史 宏，張 巖，楊文韜，張義川

SHI Hong, ZHANG Yan, YANG Wen-tao, ZHANG Yi-chuan

（中國鐵道科學(xué)研究院 運輸及經(jīng)濟(jì)研究所，北京 100081）

(Transportation & Economics Research Institute， China Academy of Railway Sciences， Beijing 100081， China)

1 概述

鐵路警沖標(biāo)是用來確定機(jī)車車輛停車位置的信號標(biāo)志[1]，其作用是使停放在道岔后部兩線匯合處的車輛不妨礙鄰線上的列車運行，保證行車安全[2]。列車進(jìn)站后，應(yīng)停于接車線警沖標(biāo)內(nèi)方，否則屬于越過警沖標(biāo)事故。隨著列車運行監(jiān)控記錄裝置的廣泛運用和列車超速防護(hù)、調(diào)車監(jiān)控系統(tǒng)的不斷推廣[3-4]，對有效防止列車越過警沖標(biāo)事故起到了良好作用。

目前鐵路警沖標(biāo)還存在以下問題：現(xiàn)有鐵路警沖標(biāo)沒有實現(xiàn)電子化，不能判斷車輛是否超越警沖標(biāo)停車并發(fā)出明顯的報警信息，以提醒司機(jī)注意停車位置；現(xiàn)有警沖標(biāo)不具備聲光報警功能，不便于司機(jī)和地面調(diào)車輔助作業(yè)人員在夜間、陰雨、大霧天氣進(jìn)行觀察；現(xiàn)有警沖標(biāo)沒有通信功能，不能將警沖標(biāo)狀態(tài)發(fā)送到地面監(jiān)控中心，不便于車站監(jiān)控中心對于壓標(biāo)作業(yè)進(jìn)行監(jiān)視。為解決現(xiàn)有鐵路警沖標(biāo)面臨的問題，亟需設(shè)計一種鐵路智能電子警沖標(biāo)，自動判斷車輛是否超越警沖標(biāo)停車，發(fā)出報警信息，提醒司機(jī)注意停車位置，預(yù)防超過警沖標(biāo)事故。

2 鐵路智能電子警沖標(biāo)設(shè)計

2.1 結(jié)構(gòu)及模塊功能設(shè)計

鐵路智能電子警沖標(biāo)包括警沖標(biāo)帽、警沖標(biāo)體、燈罩、走線孔、報警燈、報警控制模塊、喇叭、CPU 處理模塊、無線通信模塊、位置速度傳感器數(shù)據(jù)采集模塊、供電單元和電纜孔等模塊。鐵路智能電子警沖標(biāo)結(jié)構(gòu)如圖 1 所示。

警沖標(biāo)帽和警沖標(biāo)體拼裝在一起，構(gòu)成完整的鐵路智能電子警沖標(biāo)。燈罩位于警沖標(biāo)帽的上方，與傳統(tǒng)警沖標(biāo)不同，鐵路智能電子警沖標(biāo)需要具備透明的燈罩，用來傳輸報警光源。位置速度傳感器數(shù)據(jù)采集模塊，用于接收外接傳感器的位置速度信息，并將信息轉(zhuǎn)化為 CPU 處理模塊的規(guī)范輸入格式。位置信息為軌道上兩點之間的鐵路智能電子警沖標(biāo)監(jiān)視區(qū)域內(nèi)是否有列車占用，速度信息為監(jiān)視區(qū)域內(nèi)的列車運行速度。報警控制模塊接收 CPU 處理模塊的報警命令，控制報警燈和喇叭發(fā)出聲光報警信息，CPU 處理模塊可以設(shè)置報警控制模塊的報警持續(xù)時間。CPU 處理模塊向無線通信模塊發(fā)送鐵路智能電子警沖標(biāo)狀態(tài)，包括：空閑、移動占用、停車占用報警和占用報警。無線通信模塊采用無線局域網(wǎng)的方式[5-6]，將鐵路智能電子警沖標(biāo)狀態(tài)信息發(fā)送至監(jiān)控中心。同時，無線通信模塊可以接收外部手持機(jī)、監(jiān)控中心等設(shè)備通過無線發(fā)送的標(biāo)準(zhǔn)格式的配置參數(shù)，并轉(zhuǎn)送給 CPU 處理模塊進(jìn)行設(shè)置[7]。供電單元接入外部太陽能電池，轉(zhuǎn)化成鐵路智能電子警沖標(biāo)內(nèi)各電子單元的工作電壓，通過走線孔實現(xiàn)與各電子單元的供電線路連接。電纜孔用于引入外部太陽能電池和車輪傳感器的線纜。

