電力機(jī)車接觸網(wǎng)終端防護(hù)裝置的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

羅海堤, 廖夢(mèng)婕

(廣州鐵路(集團(tuán))公司 科學(xué)技術(shù)研究所, 廣東廣州 510100)

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鐵路供電技術(shù)

電力機(jī)車接觸網(wǎng)終端防護(hù)裝置的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

羅海堤, 廖夢(mèng)婕

(廣州鐵路(集團(tuán))公司 科學(xué)技術(shù)研究所, 廣東廣州 510100)

在電氣化鐵路中接觸網(wǎng)終端設(shè)置的警示標(biāo)識(shí)功能單一，電力機(jī)車作業(yè)時(shí)易發(fā)生誤闖接觸網(wǎng)終端的事故，采用遠(yuǎn)距離高速射頻識(shí)別定位技術(shù)，設(shè)計(jì)出一種對(duì)電力機(jī)車進(jìn)入接觸網(wǎng)終端區(qū)域進(jìn)行自動(dòng)提醒和防護(hù)的裝置。該裝置由接觸網(wǎng)承力索上的電子標(biāo)簽、機(jī)車車頂?shù)臉?biāo)簽閱讀器和機(jī)車車內(nèi)的防護(hù)裝置及指示組成，防護(hù)裝置通過(guò)閱讀器讀取定位信號(hào)，并根據(jù)信號(hào)內(nèi)容自動(dòng)發(fā)出語(yǔ)音提醒或執(zhí)行制動(dòng)、斷主斷和降弓等動(dòng)作，從而有效地達(dá)到接觸網(wǎng)終端區(qū)域完全防護(hù)的目的，避免電力機(jī)車誤闖接觸網(wǎng)終端此類事故的發(fā)生。

電力機(jī)車; 接觸網(wǎng)終端; 防護(hù); 射頻標(biāo)簽

在電氣化鐵路線路上，電力機(jī)車的行使必須保證在接觸網(wǎng)內(nèi)，為防止電力機(jī)車調(diào)車作業(yè)時(shí)闖入無(wú)網(wǎng)區(qū)造成事故，在接觸網(wǎng)邊界設(shè)置了接觸網(wǎng)終端標(biāo)，以提醒工作人員注意前方是接觸網(wǎng)的終端。然而在現(xiàn)實(shí)工作中，全路各地仍發(fā)生不少電力機(jī)車調(diào)車作業(yè)時(shí)闖入無(wú)電區(qū)的事故，給鐵路運(yùn)輸生產(chǎn)秩序帶來(lái)嚴(yán)重影響，甚至造成巨額經(jīng)濟(jì)損失。究其原因，主要是由于目前設(shè)置的接觸網(wǎng)終端標(biāo)是一種無(wú)聲靜態(tài)的指示，功能單一，不能有效的起到提醒警示的作用。電力機(jī)車接觸網(wǎng)終端防護(hù)裝置的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)，可有效保證電力機(jī)車在接觸網(wǎng)終端作業(yè)的安全。

1 系統(tǒng)組成

1.1 總體結(jié)構(gòu)

電力機(jī)車接觸網(wǎng)終端防護(hù)實(shí)現(xiàn)的目標(biāo)：一是在接觸網(wǎng)終點(diǎn)前有明確的提醒警告功能，二是若電力機(jī)車過(guò)于接近終點(diǎn)時(shí)的實(shí)施強(qiáng)制制動(dòng)等保護(hù)功能。要實(shí)現(xiàn)此目標(biāo)，首要的是定位信號(hào)的確立，其次是收到定位信號(hào)后的處理等?？紤]到線路環(huán)境等復(fù)雜因素，我們采用遠(yuǎn)距離高速射頻識(shí)別技術(shù)來(lái)進(jìn)行定位，防護(hù)裝置的信號(hào)處理則采用工業(yè)級(jí)品質(zhì)的Rabbit微處理器核心模塊。電力機(jī)車接觸網(wǎng)終端防護(hù)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意如圖1所示。

