车辆溜逸安全防护系统研究

乌 峥， 朱攀峰，李亚亚

（1.中国铁路北京局集团有限公司 运输部，北京 100860；2.北京思维鑫科信息技术有限公司，北京 100067；3.机械工业经济管理研究院，北京 100055）

车辆防溜作业是行车安全中的一项重要环节，通常，由调车作业人员使用防溜器具，如普通铁鞋、人力制动机紧固器等，放至于车辆两端，防止车辆溜逸。值班人员手工登记防溜器具设防与撤防信息；通过人工周期巡检方式，并按照一定周期检查停留车防溜状态是否良好，如遇大风等恶劣天气，则缩短巡检周期。人工办法不能及时发现车辆防溜状态异常，同时，由于车站环境复杂，人工巡检会带来人身安全问题。目前，国内很多学者就车辆溜逸监测进行了研究，崔志斌[1]等人研究了智能铁鞋联网监控系统，通过分析铁鞋防溜状态，输出制动信号，控制机车走行，以保证机车安全，但是，该系统一旦出现误报故障，会导致机车制动，影响铁路行车组织效率。刘鑫鹏[2]等人研究智能铁鞋管理系统，实现了铁鞋的运用与管理功能，但是，大量信息需要人工录入，增加了作业人员劳动强度。上述研究均未考虑车站作业环境（如设备取电困难）和作业流程，本文基于上述研究，梳理既有防溜作业流程，研究车辆溜逸安全防护系统，实现防溜作业全过程监测，提高车辆防溜作业标准化程度，采用射频识别（RFID）技术识别作业人员信息及设防信息，避免人工录入，以及由此导致的错误问题，通过图像识别技术与微机联锁进行信息联控，避免因防溜器具漏设、漏撤等导致的行车惯性事故。采用低功耗物联网通信技术和铁鞋箱光伏供电方式，解决现场设备部署取电困难等问题。

1 现状及需求分析

1.1 现状分析

当前，车辆防溜作业主要由室外调车作业人员与室内值班员组成，调车作业人员负责从防溜器具箱取用铁鞋并对车辆进行设防作业，设防完成后，通过无线电台告知值班人员设防信息，包括设防股道、设防方向、警内距离等，值班人员根据设防信息进行手工登记。调车作业人员按一定周期进行现场巡视，检查车辆防溜状态。撤防时，由调车作业人员将防溜器具归位并上报撤防信息，值班员根据撤防信息进行手工销记。该作业存在以下缺陷[3]。

（1）信息延迟及误报

设防人员通过无线电台上报设防与撤防信息，部分车站完成当前调车作业后再上报设防与撤防信息，防溜信息延迟大，同时，作业人员通过电台语音沟通，漏报、错报等情况时有发生。

（2）警内距离不准确

人工估算警内距离，估算误差大，由此导致的超限车辆挤岔事故时有发生。

（3）防溜器具状态无法实时掌握

仅依赖周期巡检获知车辆防溜状态和防溜器具箱锁闭状态，无法实时掌握铁鞋防溜失效、防溜器具箱漏锁而导致的防溜器具丢失等异常状态。

（4）“带鞋开车”事故风险

铁鞋“漏撤”导致“带鞋开车”的调车事故时有发生。

（5）人身安全

作业人员频繁穿越股道进行巡检作业，带来较大的人身安全问题。

（6）管理困难

管理人员仅能通过防溜登记簿进行防溜查询，无法实现自动统计、查询功能。

1.2 需求分析

根据现状分析，得系统功能需求，如表1所示。

2 系统架构及主要功能

2.1 系统架构

车辆溜逸安全防护系统以车站为中心[4]，通过引入传感器、物联网、无线通信、网络通信、GPS/BD定位等技术，研发智能铁鞋、防溜器具箱、无线通信基站等设备，结合现场的人、车、防溜状态等实时状态，从车辆防溜着手，进行流程再造，实现车辆防溜作业安全防护的整体提升，系统架构如图1所示。

表1 系统功能需求表

图1 系统架构示意图

2.2 主要功能

（1） 防溜失效自动检测

防溜铁鞋内置高精度传感器，实时监测当前铁鞋与车轮之间的距离和铁鞋在轨信息，当距离超出设定阈值或铁鞋掉道后，立即上报其防溜失效信息，通知巡检人员现场查看铁鞋，有效防止溜车事故发生。因无需人员周期巡检，可显著降低因人工巡检带来的人身伤害概率。

