張永青，趙 猛

（國(guó)能朔黃鐵路肅寧分公司，河北 滄州 062350）

1 研究背景

自輪運(yùn)轉(zhuǎn)特種設(shè)備是在鐵路營(yíng)業(yè)線上運(yùn)行的鐵路軌道車、救援起重機(jī)及鐵路施工、維修專用車輛（包含架橋機(jī)、鋪軌機(jī)、接觸網(wǎng)作業(yè)車、大型養(yǎng)路機(jī)械等）的總稱[1]，其運(yùn)行狀態(tài)直接關(guān)系到鐵路運(yùn)輸過(guò)程及作業(yè)中的安全。隨著近年來(lái)我國(guó)鐵路的跨越式發(fā)展，自輪運(yùn)轉(zhuǎn)特種設(shè)備上線運(yùn)行時(shí)間不斷增加，同時(shí)施工作業(yè)也更為頻繁，尤其是在同一封鎖區(qū)間內(nèi)的幾輛車分解作業(yè)時(shí)，防撞方面存在很多安全隱患，因此對(duì)行車及作業(yè)安全的卡控提出了更高的技術(shù)與設(shè)備要求[2]。

目前，自輪運(yùn)轉(zhuǎn)特種設(shè)備在同一封鎖區(qū)間作業(yè)時(shí)，為多輛車連掛編組。整列進(jìn)入封鎖區(qū)間，進(jìn)入?yún)^(qū)間后分解作業(yè)，作業(yè)完畢后按照作業(yè)計(jì)劃逐臺(tái)進(jìn)行連掛編組，編組完畢后整列返回車站。

多輛車在同一封鎖區(qū)間作業(yè)時(shí)和作業(yè)完畢后連掛時(shí)采用的防撞措施有：明確作業(yè)計(jì)劃中各車的分解、連掛地點(diǎn)及作業(yè)范圍，依照預(yù)先計(jì)劃實(shí)現(xiàn)防撞；司機(jī)在列車運(yùn)行監(jiān)控裝置中輸入相應(yīng)地點(diǎn)和范圍的公里標(biāo)，通過(guò)監(jiān)控裝置進(jìn)行控制；新建線路沒(méi)有完整的列車運(yùn)行監(jiān)控裝置地面基礎(chǔ)數(shù)據(jù)時(shí)，各車司機(jī)使用對(duì)講機(jī)進(jìn)行聯(lián)控，互相確認(rèn)對(duì)方車輛的位置和運(yùn)行狀態(tài)。

車輛在封鎖區(qū)間運(yùn)行作業(yè)時(shí)，調(diào)度與列車自帶的防撞系統(tǒng)作用十分有限，上述的幾種防撞措施存在不確定的人為因素，均未實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化監(jiān)測(cè)，在防撞過(guò)程中人控優(yōu)先，無(wú)法對(duì)突發(fā)情況做出及時(shí)預(yù)警且判斷的精確度較低。另外，監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)輸入錯(cuò)誤或列車位于曲線地段因天氣不良而導(dǎo)致駕駛員視線不佳等情況，在區(qū)間運(yùn)行作業(yè)或連掛作業(yè)時(shí)極易造成兩車碰撞事故。為避免此類事故發(fā)生，提高自輪運(yùn)轉(zhuǎn)特種設(shè)備的作業(yè)、運(yùn)行安全性，提高監(jiān)控系統(tǒng)的可靠性與自動(dòng)化程度，盡量減少對(duì)鐵路運(yùn)輸安全的影響，急需在自輪運(yùn)轉(zhuǎn)特種設(shè)備上安裝一種智能化的防撞安全預(yù)警裝置。

2 解決方案

本文設(shè)計(jì)了一種自輪運(yùn)轉(zhuǎn)特種設(shè)備防撞安全預(yù)警系統(tǒng)，可在自輪運(yùn)轉(zhuǎn)特種設(shè)備行車過(guò)程中實(shí)時(shí)監(jiān)控行車前后方的道路狀況。通過(guò)構(gòu)建無(wú)線中心自主網(wǎng)絡(luò)和信號(hào)，實(shí)時(shí)將列車的各項(xiàng)數(shù)據(jù)傳輸?shù)骄W(wǎng)絡(luò)中心。當(dāng)列車在封鎖區(qū)間續(xù)行或相對(duì)運(yùn)行時(shí)，安全中心能不間斷地計(jì)算出兩臺(tái)自輪運(yùn)轉(zhuǎn)特種設(shè)備間的距離。報(bào)警采用分級(jí)判斷，當(dāng)距離小于設(shè)定值時(shí)開始報(bào)警，當(dāng)距離呈繼續(xù)縮小趨勢(shì)時(shí)報(bào)警信號(hào)不斷加重，可及時(shí)不間斷地提醒司機(jī)采取制動(dòng)減速措施直到報(bào)警完全解除，從而消除自輪運(yùn)轉(zhuǎn)特種設(shè)備在作業(yè)期間發(fā)生碰撞的安全隱患。同時(shí)，控制中心的計(jì)算機(jī)可以模擬出設(shè)備的運(yùn)行制動(dòng)距離，以便更好地進(jìn)行預(yù)警。該系統(tǒng)具有很大的應(yīng)用價(jià)值。