圖1 鐵路智能電子警沖標(biāo)結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Structure of railway intelligent electronic fouling post

2.2 外觀與安裝方式設(shè)計

鐵路智能電子警沖標(biāo)與現(xiàn)有鐵路警沖標(biāo)的尺寸一致，距軌枕頂面高度為 300 mm，一側(cè)為白色，一側(cè)為紅、白、紅相間，寬度均為 100 mm。鐵路智能電子警沖標(biāo)高出軌枕面距離為 300～350 mm。鐵路智能電子警沖標(biāo)安裝位置示意圖如圖 2 所示，鐵路智能電子警沖標(biāo)設(shè)在兩會合線路間距為 4 m 的中間，圖中鐵路智能電子警沖標(biāo)與線路上的垂直點b 和 d 點之間的距離均為 2 m。當(dāng)股道間距不足 4 m時，鐵路智能電子警沖標(biāo)應(yīng)設(shè)在兩線路中心線最大間距的起點處；在線路曲線部分所設(shè)道岔附近的鐵路智能電子警沖標(biāo)與線路中心線的間距，應(yīng)按限界的加寬增加。a，b，c 和 d 為監(jiān)視邊界點，a 與 b之間和 c 與 d 之間分別為鐵路智能電子警沖標(biāo)旁邊的2 條相鄰線路上的監(jiān)視區(qū)域。a 與 b 之間的距離 Dab可設(shè)置為 20 m；c 與 d 之間的距離 Dcd可以設(shè)置為20 m。位置速度傳感器采用車輪傳感器[8]，為了考慮車輪與車頭、車尾之間的距離，則需要在軌道上的 a0，b0，c0和 d0共 4 個車輪監(jiān)視邊界點上安裝車輪傳感器，車輪監(jiān)視邊界點與監(jiān)視邊界點的距離Fa，F(xiàn)b，F(xiàn)c和 Fd可以配置為 3.5 m。

圖2 鐵路智能電子警沖標(biāo)安裝位置示意圖Fig.2 Installation location schematic fi gure of railway intelligent electronic fouling post

2.3 列車占用監(jiān)測算法

鐵路智能電子警沖標(biāo)利用車輪傳感器采集位置信息[9]，具體為相同軌道上 2 個監(jiān)視邊界點之間的監(jiān)視區(qū)域內(nèi)是否有列車占用，需要比較進(jìn)入和駛離監(jiān)視區(qū)域兩端車輪監(jiān)視邊界點的列車軸數(shù)，來完成監(jiān)視區(qū)域空閑與占用狀態(tài)檢查。

如果監(jiān)視區(qū)域被列車占用，則需要進(jìn)一步采集列車速度信息。由于車輪與軌道接觸點不連續(xù)，只有在列車車輪通過車輪傳感器時才能檢測出列車速度，需要利用公式計算列車當(dāng)前速度，計算公式為

式中：s 為列車速度；s0為車輪通過車輪傳感器瞬間測量到的速度；s0′為下一個車輪通過任意車輪傳感器的速度；t 為 當(dāng)前時間；t0為當(dāng)前車輪經(jīng)過監(jiān)視區(qū)域任一端的時間；t0′為下一個車輪經(jīng)過監(jiān)視區(qū)域任一端的時間；d 為 a0和 b0或 c0和 d0之間的距離；td為按列車速度為勻速 s0計算的列車勻速通過監(jiān)視區(qū)域的時間。

