軌道車(chē)（GYK）距離報(bào)警防撞設(shè)備的應(yīng)用研究

周志強(qiáng) 中國(guó)鐵路上海局集團(tuán)有限公司電務(wù)部

1 概述

隨著鐵路運(yùn)行速度的不斷提高和運(yùn)行密度不斷加大、特種車(chē)輛運(yùn)行環(huán)境日趨復(fù)雜，安全矛盾日益突出，切實(shí)保障鐵路軌道車(chē)的行車(chē)安全就尤為重要。由于各個(gè)車(chē)站、站場(chǎng)線路情況復(fù)雜，特別是夜間施工時(shí)，無(wú)法及時(shí)掌握其他車(chē)輛的實(shí)時(shí)位置，存在安全隱患。因此需要獲取軌道車(chē)之間的的距離并進(jìn)行相應(yīng)判斷，及時(shí)地進(jìn)行語(yǔ)音圖像報(bào)警，預(yù)防事故發(fā)生。軌道車(chē)距離報(bào)警防撞設(shè)備提供一種基于測(cè)距天線實(shí)現(xiàn)軌道車(chē)調(diào)車(chē)連掛作業(yè)預(yù)警的車(chē)載系統(tǒng)，通過(guò)測(cè)距天線測(cè)量本車(chē)與車(chē)站或站場(chǎng)內(nèi)的其他車(chē)輛距離信息，通過(guò)多點(diǎn)均衡計(jì)算，實(shí)現(xiàn)車(chē)輛間距離精確計(jì)算，為軌道車(chē)行車(chē)、調(diào)車(chē)、連掛安全提供了保障，使軌道車(chē)在防撞、連掛時(shí)，速度能符合鐵道部對(duì)于不同車(chē)距下速度防護(hù)要求，實(shí)現(xiàn)防撞預(yù)警。

2 系統(tǒng)簡(jiǎn)介

2.1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)目標(biāo)

（1）系統(tǒng)通過(guò)測(cè)距天線測(cè)量本車(chē)與車(chē)站或站場(chǎng)內(nèi)的其他車(chē)輛距離信息，通過(guò)多點(diǎn)均衡計(jì)算，對(duì)車(chē)輛間距離精確計(jì)算，實(shí)現(xiàn)防撞預(yù)警；

（2）系統(tǒng)集成了無(wú)線射頻技術(shù)、信號(hào)分析、數(shù)據(jù)處理等技術(shù)，可有效便捷地運(yùn)用于軌道車(chē)距離判斷并進(jìn)行聲音圖像警報(bào)警；

（3）通過(guò)對(duì)系統(tǒng)的車(chē)輛的信號(hào)的收集，可以顯示多輛車(chē)輛的信息，可以針對(duì)性地選擇防撞車(chē)輛，接收多個(gè)車(chē)輛的距離，通過(guò)算法做到動(dòng)態(tài)智能防撞。

2.2 設(shè)計(jì)原則

（1）可靠性和安全性原則

系統(tǒng)采用安全可靠的元器件，和嚴(yán)謹(jǐn)?shù)碾娐吩O(shè)計(jì)，使整個(gè)系統(tǒng)的架構(gòu)簡(jiǎn)單而穩(wěn)定、可靠性強(qiáng)，特別適應(yīng)復(fù)雜惡劣工作環(huán)境。電路設(shè)計(jì)充分利用了集成電子信息技術(shù)、無(wú)線射頻技術(shù)、智能報(bào)警技術(shù)等相關(guān)成熟技術(shù)，無(wú)論是惡劣天氣還是黑夜，或是隧道內(nèi)都可以方便靈活使用。主機(jī)工作時(shí)能同時(shí)接收工作環(huán)境下多個(gè)車(chē)輛的相對(duì)距離，通過(guò)軟件編程計(jì)算做到動(dòng)態(tài)智能防撞控制，確保軌道車(chē)行車(chē)安全。

（2）先進(jìn)性和成熟性原則

系統(tǒng)不受場(chǎng)地影響，適應(yīng)各種復(fù)雜地形。地面不需要安裝任何設(shè)備，只需要在防護(hù)車(chē)輛兩端安裝車(chē)載測(cè)距天線。便攜式測(cè)距天線設(shè)備可任意放置，適合軌道車(chē)作業(yè)經(jīng)常轉(zhuǎn)場(chǎng)的特點(diǎn)。

