鐵路防溜器定位技術(shù)研究

摘" 要：鐵路場(chǎng)站會(huì)高頻率使用防溜器來(lái)阻止車輛溜逸，鐵鞋就是一種被經(jīng)常使用的防溜器具。傳統(tǒng)的鐵鞋沒(méi)有智能化或智能化程度不高，在使用過(guò)程中嚴(yán)重依賴操作人員的經(jīng)驗(yàn)和管理的科學(xué)程度，經(jīng)常由于管理疏忽或其他意外情況導(dǎo)致防溜失效，進(jìn)而造成人員與經(jīng)濟(jì)的損失。近年來(lái)，鐵鞋智能化程度不斷提高，鐵鞋設(shè)防與撤防智能化應(yīng)用已大大減輕了人員的參與程度，而鐵鞋的定位技術(shù)與姿態(tài)判斷直接影響了設(shè)防與撤防的準(zhǔn)確率，因此也被越來(lái)越多的人研究。

關(guān)鍵詞：防溜器 ""溜逸" "防溜器具" "設(shè)防 ""撤防

中圖分類號(hào)：U29

Research on Railway Anti-Derailment Device Positioning Technology

WANG Dujuan" SUN Jie" WANG Ming" XU Bingfeng" JIA Chongbiao^*

China Railway High Tech Industrial Co.， Ltd.， Beijing，101399 China

Abstract： Railway stations frequently use anti-derailment devices to prevent vehicles from slipping away. The iron shoe is one of the anti-derailment devices are often used. Traditional iron shoes are not intelligent or have a low degree of intelligence， and they rely heavily on the experience of operators and the scientific level of management during use They often fail to prevent slipping due to management negligence or other unexpected situations， resulting in personnel and economic losses. In recent years， the degree of intelligence of iron shoes has been continuously improved， and the intelligent application of iron shoe setting and removal， has greatly reduced the level of participation of personnel. The positioning technology and posture judgment of iron shoes directly affect the accuracy of setting and removal， so they are being studied by more and more people.

Key Words： Anti-derailment device; Slipping away; Anti-derailment equipment; Setting; Removal

鐵路列車防溜器，又稱鐵鞋，放置在鐵軌與車輪之間，用于非牽引狀態(tài)下鎖定列車。圖1為鐵鞋放置位置。

鐵鞋的設(shè)防與撤防需要由人工作業(yè)，如果漏設(shè)與漏撤則存在嚴(yán)重安全隱患。列車長(zhǎng)時(shí)間停靠時(shí)還需要作業(yè)人員每隔一段時(shí)間確認(rèn)鐵鞋的設(shè)防狀態(tài)，檢查鐵鞋的姿態(tài)是否正確，防止傾斜或滑落鐵軌。當(dāng)列車出站前，需要正確撤防，不能錯(cuò)撤、漏撤，撤防后還需要將鐵鞋及時(shí)歸位。為防止鐵鞋丟失，作業(yè)人員需要不定期地對(duì)鐵鞋數(shù)量進(jìn)行檢查。上述鐵鞋作業(yè)流程，既復(fù)雜又煩瑣，尤其是當(dāng)車輛長(zhǎng)時(shí)間停靠時(shí)，還需要作業(yè)人員不間斷查看設(shè)防狀態(tài)。近年來(lái)，因防溜工作疏忽引發(fā)的列車溜逸事件頻發(fā)，設(shè)防動(dòng)作簡(jiǎn)單化、設(shè)防過(guò)程智能化，已成為鐵鞋發(fā)展的主要方向。受自身體積和重量限制，鐵鞋本體留給智能化設(shè)備的空間較小，智能化鐵鞋的中央處理器只能使用低功耗的微控制單元（Micro control unit，MCU），比如性能較高的32位單核心（Cortex-M4/M4）微處理器，但這種處理器通常沒(méi)有獨(dú)立的計(jì)算模塊，計(jì)算資源有限，不能使用復(fù)雜的耗時(shí)長(zhǎng)的定位算法。這些客觀條件的限制，決定了必須要研發(fā)簡(jiǎn)單、高效的定位算法。[A1]

本文將從現(xiàn)階段常用的室外定位技術(shù)出發(fā)，分析不同技術(shù)路線的難點(diǎn)與使用限制，并根據(jù)實(shí)用場(chǎng)景，給出一種針對(duì)鐵鞋的定位方法。

1" 鐵鞋定位技術(shù)現(xiàn)狀分析

1.1 "使用限制

鐵鞋通常工作在室外，因此室內(nèi)的定位技術(shù)將不能使用。又因?yàn)殍F鞋屬于易碰撞物體，定位傳感器不能外露，這樣視覺(jué)定位也不能使用。定位時(shí)[ 2]"，不能破壞車輛，也盡可能不對(duì)車輛進(jìn)行噴涂或改造。所涉及的算法不能過(guò)于復(fù)雜，不能影響鐵鞋的其他功能。同時(shí)[ 3]"，鐵鞋對(duì)傳感器的體積與重量也有限制，又因?yàn)殍F鞋設(shè)防過(guò)程經(jīng)常穿梭于車輛之間，因此遮擋現(xiàn)象也很嚴(yán)重。