電力機(jī)車接觸網(wǎng)終端防護(hù)系統(tǒng)包括了標(biāo)簽、標(biāo)簽閱讀器、防護(hù)裝置和信息指示4大部分。其中標(biāo)簽和標(biāo)簽閱讀器是實(shí)現(xiàn)無(wú)線定位的設(shè)備。警告標(biāo)簽和防護(hù)標(biāo)簽分別對(duì)應(yīng)警告功能和防護(hù)功能的定位信息。

圖1 電力機(jī)車接觸網(wǎng)終端防護(hù)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

1.2 定位技術(shù)

系統(tǒng)的定位采用遠(yuǎn)距離高速射頻識(shí)別技術(shù)，通過(guò)無(wú)源射頻標(biāo)簽和標(biāo)簽閱讀器實(shí)現(xiàn)無(wú)線定位。標(biāo)簽讀出距離如圖2所示。

系統(tǒng)使用的標(biāo)簽和標(biāo)簽閱讀器是從遠(yuǎn)望谷公司專門定制的，工作溫度為 -25℃～+70℃，工作頻率為910.1 MHz，適應(yīng)速度為0～300 km/h。其中標(biāo)簽是無(wú)源射頻標(biāo)簽，標(biāo)簽閱讀器將天線和主機(jī)合為一體，工作電壓為DC 12 V±1 V，電源由防護(hù)裝置提供，同時(shí)通過(guò)485串口與防護(hù)裝置通信。

圖2 標(biāo)簽讀出距離示意圖

定位標(biāo)簽安裝在接觸網(wǎng)承力索上，射頻標(biāo)簽閱讀器則安裝在機(jī)車車頂上，如圖1所示。系統(tǒng)上電后，閱讀器的微波組件即開(kāi)始工作，通過(guò)天線向外發(fā)射微波查詢信號(hào)；當(dāng)機(jī)車經(jīng)過(guò)定位標(biāo)簽時(shí)，標(biāo)簽把存儲(chǔ)的信息調(diào)制到微波中并反射回閱讀器；標(biāo)簽閱讀器接收到定位標(biāo)簽內(nèi)的定位信息，經(jīng)過(guò)處理后將相應(yīng)的信息通過(guò)串口發(fā)送給防護(hù)裝置。

(1)標(biāo)簽安裝位置分析

標(biāo)簽分為警告標(biāo)簽(標(biāo)簽1)和防護(hù)標(biāo)簽(標(biāo)簽2)，當(dāng)機(jī)車到達(dá)防護(hù)標(biāo)簽時(shí)應(yīng)立即緊急制動(dòng)，所以標(biāo)簽2安裝距離尤為重要，根據(jù)《列車牽引計(jì)算與操縱》第五章列車制動(dòng)問(wèn)題的解算，可對(duì)制動(dòng)距離進(jìn)行如下分析。

制動(dòng)距離的計(jì)算是比較復(fù)雜的一個(gè)過(guò)程，涉及很多方面的因素，標(biāo)簽2的運(yùn)用情況是機(jī)車單機(jī)緊急制動(dòng)情況下的制動(dòng)，其制動(dòng)距離則可進(jìn)行簡(jiǎn)化計(jì)算，如式(1)。

Sz=Sk+Se=

(1)

以韶山3型電力機(jī)車為例可求得各系數(shù)為：空走時(shí)間tk=2.5 s；換算摩擦系數(shù)φh=0.256；列車換算制動(dòng)率θh=0.517；常用制動(dòng)系數(shù)在緊急制動(dòng)時(shí)βc=1；列車單位基本阻力w0=2.472；取加算坡度千分?jǐn)?shù)ij=-6；

一般電力機(jī)車在接觸網(wǎng)終點(diǎn)區(qū)域運(yùn)行速度為5 km/h以下，現(xiàn)取制動(dòng)速度為其兩倍，即v0=10 km/h，代入上述公式可得：

Sz=Sk+Se=

6.94+3.24=10.18m

即制動(dòng)距離為10.18 m。

則防護(hù)標(biāo)簽的安裝距離L=機(jī)車長(zhǎng)度/2 +制動(dòng)距離=22/2+10.18=21.18 m，考慮到閱讀器不一定在正中位置以及 各種電力機(jī)車的不同，取L=25 m。即設(shè)置防護(hù)標(biāo)簽到接觸網(wǎng)終點(diǎn)標(biāo)的距離為25 m。