2.1 系統(tǒng)構(gòu)成

防撞安全預(yù)警裝置的距離計(jì)算與監(jiān)測(cè)采用北斗衛(wèi)星定位技術(shù)。北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)是我國(guó)自主研發(fā)設(shè)計(jì)的面向全球的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，主體由空間段、地面段和用戶段3部分組成，面向全球，全天候、全天時(shí)為用戶提供高精度、高可靠定位的導(dǎo)航及授時(shí)服務(wù)。該系統(tǒng)還具備短報(bào)文通信能力，經(jīng)過(guò)多年的發(fā)展已經(jīng)廣泛應(yīng)用于重點(diǎn)運(yùn)輸過(guò)程監(jiān)控、公路基礎(chǔ)設(shè)施安全監(jiān)控、港口高精度實(shí)時(shí)定位調(diào)度監(jiān)控等領(lǐng)域。自輪運(yùn)轉(zhuǎn)特種設(shè)備防撞安全預(yù)警系統(tǒng)采用北斗衛(wèi)星定位技術(shù)，安全性與可靠性有保障[3]。通信方面，自輪運(yùn)轉(zhuǎn)特種設(shè)備防撞安全預(yù)警系統(tǒng)采用無(wú)線通信技術(shù)。區(qū)別于傳統(tǒng)的雷達(dá)或總線技術(shù)，無(wú)線通信技術(shù)具有綜合成本低、性能穩(wěn)定、安裝周期短、維護(hù)方便、擴(kuò)容能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。

系統(tǒng)控制中心采用計(jì)算機(jī)進(jìn)行統(tǒng)一管理?？刂葡到y(tǒng)主要由北斗導(dǎo)航接收模塊、無(wú)線通信數(shù)據(jù)模塊、計(jì)算機(jī)控制芯片、顯示屏、預(yù)警裝置等組成。北斗導(dǎo)航接收模塊用于傳輸列車位置及速度等信息；無(wú)線通信數(shù)據(jù)模塊用于處理車輛和控制中心的數(shù)據(jù)交互；計(jì)算機(jī)控制芯片接收數(shù)據(jù)并計(jì)算相應(yīng)的制動(dòng)距離；顯示屏和報(bào)警裝置輸出判斷信息和預(yù)警信息，人機(jī)界面友好。系統(tǒng)整體采用智能化設(shè)計(jì)，裝配簡(jiǎn)單，操作簡(jiǎn)便，具有獨(dú)立的判斷與預(yù)警能力，不受鐵路安全控制系統(tǒng)以外信號(hào)的影響，具有較高的穩(wěn)定性和可靠性。該系統(tǒng)可在各種場(chǎng)景環(huán)境下及時(shí)生成報(bào)警信息，幫助駕駛員高效、準(zhǔn)確地完成安全行車任務(wù)，有效保證行車安全，大幅減少事故發(fā)生率[4]。

2.2 具體功能

1）防撞安全預(yù)警裝置采用北斗導(dǎo)航接收模塊，預(yù)先采集自輪運(yùn)轉(zhuǎn)特種設(shè)備運(yùn)行全程線路的整體位置信息，構(gòu)建線路標(biāo)準(zhǔn)位置及道路信息數(shù)據(jù)庫(kù)，將線路標(biāo)準(zhǔn)位置數(shù)據(jù)事先存儲(chǔ)于主機(jī)中。安全預(yù)警裝置運(yùn)行時(shí)，以線路標(biāo)準(zhǔn)位置數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，對(duì)行駛中的列車進(jìn)行遠(yuǎn)距離系統(tǒng)定位，計(jì)算出各列車之間的距離。區(qū)分上行下行車輛對(duì)于系統(tǒng)作出判斷的作用十分重要，系統(tǒng)可以根據(jù)線路標(biāo)準(zhǔn)位置或標(biāo)志位等信息準(zhǔn)確區(qū)分同一區(qū)間不同行別的車輛，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)同一區(qū)間同一行別所有自輪運(yùn)轉(zhuǎn)特種設(shè)備的行駛速度和相對(duì)運(yùn)行速度?？筛鶕?jù)系統(tǒng)內(nèi)置的程序計(jì)算列車間的警戒距離，當(dāng)距離過(guò)近時(shí)輸出報(bào)警信息，并通過(guò)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)傳輸監(jiān)測(cè)信息，對(duì)目標(biāo)預(yù)警車輛的相鄰車輛實(shí)施預(yù)警。

