运用北斗定位系统实现自轮运转特种设备防撞预警的研究

2021-12-31张永青

科技创新与生产力 2021年11期

张永青，赵猛

（国能朔黄铁路肃宁分公司，河北沧州 062350）

1 研究背景

自轮运转特种设备是在铁路营业线上运行的铁路轨道车、救援起重机及铁路施工、维修专用车辆（包含架桥机、铺轨机、接触网作业车、大型养路机械等）的总称[1]，其运行状态直接关系到铁路运输过程及作业中的安全。随着近年来我国铁路的跨越式发展，自轮运转特种设备上线运行时间不断增加，同时施工作业也更为频繁，尤其是在同一封锁区间内的几辆车分解作业时，防撞方面存在很多安全隐患，因此对行车及作业安全的卡控提出了更高的技术与设备要求[2]。

目前，自轮运转特种设备在同一封锁区间作业时，为多辆车连挂编组。整列进入封锁区间，进入区间后分解作业，作业完毕后按照作业计划逐台进行连挂编组，编组完毕后整列返回车站。

多辆车在同一封锁区间作业时和作业完毕后连挂时采用的防撞措施有：明确作业计划中各车的分解、连挂地点及作业范围，依照预先计划实现防撞；司机在列车运行监控装置中输入相应地点和范围的公里标，通过监控装置进行控制；新建线路没有完整的列车运行监控装置地面基础数据时，各车司机使用对讲机进行联控，互相确认对方车辆的位置和运行状态。

车辆在封锁区间运行作业时，调度与列车自带的防撞系统作用十分有限，上述的几种防撞措施存在不确定的人为因素，均未实现自动化监测，在防撞过程中人控优先，无法对突发情况做出及时预警且判断的精确度较低。另外，监控数据输入错误或列车位于曲线地段因天气不良而导致驾驶员视线不佳等情况，在区间运行作业或连挂作业时极易造成两车碰撞事故。为避免此类事故发生，提高自轮运转特种设备的作业、运行安全性，提高监控系统的可靠性与自动化程度，尽量减少对铁路运输安全的影响，急需在自轮运转特种设备上安装一种智能化的防撞安全预警装置。

2 解决方案

本文设计了一种自轮运转特种设备防撞安全预警系统，可在自轮运转特种设备行车过程中实时监控行车前后方的道路状况。通过构建无线中心自主网络和信号，实时将列车的各项数据传输到网络中心。当列车在封锁区间续行或相对运行时，安全中心能不间断地计算出两台自轮运转特种设备间的距离。报警采用分级判断，当距离小于设定值时开始报警，当距离呈继续缩小趋势时报警信号不断加重，可及时不间断地提醒司机采取制动减速措施直到报警完全解除，从而消除自轮运转特种设备在作业期间发生碰撞的安全隐患。同时，控制中心的计算机可以模拟出设备的运行制动距离，以便更好地进行预警。该系统具有很大的应用价值。

2.1 系统构成

防撞安全预警装置的距离计算与监测采用北斗卫星定位技术。北斗卫星导航系统是我国自主研发设计的面向全球的卫星导航系统，主体由空间段、地面段和用户段3部分组成，面向全球，全天候、全天时为用户提供高精度、高可靠定位的导航及授时服务。该系统还具备短报文通信能力，经过多年的发展已经广泛应用于重点运输过程监控、公路基础设施安全监控、港口高精度实时定位调度监控等领域。自轮运转特种设备防撞安全预警系统采用北斗卫星定位技术，安全性与可靠性有保障[3]。通信方面，自轮运转特种设备防撞安全预警系统采用无线通信技术。区别于传统的雷达或总线技术，无线通信技术具有综合成本低、性能稳定、安装周期短、维护方便、扩容能力强等优点。

系统控制中心采用计算机进行统一管理。控制系统主要由北斗导航接收模块、无线通信数据模块、计算机控制芯片、显示屏、预警装置等组成。北斗导航接收模块用于传输列车位置及速度等信息；无线通信数据模块用于处理车辆和控制中心的数据交互；计算机控制芯片接收数据并计算相应的制动距离；显示屏和报警装置输出判断信息和预警信息，人机界面友好。系统整体采用智能化设计，装配简单，操作简便，具有独立的判断与预警能力，不受铁路安全控制系统以外信号的影响，具有较高的稳定性和可靠性。该系统可在各种场景环境下及时生成报警信息，帮助驾驶员高效、准确地完成安全行车任务，有效保证行车安全，大幅减少事故发生率[4]。

2.2 具体功能

1）防撞安全预警装置采用北斗导航接收模块，预先采集自轮运转特种设备运行全程线路的整体位置信息，构建线路标准位置及道路信息数据库，将线路标准位置数据事先存储于主机中。安全预警装置运行时，以线路标准位置数据为基础，对行驶中的列车进行远距离系统定位，计算出各列车之间的距离。区分上行下行车辆对于系统作出判断的作用十分重要，系统可以根据线路标准位置或标志位等信息准确区分同一区间不同行别的车辆，实时监测同一区间同一行别所有自轮运转特种设备的行驶速度和相对运行速度。可根据系统内置的程序计算列车间的警戒距离，当距离过近时输出报警信息，并通过无线网络传输监测信息，对目标预警车辆的相邻车辆实施预警。

综上所述，该系统能够判断列车上行和下行方向，避免旁轨上的车辆干扰计算系统；能够接收信号并判断列车前后两台车的速度和方向信息；能够对各种情况进行相关逻辑运算并报警。

2）系统具有分级报警的功能。当车辆运行速度超过20 km/h时报警生效，若相邻两车间的距离小于1 200 m，装置开始报警，并每间隔5 s报警一次；距离小于1 000 m时，每3 s报警一次；距离小于800 m时，每1 s报警一次。当车辆运行速度低于20 km/h时，停止报警。当两车距离小于30 m时，装置默认两车为连挂状态，两车的报警功能关闭，该车组与其他车辆之间的距离达到报警值时，相关的多台车辆同时报警。

3）该系统有别于传统技术方案（使用测距传感器、雷达、超声波、红外线、摄像机等），采用无线通信技术，可以对自轮运转特种设备未来的运行轨迹进行预测，具有一定的创新性和实用性[5]。当系统判断两辆列车上下行情况（是否为同一路线）后，根据速度与制动距离的关系进行预警。以GCY-270列车制动曲线为例，在这一车型中，列车制动距离与行驶速度近似于线性关系，计算机可以根据这种关系自动模拟出列车在对应速度下的制动距离。

对于其他新车型或未知参数的自轮运转特种设备，可根据车辆参数（制动距离、空走距离、制动初末速、换算制动率），利用公式计算出列车从制动初速度制动至某一规定速度（例如低于20 km/h时预警不生效）所需的制动距离，从而完成防撞安全预警。

根据大量数据分析，一辆运行速度为100 km/h的普通货运列车的极限制动距离是800~1 000 m。以朔黄铁路工程作业车为例，行驶路段限速一般是83 km/h或者73 km/h，且工程车重量仅为42 t左右，速度较快时牵引重量极低，远远达不到货运和客运列车的层级，需要额外设定除制动距离之外的安全距离。系统可以根据不同车型及道路规定等设定该距离。

系统还具有逻辑判断能力，对于同一线路上的两辆列车相遇、追击、相向时的制动距离计算完全不同，系统根据两车的速度及方向进行判断，根据预设的公式输出不同情况下的制动距离[6]。