警告標(biāo)簽(標(biāo)簽1)如圖3，含提醒警示的定位信息，由于接觸網(wǎng)終點(diǎn)區(qū)域長(zhǎng)短不一，為了不影響機(jī)車在接觸網(wǎng)終點(diǎn)區(qū)域的作業(yè)，設(shè)置警告標(biāo)簽到防護(hù)標(biāo)簽的距離為60 m。此距離在機(jī)車速度為10 km/h左右時(shí)，司機(jī)將有接近21.6 s的反應(yīng)時(shí)間。

1.3 裝置設(shè)計(jì)

防護(hù)裝置作為防護(hù)系統(tǒng)的核心部分，負(fù)責(zé)接收定位信號(hào)、發(fā)出指示和控制動(dòng)作等內(nèi)容，防護(hù)裝置連接如圖4所示。

圖3 警告標(biāo)簽

圖4 防護(hù)裝置連接示意圖

(1)裝置硬件電路

防護(hù)裝置采用直流110 V直接供電，通過(guò)電源模塊轉(zhuǎn)換提供所需電壓，如圖5所示。

圖5 防護(hù)裝置供電方式示意圖

電源模塊：采用廣州市愛(ài)浦電子科技有限公司針對(duì)鐵路設(shè)備生產(chǎn)的SANGMEI專用電源模塊。

中央處理單元：中央處理單元采用Rabbit微處理器核心模塊，模塊運(yùn)行采用Dynamic C進(jìn)行實(shí)時(shí)開(kāi)發(fā)和調(diào)試，并提供多種標(biāo)準(zhǔn)接口。

控制電路：防護(hù)裝置的控制電路采用無(wú)觸點(diǎn)輸出控制單元，即使用大功率的固態(tài)繼電器(從寧波星成電子有限公司定制)，其具有負(fù)載能力大，開(kāi)關(guān)速度高，為了防止控制電路中感性元件引起的過(guò)電壓沖擊，造成元件損壞，電路中加入吸收電路。

指示模塊：主機(jī)采用燈顯指示，在司機(jī)室安裝喇叭用于語(yǔ)音提醒。語(yǔ)音模塊采用廣州唯創(chuàng)電子有限公司的WTV040語(yǔ)音芯片，并由美國(guó)國(guó)家半導(dǎo)體公司生產(chǎn)的音頻功率放大器LM386進(jìn)行功率放大。USB模塊：使用飛思卡爾半導(dǎo)體公司生產(chǎn)的MCF5229芯片，該系列芯片采用一站式連接功能解決方案，是集成USB、以太網(wǎng)和CAN功能的MCU。

對(duì)外接口：開(kāi)關(guān)使用上海二工電氣有限公司生產(chǎn)的萬(wàn)能轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)，保證裝置無(wú)論開(kāi)還是關(guān)都不會(huì)對(duì)正常行車造成干擾。

(2)軟件設(shè)計(jì)

采用專為基于Rabbit微處理器的控制器等而設(shè)計(jì)的用于編寫(xiě)嵌入式應(yīng)用軟件的開(kāi)發(fā)系統(tǒng)Dynamic C進(jìn)行系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)。

與閱讀器的485通信協(xié)議為，通訊速率：9.6 kb/s，格式：1+8+1，平時(shí)每秒發(fā)送1幀心跳幀，當(dāng)讀取到標(biāo)簽ID號(hào)時(shí)有2幀標(biāo)簽ID號(hào)，幀間隔10 ms。閱讀器發(fā)完ID號(hào)幀后重新計(jì)時(shí)，1 s后開(kāi)始發(fā)心跳幀，相同ID號(hào)5 s內(nèi)不能發(fā)第2次。

語(yǔ)音模塊由內(nèi)部串口控制輸出語(yǔ)音信息，速度信號(hào)通過(guò)中斷計(jì)數(shù)進(jìn)行判斷，由DO口控制固態(tài)繼電器動(dòng)作，實(shí)現(xiàn)斷主斷、降弓、制動(dòng)等動(dòng)作功能，信息存儲(chǔ)在128 M的flash存儲(chǔ)空間且可通過(guò)USB接口上傳。

