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        動車檢修基地防溜裝置信息化管理系統(tǒng)設(shè)計與應(yīng)用

        2024-12-17 00:00:00葉丹向前張華
        中國新技術(shù)新產(chǎn)品 2024年7期
        關(guān)鍵詞:高速動車組信息化

        摘 要:高速動車組入庫檢修斷電后,須在其中一端頭車的輪對處架設(shè)防溜止輪器起防溜固定的作用。原先高速動車組檢修站段防溜止輪器的設(shè)置與撤除作業(yè)都是通過人工卡控來完成的,無法及時掌握管控現(xiàn)場作業(yè)存在的人為操作問題,存在極大的生產(chǎn)與行車安全隱患。因此,本文研制了一套基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的防溜裝置信息化管理系統(tǒng),并在長三角動車檢修基地投入應(yīng)用,實(shí)現(xiàn)庫內(nèi)所有止輪器的信息化、標(biāo)準(zhǔn)化、可視化管理,切實(shí)保障了車輛設(shè)備設(shè)施以及作業(yè)人員人身安全。

        關(guān)鍵詞:高速動車組;檢修基地;防溜裝置;信息化

        中圖分類號:U 270.7" " " " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A

        為防止動車組在檢修時因車輛本身停放制動失效導(dǎo)致的溜逸,必須在鋼軌與車輪間使用止輪器等[1]防溜裝置對動車組進(jìn)行固定,利用止輪器的踏面阻力阻止動車組移動[2]。目前,各動車檢修站段止輪器掛設(shè)與撤除作業(yè)均為人工卡控,存在人為操作失誤而導(dǎo)致的較大安全隱患:止輪器設(shè)錯檢修軌道位置;遺留在動車組被攜帶出庫或者丟失;當(dāng)動車組斷電檢修時,止輪器掛設(shè)不到位,可能導(dǎo)致檢修過程中車輛滑溜;止輪器撤除不及時,動車組檢修完成后強(qiáng)行移動可能導(dǎo)致動車組出軌側(cè)翻。為了解決上述問題,國內(nèi)現(xiàn)有的相關(guān)研究通過無線網(wǎng)及相應(yīng)軟件管理系統(tǒng)對止輪器的應(yīng)用狀況進(jìn)行采集并儲存,但未能與站場調(diào)度室聯(lián)網(wǎng),無法實(shí)現(xiàn)列車移動、止輪器掛設(shè)及歸還的安全聯(lián)鎖等功能。本文研發(fā)了一種基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的防溜裝置信息化管理系統(tǒng),與站場調(diào)度室聯(lián)動,實(shí)現(xiàn)庫內(nèi)所有止輪器的標(biāo)準(zhǔn)化、信息化管理,具有止輪器及人員身份識別、止輪器掛設(shè)及撤除安全聯(lián)控、止輪器搜索定位等主要功能,有效杜絕止輪器錯設(shè)、漏設(shè)、遺失等安全隱患,切實(shí)保障生產(chǎn)及行車安全。

        1 防溜裝置信息化管理系統(tǒng)架構(gòu)

        基于ZigBee的防溜裝置信息化管理系統(tǒng)主要由信息化止輪器、列位掃碼器、集中管理柜以及警示器構(gòu)成,各止輪器的無線信號通過列位掃碼器與集中管理柜中基站進(jìn)行通信,從而將檢修庫內(nèi)止輪器組成一個區(qū)域網(wǎng)絡(luò),反饋站段內(nèi)所有止輪器實(shí)時定位、追蹤以及掛設(shè)狀態(tài),同時在站場調(diào)度室設(shè)置可視化交互裝置,掌握庫內(nèi)止輪器狀態(tài),并按計劃下發(fā)作業(yè)指令,系統(tǒng)整體框架如圖1所示?;谄髽I(yè)網(wǎng)絡(luò)安全管理要求[3],雖然ZigBee通信范圍較小,但是其定位精度高、功耗低、安全性高,穩(wěn)定性強(qiáng),在做好電磁防護(hù)的情況下適合庫內(nèi)長時間工作。

