)于壓標(biāo)作業(yè)進(jìn)行監(jiān)視，及時(shí)作出相應(yīng)的調(diào)度調(diào)整。

圖5 車(chē)務(wù)安全監(jiān)控系統(tǒng)接入方案Fig.5 Train operation safety monitoring system access scheme

3 結(jié)束語(yǔ)

鐵路智能電子警沖標(biāo)實(shí)現(xiàn)了鐵路警沖標(biāo)的智能化、電子化，可以有效警示司機(jī)注意停車(chē)位置，減少越標(biāo)停車(chē)事故，使得監(jiān)控中心可以自動(dòng)采集站場(chǎng)警沖標(biāo)附近的監(jiān)控狀態(tài)信息，為監(jiān)控中心調(diào)度人員的指揮提供信息化手段。鐵路智能電子警沖標(biāo)在全路車(chē)務(wù)站場(chǎng)的推廣應(yīng)用，將促進(jìn)站場(chǎng)車(chē)務(wù)作業(yè)管理信息化發(fā)展，實(shí)現(xiàn)體系架構(gòu)和安全監(jiān)控管理模式的創(chuàng)新，提高車(chē)務(wù)站場(chǎng)調(diào)度指揮效率，降低安全風(fēng)險(xiǎn)，減少事故對(duì)人員、設(shè)備和環(huán)境帶來(lái)的損失。

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