一種基于單軌運(yùn)行的作業(yè)防護(hù)警示車

摘 要：在工務(wù)段工人進(jìn)行天窗作業(yè)、養(yǎng)護(hù)道路等作業(yè)時(shí)，需要有人進(jìn)行對遠(yuǎn)方來車的觀察并向作業(yè)人員進(jìn)行通知，該方式需消耗更多的人力。由于存在調(diào)度員失誤、無線電故障等原因，可能會(huì)通知不及時(shí)導(dǎo)致列車進(jìn)入維修區(qū)域進(jìn)而引發(fā)重大危險(xiǎn)事故，威脅維修工人的生命安全。文章研究一款單軌運(yùn)行警示車，在工作人員作業(yè)時(shí)，小車自動(dòng)巡邏警示，實(shí)時(shí)監(jiān)測來車信息，如果車輛闖入，及時(shí)報(bào)警警示工作人員撤離，同時(shí)司機(jī)減速運(yùn)行，有效防護(hù)作業(yè)人員生命安全。

關(guān)鍵詞：防護(hù) 警示車 工務(wù)段

1 緒論

鐵路運(yùn)輸生產(chǎn)是在國民經(jīng)濟(jì)中起到至關(guān)重要的作用，是聯(lián)系社會(huì)生產(chǎn)、交換、消費(fèi)等重要紐帶，其中，旅客周轉(zhuǎn)量占據(jù)全國60%，貨物周轉(zhuǎn)量占據(jù)全國的70%以上。鐵路運(yùn)輸生產(chǎn)與人們的日常生產(chǎn)活動(dòng)緊密相關(guān)，然而，保證鐵路運(yùn)輸?shù)捻樌桶踩欠浅ｊP(guān)鍵的。而鐵路工務(wù)段是鐵路系統(tǒng)中的一個(gè)重要部門，主要負(fù)責(zé)維修、改造、建設(shè)鐵路基礎(chǔ)設(shè)施，為保障鐵路交通安全、高效運(yùn)行起到了至關(guān)重要的作用。

鐵路線路維護(hù)是鐵路工務(wù)段最基本的工作內(nèi)容之一，其主要任務(wù)是確保鐵路路基、軌道的安全、順暢運(yùn)行。具體包括：

（1）巡視線路：巡視鐵路線路，發(fā)現(xiàn)線路的隱患、缺陷，及時(shí)采取措施消除。

（2）鐵路道岔維護(hù)：對鐵路道岔進(jìn)行檢查、維修、更換，確保道岔的開合、方向的正確性。

（3）防護(hù)工程維護(hù)：維修鐵路隧道、橋梁等防護(hù)工程，確保工程的穩(wěn)定、安全。

（4）制動(dòng)距離檢測維護(hù)：維修和管理制動(dòng)距離檢測系統(tǒng)，確保系統(tǒng)的穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性。

目前鐵路工務(wù)段的作業(yè)防護(hù)根據(jù)不同的作業(yè)環(huán)境，設(shè)置不同的防護(hù)，主要設(shè)置作業(yè)標(biāo)、移動(dòng)信號停車信息、設(shè)置駐站聯(lián)絡(luò)員、現(xiàn)場防護(hù)員、臨時(shí)封鎖施工等。但是目前由于防護(hù)員履職不到位，現(xiàn)場工人臆測行車，安全防護(hù)不周到，違反作業(yè)標(biāo)準(zhǔn)、違章蠻干等不同情況造成人員傷亡或者是設(shè)備損害等事故頻發(fā)。比如典型的2021年6月4日5時(shí)18分，甘肅省金昌市境內(nèi)蘭新線K596次旅客列車運(yùn)行至玉石至金昌站間與跨越線路的作業(yè)人員發(fā)生相撞，造成9人死亡，構(gòu)成鐵路交通較大事故。造成事故的直接原因是維修作業(yè)過程中，搗固穩(wěn)定車發(fā)生故障，而工作人員在轉(zhuǎn)場跨過股道的時(shí)候，現(xiàn)場防護(hù)人員盲目指揮、聯(lián)防聯(lián)控不徹底導(dǎo)致現(xiàn)場防護(hù)失效，造成了現(xiàn)場失控，導(dǎo)致人員死亡。