        止輪器與各列位掃碼器實(shí)現(xiàn)身份識別、信號發(fā)生、信號接收以及聲音警示等功能[4]。在庫內(nèi)2根檢修股道的4個列位上,分別安裝4個列位掃碼器,用于止輪器掛設(shè)和撤除流程卡控。各檢修股道的二層平臺上,在頭車司機(jī)室的正前方安裝止輪器狀態(tài)指示模塊,用于向司機(jī)室內(nèi)作業(yè)人員直觀反饋止輪器的掛設(shè)狀態(tài)。

        2 防溜裝置信息化管理系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計

        2.1 信息化止輪器結(jié)構(gòu)設(shè)計

        目前,檢修調(diào)試作業(yè)現(xiàn)場使用塑膠式止輪器,如圖2(a)所示,為了向站場調(diào)度室實(shí)時反饋掛設(shè)信號,并能在搜索過程中發(fā)出提示蜂鳴,在止輪器側(cè)面加裝控制模塊內(nèi)部包括RFID芯片、ZigBee信號發(fā)生模塊、低耗DC電池模塊以及蜂鳴器等,同時在止輪器上表面兩側(cè)加裝彈性觸點(diǎn)用于判斷是否與車輪接觸,內(nèi)部下方安裝位置傳感器來判別是否在鋼軌上,其具體結(jié)構(gòu)如圖2(b)所示。當(dāng)止輪器正確掛設(shè)后,有源回路閉合,觸發(fā)Zigbee信號發(fā)生模塊,掃碼器確認(rèn)止輪器掛設(shè)完畢。

        2.2 集中管理柜結(jié)構(gòu)設(shè)計

        集中管理柜是集中存放信息化止輪器的區(qū)域,為實(shí)現(xiàn)監(jiān)控止輪器的取用,記錄取存人員的信息,接收基站、列位掃碼器及站場調(diào)度室的信號,同時具備聲光報警功能,配有工卡機(jī)、RFID射頻模塊、柜外警示燈、柜內(nèi)指示燈、備用止輪器存放柜以及揚(yáng)聲器等主要模塊。

        其中,工卡機(jī)起到限制專人取用的作用,通過設(shè)置系統(tǒng)黑、白名單,甄別使用人員權(quán)限,將芯片與職工胸卡進(jìn)行綁定,方便作業(yè)人員操作;RFID射頻模塊用于識別止輪器身份,并確認(rèn)領(lǐng)取和歸還股道列位正確,防止止輪器歸還位置錯誤;柜外警示燈與柜內(nèi)指示燈實(shí)時反饋所有止輪器是否按規(guī)定使用的狀態(tài),警示丟失或常開門;揚(yáng)聲器的作用是進(jìn)行操作提示和糾正錯誤;備用止輪器存放柜存放4組備用止輪器。當(dāng)區(qū)域斷電或聯(lián)控系統(tǒng)故障時,應(yīng)急使用。

        2.3 列位掃碼器結(jié)構(gòu)設(shè)計

        列位掃碼器箱體內(nèi)包括RFID射頻讀卡器與Zigbee接收模塊,RFID射頻讀卡器用于確認(rèn)止輪器身份信息,判定作業(yè)人員是否設(shè)錯股道列位;Zigbee接收模塊則用于實(shí)時接收各止輪器狀態(tài),并向集中管理柜中的Zigbee集中發(fā)送反饋信號。其安裝在庫內(nèi)鋼軌的下方支架上,并位于動車組入庫停車時兩端輪對的正下方附近。

        2.4 止輪器狀態(tài)指示模塊設(shè)計

        止輪器掛設(shè)、撤除和存放過程中需要對其他相關(guān)作業(yè)人員及司機(jī)進(jìn)行提示,避免因不了解止輪器安設(shè)狀態(tài)而發(fā)生意外的情況,因此在列位端二層平臺加裝了止輪器狀態(tài)指示模塊,提前在使用權(quán)限、語音提示及亮燈提示上進(jìn)行卡控提示,止輪器安全聯(lián)控系統(tǒng)引導(dǎo)及警示功能見表1。