在列車加速行駛的情況下，下一個車輪經(jīng)過監(jiān)視區(qū)域任一端的時間 t0′小于列車勻速通過時間 td。按照公式 ⑴，當(dāng)前時間 t 在下一個車輪還未經(jīng)過監(jiān)視區(qū)域之前，列車當(dāng)前速度 s 為車輪通過車輪傳感器瞬間測量到的速度 s0；當(dāng)前時間 t 在下一個車輪經(jīng)過監(jiān)視區(qū)域之后，列車當(dāng)前速度為下一個車輪經(jīng)過監(jiān)視區(qū)域任一端的速度 s0′。

在列車減速行駛不改變運行方向的情況下，下一個車輪經(jīng)過監(jiān)視區(qū)域任一端的時間 t0′大于列車勻速通過時間 td。按照公式 ⑵，當(dāng)前時間 t 在列車勻速通過時間 td之前，列車當(dāng)前速度 s 為車輪通過車輪傳感器瞬間測量到的速度 s0；當(dāng)前時間 t 在列車勻速通過時間 td之后，在下一個車輪經(jīng)過監(jiān)視區(qū)域之前，列車當(dāng)前速度 s 為通過距離除以時間估算列車速度，當(dāng)估算速度小于規(guī)定值時，設(shè) s 為零；當(dāng)前時間 t 在下一個車輪經(jīng)過監(jiān)視區(qū)域之后，列車當(dāng)前速度為下一個車輪經(jīng)過監(jiān)視區(qū)域任一端的速度 s0′。

在列車減速行駛并改變運行方向的情況下，列車速度值可為負(fù)。當(dāng)下一個車輪經(jīng)過監(jiān)視區(qū)域任一端的時間 t0′小于列車勻速通過時間 td的時候，可按照公式 ⑴ 計算列車速度；當(dāng)下一個車輪經(jīng)過監(jiān)視區(qū)域任一端的時間 s0′大于列車勻速通過時間 td的時候，可按照公式 ⑵ 計算列車速度，當(dāng)估算速度小于規(guī)定值時，設(shè) s 為零。

2.4 工作模式及流程

鐵路智能電子警沖標(biāo)具有停車越界報警和越界報警 2 種工作模式，其中：停車越界報警，需要根據(jù)列車的位置信息和速度信息，判斷列車是否越過警沖標(biāo)停車，并控制輸出報警命令；越界報警，需要根據(jù)列車的位置信息，判斷列車是否越過警沖標(biāo)，并控制輸出報警命令。

當(dāng)鐵路智能電子警沖標(biāo)工作在“停車越界報警”模式下，CPU 處理模塊向無線通信模塊發(fā)送的鐵路智能電子警沖標(biāo)狀態(tài)包括空閑、移動占用、停車占用報警；當(dāng)鐵路智能電子警沖標(biāo)工作在“越界報警”模式下，CPU 處理模塊向無線通信模塊發(fā)送的鐵路智能電子警沖標(biāo)狀態(tài)包括空閑、占用報警?！霸浇鐖缶蹦Ｊ较路治鎏幚磉^程示意圖如圖 3 所示。“停車越界報警”模式下分析處理過程示意圖如圖 4 所示。

圖3 “越界報警”模式下分析處理過程示意圖Fig.3 Analysis and dispose process schematic fi gure of crossing the line model

圖4 “停車越界報警”模式下分析處理過程示意圖Fig.4 Analysis and dispose process schematic fi gure of stopping and crossing the line model

在“越界報警”模式下，CPU 處理模塊只根據(jù)列車位置信息判斷列車是否越過警沖標(biāo)停車，具體分析處理過程如圖 3 所示。位置速度傳感器數(shù)據(jù)采集模塊接收列車位置信息，將列車位置發(fā)送給 CPU處理模塊。CPU 處理模塊判斷列車位置是否超越警沖標(biāo)，如否，命令無線發(fā)送模塊向地面發(fā)送警沖標(biāo)狀態(tài)為“空閑”并返回初始狀態(tài)繼續(xù)采集列車位置信息；如是，CPU 處理模塊命令無線發(fā)送模塊向地面發(fā)送警沖標(biāo)狀態(tài)為“越界報警”，并命令報警控制模塊通過報警燈和喇叭發(fā)出時長大于一個控制周期的報警警報。