U盤數(shù)據(jù)說(shuō)明：

(1)bocon_log.txt文件，為下載到U盤保存的數(shù)據(jù)文件：

No.0 jcxh:SS30443 fangx:1 maichong:28 tag:1 chaox:J act:Y Time:2010/11/15 08:49:34

No.1 jcxh:SS30443 fangx:1 maichong:31 tag:2 chaox:J act:Y Time:2010/11/15 08:49:46

其中jcxh:SS30443表示安裝在SS3 0443電力機(jī)車上；fangx:1表示機(jī)車Ⅱ端向前行駛(0表示Ⅰ端向前)；maichong:28表示在該速度時(shí)，500 ms時(shí)間的脈沖，實(shí)算速度 28×2/200×3.14×1.25×3.6=4 km/h；tag:1表示接收到標(biāo)簽1的信號(hào)；chaox:J表示向接觸網(wǎng)終點(diǎn)方向前進(jìn)；act:Y表示接收到信號(hào)后執(zhí)行了語(yǔ)音提醒或動(dòng)作；Time:2010/11/15 08:49:46，為接收到標(biāo)簽信號(hào)后保存的時(shí)間。

(2)bocon_config.txt文件，當(dāng)U盤中有此文件時(shí)，將讀取該文件中數(shù)據(jù)，若其中：

mch=40表示對(duì)速度達(dá)到某一值的語(yǔ)音提醒設(shè)置；

jcxh=SS00000表示設(shè)置安裝在哪臺(tái)電力機(jī)車上；

time=100811101010表示設(shè)置系統(tǒng)的時(shí)間，本數(shù)據(jù)表示2010年8月11日10點(diǎn)10分10秒。

erase表示對(duì)系統(tǒng)原有保存的記錄數(shù)據(jù)進(jìn)行刪除。

程序流程如圖6所示。

圖6 軟件設(shè)計(jì)流程

2 主要功能及工作原理

2.1 主要功能

電力機(jī)車接觸網(wǎng)終端防護(hù)裝置，采用遠(yuǎn)距離高速射頻識(shí)別、工業(yè)單片機(jī)控制、數(shù)據(jù)保存和轉(zhuǎn)儲(chǔ)和語(yǔ)音存儲(chǔ)播放等技術(shù)。(1)實(shí)現(xiàn)在接觸網(wǎng)終端區(qū)域?qū)﹄娏C(jī)車調(diào)車作業(yè)等運(yùn)行中的動(dòng)態(tài)提醒功能。電力機(jī)車到達(dá)警告標(biāo)簽位置下方時(shí)，系統(tǒng)發(fā)出語(yǔ)音，提醒司機(jī)注意。(2)實(shí)現(xiàn)在接觸網(wǎng)終端區(qū)域?qū)﹄娏C(jī)車調(diào)車作業(yè)等運(yùn)行中的自動(dòng)防護(hù)功能。電力機(jī)車到達(dá)防護(hù)標(biāo)簽位置下方時(shí)，系統(tǒng)立即斷主斷，降弓及停車，實(shí)現(xiàn)接觸網(wǎng)終點(diǎn)的自動(dòng)防護(hù)。(3)實(shí)現(xiàn)記錄查詢功能。裝置可記錄在接觸網(wǎng)終端區(qū)域系統(tǒng)的工作狀態(tài)，為以后查詢提供依據(jù)。

2.2 工作原理

(1)閱讀器收發(fā)標(biāo)簽信號(hào)

裝置上電后，閱讀器的微波組件即開(kāi)始工作，通過(guò)天線向外發(fā)射微波查詢信號(hào)，如果查詢范圍內(nèi)存在電子標(biāo)簽，標(biāo)簽會(huì)把存儲(chǔ)的信息調(diào)制到微波中并反射回閱讀器。閱讀器天線接收到電子標(biāo)簽的反射微波，通過(guò)解調(diào)，還原出標(biāo)簽信息，處理后通過(guò)對(duì)外接口發(fā)送給上位機(jī)。

