唐健寧

（中國(guó)鐵路南寧局集團(tuán)有限公司 科學(xué)技術(shù)研究所，工程師，廣西 南寧 530029）

0 引言

移動(dòng)脫軌器是重要的行車(chē)安全設(shè)備，能讓即將進(jìn)入作業(yè)區(qū)段的列車(chē)脫軌并停止行駛，保護(hù)作業(yè)區(qū)段的設(shè)備和人身安全。但移動(dòng)脫軌器為無(wú)源設(shè)備，無(wú)法遠(yuǎn)程監(jiān)控工作狀態(tài)，插撤正確與否只能依靠現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)人員判斷，值班員無(wú)法有效盯控，一旦誤插、漏插可能導(dǎo)致嚴(yán)重事故。隨著生產(chǎn)安全要求的不斷提高，需要一套移動(dòng)脫軌器智能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，有效監(jiān)控上下脫狀態(tài)及實(shí)時(shí)位置，確保運(yùn)輸生產(chǎn)安全可控。

1 方案選取

移動(dòng)脫軌器一般在貨運(yùn)站場(chǎng)使用，有三個(gè)主要特點(diǎn)，一是火車(chē)多、接發(fā)車(chē)頻繁，信號(hào)易受遮擋和屏蔽。二是站場(chǎng)運(yùn)輸繁忙，申請(qǐng)施工流程復(fù)雜、改造難度大。三是涉及行車(chē)安全的敏感數(shù)據(jù)需要妥善傳輸和處理。因此在設(shè)計(jì)移動(dòng)脫軌器智能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)時(shí)需要現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)并選取合適的定位和傳輸方案，以適應(yīng)站場(chǎng)運(yùn)輸生產(chǎn)需要。

1.1 定位方案

首先測(cè)試了最常用的射頻識(shí)別（RFID，Radio Frequency Identification）方案，在移動(dòng)脫軌器上安裝RFID 標(biāo)簽，在上脫區(qū)域道旁安裝RFID 讀卡器，設(shè)置為定時(shí)不間斷掃描，識(shí)別到指定編號(hào)的標(biāo)簽即上脫，道旁讀卡器未識(shí)別且被鐵箱內(nèi)讀卡器識(shí)別即下脫。測(cè)試發(fā)現(xiàn)RFID信號(hào)受金屬干擾影響嚴(yán)重，有效識(shí)別距離僅約1 米，不滿(mǎn)足移動(dòng)脫軌器最大10 米-20 米的移動(dòng)范圍需求，而且只能判斷有效識(shí)別區(qū)域內(nèi)有移動(dòng)脫軌器，不能精確判斷移動(dòng)脫軌器是否固定在鐵軌上。

在綜合比較了北斗衛(wèi)星定位和超寬帶無(wú)線通信定位（UWB，Ultra Wide Band）后，最終選擇了UWB方案，RFID、北斗、UWB三個(gè)方案優(yōu)缺點(diǎn)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(guò)正交頻分調(diào)制或直接排序?qū)⒚}沖擴(kuò)展到一個(gè)頻率范圍內(nèi),使其在較寬的頻譜上能夠傳送極低功率的信號(hào)，以實(shí)現(xiàn)至高2Gbit/s 的數(shù)據(jù)傳輸速率，具有穿透力強(qiáng)、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(yōu)點(diǎn)，是目前較為熱門(mén)的新技術(shù)，在室內(nèi)定位、新能源汽車(chē)等領(lǐng)域被廣泛使用。

對(duì)比傳統(tǒng)UWB定位方案，選用了超寬帶到達(dá)角度測(cè)距（A0A）陣列天線單基站定位系統(tǒng)，其內(nèi)置陣列天線，通過(guò)方位角測(cè)距，單基站即可實(shí)現(xiàn)實(shí)測(cè)最大半徑約30米、最小定位誤差約0.5米的三維定位，相對(duì)傳統(tǒng)UWB 三維定位所需的4 個(gè)基站，極大地降低了硬件成本，簡(jiǎn)化了站場(chǎng)施工改造和組網(wǎng)難度，更便于大規(guī)模推廣。