綜上所述，該系統(tǒng)能夠判斷列車上行和下行方向，避免旁軌上的車輛干擾計(jì)算系統(tǒng)；能夠接收信號(hào)并判斷列車前后兩臺(tái)車的速度和方向信息；能夠?qū)Ω鞣N情況進(jìn)行相關(guān)邏輯運(yùn)算并報(bào)警。

2）系統(tǒng)具有分級(jí)報(bào)警的功能。當(dāng)車輛運(yùn)行速度超過(guò)20 km/h時(shí)報(bào)警生效，若相鄰兩車間的距離小于1 200 m，裝置開始報(bào)警，并每間隔5 s報(bào)警一次；距離小于1 000 m時(shí)，每3 s報(bào)警一次；距離小于800 m時(shí)，每1 s報(bào)警一次。當(dāng)車輛運(yùn)行速度低于20 km/h時(shí)，停止報(bào)警。當(dāng)兩車距離小于30 m時(shí)，裝置默認(rèn)兩車為連掛狀態(tài)，兩車的報(bào)警功能關(guān)閉，該車組與其他車輛之間的距離達(dá)到報(bào)警值時(shí)，相關(guān)的多臺(tái)車輛同時(shí)報(bào)警。

3）該系統(tǒng)有別于傳統(tǒng)技術(shù)方案（使用測(cè)距傳感器、雷達(dá)、超聲波、紅外線、攝像機(jī)等），采用無(wú)線通信技術(shù)，可以對(duì)自輪運(yùn)轉(zhuǎn)特種設(shè)備未來(lái)的運(yùn)行軌跡進(jìn)行預(yù)測(cè)，具有一定的創(chuàng)新性和實(shí)用性[5]。當(dāng)系統(tǒng)判斷兩輛列車上下行情況（是否為同一路線）后，根據(jù)速度與制動(dòng)距離的關(guān)系進(jìn)行預(yù)警。以GCY-270列車制動(dòng)曲線為例，在這一車型中，列車制動(dòng)距離與行駛速度近似于線性關(guān)系，計(jì)算機(jī)可以根據(jù)這種關(guān)系自動(dòng)模擬出列車在對(duì)應(yīng)速度下的制動(dòng)距離。

對(duì)于其他新車型或未知參數(shù)的自輪運(yùn)轉(zhuǎn)特種設(shè)備，可根據(jù)車輛參數(shù)（制動(dòng)距離、空走距離、制動(dòng)初末速、換算制動(dòng)率），利用公式計(jì)算出列車從制動(dòng)初速度制動(dòng)至某一規(guī)定速度（例如低于20 km/h時(shí)預(yù)警不生效）所需的制動(dòng)距離，從而完成防撞安全預(yù)警。

根據(jù)大量數(shù)據(jù)分析，一輛運(yùn)行速度為100 km/h的普通貨運(yùn)列車的極限制動(dòng)距離是800~1 000 m。以朔黃鐵路工程作業(yè)車為例，行駛路段限速一般是83 km/h或者73 km/h，且工程車重量?jī)H為42 t左右，速度較快時(shí)牽引重量極低，遠(yuǎn)遠(yuǎn)達(dá)不到貨運(yùn)和客運(yùn)列車的層級(jí)，需要額外設(shè)定除制動(dòng)距離之外的安全距離。系統(tǒng)可以根據(jù)不同車型及道路規(guī)定等設(shè)定該距離。

系統(tǒng)還具有邏輯判斷能力，對(duì)于同一線路上的兩輛列車相遇、追擊、相向時(shí)的制動(dòng)距離計(jì)算完全不同，系統(tǒng)根據(jù)兩車的速度及方向進(jìn)行判斷，根據(jù)預(yù)設(shè)的公式輸出不同情況下的制動(dòng)距離[6]。

3 自輪運(yùn)轉(zhuǎn)特種設(shè)備防撞安全預(yù)警裝置使用

自輪運(yùn)轉(zhuǎn)特種設(shè)備防撞安全預(yù)警裝置為移動(dòng)便攜式設(shè)備。在自輪運(yùn)轉(zhuǎn)特種設(shè)備上安裝收發(fā)天線、顯示屏與報(bào)警裝置，接入24 V電源即可運(yùn)行。組件簡(jiǎn)單，安裝靈活，可有效卡控自輪運(yùn)轉(zhuǎn)特種設(shè)備的碰撞事故發(fā)生。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文所述防撞安全預(yù)警裝置依托北斗定位系統(tǒng)的創(chuàng)新研究和運(yùn)用，大幅增加了自輪運(yùn)轉(zhuǎn)設(shè)備運(yùn)行的可靠性與安全性，不僅能夠有效消除自輪運(yùn)轉(zhuǎn)設(shè)備在行車作業(yè)過(guò)程中發(fā)生碰撞事故的安全隱患，同時(shí)也彌補(bǔ)了其在自輪運(yùn)轉(zhuǎn)特種設(shè)備防撞控制領(lǐng)域中應(yīng)用的空白。