(2)防護(hù)裝置工作原理

裝置接入有機(jī)車方向、速度、斷主斷、制動(dòng)和降受電弓等信號(hào)，當(dāng)接收到標(biāo)簽閱讀器發(fā)送過(guò)來(lái)的定位信號(hào)后進(jìn)行相應(yīng)提醒和控制。裝置上電后，若"正常"指示燈亮，則表示與標(biāo)簽閱讀器通信正常，否則“故障”指示燈亮；若機(jī)車無(wú)速度，則“制動(dòng)”指示燈亮。

當(dāng)機(jī)車行駛時(shí)，“制動(dòng)”指示燈滅，裝置處于工作狀態(tài)。機(jī)車接入接觸網(wǎng)終點(diǎn)區(qū)后，往終點(diǎn)標(biāo)方向行駛經(jīng)過(guò)警告標(biāo)簽(標(biāo)簽1)時(shí)，閱讀器接收到該定位信息并發(fā)送給防護(hù)裝置，防護(hù)裝置立刻發(fā)出“接近接觸網(wǎng)終點(diǎn)，請(qǐng)注意”，司機(jī)室喇叭響；在繼續(xù)向前行駛時(shí)，若速度大于5 km/h，則發(fā)出“接近接觸網(wǎng)終點(diǎn)，請(qǐng)注意速度”提醒；當(dāng)?shù)椒雷o(hù)標(biāo)簽(標(biāo)簽2)位置時(shí)，若機(jī)車仍未停車，防護(hù)裝置收到該定位信息后，將進(jìn)行斷主斷和緊急制動(dòng)等一系列動(dòng)作，并發(fā)出"已到接觸網(wǎng)終點(diǎn)"提醒；在此過(guò)程中將保存相關(guān)信息，以備查詢。在正常情況下，機(jī)車退出接觸網(wǎng)終點(diǎn)區(qū)時(shí)，防護(hù)裝置將不采取動(dòng)作。

3 結(jié)束語(yǔ)

電力機(jī)車接觸網(wǎng)終端防護(hù)裝置，杜絕了電力機(jī)車在車站調(diào)車作業(yè)時(shí)闖入無(wú)電區(qū)現(xiàn)象的發(fā)生，達(dá)到消滅電力機(jī)車調(diào)車作業(yè)闖入無(wú)電區(qū)這一類的安全事故，使鐵路運(yùn)輸生產(chǎn)多了一份安全保障，使鐵路運(yùn)輸安全管理多了一份可控，有效實(shí)現(xiàn)鐵路運(yùn)輸安全即效益的目標(biāo)。本裝置具有高可靠性，不影響機(jī)車原有性能，不干擾機(jī)車正常行駛，能較好的提高接觸網(wǎng)終點(diǎn)防護(hù)的安全性，對(duì)行車安全起到較好的保護(hù)作用。

[1] 張振波 接觸網(wǎng)與電力安全警示案例分析[M]. 北京：中國(guó)鐵道出版社, 2011.

[2] 蘇 桃. 列車牽引計(jì)算與操縱[M]. 北京：中國(guó)鐵道出版社， 2008.

[3] 中國(guó)鐵路總公司. 鐵路技術(shù)管理規(guī)程[S]. 2014.

Design and Implementation of Contact Network Terminal Protecting Device for Electric Locomotive

LUOHaidi，LIAOMengjie

(Institute of Science and Technology, Guangzhou Railway (Group) Corporation, Guangzhou 510100 Guangdong, China)

The function of warning signs set up by contact network terminal is single in electrified railway now, and electric locomotive maybe burst in contact network by mistake easily. This paper introduces the design of device which can protect electric locomotive bursting in contact network terminal area by using remote and high speed radio frequency location and recognition technology. The device consists of electronic label of contact network catenaries, label reader set at the roof of locomotive, protecting and indicating device set in the locomotive and provides voice reminding automatically, executing braking and bow down etc. All this can protect contact network area effectively and avoid locomotive bursting in contact network area by mistake.

electric locomotive; contact network terminal; protecting; radiofrequency label

1008-7842 (2015) 03-0071-04

??)男，工程師(

2014-12-03)

U225.4+2

A

10.3969/j.issn.1008-7842.2015.03.17