        3 防溜裝置信息化管理系統(tǒng)功能設(shè)計

        3.1 止輪器定位模型設(shè)計

        止輪器定位采用ZigBee技術(shù),采集止輪器常設(shè)位置的接收信號強(qiáng)度值(RSSI),并建立特征數(shù)據(jù)庫;通過集中管理柜Zigbee接收模塊在線采集止輪器未知位置接收的RSSI值,并將接收數(shù)據(jù)傳輸?shù)教幚砥?,再?jīng)處理器發(fā)送到站場調(diào)度室,將采集的數(shù)據(jù)與特征數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)進(jìn)行對比,利用差距最小的數(shù)據(jù)進(jìn)行計算,得到止輪器未知位置的空間坐標(biāo)。特征庫建立流程如圖3所示。

        RSSI測距的估計如公式(1)所示。

        RSSI=-(10nlgd+A) " " (1)

        式中:RSSI為止輪器常設(shè)位置的接收信號強(qiáng)度值;d為待求的路徑距離;A為接收信號強(qiáng)度;n為信號傳輸常數(shù)。

        信號強(qiáng)度值會隨著距離增大而變小,由于動車組檢修庫內(nèi)環(huán)境干擾較大,因此信號強(qiáng)度在接收過程中會發(fā)生波動或者突變,并且距離越遠(yuǎn)時引起的誤差就越大。在接收信號強(qiáng)度的過程中,為了減少定位誤差,須通過處理器濾波。利用相鄰法則,使用歐氏距離公式,如公式(2)所示。

        (2)

        式中:D為在多維空間中計算鄰近兩點(diǎn)之間的直線距離;相鄰兩點(diǎn)向量分別為rssi=(rssi1,rssi2,…,rssiN)和RSSI=(RSSI1,RSSI2,…,RSSIN);i=1,2,…,N;N是向量的維數(shù)。

        匹配最鄰近的空間特征點(diǎn)坐標(biāo)以及相應(yīng)的RSSI值,然后根據(jù)最接近的特征點(diǎn)坐標(biāo)確定未知節(jié)點(diǎn)的空間區(qū)域,并根據(jù)未知節(jié)點(diǎn)與區(qū)域內(nèi)特征點(diǎn)的距離,采用多邊定位算法計算未知節(jié)點(diǎn)的空間坐標(biāo)。

        經(jīng)過鄰近法匹配到距離最近的常設(shè)位置特征點(diǎn)后,以該區(qū)域內(nèi)3個特征點(diǎn)A、B、C為球心、3個特征點(diǎn)A、B、C到未知位置M的距離為半徑畫球,如圖4所示。通過三邊定位算法計算止輪器未知位置的空間坐標(biāo)。假設(shè)止輪器未知位置的空間坐標(biāo)M(x0,y0,z0)。止輪器常設(shè)位置特征的空間坐標(biāo)分別為(xi,yi,zi),i = 1,2,…,n,信號傳輸距離為di,根據(jù)已知條件可得止輪器未知位置與特征位置關(guān)系,如公式(3)所示,利用該方程組可計算止輪器未知位置的空間坐標(biāo)(x0,y0,z0)。

        (3)

        式中:di為信號傳輸距離;(xi,yi,zi)為止輪器常設(shè)位置特征的空間坐標(biāo);i = 1,2,…,n;(x0,y0,z0)為止輪器未知位置的空間坐標(biāo)。

        3.2 系統(tǒng)通信功能設(shè)計

        集中管理柜作為Zigbee網(wǎng)絡(luò)中的核心,也就是協(xié)調(diào)節(jié)點(diǎn),主要有2個功能:建立無線傳感網(wǎng)絡(luò),并使其他信息化止輪器(傳感節(jié)點(diǎn))加入建立的網(wǎng)絡(luò);從列位掃碼器(路由節(jié)點(diǎn))接收數(shù)據(jù)進(jìn)行處理后傳送給站場調(diào)度室的終端控制軟件界面,同時也可以接收站場調(diào)度室的指令信息,校驗(yàn)后發(fā)送給各列位掃碼器。集中管理柜作為協(xié)調(diào)節(jié)點(diǎn)的通信功能設(shè)計流程如圖5所示。

        列位掃碼器是Zigbee網(wǎng)絡(luò)中的路由節(jié)點(diǎn),在網(wǎng)絡(luò)中充中轉(zhuǎn)站的角色。由于信息化止輪器(傳感器節(jié)點(diǎn))與集中管理柜(協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn))距離較遠(yuǎn),因此需要使用列位掃碼器作為路由節(jié)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)加入及數(shù)據(jù)傳輸。列位掃碼器作為路由節(jié)點(diǎn)的通信功能設(shè)計流程如圖6所示。

