转辙机手摇把智能管理系统设计

孙彪

摘 要：针对传统转辙机手摇把管理存在的效率低、安全性差等问题，设计一套转辙机手摇把智能管理系统。介绍组成该系统的智能保管箱和管理软件平台 2 部分内容，其中智能保管箱采用射频识别（RFID）技术，实现对箱内手摇把数量、开关门时间等信息的实时监测;管理软件平台包括手摇把使用管理、平台管理和保管箱实时监测 3 个模块，使手摇把的使用申请、发令授权等流程实现电子化作业。

关键词：铁路;转辙机;手摇把;智能管理;系统设计;射频识别

中图分类号：U213.6+1

国内铁路系统中，在发生转辙机故障、线路集中维修等情况时，很多单位仍需使用手摇把进行人工摇道岔。由于手摇把作用关键，所以对其管理也非常严格。在《呼和浩特铁路局行车组织规则》（以下简称《行规》）中对手摇把的使用申请、批复、保管、使用及归还等各环节都有具体明确的要求，以防因管理不善或不法分子蓄意破坏造成不良后果，影响铁路正常运输[1]。目前，虽然对手摇把的使用管理有具体的规定，但仍存在一定的困难，有待进一步研究解决。例如：电务或车务调度部门无法实时监测所属各站手摇把保管箱中手摇把的数量和编号、使用及归还时间、箱门的开锁及关闭时间等重要信息，因此存在一定的安全管理隐患 [2]。为使手摇把的使用和管理更加便捷、規范与透明，推进手摇把管理的电子化和智能化，研制一套转辙机手摇把智能管理系统。

1 系统概述

转辙机手摇把智能管理系统主要由智能保管箱和管理软件平台2部分组成。智能保管箱采用RFID技术，通过内置读写器和天线读取存储有手摇把编号信息的电子标签，并将读取信息传输给箱内的微型主机，最后通过网线共享至企业办公局域网服务器。管理软件平台设计有手摇把使用管理、平台管理等模块，使手摇把使用和调度管理部门可在办公局域网上完成手摇把的使用申请、发令授权等作业流程，实时监测智能保管箱内手摇把的数量、编号、拿取或归还时间等信息，并进行记录和存档等。

2 智能保管箱设计

转辙机手摇把智能保管箱主要由箱体结构、RFID单元和开关门检测单元3部分组成。

2.1 箱体结构设计

智能保管箱用于放置手摇把及读写器、天线、微型主机、接近开关等电气设备，其结构主要由箱体、手摇把支座、电器隔板和机箱面板组成，如图1所示。

2.1.1 箱体

根据手摇把及电气设备的数量及放置要求，设计箱体的尺寸为540mm×520mm×520mm，材料选用0.8mm厚的钢板。在箱体左侧面板上开有长45mm、高70mm的矩形孔，用于安装带电源和网线接口的机箱面板;在箱体内左右两侧板上，各焊接2个挡片，用于安装电器隔板。箱门上设置2把机械锁和1组铅封套环，供锁闭及加铅封使用。

2.1.2 手摇把支座

手摇把支座用于放置手摇把，采用分体式结构，用螺栓组装固定，方便拆装。支座由左右对称布置的横置角钢组件和竖置角钢，以及上、下横梁组成，其中横梁采用斜置式结构，方便拿取和放置手摇把，每个横梁上可放置11个手摇把，如图2所示。

2.1.3 电器隔板

电器隔板用于放置和固定微型主机、读写器、电源、插排等设备，与箱体两侧的挡片通过螺栓连接进行固定。

2.1.4 机箱面板

按照保管箱的设计要求，智能保管箱需设置外接电源和与办公局域网通信的接口，因此选择带有三孔电源插座、网口、USB等接口的机箱面板，其安装在保管箱左侧壁板的预留孔上。

2.2RFID 单元

RFID俗称电子标签，是一种非接触式的自动识别技术，其工作原理是：电子标签在磁场中接收读写器发出的射频信号，凭借感应电流所获得的能量发送出存储在芯片的产品信息，读写器读取信息并解码后，送至中央信息系统进行数据处理[3-6]。

手摇把智能保管箱RFID单元包括电子标签、天线、读写器、微型主机等几个部分，如图3所示。

2.2.1 读写器

读写器是RFID单元的信息控制和处理中心，一般由耦合模块、收发模块、控制模块和接口单元组成[7-10]。根据智能保管箱的使用要求及当前读写器主流配置条件，所选读写器需具备以下几项功能。