1.2 數(shù)據(jù)傳輸方案

根據(jù)AOA 定位標(biāo)簽每秒回傳一次數(shù)據(jù)，包含坐標(biāo)、電量、報(bào)警等信息，分析不同的數(shù)據(jù)傳輸方案。對(duì)于遠(yuǎn)距離無(wú)線電（Long Range Radio,LORA）方案無(wú)法滿(mǎn)足數(shù)據(jù)傳輸需求，而站場(chǎng)內(nèi)敷設(shè)光纜手續(xù)繁雜難度大，采用4G網(wǎng)絡(luò)必須做信息安全等級(jí)保護(hù)測(cè)評(píng)，流程長(zhǎng)費(fèi)用高，最終選擇架設(shè)無(wú)線網(wǎng)橋?qū)F(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)回傳至值班室，各類(lèi)數(shù)據(jù)傳輸方案優(yōu)缺點(diǎn)如表2。

表2 傳輸方案比較

1.3 上下脫判斷方案

移動(dòng)脫軌器固定在鐵軌上時(shí)為上脫狀態(tài)，取走放入道旁鐵箱內(nèi)保存時(shí)為下脫狀態(tài)，需要對(duì)移動(dòng)脫軌器進(jìn)行智能化改造，監(jiān)控其上下脫狀態(tài)。

雖然UWB 技術(shù)最優(yōu)定位誤差為0.5 米，但依然只能判斷出移動(dòng)脫軌器在哪個(gè)股道，并不能精確判斷是否在鐵軌上。為了解決這個(gè)問(wèn)題，在移動(dòng)脫軌器下表面安裝了行程開(kāi)關(guān)，當(dāng)移動(dòng)脫軌器固定在鐵軌上時(shí)，開(kāi)關(guān)被按壓，拿起時(shí)，開(kāi)關(guān)被釋放，結(jié)合定位坐標(biāo)就可以綜合判斷移動(dòng)脫軌器上脫狀態(tài)和股道號(hào)。

如圖1，用3D 打印技術(shù)制作了一個(gè)簡(jiǎn)易固定裝置，將定位手環(huán)固定在移動(dòng)脫軌器上。手環(huán)上有兩個(gè)實(shí)體按鍵，按壓可產(chǎn)生報(bào)警，將移動(dòng)脫軌器下表面行程開(kāi)關(guān)的針腳和手環(huán)按鍵對(duì)應(yīng)的電路部分相連，移動(dòng)脫軌器上脫時(shí)，下表面開(kāi)關(guān)被壓住，導(dǎo)通信號(hào)傳遞到手環(huán)按鍵對(duì)應(yīng)電路上，系統(tǒng)即會(huì)收到帶有報(bào)警信息的坐標(biāo)，比如當(dāng)系統(tǒng)連續(xù)收到一組坐標(biāo)在固定軌道區(qū)域并帶有報(bào)警信息的坐標(biāo)，即可認(rèn)為移動(dòng)脫軌器在該軌道已上脫。

圖1 移動(dòng)脫軌器改造

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

圖2 為移動(dòng)脫軌器智能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主界面，可以顯示移動(dòng)脫軌器的移動(dòng)軌跡、劃定的邊界區(qū)域（超出報(bào)警）、股道號(hào)、上脫狀態(tài)等信息，系統(tǒng)還可實(shí)現(xiàn)移動(dòng)脫軌器狀態(tài)管理、報(bào)警記錄管理、日志管理、用戶(hù)管理等功能。

圖2 移動(dòng)脫軌器智能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主界面

2.1 數(shù)據(jù)架構(gòu)設(shè)計(jì)

系統(tǒng)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)示意圖如圖3，分為主數(shù)據(jù)和業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)兩大塊，主數(shù)據(jù)包括系統(tǒng)日志、狀態(tài)監(jiān)測(cè)、操作日志、劃定邊界區(qū)域等。

圖3 數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)示意圖

2.2 技術(shù)架構(gòu)

本系統(tǒng)后端基于DevexpressWinform 框架，采用分層架構(gòu)設(shè)計(jì)。展示層采用Devexpress，提供良好的用戶(hù)界面；數(shù)據(jù)層中，系統(tǒng)的主數(shù)據(jù)及非敏感業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)采用關(guān)系型數(shù)據(jù)庫(kù)MySQL 8.0 存儲(chǔ)，敏感業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)如用戶(hù)密碼采用MD5消息摘要算法加密存儲(chǔ)。