（3）實(shí)用性與可拓展性原則系統(tǒng)的核心在于優(yōu)化計(jì)算距離，實(shí)現(xiàn)防撞預(yù)警。對(duì)于距離信息的分析分為預(yù)處理、精準(zhǔn)校正、防撞預(yù)警。系統(tǒng)配有顯示器，報(bào)警圖像和語(yǔ)音提示都有針對(duì)性。系統(tǒng)還帶有便攜式設(shè)備，對(duì)于平板車(chē)等其他沒(méi)有安裝車(chē)輛都可以放置使用，工作人員也可方便攜帶作為距離測(cè)定。

（4）易維護(hù)性和方便性原則

系統(tǒng)配有設(shè)備故障檢測(cè)功能，能及時(shí)提醒工作人員設(shè)備的運(yùn)行情況，對(duì)軌道車(chē)距離報(bào)警設(shè)備提供設(shè)備正常使用的基礎(chǔ)保障。系統(tǒng)還帶有記錄功能，留有USB專用接口用于記錄數(shù)據(jù)讀取、系統(tǒng)軟件升級(jí)等，同時(shí)并配有地面記錄分析軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。

3 硬件構(gòu)成

3.1 性能指標(biāo)

（1）環(huán)境條件

①周?chē)諝鉁囟龋?20℃～40℃；

②相對(duì)濕度：5%～85%；

③大氣壓力：86 kPa～106 kPa（海拔高度不超過(guò)2 500 m）；

④潔凈度：粒數(shù)≥0.5 μm，個(gè)數(shù)≤10 000個(gè)；

⑤周?chē)鸁o(wú)腐蝕性和引起爆炸危險(xiǎn)的有害氣體及導(dǎo)電塵埃。

（2）防護(hù)等級(jí)

防護(hù)等級(jí)：IP65。

（3）人機(jī)界面

①尺寸：6.5 ″；

②色彩：64 000色；

③輸入方式：全觸摸。

（4）操作系統(tǒng)

①采用Windows XPE嵌入式系統(tǒng)；

②CPU主頻不小于1 GHz，內(nèi)存不小于512 M。

（5）供電方式

①內(nèi)置鋰電池供電。電池容量4.4 Ah，使用220 V交流進(jìn)行充電；

②外接AC220 V交流直接供電使用。

（6）整機(jī)功耗

①整機(jī)功率：48 W；

②電池供電工作時(shí)間：＞3 h。

3.2 系統(tǒng)組成

系統(tǒng)主要由兩個(gè)主機(jī)設(shè)備、兩個(gè)天線、多個(gè)便攜式無(wú)線設(shè)備組成。每輛車(chē)都裝有兩個(gè)主機(jī)和兩個(gè)天線，如圖1所示。

圖1 設(shè)備系統(tǒng)組成

車(chē)載測(cè)距天線：采集有效范圍內(nèi)所有測(cè)距天線的距離信息，并提供給車(chē)載設(shè)備。

便攜式測(cè)距天線：提供測(cè)距信息，使車(chē)載測(cè)距天線能測(cè)量距離。

車(chē)載設(shè)備：接收車(chē)載測(cè)距天線發(fā)來(lái)的所有距離信息，通過(guò)預(yù)設(shè)參數(shù)，經(jīng)過(guò)優(yōu)化計(jì)算，實(shí)現(xiàn)距離精確計(jì)算，并根據(jù)距離發(fā)出對(duì)應(yīng)的報(bào)警信息。

3.3 硬件結(jié)構(gòu)

見(jiàn)圖2。

圖2 硬件結(jié)構(gòu)示意圖

3.4 系統(tǒng)模塊構(gòu)成及功能

系統(tǒng)中的模塊包括人機(jī)交互模塊、通信模塊、設(shè)置模塊、升級(jí)模塊、轉(zhuǎn)儲(chǔ)模塊、記錄模塊、業(yè)務(wù)模塊等7大模塊，詳細(xì)內(nèi)容見(jiàn)表1。

