基于微波感应和超短波无线电通信自动化在铁路营业线施工安全防护中的应用研究

曾昭强

（甘肃酒额铁路有限公司，甘肃 酒泉735000）

1 引言

近年来，随着铁路项目建设的迅猛发展，铁路运输调度指挥、生产和维修设备设施自动化程度不断提高，营业线及邻近营业线施工作业时的安全风险和损失影响程度不断增大。但营业线及邻近营业线施工作业在探索自动化发展方向上取得的成果甚微，现场防护和安全防控工作仍停留在以两端防护员、施工安全员等人工防护和现场响应指挥为核心的基本层面。因此，开发研究营业线及邻近营业线施工安全自动化防护和响应系统十分必要。

为了解决营业线及邻近营业线施工安全防护自动化中的问题，本文从安全防护监测对象、预警信号传递、现场报警信号响应、自动化系统构建思路和应用可行性等几个方面进行研究。首先，分析安全防护监测对象的特点和存在的影响因素，确定以监测对象机械波为切入点，采用以多普勒效应原理的微波感应开关作为监测设备进行实时监测；然后，分析信号发送和传递条件，结合现场作业环境的特点，确定以超短波无线电通信方式进行预警信号传递；再分析接收预警信号的表示方式，明确预警的覆盖范围和响应程度，判别安全防护自动化方案的可行性；最后，简要总结全文内容。

2 安全防护监测对象和分析

在营业线及邻近营业线施工作业管理中，防护监测对象和重点始终以现场作业人员及行为为主，现场防护员、安全员均是围绕这一核心思想开展工作，但防护员的防护成效受其自身的职业素养和履职能力影响，这点以往是通过现场负责人、监理人员和建设单位配合人员进行巡视检查督促和呼叫应答响应机制进行规范和管理，会存在“行为盲区”。为此，将自动化感应监测代替视觉、听觉的人员行为，可以提高监测过往铁路机车行驶的实时性和可靠性，有效提高现场作业安全防护成效和作业人员下道避让行车的及时性。

2.1 监测对象特点

铁路机车在行驶过程中，会压缩周围的空气介质，产生机械波，这就是机车车辆运行时噪声的来源。同时，机车车辆在运行时，其产生的机械波在与车辆行驶方向相同时，波长被压缩、变短；产生的机械波在与车辆行驶方向相反时，波长被拉长、变长。

2.2 监测参数分析

基于多普勒效应表达公示，设波源为S，观察者L 分别以速度VS、VL在静止的介质中沿同一直线相向运动，波源发出波在介质中的传播速度为V，且VS＜V，VL＜V。当波源不动时，波源发射频率为f，波长为X 的波，观察者接收到的波的频率为：

1）当观察者和波源都不动时，VS=0，VL=0，由式（1）得f′=f；

2）当观察者不动VL=0，波源接近观察者时，观察者接收到的频率可简化为f′=fV/(V-VS)。此时，当观察者与波源相互靠近时VS＞0，f′＞f；当观察者与波源相互远离时VS＜0，f′＜f。

运用多普勒效应表达式的分析结果，并结合滤波技术，有效筛分剔除空气介质中传递的其他机械波，排除周边环境因素和人为因素影响，有针对性地监测接收机车车辆运行时产生机械波的情况，计算防护监测点接收到的机械波变化数值的大小，判别机车车辆的运行速度、相对距离，实现监控自动化和实时化。

3 报警信号发送和传递技术

当机车车辆通过时，监测设备输出预警信号，此时，需要将预警信号进行放大并传输。因铁路工程本身的特点，线路穿越自然地理环境复杂，沿线区间施工作业面有限，导致使用信号功率放大设备、携带蓄电设备、占用信号传输网络通道等受限，信号传递延迟且不稳定。为此，信号发送和传输，采用超短波无线电通信方式，克服现场信号传输无网络问题，同时，超短波无线电信号发送和接收设备无须时刻待机，有效降低信号发送装置能耗，可采用充电锂电池代替，轻量化信号发送装置。