在“停車越界報警”模式下，CPU 處理模塊根據(jù)列車的位置和速度信息，判斷列車是否越過警沖標(biāo)，具體分析處理過程如圖 4 所示。位置速度傳感器數(shù)據(jù)采集模塊接收列車位置和速度信息，將列車位置和速度發(fā)送給 CPU 處理模塊。CPU 處理模塊判斷列車位置是否越過警沖標(biāo)，如果未越過警沖標(biāo)則命令無線發(fā)送模塊向地面發(fā)送警沖標(biāo)狀態(tài)為“空閑”并返回初始狀態(tài)繼續(xù)采集列車位置信息，如果越過警沖標(biāo)，CPU 處理模塊判斷列車速度是否為零。如果速度不為零則命令無線發(fā)送模塊向地面發(fā)送警沖標(biāo)狀態(tài)為“移動占用”并返回初始狀態(tài)繼續(xù)采集列車位置信息；如果速度為零，CPU 處理模塊命令無線發(fā)送模塊向地面發(fā)送警沖標(biāo)狀態(tài)為“停車占用報警”，并命令報警控制模塊通過報警燈和喇叭發(fā)出時長大于一個控制周期的警報。

2.5 應(yīng)用效果

鐵路智能電子警沖標(biāo)已經(jīng)接入到自行研發(fā)的車務(wù)安全監(jiān)控平臺，一旦探測到越界，則觸發(fā)報警控制模塊，控制報警燈和喇叭發(fā)出聲光報警信息，并且通過無線通信模塊將相關(guān)鐵路智能電子警沖標(biāo)的工作狀態(tài)發(fā)送到地面車務(wù)安全監(jiān)控平臺，車務(wù)安全監(jiān)控系統(tǒng)接入方案如圖 5 所示?，F(xiàn)場應(yīng)用表明，鐵路智能電子警沖標(biāo)具有以下效果：①能自動判斷車輛是否超越警沖標(biāo)停車，并發(fā)出明顯的聲光報警信息，提醒司機(jī)注意停車位置；②鐵路智能電子警沖標(biāo)便于司機(jī)和地面調(diào)車輔助作業(yè)人員在夜間、陰雨、大霧天氣進(jìn)行觀察；③鐵路智能電子警沖標(biāo)具有無線通信功能，除了發(fā)出聲光報警，還能將警沖標(biāo)狀態(tài)發(fā)送到地面監(jiān)控中心，便于車站監(jiān)控中心對于壓標(biāo)作業(yè)進(jìn)行監(jiān)視，及時作出相應(yīng)的調(diào)度調(diào)整。

圖5 車務(wù)安全監(jiān)控系統(tǒng)接入方案Fig.5 Train operation safety monitoring system access scheme

3 結(jié)束語

鐵路智能電子警沖標(biāo)實現(xiàn)了鐵路警沖標(biāo)的智能化、電子化，可以有效警示司機(jī)注意停車位置，減少越標(biāo)停車事故，使得監(jiān)控中心可以自動采集站場警沖標(biāo)附近的監(jiān)控狀態(tài)信息，為監(jiān)控中心調(diào)度人員的指揮提供信息化手段。鐵路智能電子警沖標(biāo)在全路車務(wù)站場的推廣應(yīng)用，將促進(jìn)站場車務(wù)作業(yè)管理信息化發(fā)展，實現(xiàn)體系架構(gòu)和安全監(jiān)控管理模式的創(chuàng)新，提高車務(wù)站場調(diào)度指揮效率，降低安全風(fēng)險，減少事故對人員、設(shè)備和環(huán)境帶來的損失。

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