表1 模塊功能表

4 工作流程

4.1 工作流程

每輛軌道車(chē)的兩端天線獲取另外車(chē)輛的兩端天線的距離，如果該車(chē)輛前方還有平板車(chē)或者其他設(shè)備相連，可以設(shè)置計(jì)長(zhǎng)和誤差，天線間的距離減去相應(yīng)的計(jì)長(zhǎng)和誤差，實(shí)現(xiàn)兩輛軌道車(chē)之間的實(shí)際距離的獲取。選取防撞車(chē)輛，動(dòng)態(tài)的顯示實(shí)時(shí)距離，并對(duì)防撞對(duì)象進(jìn)行報(bào)警。

通過(guò)自己輸入防撞車(chē)號(hào)，可以進(jìn)行提前預(yù)警。通過(guò)對(duì)車(chē)輛之間的距離判斷可以優(yōu)先防護(hù)距離近的車(chē)輛，保證車(chē)輛行車(chē)安全。通過(guò)對(duì)計(jì)長(zhǎng)、安裝誤差的設(shè)置可以動(dòng)態(tài)的設(shè)置距離差值，減少距離的誤差產(chǎn)生。在不同車(chē)距由有不同的語(yǔ)音提示，尤其是在特殊距離點(diǎn)的語(yǔ)音提醒，更是起到重要的作用。記錄功能有助于行車(chē)操作、運(yùn)行狀況信息的錄入。同步功能，同步了兩個(gè)主機(jī)之間的數(shù)據(jù)、操作、顯示，方便兩端的人操作。保存上一次的設(shè)置，減少司機(jī)操作。

不同距離的報(bào)警圖像和語(yǔ)音處理：

當(dāng)其他軌道車(chē)被選為防撞對(duì)象時(shí)，主機(jī)就實(shí)時(shí)顯示該軌道車(chē)的距離。每次語(yǔ)音報(bào)警分別報(bào)兩遍。進(jìn)入10車(chē)、5車(chē)、3車(chē)（110 m、55 m、33 m）的時(shí)候，自動(dòng)報(bào) 10車(chē)、5車(chē)、3車(chē)，主機(jī)屏幕并顯示對(duì)應(yīng)的10車(chē)、5車(chē)、3車(chē)。進(jìn)入11 m開(kāi)始顯示保留一位小數(shù)用于精確顯示，11 m，5 m、2 m、1 m是重點(diǎn)報(bào)警距離。其他距離實(shí)時(shí)顯示，語(yǔ)音每隔10 m報(bào)警。當(dāng)多個(gè)防撞對(duì)象時(shí)距離近的優(yōu)先作為當(dāng)前防撞對(duì)象，優(yōu)先報(bào)警。

4.2 詳細(xì)工作原理流程

（1）每個(gè)測(cè)距天線都有單獨(dú)編號(hào)，可在主機(jī)中測(cè)試需要測(cè)距的天線編號(hào)，可以減少其他測(cè)距天線的干擾。

（2）每臺(tái)車(chē)在車(chē)輛兩端安裝車(chē)載測(cè)距天線，實(shí)時(shí)進(jìn)行測(cè)距，提供與各個(gè)天線間的距離給車(chē)載主機(jī)。

（3）車(chē)載主機(jī)根據(jù)車(chē)載測(cè)距天線測(cè)量其他車(chē)輛的距離，并進(jìn)行優(yōu)化計(jì)算，方法如下：

例如本車(chē)車(chē)載測(cè)距天線編號(hào)為a和b，防撞車(chē)輛測(cè)距天線編號(hào)為c和d，我們可以從測(cè)距天線獲得ab、ac、ad、bc、bd之間距離。

車(chē)載測(cè)距天線采樣周期是0.1 s，將最近采樣的距離數(shù)據(jù)，根據(jù)離散計(jì)算公式進(jìn)行優(yōu)化處理，排除外部干擾的影響。經(jīng)過(guò)優(yōu)化計(jì)算后的ab、ac、ad、bc、bd之間距離值可以進(jìn)入下一步計(jì)算。

