一种基于单轨运行的作业防护警示车

摘 要：在工务段工人进行天窗作业、养护道路等作业时，需要有人进行对远方来车的观察并向作业人员进行通知，该方式需消耗更多的人力。由于存在调度员失误、无线电故障等原因，可能会通知不及时导致列车进入维修区域进而引发重大危险事故，威胁维修工人的生命安全。文章研究一款单轨运行警示车，在工作人员作业时，小车自动巡逻警示，实时监测来车信息，如果车辆闯入，及时报警警示工作人员撤离，同时司机减速运行，有效防护作业人员生命安全。

关键词：防护 警示车 工务段

1 绪论

铁路运输生产是在国民经济中起到至关重要的作用，是联系社会生产、交换、消费等重要纽带，其中，旅客周转量占据全国60%，货物周转量占据全国的70%以上。铁路运输生产与人们的日常生产活动紧密相关，然而，保证铁路运输的顺利和安全更是非常关键的。而铁路工务段是铁路系统中的一个重要部门，主要负责维修、改造、建设铁路基础设施，为保障铁路交通安全、高效运行起到了至关重要的作用。

铁路线路维护是铁路工务段最基本的工作内容之一，其主要任务是确保铁路路基、轨道的安全、顺畅运行。具体包括：

（1）巡视线路：巡视铁路线路，发现线路的隐患、缺陷，及时采取措施消除。

（2）铁路道岔维护：对铁路道岔进行检查、维修、更换，确保道岔的开合、方向的正确性。

（3）防护工程维护：维修铁路隧道、桥梁等防护工程，确保工程的稳定、安全。

（4）制动距离检测维护：维修和管理制动距离检测系统，确保系统的稳定性和准确性。

目前铁路工务段的作业防护根据不同的作业环境，设置不同的防护，主要设置作业标、移动信号停车信息、设置驻站联络员、现场防护员、临时封锁施工等。但是目前由于防护员履职不到位，现场工人臆测行车，安全防护不周到，违反作业标准、违章蛮干等不同情况造成人员伤亡或者是设备损害等事故频发。比如典型的2021年6月4日5时18分，甘肃省金昌市境内兰新线K596次旅客列车运行至玉石至金昌站间与跨越线路的作业人员发生相撞，造成9人死亡，构成铁路交通较大事故。造成事故的直接原因是维修作业过程中，捣固稳定车发生故障，而工作人员在转场跨过股道的时候，现场防护人员盲目指挥、联防联控不彻底导致现场防护失效，造成了现场失控，导致人员死亡。

针对天窗作业、养护道路等作业中的安全问题，本文研发一种基于单轨运行的作业防护警示车，当作业工人进入施工区域时，将小车放置于钢轨上，小车以80公里/每小时的速度快速运行至指定位置，警示牌通过电路控制自动竖起。当列车司机看见警示牌时适当减速，在列车与作业防护警示车发生碰撞时，控制模块将信息发送至监控平台、骨传导耳机以及智能警示马甲，准确快速地传递危险信号，为作业工人躲避列车提供了充足时间，保障了作业工人的安全。若在作业过程中未有列车驶入，在作业结束时，作业工人可用监控平台控制放下警示牌，控制作业防护警示车反向驶回作业点位置，节省了人力消耗。

2 单轨警示车设计

单轨运行的作业防护警示车由单片机模块、通讯模块、发光模块、电源模块、压力传感器等部分组成，其中压力传感器通过检测外部压力传递信号至单片机，由单片机模块进行信息处理并通过通讯模块发送至监控平台、智能警示马甲的发光模块。

电机实现驱动警示车，给警示车提动力，通过两侧的四个轮子让警示车能卡在钢轨的轨头上实现警示车平稳行驶，通过监控平台控制实现警示车的前进、停止、后退及把控警示车的运动距离。警示车运行至指定位置后自动停车，警示车在列车驶过时，触发压力传感器传递信号，发送至监控平台、骨传导耳机以及智能警示马甲的发光模块。准确地判断警示车状态，进而判断有列车正在驶来，为作业人员躲避列车危险提供了充足时间，极大地保障了作业人员的作业安全。若在作业过程中未有列车驶入，在作业结束，作业人员可用监控平台控制警示车反向驶回作业点位置。

图1中，标号1为电机2为电源模块，3是单片机模块，4是信息检测模块及压力传感器。

3 单轨警示车工作原理

本文所研发单轨运行的作业防护警示车，其工作原理如图2所示。

当作业工人进入施工区域时，将警示车放置于钢轨上，警示车快速运行至指定位置，警示车开始作业警示。当列车与警示车发生碰撞时，前端响墩爆炸提醒司机紧急制动，触发压力传感器传递信号至STM32单片机，由STM32单片机进行信息处理并通过NRF24L01+PA发送至监控平台、LED声光报警器以及智能警示马甲。准确快速地传递危险信号，为作业工人躲避列车提供了充足时间，保障了作业工人的安全。若在作业过程中未有列车驶入，在作业结束时，作业工人可用监控平台控制智能警示车反向驶回作业点位置，节省了人力消耗。