1.2""" ""RTK實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)定位方法

載波相位差分技術(shù)（Real Time Kinematic，RTK） 實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)定位方法符合使用條件，它既不需要外露傳感器，也不需要復(fù)雜的數(shù)學(xué)運(yùn)算，還不會(huì)過(guò)度消耗CPU。RTK系統(tǒng)通常由基準(zhǔn)站、流動(dòng)站、數(shù)據(jù)傳輸設(shè)備組成。RTK定位技術(shù)能夠達(dá)到厘米級(jí)的定位精度，適用于鐵鞋定位的應(yīng)用場(chǎng)景。整個(gè)定位過(guò)程是實(shí)時(shí)的，即流動(dòng)站在接收基準(zhǔn)站數(shù)據(jù)的同時(shí)，就能夠立即進(jìn)行差分改正并解算出新的坐標(biāo)位置。系統(tǒng)自動(dòng)化程度高，降低人工干預(yù)，提高了作業(yè)效率。

1.3 "UWB定位技術(shù)

超寬帶（Ultra-Wideband，UWB）[ 4]"定位技術(shù)也是一種實(shí)時(shí)的、高精度定位技術(shù)。UWB[A5]"定位系統(tǒng)主要由數(shù)據(jù)中心、數(shù)據(jù)傳輸部分、數(shù)據(jù)采集部分和定位標(biāo)簽組成。通常為了實(shí)現(xiàn)定位，常常需要使用3個(gè)或以上的基站來(lái)定位一個(gè)物體，并且計(jì)算量大，易受遮擋影響，不適合有遮擋的應(yīng)用場(chǎng)景。

1.4" 藍(lán)牙定位技術(shù)

藍(lán)牙定位技術(shù)是一種利用藍(lán)牙信號(hào)進(jìn)行定位的技術(shù)，也是一種實(shí)時(shí)的、高精度定位技術(shù)。主要基于藍(lán)牙信號(hào)強(qiáng)度指示（[ 6]" Received Signal Strength Indication，RSSI）原理。根據(jù)接收藍(lán)牙信號(hào)強(qiáng)度可以推測(cè)出相應(yīng)的距離信息，再利用三邊測(cè)量法計(jì)算出發(fā)射信息設(shè)備的位置坐標(biāo)。與UWB定位方法一樣，藍(lán)牙定位也需要多個(gè)基站，易受遮擋影響，不適合有遮擋的應(yīng)用場(chǎng)景。

2 "鐵鞋定位技術(shù)研究

本文使用了RTK定位方法，它需要基站數(shù)量少、定位精度高，不易受天氣情況影響，使用天上多顆衛(wèi)星，很少受遮擋影響。并且在鐵鞋中增加了慣性傳感器，當(dāng)有遮擋時(shí)，RTK會(huì)出現(xiàn)浮點(diǎn)解，此時(shí)可以短時(shí)間使用慣性定位技術(shù)。并且在設(shè)防成功后，還可以利用慣性傳感中重力加速度的信息來(lái)判斷鐵鞋的姿態(tài)。慣性傳感還可以設(shè)置：當(dāng)X、Y、Z[ 7]"三軸加速度之和大于某一數(shù)據(jù)時(shí)，可以喚醒MCU。利用這一性質(zhì)，可以監(jiān)測(cè)長(zhǎng)時(shí)間?？寇囕v的鐵鞋姿態(tài)。

2.1 "三軸加速度數(shù)據(jù)

圖2為鐵鞋與慣性傳感器結(jié)構(gòu)示意圖。從圖中可以看到：電路板位于鐵鞋倉(cāng)內(nèi)，并固定到鐵鞋本體上，慣性傳感器貼于電路板上。圖中定義了慣性傳感的3個(gè)軸，分別為X軸、Y軸和Z軸。[ 8]

圖3為設(shè)防作業(yè)中鐵鞋與慣性傳感器結(jié)構(gòu)[ 10]"。從圖3可以看到，設(shè)防作業(yè)時(shí)，作業(yè)人員用手拎著鐵鞋從鐵鞋柜一直到車輪下方，整個(gè)運(yùn)行過(guò)程中，X軸始終指向天空，Y軸指向人的身體，Z軸指向前進(jìn)方向。[ 11]