針對天窗作業(yè)、養(yǎng)護(hù)道路等作業(yè)中的安全問題，本文研發(fā)一種基于單軌運(yùn)行的作業(yè)防護(hù)警示車，當(dāng)作業(yè)工人進(jìn)入施工區(qū)域時(shí)，將小車放置于鋼軌上，小車以80公里/每小時(shí)的速度快速運(yùn)行至指定位置，警示牌通過電路控制自動(dòng)豎起。當(dāng)列車司機(jī)看見警示牌時(shí)適當(dāng)減速，在列車與作業(yè)防護(hù)警示車發(fā)生碰撞時(shí)，控制模塊將信息發(fā)送至監(jiān)控平臺(tái)、骨傳導(dǎo)耳機(jī)以及智能警示馬甲，準(zhǔn)確快速地傳遞危險(xiǎn)信號，為作業(yè)工人躲避列車提供了充足時(shí)間，保障了作業(yè)工人的安全。若在作業(yè)過程中未有列車駛?cè)耄谧鳂I(yè)結(jié)束時(shí)，作業(yè)工人可用監(jiān)控平臺(tái)控制放下警示牌，控制作業(yè)防護(hù)警示車反向駛回作業(yè)點(diǎn)位置，節(jié)省了人力消耗。

2 單軌警示車設(shè)計(jì)

單軌運(yùn)行的作業(yè)防護(hù)警示車由單片機(jī)模塊、通訊模塊、發(fā)光模塊、電源模塊、壓力傳感器等部分組成，其中壓力傳感器通過檢測外部壓力傳遞信號至單片機(jī)，由單片機(jī)模塊進(jìn)行信息處理并通過通訊模塊發(fā)送至監(jiān)控平臺(tái)、智能警示馬甲的發(fā)光模塊。

電機(jī)實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)警示車，給警示車提動(dòng)力，通過兩側(cè)的四個(gè)輪子讓警示車能卡在鋼軌的軌頭上實(shí)現(xiàn)警示車平穩(wěn)行駛，通過監(jiān)控平臺(tái)控制實(shí)現(xiàn)警示車的前進(jìn)、停止、后退及把控警示車的運(yùn)動(dòng)距離。警示車運(yùn)行至指定位置后自動(dòng)停車，警示車在列車駛過時(shí)，觸發(fā)壓力傳感器傳遞信號，發(fā)送至監(jiān)控平臺(tái)、骨傳導(dǎo)耳機(jī)以及智能警示馬甲的發(fā)光模塊。準(zhǔn)確地判斷警示車狀態(tài)，進(jìn)而判斷有列車正在駛來，為作業(yè)人員躲避列車危險(xiǎn)提供了充足時(shí)間，極大地保障了作業(yè)人員的作業(yè)安全。若在作業(yè)過程中未有列車駛?cè)耄谧鳂I(yè)結(jié)束，作業(yè)人員可用監(jiān)控平臺(tái)控制警示車反向駛回作業(yè)點(diǎn)位置。

圖1中，標(biāo)號1為電機(jī)2為電源模塊，3是單片機(jī)模塊，4是信息檢測模塊及壓力傳感器。

3 單軌警示車工作原理

本文所研發(fā)單軌運(yùn)行的作業(yè)防護(hù)警示車，其工作原理如圖2所示。

當(dāng)作業(yè)工人進(jìn)入施工區(qū)域時(shí)，將警示車放置于鋼軌上，警示車快速運(yùn)行至指定位置，警示車開始作業(yè)警示。當(dāng)列車與警示車發(fā)生碰撞時(shí)，前端響墩爆炸提醒司機(jī)緊急制動(dòng)，觸發(fā)壓力傳感器傳遞信號至STM32單片機(jī)，由STM32單片機(jī)進(jìn)行信息處理并通過NRF24L01+PA發(fā)送至監(jiān)控平臺(tái)、LED聲光報(bào)警器以及智能警示馬甲。準(zhǔn)確快速地傳遞危險(xiǎn)信號，為作業(yè)工人躲避列車提供了充足時(shí)間，保障了作業(yè)工人的安全。若在作業(yè)過程中未有列車駛?cè)?，在作業(yè)結(jié)束時(shí)，作業(yè)工人可用監(jiān)控平臺(tái)控制智能警示車反向駛回作業(yè)點(diǎn)位置，節(jié)省了人力消耗。