        3.3 系統(tǒng)安全聯(lián)控功能設(shè)計

        集中管理柜及列位掃碼器軟件控制邏輯流程如圖7所示。在集中管理柜存取的過程中需要對操作人員進(jìn)行身份驗(yàn)證,并對存取的止輪器進(jìn)行驗(yàn)證避免存取錯誤,同時對操作者進(jìn)行語音提示或報警,使操作更智能化、人性化;當(dāng)列位掃碼器上方安設(shè)或撤除止輪器時也對止輪器進(jìn)行監(jiān)控,避免超時未安設(shè)或歸還導(dǎo)致遺失或安設(shè)撤除錯股道。

        3.4 站場調(diào)度室人機(jī)交互設(shè)計

        集中管理柜及列位掃碼器均通過ZigBee的組網(wǎng)連接至站場調(diào)度室的服務(wù)器,可以在任何連接到該網(wǎng)絡(luò)的設(shè)備上通過瀏覽器查看止輪器設(shè)備的實(shí)時使用情況,方便各監(jiān)管部門與站場調(diào)度室監(jiān)控現(xiàn)場止輪器運(yùn)用情況,提高安全生產(chǎn)監(jiān)管力度,監(jiān)管模式更人性化、信息化、直觀化,其終端控制軟件界面開發(fā)如圖8所示。

        控制軟件界面每3秒鐘自動刷新和現(xiàn)場設(shè)備保持同步,獲取最新狀態(tài)數(shù)據(jù)。綠色表明設(shè)備使用一切正常,紅色為有止輪器處于掛設(shè)狀態(tài),紅色閃爍為柜門長時間未關(guān)閉、止輪器丟失以及止輪器閑置超時等情況,需要工人介入糾正。同時頁面可查看設(shè)備使用所有信息,包括取用人、取用時間以及歸還時間等。

        4 防溜裝置信息化管理系統(tǒng)調(diào)試應(yīng)用

        防溜裝置信息化管理系統(tǒng)開發(fā)完成后,對其進(jìn)行組裝和調(diào)試并進(jìn)行無規(guī)則功能試驗(yàn),每日安排20人,其中一部分職工不具備操作權(quán)限,站場調(diào)度隨機(jī)下發(fā)4個列位止輪器的掛設(shè)和撤除作業(yè)任務(wù)。試驗(yàn)結(jié)果如下:所有不具備權(quán)限職工取用或撤除止輪器均被系統(tǒng)制止并及時反饋至站場調(diào)度室;所有掛設(shè)位置錯誤、歸還位置錯誤、長時間不掛設(shè)、長時間不歸還止輪器的行為,均在邏輯設(shè)定時間內(nèi)得到及時制止和糾正;丟失在庫內(nèi)的止輪器在較短時間內(nèi)被快速鎖定;企圖攜帶止輪器出庫在庫門閘機(jī)處被及時截獲。

        5 結(jié)論

        本文提供了一種智能化、可視化的防溜裝置集中管理系統(tǒng)和方法,依托信息化技術(shù)實(shí)現(xiàn)了止輪器“人防、技防”雙重管理,與人工管理相比更高效、嚴(yán)謹(jǐn)和可靠;實(shí)現(xiàn)止輪器身份識別、動車安全連鎖、止輪器掛設(shè)安全連鎖、止輪器歸還安全連鎖、止輪器實(shí)時定位、庫內(nèi)丟失搜索以及與調(diào)試生產(chǎn)信息系統(tǒng)聯(lián)動等功能,通過卡控機(jī)制,杜絕止輪器掛設(shè)不正確、動車前未撤除、防溜不到位、止輪器被攜帶出庫等現(xiàn)象。

        該系統(tǒng)已在長三角動車檢修基地投入運(yùn)用,取得了良好的經(jīng)濟(jì)效益和安全效益,可以減少因止輪器漏設(shè)、錯設(shè)及遺漏等導(dǎo)致的安全隱患,全面提高動車組檢修庫止輪器管理水平,切實(shí)保障車輛設(shè)備設(shè)施以及作業(yè)人員人身安全。

        參考文獻(xiàn)

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