2.3 定位坐標(biāo)轉(zhuǎn)換

定位引擎轉(zhuǎn)發(fā)接收現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)解算并生成坐標(biāo)后，系統(tǒng)將坐標(biāo)、電量、告警等信息轉(zhuǎn)發(fā)到上層應(yīng)用系統(tǒng)。由于定位系統(tǒng)坐標(biāo)和管理系統(tǒng)上顯示的地圖數(shù)值比例并不一致，還需要根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況調(diào)試后按比例縮放并增加偏移量以適配地圖。將轉(zhuǎn)換后的數(shù)值放入坐標(biāo)數(shù)組內(nèi)，通過(guò)chart control 插件在地圖上繪制出圓點(diǎn)并保持顯示10秒，不斷動(dòng)態(tài)更新坐標(biāo)數(shù)組，即可實(shí)現(xiàn)移動(dòng)軌跡的繪制，實(shí)現(xiàn)了移動(dòng)脫軌器位置的實(shí)時(shí)檢測(cè)。引擎轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)使用UDP 協(xié)議，端口在配置信息中指定，默認(rèn)端口為40001。

2.4 防漂移算法

在試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，當(dāng)移動(dòng)脫軌器不使用放入鐵箱中時(shí)，定位標(biāo)簽的信號(hào)有時(shí)會(huì)產(chǎn)生漂移，即返回的坐標(biāo)和實(shí)際不符，如移動(dòng)脫軌器在箱中，但坐標(biāo)顯示移動(dòng)到了10道區(qū)域。

為此根據(jù)設(shè)備特性專(zhuān)門(mén)設(shè)計(jì)了一套防漂移算法，基本原理是當(dāng)檢測(cè)到移動(dòng)脫軌器返回的坐標(biāo)在劃定的鐵箱區(qū)域內(nèi)后，如果相鄰坐標(biāo)偏移量超過(guò)設(shè)定閾值（即出現(xiàn)漂移），就不更新坐標(biāo)位置，視為仍在箱內(nèi)；當(dāng)坐標(biāo)出現(xiàn)連續(xù)移動(dòng)時(shí)，視為移動(dòng)，正常顯示移動(dòng)脫軌器實(shí)時(shí)位置。經(jīng)過(guò)不斷調(diào)試優(yōu)化，解決了移動(dòng)脫軌器放入鐵箱后，信號(hào)會(huì)受到金屬箱體的干擾導(dǎo)致定位漂移的問(wèn)題。

3 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)

系統(tǒng)在中國(guó)鐵路南寧局集團(tuán)有限公司柳州南六場(chǎng)進(jìn)行了試驗(yàn)。由于兩條股道間距離有限，不便于立新桿。在保障行車(chē)和既有設(shè)備安全的前提下，定制了一套支架將AOA 定位基站、無(wú)線網(wǎng)橋安裝在站場(chǎng)原有的列車(chē)試風(fēng)柜上，并利用站場(chǎng)內(nèi)空閑電桿安裝無(wú)線網(wǎng)橋，最大化利用既有環(huán)境，減少施工環(huán)節(jié)，現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備安裝圖如圖4。

圖4 現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備安裝

本系統(tǒng)2022 年11 月份以來(lái)一直在柳南六場(chǎng)使用，順利實(shí)現(xiàn)了顯示移動(dòng)脫軌器實(shí)時(shí)的軌跡，正確顯示上下脫狀態(tài)，超出作業(yè)區(qū)域報(bào)警等重要功能，值班員反應(yīng)良好，有效提高了柳南六場(chǎng)移動(dòng)移動(dòng)脫軌器的管理水平。

后續(xù)還將不斷完善系統(tǒng)，去除手環(huán)外殼，為內(nèi)部芯片重新設(shè)計(jì)外殼，更適合安裝在移動(dòng)脫軌器上，更換更大容量的電池增加續(xù)航，優(yōu)化下表面行程開(kāi)關(guān)和芯片電路間的連接方式等。

4 結(jié)束語(yǔ)

目前南寧局集團(tuán)公司約有百條股道正在使用移動(dòng)脫軌器。為了適應(yīng)日益嚴(yán)苛的安全管理需求，急需進(jìn)行智能化改造。本項(xiàng)目可以對(duì)移動(dòng)脫軌器作業(yè)的全過(guò)程進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，極大提高了移動(dòng)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(yīng)用前景。