動車檢修基地防溜裝置信息化管理系統(tǒng)設(shè)計與應用

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用，實現(xiàn)庫內(nèi)所有止輪器的信息化、標準化、可視化管理，切實保障了車輛設(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" " " " 文獻標志碼：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；當動車組斷電檢修時，止輪器掛設(shè)不到位，可能導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行移動可能導致動車組出軌側(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)及相應軟件管理系統(tǒng)對止輪器的應用狀況進行采集并儲存，但未能與站場調(diào)度室聯(lián)網(wǎng)，無法實現(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，實現(xiàn)庫內(nèi)所有止輪器的標準化、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，在做好電磁防護的情況下適合庫內(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，在頭車司機室的正前方安裝止輪器狀態(tài)指示模塊，用于向司機室內(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、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聲器等主要模塊。

其中，工卡機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；揚聲器的作用是進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。當區(qū)域斷電或聯(lián)控系統(tǒng)故障時，應急使用。

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)人員及司機進行提示，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行卡控提示，止輪器安全聯(lián)控系統(tǒng)引導及警示功能見表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)教幚砥鳎俳?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)進行對比，利用差距最小的數(shù)據(jù)進行計算，得到止輪器未知位置的空間坐標。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)位置的接收信號強度值；d為待求的路徑距離；A為接收信號強度；n為信號傳輸常數(shù)。

信號強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，因此信號強度在接收過程中會發(fā)生波動或者突變，并且距離越遠時引起的誤差就越大。在接收信號強度的過程中，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之間的直線距離；相鄰兩點向量分別為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坐標以及相應的RSSI值，然后根據(jù)最接近的特征點坐標確定未知節(jié)點的空間區(qū)域，并根據(jù)未知節(jié)點與區(qū)域內(nèi)特征點的距離，采用多邊定位算法計算未知節(jié)點的空間坐標。

經(jīng)過鄰近法匹配到距離最近的常設(shè)位置特征點后，以該區(qū)域內(nèi)3個特征點A、B、C為球心、3個特征點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。假設(shè)止輪器未知位置的空間坐標M（x0，y0，z0）。止輪器常設(shè)位置特征的空間坐標分別為（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（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；i = 1，2，…，n；（x0，y0，z0）為止輪器未知位置的空間坐標。

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，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）加入建立的網(wǎng)絡(luò)；從列位掃碼器（路由節(jié)點）接收數(shù)據(jù)進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，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）與集中管理柜（協(xié)調(diào)器節(jié)點）距離較遠，因此需要使用列位掃碼器作為路由節(jié)點實現(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行身份驗證，并對存取的止輪器進行驗證避免存取錯誤，同時對操作者進行語音提示或報警，使操作更智能化、人性化；當列位掃碼器上方安設(shè)或撤除止輪器時也對止輪器進行監(jiān)控，避免超時未安設(shè)或歸還導致遺失或安設(shè)撤除錯股道。

3.4 站場調(diào)度室人機交互設(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)試應用

防溜裝置信息化管理系統(tǒng)開發(fā)完成后，對其進行組裝和調(diào)試并進行無規(guī)則功能試驗，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、嚴謹和可靠；實現(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用，取得了良好的經(jīng)濟效益和安全效益，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

[1]中國鐵路總公司.鐵路技術(shù)管理規(guī)程[M].北京：中國鐵道出版社，2014.

[2]宋毅.防溜鐵鞋（止輪器）鐵道行業(yè)標準解讀[J].鐵道技術(shù)監(jiān)督，2010，38（4）：5-6．

[3]李林貴.關(guān)于防溜鐵鞋實現(xiàn)遠程監(jiān)控的探討[J].黑龍江科技信息，2013（35）：204-205.

[4]徐博洋.防溜鐵鞋安全監(jiān)控及自動化系統(tǒng)研究與設(shè)計[J].中國科技縱橫，2020（7）：38-40.