智能單軌防護(hù)作業(yè)警示車的硬件系統(tǒng)分為單片機(jī)系統(tǒng)、直流供電模塊，通信模塊、壓力傳感器、MCGS嵌入式組態(tài)系統(tǒng)、電機(jī)、旋轉(zhuǎn)編碼器等幾部分組成。其中，控制模塊選用常用的STM32單片機(jī)，通過單片機(jī)的輸入輸出功能驅(qū)動(dòng)電機(jī)的正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)，從而使得小車直行或者倒退。通信模塊選用NRF24L01芯片，主要通過芯片的控制實(shí)現(xiàn)壓力傳感器和智能馬甲的通信，從而警示工作人員。通過串聯(lián)通信接口模塊，實(shí)現(xiàn)組態(tài)觸摸屏和單片機(jī)之間的通信連接，實(shí)時(shí)檢測小車的位置，當(dāng)有火車侵線時(shí)，顯示屏提醒作業(yè)人員盡快撤離。

3.1 STM32單片機(jī)

本產(chǎn)品采用了ARM公司生產(chǎn)的STM32單片機(jī)。該單片機(jī)的最高工作頻率為72MHz，具有128KBFLASH程序存儲(chǔ)器，20KB的SRAM存儲(chǔ)器，該單片機(jī)具備豐富的I/O端口包含2個(gè)12位的ADC、3個(gè)通用16位定時(shí)器和1個(gè)PWM定時(shí)器，還包含多達(dá)2個(gè)I2C接口和SPI接口、3個(gè)USART接口、一個(gè)USB接口和一個(gè)CAN接口，該款單片機(jī)具備省電模式可以保證低功耗應(yīng)用的要求，能夠滿足警示車長時(shí)間工作的待機(jī)要求。

3.2 NRF24L01

NRF24L01是一款新型單片射頻收發(fā)器件，工作頻率是2.4GHz～2.5GHzISM。內(nèi)部集成了頻率合成器、功率放大器、晶體振蕩器、調(diào)制器等各大功能模塊，同時(shí)添加了增強(qiáng)型ShockBurst技術(shù)，通過程序控制，可以對輸出功率和通信頻道進(jìn)行修改和配置。其工作原理為，當(dāng)發(fā)射數(shù)據(jù)時(shí)，要將NRF24L01的配置修改為發(fā)射模式，同時(shí)，接收節(jié)點(diǎn)的地址TX_ADDR以及有效數(shù)據(jù)TX_PLD均要根據(jù)一定的時(shí)序由SPI口寫入到NRF24L01緩存區(qū)，這里需要注意的是，CSN設(shè)置為低時(shí)連續(xù)，才可以寫入TX_PLD，但是在發(fā)射時(shí)，TX_ADDR一次性寫入，并且保證CE置為高電平，保持的時(shí)間不能少于10μs，在延遲130μs后方可發(fā)射數(shù)據(jù)。

3.3 MCGS嵌入式組態(tài)軟件

本產(chǎn)品以北京昆侖通態(tài)自動(dòng)化軟件科技有限公司的TPC7062TD型組態(tài)觸摸顯示屏作為警示車作業(yè)狀態(tài)接收端的顯示設(shè)備，此系統(tǒng)的核心是Cortex-A8CPU，是一款高性能嵌入式一體化觸摸屏，其頻率300MHz。此款液晶顯示屏分辨率是800×480，其中，四線電阻式觸摸屏的分辨率為4096×4096。并且有MCGS嵌入式組態(tài)軟件，因此可以進(jìn)行多種數(shù)據(jù)處理和圖像的實(shí)時(shí)顯示。

3.4 電壓模塊

供電模塊采用DC-DC直流轉(zhuǎn)換電路集成板。直流變換電路主要工作方式是脈寬調(diào)制（PWM）工作方式，基本原理是通過開關(guān)管把直流電斬成方波（脈沖波），通過調(diào)節(jié)方波的占空比（脈沖寬度與脈沖周期之比）來改變電壓。