圖4為以人手拎著鐵鞋進(jìn)行設(shè)防作業(yè)過(guò)程中采集的重力加速度數(shù)據(jù)為依據(jù)繪制成的散點(diǎn)圖。圖中：橫軸代表時(shí)間，每一個(gè)小格為20 ms[ 13]"，為方便看清楚，只截取了6 s的時(shí)間；縱軸代表重力加速度在各個(gè)軸的分量。其中，紅色代表重力加速在X軸的分量（由圖3可知，X[ 14]"軸指向天空）。因?yàn)槿俗呗窌r(shí)，總是伴隨著抬腳、下踩的重復(fù)動(dòng)作，所以加速度在X[ 15]"軸上的波形最具有代表性。從圖4中可以看出紅色的波形運(yùn)動(dòng)更有規(guī)律可尋，人在抬腳過(guò)程中，重力加速度與運(yùn)行方向相反；下踩過(guò)程中，重力加速度與運(yùn)行方向相同；每個(gè)過(guò)程中重力加速在X[ 16]"軸上的分量都從0到增加到最大再逐漸減小到0，與波形完全一致。

Y[ 17]"軸為指向人體的方向，對(duì)應(yīng)圖4中倒三角標(biāo)記[ 18]"的散點(diǎn)圖，重力加速度在Y[ 19]"軸方向的分量也是雜亂無(wú)章的，不具備使用價(jià)值。

Z[ 20]"軸為指向鐵鞋前進(jìn)方向，對(duì)應(yīng)圖4中正三角標(biāo)記的散點(diǎn)圖，重力加速度在Z[ 21]"軸方向的分量非常小，也不具備使用價(jià)值。

2.2 "三軸角速度數(shù)據(jù)

圖5為以人手拎著鐵鞋進(jìn)行設(shè)防作業(yè)過(guò)程中采集的角加速度數(shù)據(jù)為依據(jù)繪制成的散點(diǎn)圖。圖中：橫軸代表時(shí)間，每一個(gè)小格為20 ms，為方便看清楚，同樣只截取了6 s的時(shí)間；縱軸代表角加速度在各個(gè)軸的分量。其中，變化幅度最大的是正三角標(biāo)記的散點(diǎn)圖，代表了鐵鞋朝人體方向的轉(zhuǎn)動(dòng)情況，因?yàn)殍F鞋與人體方向不會(huì)發(fā)生轉(zhuǎn)運(yùn)，即正負(fù)角加速度和為零，因此這個(gè)方向的角加速度沒(méi)有實(shí)際意義。

圖中倒三角標(biāo)記代表了鐵鞋前后擺動(dòng)方向上的角加速度分量，這個(gè)方向上的角加速度分量大小反應(yīng)了人手臂前后擺的幅度，但這個(gè)幅度并不影響人前進(jìn)方向，也不能參與定位計(jì)算。

圖中圓點(diǎn)標(biāo)記代表了鐵鞋朝前進(jìn)方向的角加速度分量，這個(gè)方向上的角加速度分量代表了人體的轉(zhuǎn)動(dòng)情況。鐵鞋左右擺動(dòng)時(shí)角加速度分別為正和負(fù)，當(dāng)人在直線行走時(shí)，左向擺幅與右向擺幅相同，左右角加速度累加和為零。當(dāng)正負(fù)角加速度累加和不為零時(shí)，代表著人行走時(shí)發(fā)生了轉(zhuǎn)彎。所截取的時(shí)間內(nèi)行人沒(méi)有發(fā)生拐彎，圓點(diǎn)標(biāo)記散點(diǎn)正負(fù)角加速度之和為零。

2.3 "鐵鞋定位技術(shù)

圖4中，紅色散點(diǎn)代表了設(shè)防作業(yè)中重力加速度在指向天空方向上的加速度分量，圓點(diǎn)標(biāo)記散點(diǎn)的每一個(gè)周期都代表著人向前行走了一步。利用峰峰值算法可以獲取人行走的步數(shù)，又可以根據(jù)驅(qū)動(dòng)程序（Real time clock，RTC）時(shí)鐘計(jì)算出峰與峰之間的時(shí)間。根據(jù)RTK的信息，可以得出1 s內(nèi)兩點(diǎn)的經(jīng)緯度信息，進(jìn)而，根據(jù)兩點(diǎn)經(jīng)緯度可以計(jì)算出人在行走中的速度。在這里把人行走的速度與步頻建立聯(lián)系，認(rèn)為速度與步頻正相關(guān)，即V=AX（其中：V代表速度；X代表步頻；A代表相關(guān)度）。在行走過(guò)程中不斷根據(jù)經(jīng)緯度與步頻迭代計(jì)算并更新A。[ 25]