智能单轨防护作业警示车的硬件系统分为单片机系统、直流供电模块，通信模块、压力传感器、MCGS嵌入式组态系统、电机、旋转编码器等几部分组成。其中，控制模块选用常用的STM32单片机，通过单片机的输入输出功能驱动电机的正转和反转，从而使得小车直行或者倒退。通信模块选用NRF24L01芯片，主要通过芯片的控制实现压力传感器和智能马甲的通信，从而警示工作人员。通过串联通信接口模块，实现组态触摸屏和单片机之间的通信连接，实时检测小车的位置，当有火车侵线时，显示屏提醒作业人员尽快撤离。

3.1 STM32单片机

本产品采用了ARM公司生产的STM32单片机。该单片机的最高工作频率为72MHz，具有128KBFLASH程序存储器，20KB的SRAM存储器，该单片机具备丰富的I/O端口包含2个12位的ADC、3个通用16位定时器和1个PWM定时器，还包含多达2个I2C接口和SPI接口、3个USART接口、一个USB接口和一个CAN接口，该款单片机具备省电模式可以保证低功耗应用的要求，能够满足警示车长时间工作的待机要求。

3.2 NRF24L01

NRF24L01是一款新型单片射频收发器件，工作频率是2.4GHz～2.5GHzISM。内部集成了频率合成器、功率放大器、晶体振荡器、调制器等各大功能模块，同时添加了增强型ShockBurst技术，通过程序控制，可以对输出功率和通信频道进行修改和配置。其工作原理为，当发射数据时，要将NRF24L01的配置修改为发射模式，同时，接收节点的地址TX_ADDR以及有效数据TX_PLD均要根据一定的时序由SPI口写入到NRF24L01缓存区，这里需要注意的是，CSN设置为低时连续，才可以写入TX_PLD，但是在发射时，TX_ADDR一次性写入，并且保证CE置为高电平，保持的时间不能少于10μs，在延迟130μs后方可发射数据。

3.3 MCGS嵌入式组态软件

本产品以北京昆仑通态自动化软件科技有限公司的TPC7062TD型组态触摸显示屏作为警示车作业状态接收端的显示设备，此系统的核心是Cortex-A8CPU，是一款高性能嵌入式一体化触摸屏，其频率300MHz。此款液晶显示屏分辨率是800×480，其中，四线电阻式触摸屏的分辨率为4096×4096。并且有MCGS嵌入式组态软件，因此可以进行多种数据处理和图像的实时显示。

3.4 电压模块

供电模块采用DC-DC直流转换电路集成板。直流变换电路主要工作方式是脉宽调制（PWM）工作方式，基本原理是通过开关管把直流电斩成方波（脉冲波），通过调节方波的占空比（脉冲宽度与脉冲周期之比）来改变电压。

3.5 压力传感器

为了方便检测来车信息，本产品选用IMS-S40A薄膜是压力传感器，因为薄膜原理传感器的体积小，厚度薄，放置在钢轨上不会对来车造成伤害，但可以检测出车辆压力，因此这里选用精度不高的薄膜式传感器，而不选用精度很高的称重压力传感器。

3.6 光电编码器

光电编码器主要由光栅盘和光电检测装置构成，在伺服系统中，光栅盘与电动机同轴致使电动机的旋转带动光栅盘的旋转，再经光电检测装置输出若干个脉冲信号，根据该信号的每秒脉冲数便可计算当前电动机的转速，进而确定小车来回往返的距离。

4 单轨警示车工作流程

一种基于单轨警示车的工作流程如图3所示，当警示车在接收到监控平台的指令后开始向目标点移动，旋转编码器计算车轮旋转圈数，计算警示车运行距离，若未到达指定位置，上位机发现并人为纠正，警示车继续运行；当警示车运行到位后，激活压力传感器和超声波测距模块，判断是否有物体进入后方作业区域，若无物体进入，后方作业完成后，上位机发送回收指令，警示车返回人员位置，断电回收；若在此期间有物体进入，超声波测距模块判断物体距离，压力传感器模块判断物体质量，综合判断是列车驶入或人员误闯，若是人员误闯，警示车不作出反应，等待上位机回收指令；若判断是车辆驶入，警示车向上位机发送危险信号，上位机报警，发光马甲闪烁，报警器报警，提示人员撤出股道。

5 单轨警示车工作成效

基于单轨运行的作业防护警示车，主要用于降低人工作业强度、完善作业防护，具有危险预警智能化、传输信号可视化等优点、能够更加智能化进行作业防护预警。电机实现驱动警示车，给警示车提供动力，通过两侧的四个平衡侧轮让警示车能卡在钢轨的轨头上实现警示车平稳行驶，小车以80公里/每小时的速度快速运行至指定位置。在列车与作业防护警示车发生碰撞时，控制模块将信息发送至监控平台和智能警示马甲，准确快速地传递危险信号，为作业工人躲避列车提供了充足时间，保障了作业工人的安全。若在作业过程中未有列车驶入，在作业结束时，作业工人可用手持遥控器控制作业防护警示车反向驶回作业点位置，节省了人力消耗。

基金项目：西安铁路职业技术学院院级课题编号：XTZY24K03，一种基于单轨运行的作业防护警示车设计与研究。

参考文献：

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