3.5 壓力傳感器

為了方便檢測來車信息，本產(chǎn)品選用IMS-S40A薄膜是壓力傳感器，因?yàn)楸∧ぴ韨鞲衅鞯捏w積小，厚度薄，放置在鋼軌上不會(huì)對來車造成傷害，但可以檢測出車輛壓力，因此這里選用精度不高的薄膜式傳感器，而不選用精度很高的稱重壓力傳感器。

3.6 光電編碼器

光電編碼器主要由光柵盤和光電檢測裝置構(gòu)成，在伺服系統(tǒng)中，光柵盤與電動(dòng)機(jī)同軸致使電動(dòng)機(jī)的旋轉(zhuǎn)帶動(dòng)光柵盤的旋轉(zhuǎn)，再經(jīng)光電檢測裝置輸出若干個(gè)脈沖信號，根據(jù)該信號的每秒脈沖數(shù)便可計(jì)算當(dāng)前電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，進(jìn)而確定小車來回往返的距離。

4 單軌警示車工作流程

一種基于單軌警示車的工作流程如圖3所示，當(dāng)警示車在接收到監(jiān)控平臺(tái)的指令后開始向目標(biāo)點(diǎn)移動(dòng)，旋轉(zhuǎn)編碼器計(jì)算車輪旋轉(zhuǎn)圈數(shù)，計(jì)算警示車運(yùn)行距離，若未到達(dá)指定位置，上位機(jī)發(fā)現(xiàn)并人為糾正，警示車?yán)^續(xù)運(yùn)行；當(dāng)警示車運(yùn)行到位后，激活壓力傳感器和超聲波測距模塊，判斷是否有物體進(jìn)入后方作業(yè)區(qū)域，若無物體進(jìn)入，后方作業(yè)完成后，上位機(jī)發(fā)送回收指令，警示車返回人員位置，斷電回收；若在此期間有物體進(jìn)入，超聲波測距模塊判斷物體距離，壓力傳感器模塊判斷物體質(zhì)量，綜合判斷是列車駛?cè)牖蛉藛T誤闖，若是人員誤闖，警示車不作出反應(yīng)，等待上位機(jī)回收指令；若判斷是車輛駛?cè)耄拒囅蛏衔粰C(jī)發(fā)送危險(xiǎn)信號，上位機(jī)報(bào)警，發(fā)光馬甲閃爍，報(bào)警器報(bào)警，提示人員撤出股道。

5 單軌警示車工作成效

基于單軌運(yùn)行的作業(yè)防護(hù)警示車，主要用于降低人工作業(yè)強(qiáng)度、完善作業(yè)防護(hù)，具有危險(xiǎn)預(yù)警智能化、傳輸信號可視化等優(yōu)點(diǎn)、能夠更加智能化進(jìn)行作業(yè)防護(hù)預(yù)警。電機(jī)實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)警示車，給警示車提供動(dòng)力，通過兩側(cè)的四個(gè)平衡側(cè)輪讓警示車能卡在鋼軌的軌頭上實(shí)現(xiàn)警示車平穩(wěn)行駛，小車以80公里/每小時(shí)的速度快速運(yùn)行至指定位置。在列車與作業(yè)防護(hù)警示車發(fā)生碰撞時(shí)，控制模塊將信息發(fā)送至監(jiān)控平臺(tái)和智能警示馬甲，準(zhǔn)確快速地傳遞危險(xiǎn)信號，為作業(yè)工人躲避列車提供了充足時(shí)間，保障了作業(yè)工人的安全。若在作業(yè)過程中未有列車駛?cè)?，在作業(yè)結(jié)束時(shí)，作業(yè)工人可用手持遙控器控制作業(yè)防護(hù)警示車反向駛回作業(yè)點(diǎn)位置，節(jié)省了人力消耗。

基金項(xiàng)目：西安鐵路職業(yè)技術(shù)學(xué)院院級課題編號：XTZY24K03，一種基于單軌運(yùn)行的作業(yè)防護(hù)警示車設(shè)計(jì)與研究。

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