（4）車(chē)載主機(jī)根據(jù)預(yù)置天線安裝位置，準(zhǔn)確計(jì)算與其他車(chē)輛的距離，具體計(jì)算方法如下：

①經(jīng)過(guò)優(yōu)化計(jì)算獲得 ab、ac、ad、bc、bd 之間的距離測(cè)量值。

②a、b測(cè)距天線安裝位置固定，且在主機(jī)中設(shè)定了固定值x，所以可以通過(guò)比較ab間測(cè)量值和固定值，來(lái)實(shí)時(shí)計(jì)算測(cè)量誤差Φ1=ab/x。

③ac、bc的測(cè)量值距離差應(yīng)為ab安裝位置固定值，所以可以通過(guò)比較實(shí)際ac、bc的測(cè)量值距離差與固定值，來(lái)實(shí)時(shí)計(jì)算測(cè)量誤差Φ2=（ac-bc）/x。

④同理ad、bd的測(cè)量值距離差應(yīng)為ab安裝位置固定值，所以可以通過(guò)比較實(shí)際ad、bd的測(cè)量值距離差與固定值，來(lái)實(shí)時(shí)計(jì)算測(cè)量誤差Φ3=（ad-bd）/x。

⑤實(shí)際處理ac、ad、bc、bd距離時(shí)，按以下公式進(jìn)行處理：

（5）在精度要求較高的場(chǎng)景，可以使用便攜式測(cè)距天線輔助測(cè)距，方法如下：

①在鐵路線路整公里標(biāo)位置安置便攜式測(cè)距天線，序號(hào)即為公里標(biāo)；

②車(chē)載主機(jī)根據(jù)當(dāng)前公里標(biāo)與便攜式測(cè)距天線序號(hào)比較，獲得軌道車(chē)與便攜式測(cè)距天線實(shí)際距離y；

③車(chē)載測(cè)距天線測(cè)量與便攜式測(cè)距天線，獲得距離z；

④通過(guò)比較y、z兩個(gè)值，來(lái)實(shí)時(shí)計(jì)算測(cè)量誤差Φ4=z/y；

⑤實(shí)際處理ac、ad、bc、bd距離時(shí)，按以下公式進(jìn)行處理：

（6）車(chē)載主機(jī)根據(jù)計(jì)算后的距離實(shí)時(shí)顯示防撞車(chē)輛的距離，通過(guò)語(yǔ)音報(bào)警實(shí)現(xiàn)防撞預(yù)警功能。當(dāng)兩車(chē)距離較遠(yuǎn)時(shí)，距離報(bào)警間隔會(huì)變大；距離較近時(shí)，距離報(bào)警間隔會(huì)變小，并提醒司機(jī)注意限速和距離。

5 結(jié)束語(yǔ)

軌道車(chē)安全距離報(bào)警系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了軌道車(chē)輛通過(guò)系統(tǒng)主機(jī)實(shí)時(shí)接收防撞對(duì)象車(chē)輛的距離（如果沒(méi)有安裝主機(jī)設(shè)備，可以用便攜式代替防撞對(duì)象）。該系統(tǒng)對(duì)防撞對(duì)象車(chē)輛的距離進(jìn)行圖像聲音報(bào)警處理，為軌道車(chē)行車(chē)、調(diào)車(chē)、連掛安全提供了技術(shù)保障，確保軌道車(chē)在防撞、連掛時(shí)，運(yùn)行速度能符合中國(guó)鐵路總公司對(duì)于不同車(chē)距下速度等級(jí)的防護(hù)要求。

該系統(tǒng)適應(yīng)環(huán)境性能強(qiáng)，無(wú)論在隧道內(nèi)、惡劣天氣或黑夜，都能保證信號(hào)準(zhǔn)確傳輸，距離準(zhǔn)確獲取。便攜式設(shè)計(jì)更加方便攜帶，人機(jī)界面友好、操作簡(jiǎn)便。安全控制上尤為突出的是對(duì)軌道線路上比較低矮的平板車(chē)輛的防護(hù)，在避免碰撞時(shí)不會(huì)應(yīng)人為視線不足而被忽略，系統(tǒng)能及時(shí)輔助軌道車(chē)司機(jī)對(duì)軌道車(chē)的安全運(yùn)行的有效判斷，避免軌道車(chē)碰撞其他車(chē)輛的可能。