當(dāng)鐵鞋被遮擋時(shí)，RTK為浮點(diǎn)解，此時(shí)重力加速度不受遮擋的任何影響，步頻的信息可以很容易計(jì)算得出，并且前進(jìn)方向上的轉(zhuǎn)動(dòng)信息也可以從角加速中獲取。這樣，利用重力加速度可以計(jì)算出單位時(shí)間內(nèi)移動(dòng)的距離，再計(jì)算單位時(shí)間內(nèi)距離在轉(zhuǎn)動(dòng)角度方向上的分量，然后根據(jù)上一次RTK固定解時(shí)的經(jīng)緯度信息，可以計(jì)算得出下一秒的經(jīng)緯度信息?；诖嗽?，可以完成鐵鞋的定位功能。

2.4 "定位算法失效后彌補(bǔ)方法

所有算法都有失效的情況，定位算法也不例外，算法失效后需要有高效的彌補(bǔ)方法，以防止功能異常。圖6表示鐵鞋設(shè)防失敗。從圖6可以看出，當(dāng)鐵鞋放置到車輪下時(shí)，因受車廂體及車廂底板遮擋作用，定位信息不準(zhǔn)，沒(méi)有達(dá)到預(yù)設(shè)的精度，此時(shí)會(huì)提示作業(yè)人員，自動(dòng)設(shè)防失敗，需要手動(dòng)輔助設(shè)防。具體過(guò)程如下：作業(yè)人員需要延鐵軌移出鐵鞋到無(wú)遮擋的空曠位置，直到RTK定位準(zhǔn)確后，再移入鐵鞋到設(shè)防位置。在鐵鞋移入車輪下的過(guò)程中，根據(jù)加速度和時(shí)間計(jì)算得到移動(dòng)距離，結(jié)合RTK信息，可以得到車輪下鐵鞋的位置信息，使用這種方式可以彌補(bǔ)算法失效問(wèn)題。

3 ""鐵鞋定位算法驗(yàn)證

3.1 "實(shí)驗(yàn)設(shè)置

本實(shí)驗(yàn)采用人手拎鐵鞋從鐵鞋柜走到指定列車位置并進(jìn)行設(shè)防，微控制器使用的是stm32f4低功耗芯片，配合上RTK模塊以及慣性傳感器，MCU采集RTK模塊的頻率為1Hz，采集慣性傳感器芯片的頻率為100 Hz。通過(guò)解析GAGGA協(xié)議的數(shù)據(jù)，當(dāng)RTK數(shù)據(jù)為固定解時(shí)，則選擇信任此數(shù)據(jù)，即不使用慣性數(shù)據(jù)；當(dāng)RTK數(shù)據(jù)為浮點(diǎn)解時(shí)，使用慣性數(shù)據(jù)，根據(jù)步速與角度計(jì)算得出定位數(shù)據(jù)。

3.2 "實(shí)驗(yàn)分析

圖7表示作業(yè)人員從鐵鞋柜（A點(diǎn)）取出鐵鞋，步行到車輪（B點(diǎn)）進(jìn)行設(shè)防的整個(gè)過(guò)程。當(dāng)鐵鞋在快要放到車輪下時(shí)，由于受到車輛廂體的遮擋，鐵鞋RTK定位數(shù)據(jù)幾乎無(wú)法使用，RTK不但沒(méi)有固定解，而且浮點(diǎn)解的位置信息也與真實(shí)位置發(fā)生了很大偏移，并且長(zhǎng)時(shí)間得不到收斂，此時(shí)使用慣性定位算法，根據(jù)步速與角速度，可以計(jì)算出位置信息。經(jīng)實(shí)際測(cè)量，慣性定位算法精度在25 cm以內(nèi)，滿足設(shè)防需求。

4 "結(jié)語(yǔ)

鐵路防溜器在保障列車停放安全方面發(fā)揮著重要作用。通過(guò)技術(shù)革新、優(yōu)化改進(jìn)，以及嚴(yán)格的管理和維護(hù)措施，雖然使鐵路防溜器的安全性得到了顯著提升，但仍需要不斷探索和創(chuàng)新來(lái)提高效率。

本文針對(duì)鐵鞋的設(shè)防與撤防作業(yè)場(chǎng)景，基于嵌入式微處理器平臺(tái)，結(jié)合RTK與慣性傳感器數(shù)據(jù)，給出了一種簡(jiǎn)單、高效的定位算法。該算法經(jīng)過(guò)實(shí)際測(cè)試，確實(shí)可以滿足車輛防溜使用場(chǎng)景，并且在算法失效的極特殊情況下，也給出了可靠應(yīng)對(duì)方法。在正確設(shè)防后，還可以檢測(cè)鐵鞋的姿態(tài)。當(dāng)車輛需要長(zhǎng)時(shí)間停靠時(shí)，無(wú)須作業(yè)人員頻繁檢測(cè)，當(dāng)鐵鞋滑行或傾斜時(shí)可以即時(shí)上報(bào)鐵鞋姿態(tài)信息。

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