3.1 超短波无线电通信技术

该技术是利用无线电波具有的波动传递信息的功能，从无线电波的特性来看，如同光波一样，无线电波可以反射、折射、绕射和散射传播。根据营业线及临近营业线施工现场作业环境中的干扰和不确定性多的特点，监测信号传递采用无线电通信中超短波（30～300 MHz），超短波特点对电离层的穿透力强，主要以直线视距方式传播，其稳定性高，受季节和昼夜变化的影响小。由于频带较宽，超短波通信被广泛应用于传送电视、调频广播、雷达、导航、移动通信等业务，其传递技术和设备成熟，可靠性强[1]。

3.2 信号发送装置设计原理

微波监测装置输出监测信号，信号通过判别模块对机车车辆速度和距离进行逻辑判别，按照逻辑优先级输出，根据判别结果分别输出预警准备、报警下道2 种警告信号。警告信号由简单的两位数字信号表示，分别为预警准备信号01、报警下道信号11。该信号通过对讲机模块调制到现场报警接收装置同频后，经过功率放大电路提升信号发射功率，最后，由天线电路进行输出，如图1 所示。

图1 信号发送装置设计原理

4 报警信号接收和表示技术

当监测信号在远端防护地点通过超短波输出和传递后，由作业现场报警接收装置进行捕获和接收，将信号转化为报警声音和报警灯光形式输出，通告现场作业人员，进行现场作业物料清理和人员避让下道，从而实现施工区段人员和设备的安全防护作用。

4.1 信号接收装置设计原理

信号接收装置通过选频电路对发送的警告信号进行筛分甄别，捕获到同频道的警告信号后，通过高频信号放大电路进行高频放大，并经过混频电路进行混频处理还原警告信号，经对讲机模块输出。经输出的预警准备信号和报警下道信号，由逻辑判别模块进行筛分，按照逻辑优先级输出，分别输入至预设语音模块和报警闪光模块，如图2 所示。

图2 信号发送装置设计原理

4.2 信号表示形式和装置设计原理

预设语音模块和报警闪光模块接收到警告信号后，分别输出警告音频和闪光信号。其中，音频分预警准备语音和报警下道避让两种语音，闪光信号分蓝色预警和黄色报警2 种LED 阵列闪光信号，并通过扬声器和LED 闪光阵列输出表示，如图3 所示。

图3 信号表示形式和装置设计原理

5 营业线及邻近营业线施工安全防护的应用方案

该施工安全防护设备由可移动远端监测防护装置、便携式个人警告装置2 部分组成。

营业线及邻近营业线施工前，现场作业人员通过可移动远端监测防护装置的操作面板，对个人佩戴警告装置进行调频，保证信号传递在同一频道上。营业线及邻近营业线施工时，在作业区段两端，由作业人员将远端监测防护装置，通过支架固定到作业同侧线路路肩，并使监测设备的监测段面向线路，通过目视将监测段的视角中线调整至与线路基本垂直。

当机车车辆向作业地点行驶时，微波监测装置监测到机车车辆的速度和位置数据，与内设速度和位置数据进行对比，达到预设值时，根据机车车辆相对观测点的位置和距离，以及机车车辆通过速度，启动对讲模块分别发出预警信号和下道信号。

现场作业人员佩戴的便携式个人警告装置，在接收到警告信号后，根据信号类型，立即启动语音模块和LED 闪光阵列，按照预设程序播放警告语音并接通警告灯光，提醒现场作业人员采取防护措施，实现安全防护的，如图4 所示。

图4 防护设备应用原理图

6 结语

本文首次提出将微波感应技术和超短波无线电通信用于铁路营业线及邻近营业线施工安全防护，分析了微波感应技术用于监测机车车辆速度和位置的可行性，结合超短波无线电通信技术特点，综合考虑警告信号的发送和接收后的现场人员行为情况，运用于现场作业施工安全防控。本应用系统由于采用监测和警告设备分离式，其设备功耗低、设备空间需求小、便携轻便，设备内部集成模块发展成熟，基础电路构造简单，信号发射波频稳定，传输抗干扰性强，具有低廉的制造成本和较大运用空间。