運用北斗定位系統(tǒng)實現(xiàn)自輪運轉(zhuǎn)特種設(shè)備防撞預(yù)警的研究

張永青，趙 猛

（國能朔黃鐵路肅寧分公司，河北 滄州 062350）

1 研究背景

自輪運轉(zhuǎn)特種設(shè)備是在鐵路營業(yè)線上運行的鐵路軌道車、救援起重機及鐵路施工、維修專用車輛（包含架橋機、鋪軌機、接觸網(wǎng)作業(yè)車、大型養(yǎng)路機械等）的總稱[1]，其運行狀態(tài)直接關(guān)系到鐵路運輸過程及作業(yè)中的安全。隨著近年來我國鐵路的跨越式發(fā)展，自輪運轉(zhuǎn)特種設(shè)備上線運行時間不斷增加，同時施工作業(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，防撞方面存在很多安全隱患，因此對行車及作業(yè)安全的卡控提出了更高的技術(shù)與設(shè)備要求[2]。

目前，自輪運轉(zhuǎn)特種設(shè)備在同一封鎖區(qū)間作業(yè)時，為多輛車連掛編組。整列進入封鎖區(qū)間，進入?yún)^(qū)間后分解作業(yè)，作業(yè)完畢后按照作業(yè)計劃逐臺進行連掛編組，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)時和作業(yè)完畢后連掛時采用的防撞措施有：明確作業(yè)計劃中各車的分解、連掛地點及作業(yè)范圍，依照預(yù)先計劃實現(xiàn)防撞；司機在列車運行監(jiān)控裝置中輸入相應(yīng)地點和范圍的公里標(biāo)，通過監(jiān)控裝置進行控制；新建線路沒有完整的列車運行監(jiān)控裝置地面基礎(chǔ)數(shù)據(jù)時，各車司機使用對講機進行聯(lián)控，互相確認(rèn)對方車輛的位置和運行狀態(tài)。

車輛在封鎖區(qū)間運行作業(yè)時，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，均未實現(xiàn)自動化監(jiān)測，在防撞過程中人控優(yōu)先，無法對突發(fā)情況做出及時預(yù)警且判斷的精確度較低。另外，監(jiān)控數(shù)據(jù)輸入錯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)間運行作業(yè)或連掛作業(yè)時極易造成兩車碰撞事故。為避免此類事故發(fā)生，提高自輪運轉(zhuǎn)特種設(shè)備的作業(yè)、運行安全性，提高監(jiān)控系統(tǒng)的可靠性與自動化程度，盡量減少對鐵路運輸安全的影響，急需在自輪運轉(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)計了一種自輪運轉(zhuǎn)特種設(shè)備防撞安全預(yù)警系統(tǒng)，可在自輪運轉(zhuǎn)特種設(shè)備行車過程中實時監(jiān)控行車前后方的道路狀況。通過構(gòu)建無線中心自主網(wǎng)絡(luò)和信號，實時將列車的各項數(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)行或相對運行時，安全中心能不間斷地計算出兩臺自輪運轉(zhuǎn)特種設(shè)備間的距離。報警采用分級判斷，當(dāng)距離小于設(shè)定值時開始報警，當(dāng)距離呈繼續(xù)縮小趨勢時報警信號不斷加重，可及時不間斷地提醒司機采取制動減速措施直到報警完全解除，從而消除自輪運轉(zhuǎn)特種設(shè)備在作業(yè)期間發(fā)生碰撞的安全隱患。同時，控制中心的計算機可以模擬出設(shè)備的運行制動距離，以便更好地進行預(yù)警。該系統(tǒng)具有很大的應(yīng)用價值。

