轨道车（GYK）距离报警防撞设备的应用研究

周志强 中国铁路上海局集团有限公司电务部

1 概述

随着铁路运行速度的不断提高和运行密度不断加大、特种车辆运行环境日趋复杂，安全矛盾日益突出，切实保障铁路轨道车的行车安全就尤为重要。由于各个车站、站场线路情况复杂，特别是夜间施工时，无法及时掌握其他车辆的实时位置，存在安全隐患。因此需要获取轨道车之间的的距离并进行相应判断，及时地进行语音图像报警，预防事故发生。轨道车距离报警防撞设备提供一种基于测距天线实现轨道车调车连挂作业预警的车载系统，通过测距天线测量本车与车站或站场内的其他车辆距离信息，通过多点均衡计算，实现车辆间距离精确计算，为轨道车行车、调车、连挂安全提供了保障，使轨道车在防撞、连挂时，速度能符合铁道部对于不同车距下速度防护要求，实现防撞预警。

2 系统简介

2.1 系统设计目标

（1）系统通过测距天线测量本车与车站或站场内的其他车辆距离信息，通过多点均衡计算，对车辆间距离精确计算，实现防撞预警；

（2）系统集成了无线射频技术、信号分析、数据处理等技术，可有效便捷地运用于轨道车距离判断并进行声音图像警报警；

（3）通过对系统的车辆的信号的收集，可以显示多辆车辆的信息，可以针对性地选择防撞车辆，接收多个车辆的距离，通过算法做到动态智能防撞。

2.2 设计原则

（1）可靠性和安全性原则

系统采用安全可靠的元器件，和严谨的电路设计，使整个系统的架构简单而稳定、可靠性强，特别适应复杂恶劣工作环境。电路设计充分利用了集成电子信息技术、无线射频技术、智能报警技术等相关成熟技术，无论是恶劣天气还是黑夜，或是隧道内都可以方便灵活使用。主机工作时能同时接收工作环境下多个车辆的相对距离，通过软件编程计算做到动态智能防撞控制，确保轨道车行车安全。

（2）先进性和成熟性原则

系统不受场地影响，适应各种复杂地形。地面不需要安装任何设备，只需要在防护车辆两端安装车载测距天线。便携式测距天线设备可任意放置，适合轨道车作业经常转场的特点。

（3）实用性与可拓展性原则系统的核心在于优化计算距离，实现防撞预警。对于距离信息的分析分为预处理、精准校正、防撞预警。系统配有显示器，报警图像和语音提示都有针对性。系统还带有便携式设备，对于平板车等其他没有安装车辆都可以放置使用，工作人员也可方便携带作为距离测定。

（4）易维护性和方便性原则

系统配有设备故障检测功能，能及时提醒工作人员设备的运行情况，对轨道车距离报警设备提供设备正常使用的基础保障。系统还带有记录功能，留有USB专用接口用于记录数据读取、系统软件升级等，同时并配有地面记录分析软件进行数据分析。

3 硬件构成

3.1 性能指标

（1）环境条件

①周围空气温度：-20℃～40℃；

②相对湿度：5%～85%；

③大气压力：86 kPa～106 kPa（海拔高度不超过2 500 m）；

④洁净度：粒数≥0.5 μm，个数≤10 000个；

⑤周围无腐蚀性和引起爆炸危险的有害气体及导电尘埃。

（2）防护等级

防护等级：IP65。

（3）人机界面

①尺寸：6.5 ″；

②色彩：64 000色；

③输入方式：全触摸。

（4）操作系统

①采用Windows XPE嵌入式系统；

②CPU主频不小于1 GHz，内存不小于512 M。

（5）供电方式

①内置锂电池供电。电池容量4.4 Ah，使用220 V交流进行充电；

②外接AC220 V交流直接供电使用。

（6）整机功耗

①整机功率：48 W；

②电池供电工作时间：＞3 h。

3.2 系统组成

系统主要由两个主机设备、两个天线、多个便携式无线设备组成。每辆车都装有两个主机和两个天线，如图1所示。

图1 设备系统组成

车载测距天线：采集有效范围内所有测距天线的距离信息，并提供给车载设备。

便携式测距天线：提供测距信息，使车载测距天线能测量距离。

车载设备：接收车载测距天线发来的所有距离信息，通过预设参数，经过优化计算，实现距离精确计算，并根据距离发出对应的报警信息。

3.3 硬件结构

见图2。

图2 硬件结构示意图

3.4 系统模块构成及功能

系统中的模块包括人机交互模块、通信模块、设置模块、升级模块、转储模块、记录模块、业务模块等7大模块，详细内容见表1。

表1 模块功能表

4 工作流程

4.1 工作流程

每辆轨道车的两端天线获取另外车辆的两端天线的距离，如果该车辆前方还有平板车或者其他设备相连，可以设置计长和误差，天线间的距离减去相应的计长和误差，实现两辆轨道车之间的实际距离的获取。选取防撞车辆，动态的显示实时距离，并对防撞对象进行报警。