（1）高性能多标签识别算法。

（2）双CPU 架构设计，主CPU 负责轮询标签，副CPU 负责数据管理，轮询标签和发送数据并行，互不占用对方的时间。

（3）快速多天线轮询功能，且能判断天线的连接状态。

（4）实现18000-6 B/C 全协议功能。

按照设计要求，选择深圳市深坂科技有限公司的M-380型读写器，如图4所示。

2.2.2 天线

电子标签中的芯片启动电路工作时，需要通过天线在读写器产生的电磁场中获得足够的能量，所以天线在电子标签与读写器数据通信中起关键作用。根据保管箱中手摇把的读写要求，天线需要满足以下几项指标：①频率为920～925 MHz;②增益≥3.5 dBic;③电压驻波比≤1.3 ： 1;④极化：圆极化[11-13]。按照智能保管箱的设计结构，手摇把并排放置在手摇把支座上，电子标签粘贴固定在手摇把上。为避免不被其他结构件干涉，更好地实现电子标签的准确识别，选择超高频RFID平板天线，安装固定在箱门内侧，如图5所示。

2.2.3 电子标签

电子标签一般按照工作频率可分为低频（LF）、高频（HF）、超高频（UHF）和微波（MW）4种;按照封装类型又可分为贴纸式电子标签、塑料电子标签和抗金属电子标签等。

在保管箱内，手摇把上的电子标签与天线之间的距离约150mm。由于超高频电子标签读取距离较远，读取的准确率和效率也较好，因此选择超高频电子标签。由于手摇把是金属材质，因此电子标签需具有抗金属性能，大小尺寸应适合在手摇把上粘贴固定。经过综合比较，选择超高频抗金属电子标签，尺寸为25mm×9mm×3mm。电子标签的封装方式为先在手摇把表面粘一层电磁屏蔽膜，然后粘贴电子标签，最后用2mm厚的热缩管封装固定。

2.2.4 微型主机

微型主机是智能保管箱的处理器，对读写器的读写数据进行存储和处理，并通过网线将保管箱的信息共享至局域网络。该系统选择英特尔NUC817BNH型主机，配备酷睿八代7-8559U处理器，配有4 个外接USB3.1端口，外形尺寸为117mm×112 mm×51 mm。

2.3 开关门检测单元

接近开关是一种无须与运动部件直接接触便可操作的位置开关，其具有动作可靠、性能稳定、频率响应快等特点。选择欧姆龙E2E-X5ME1-2型接近开关，当金属物体与开关感应面之间的距离小于5 mm时，无须接触或施压即可使开关动作，给计算机提供控制指令。本电路中，接近开关与RFID读卡器GPIO的1、2脚连接在当保管箱关门时会给读卡器指令，使读卡器启动识别手摇把信息，系统自动记录关门时间。

3 手摇把智能管理软件平台开发

按照《行规》中关于道岔手摇把的管理办法，开发了手摇把智能管理软件平台。利用企业办公局域网络，手摇把使用或调度管理部门可在该平台上完成手摇把的使用申请、发令授权等流程，可实时查看手摇把存放状态、智能保管箱开关门时间等信息。

该转辙机手摇把智能管理软件平台包括手摇把使用管理、平台管理和保管箱实时监测3个模块，其总体功能结构如图6所示。

3.1 手摇把使用管理模块

该模块主要包括手摇把使用申请、手摇把信息管理和保管箱信息管理3部分。

3.1.1 手摇把使用申请

该模块包括填写申请、审核批复、申请信息查询、特殊情况补填4个单元。按照《行规》中手摇把使用管理流程办法，电务或车务系统手摇把使用人员在平台填写使用申请，电务或车务调度管理部门收到申请后进行审核批复。如果遇到断网、停电的特殊情况时，先采用传统纸质申请方式办理，事后再进行申请信息补录。

3.1.2 手摇把信息管理

该模块包括手摇把信息查询、出入箱管理、超时未归还报警和手摇把信息管理4个单元。可以查看手摇把的编号、使用状态、出入箱时间等信息，对超过申请设定使用时间未归还的手摇把，提供自动报警提醒功能;且提供新增、删除或编辑手摇把信息等功能。

3.1.3 保管箱信息管理

该模块实现对保管箱所属车站、箱内手摇把数量、开关门时间等信息的查询，以及新增、删除、编辑保管箱信息的功能。

3.2 平台管理模块

该模块包括使用人员管理、调度人员管理和车站信息管理3个单元，实现对车站、手摇把使用人员、手摇把调度管理人员信息的添加、删除、查询，以及设置或修改用户登录密码等功能。

3.3 保管箱实时监测模块

该模块主要是开发本地Access数据库，存储手摇把电子标签和箱门接近开关采集的数据信息，并上传至局域网络服务器，以实现对手摇把和保管箱信息的实时在线监测。

4 结束语

本文介绍的转辙机手摇把智能管理系统实现了在办公局域网上完成手摇把的申请、批复、归档等作业流程，实现了电子化、无纸化办公。该手摇把智能保管箱让管理人员可以实时监测所属各车站手摇把的保管状态，以及使用和归还时间，对超时未归还的手摇把及时报警提示。该系统可有效提高转辙机手摇把的管理效率和安全水平，可在国内各火车站推广使用，市场前景十分广阔。

参考文献

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收稿日期 2019-12-23

责任编辑 党选丽