2.1 系統(tǒng)構(gòu)成

防撞安全預(yù)警裝置的距離計算與監(jiān)測采用北斗衛(wèi)星定位技術(shù)。北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)是我國自主研發(fā)設(shè)計的面向全球的衛(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、全天時為用戶提供高精度、高可靠定位的導(dǎo)航及授時服務(wù)。該系統(tǒng)還具備短報文通信能力，經(jīng)過多年的發(fā)展已經(jīng)廣泛應(yīng)用于重點運輸過程監(jiān)控、公路基礎(chǔ)設(shè)施安全監(jiān)控、港口高精度實時定位調(diào)度監(jiān)控等領(lǐng)域。自輪運轉(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，自輪運轉(zhuǎn)特種設(shè)備防撞安全預(yù)警系統(tǒng)采用無線通信技術(shù)。區(qū)別于傳統(tǒng)的雷達(dá)或總線技術(shù)，無線通信技術(shù)具有綜合成本低、性能穩(wěn)定、安裝周期短、維護方便、擴容能力強等優(yōu)點。

系統(tǒng)控制中心采用計算機進行統(tǒng)一管理。控制系統(tǒng)主要由北斗導(dǎo)航接收模塊、無線通信數(shù)據(jù)模塊、計算機控制芯片、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；計算機控制芯片接收數(shù)據(jù)并計算相應(yīng)的制動距離；顯示屏和報警裝置輸出判斷信息和預(yù)警信息，人機界面友好。系統(tǒng)整體采用智能化設(shè)計，裝配簡單，操作簡便，具有獨立的判斷與預(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)可在各種場景環(huán)境下及時生成報警信息，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)先采集自輪運轉(zhuǎn)特種設(shè)備運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，將線路標(biāo)準(zhǔn)位置數(shù)據(jù)事先存儲于主機中。安全預(yù)警裝置運行時，以線路標(biāo)準(zhǔn)位置數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，對行駛中的列車進行遠(yuǎn)距離系統(tǒng)定位，計算出各列車之間的距離。區(qū)分上行下行車輛對于系統(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，實時監(jiān)測同一區(qū)間同一行別所有自輪運轉(zhuǎn)特種設(shè)備的行駛速度和相對運行速度?？筛鶕?jù)系統(tǒng)內(nèi)置的程序計算列車間的警戒距離，當(dāng)距離過近時輸出報警信息，并通過無線網(wǎng)絡(luò)傳輸監(jiān)測信息，對目標(biāo)預(yù)警車輛的相鄰車輛實施預(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算系統(tǒng)；能夠接收信號并判斷列車前后兩臺車的速度和方向信息；能夠?qū)Ω鞣N情況進行相關(guān)邏輯運算并報警。

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

3）該系統(tǒng)有別于傳統(tǒng)技術(shù)方案（使用測距傳感器、雷達(dá)、超聲波、紅外線、攝像機等），采用無線通信技術(shù)，可以對自輪運轉(zhuǎn)特種設(shè)備未來的運行軌跡進行預(yù)測，具有一定的創(chuàng)新性和實用性[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)速度與制動距離的關(guān)系進行預(yù)警。以GCY-270列車制動曲線為例，在這一車型中，列車制動距離與行駛速度近似于線性關(guān)系，計算機可以根據(jù)這種關(guān)系自動模擬出列車在對應(yīng)速度下的制動距離。

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

根據(jù)大量數(shù)據(jù)分析，一輛運行速度為100 km/h的普通貨運列車的極限制動距離是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，且工程車重量僅為42 t左右，速度較快時牽引重量極低，遠(yuǎn)遠(yuǎn)達(dá)不到貨運和客運列車的層級，需要額外設(shè)定除制動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，對于同一線路上的兩輛列車相遇、追擊、相向時的制動距離計算完全不同，系統(tǒng)根據(jù)兩車的速度及方向進行判斷，根據(jù)預(yù)設(shè)的公式輸出不同情況下的制動距離[6]。

3 自輪運轉(zhuǎn)特種設(shè)備防撞安全預(yù)警裝置使用

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

4 結(jié)束語

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)新研究和運用，大幅增加了自輪運轉(zhuǎn)設(shè)備運行的可靠性與安全性，不僅能夠有效消除自輪運轉(zhuǎn)設(shè)備在行車作業(yè)過程中發(fā)生碰撞事故的安全隱患，同時也彌補了其在自輪運轉(zhuǎn)特種設(shè)備防撞控制領(lǐng)域中應(yīng)用的空白。