通过自己输入防撞车号，可以进行提前预警。通过对车辆之间的距离判断可以优先防护距离近的车辆，保证车辆行车安全。通过对计长、安装误差的设置可以动态的设置距离差值，减少距离的误差产生。在不同车距由有不同的语音提示，尤其是在特殊距离点的语音提醒，更是起到重要的作用。记录功能有助于行车操作、运行状况信息的录入。同步功能，同步了两个主机之间的数据、操作、显示，方便两端的人操作。保存上一次的设置，减少司机操作。

不同距离的报警图像和语音处理：

当其他轨道车被选为防撞对象时，主机就实时显示该轨道车的距离。每次语音报警分别报两遍。进入10车、5车、3车（110 m、55 m、33 m）的时候，自动报 10车、5车、3车，主机屏幕并显示对应的10车、5车、3车。进入11 m开始显示保留一位小数用于精确显示，11 m，5 m、2 m、1 m是重点报警距离。其他距离实时显示，语音每隔10 m报警。当多个防撞对象时距离近的优先作为当前防撞对象，优先报警。

4.2 详细工作原理流程

（1）每个测距天线都有单独编号，可在主机中测试需要测距的天线编号，可以减少其他测距天线的干扰。

（2）每台车在车辆两端安装车载测距天线，实时进行测距，提供与各个天线间的距离给车载主机。

（3）车载主机根据车载测距天线测量其他车辆的距离，并进行优化计算，方法如下：

例如本车车载测距天线编号为a和b，防撞车辆测距天线编号为c和d，我们可以从测距天线获得ab、ac、ad、bc、bd之间距离。

车载测距天线采样周期是0.1 s，将最近采样的距离数据，根据离散计算公式进行优化处理，排除外部干扰的影响。经过优化计算后的ab、ac、ad、bc、bd之间距离值可以进入下一步计算。

（4）车载主机根据预置天线安装位置，准确计算与其他车辆的距离，具体计算方法如下：

①经过优化计算获得 ab、ac、ad、bc、bd 之间的距离测量值。

②a、b测距天线安装位置固定，且在主机中设定了固定值x，所以可以通过比较ab间测量值和固定值，来实时计算测量误差Φ1=ab/x。

③ac、bc的测量值距离差应为ab安装位置固定值，所以可以通过比较实际ac、bc的测量值距离差与固定值，来实时计算测量误差Φ2=（ac-bc）/x。

④同理ad、bd的测量值距离差应为ab安装位置固定值，所以可以通过比较实际ad、bd的测量值距离差与固定值，来实时计算测量误差Φ3=（ad-bd）/x。

⑤实际处理ac、ad、bc、bd距离时，按以下公式进行处理：

（5）在精度要求较高的场景，可以使用便携式测距天线辅助测距，方法如下：

①在铁路线路整公里标位置安置便携式测距天线，序号即为公里标；

②车载主机根据当前公里标与便携式测距天线序号比较，获得轨道车与便携式测距天线实际距离y；

③车载测距天线测量与便携式测距天线，获得距离z；

④通过比较y、z两个值，来实时计算测量误差Φ4=z/y；

⑤实际处理ac、ad、bc、bd距离时，按以下公式进行处理：

（6）车载主机根据计算后的距离实时显示防撞车辆的距离，通过语音报警实现防撞预警功能。当两车距离较远时，距离报警间隔会变大；距离较近时，距离报警间隔会变小，并提醒司机注意限速和距离。

5 结束语

轨道车安全距离报警系统，实现了轨道车辆通过系统主机实时接收防撞对象车辆的距离（如果没有安装主机设备，可以用便携式代替防撞对象）。该系统对防撞对象车辆的距离进行图像声音报警处理，为轨道车行车、调车、连挂安全提供了技术保障，确保轨道车在防撞、连挂时，运行速度能符合中国铁路总公司对于不同车距下速度等级的防护要求。

该系统适应环境性能强，无论在隧道内、恶劣天气或黑夜，都能保证信号准确传输，距离准确获取。便携式设计更加方便携带，人机界面友好、操作简便。安全控制上尤为突出的是对轨道线路上比较低矮的平板车辆的防护，在避免碰撞时不会应人为视线不足而被忽略，系统能及时辅助轨道车司机对轨道车的安全运行的有效判断，避免轨道车碰撞其他车辆的可能。