（2）自动定位

智能铁鞋内置定位模块，出箱时，启动其定位功能；设防时，可自动上报当前设防股道与警内距离信息，距离误差≤5 m，警内距离精确度明显提高。智能铁鞋离开当前归属车站电子围栏后，上报铁鞋丢失报警信息。

（3）自动充电

智能铁鞋归箱具备自动充电功能，防溜器具箱具备光伏充电功能，解决车站因线路施工困难而导致的部署难题。

（4）“带鞋开车”自动监测

实时监测信号员微机联锁操作状态，股道进路开放前，若未撤除防溜，系统将及时报警，提示开放进路风险，预防“带鞋开车”事故的发生[5]。

（5）防溜器具全程管理（电子占线板）

系统通过电子化手段，实现对防溜器具在库内、途中、设防、撤防的状态全过程闭环管理，自动生成占线板，实现防溜器具及防溜过程的自动化记录，取代传统的人工登、销记管理模式，提升设备管理水平。

（6）防溜作业自动记录

系统能够自动记录设备状态与操作过程，优化既有防溜作业流程，规范管理手段。

3 关键技术

3.1 RFID

RFID是物联网应用的核心技术之一[6]。本系统利用其身份识别功能，在打开防溜器具箱时，由开箱人员携带RFID身份标签进行扫码开箱，防溜器具箱识别该RFID身份标签：具备开箱权限时，驱动开锁模块自动打开防溜器具箱，否则，视为无效标签，不予开箱。在铁鞋设防/撤防时，由铁鞋扫码模块扫码设防/撤防人员RFID身份标签，并自动上传至系统服务器，确保设防/撤防人员信息准确无误。

3.2 图像识别

采用高清摄像头采集微机联锁界面并实时分析信号员操作信息，在信号员操作微机联锁界面时，系统同步识别出股道开放信息，若当前开放股道存在防溜器具未撤除时，系统发出语音报警提示，图像识别的各个模块及功能，如表2所示。

3.3 低功耗及光伏供电

LORA（Long Range）是一种低功耗远距离无线通信技术，利用线性调制扩频技术，在牺牲了传输带宽的基础上，实现低功耗及远距离传输[7]，本文在利用LORA无线通信的基础上，采用超低功耗策略，实现防溜器具箱以极低的功耗运行。

（1）防溜器具箱设定3 min休眠周期。防溜器具箱检测完自身状态并上报服务器，完成数据发送后进入休眠状态。

（2）开箱动作产生中断并唤醒防溜器具箱，此时，防溜器具箱处于正常工作状态，箱门关闭后，进入3 min休眠周期。

防溜器具箱供电端采用光伏[8]和蓄电池供电，蓄电池容量为100 Ah电源，光伏面板采用功率为50 W多晶硅面板，光伏面板每日最低可输入16 Ah电流（不包含冬季），防溜器具箱日均消耗电量为0.96 Ah，在无光伏电流输入情况下，系统可维持供电106天，满足一般情况下的冬季运转周期。

表2 图像识别模块及功能表

4 系统作业流程

系统采用闭环控制策略，可实时查看当前铁鞋所处状态，如出/入箱、设防、撤防、防溜异常、丢失报警等。

（1）图像识别采集当前车站股道占用情况，并传输至服务器，服务器根据股道占用情况、调车信号机开放状态、股道占用情况共同确定待防溜股道。

（2）调车人员通过人员ID标签贴近铁鞋箱扫码区进行开箱，开箱完成后由铁鞋箱自动上报开箱人员信息。

（3）调车人员行走至设防位置后，再次将人员ID标签贴近铁鞋扫码区并进行设防操作，设防完成后，由铁鞋自动上报设防人员信息及当前防溜状态。

（4）服务器根据铁鞋上报设防人员信息、设防方向、当前股道GPS/BD定位信息，结合图像识别采集的股道占用信息进行股道设防信息确认。

（5）系统界面输出防溜确认信息，由信号员与调车人员进行防溜作业确认。

（6）连接员撤除防溜铁鞋后，扫码自身RFID标签，铁鞋上报撤防成功。

5 结束语

本系统于2018年部署至北京局集团有限公司任丘站，如图2所示。系统可实时监测车站防溜作业状态、防溜器具箱的状态、箱内智能铁鞋数量及电量信息，避免因防溜器具漏设、漏撤等导致的行车事故，通过现场应用，验证了系统的有效性。与传统防溜作业比较，显著降低了防溜作业的劳动强度，提高了车辆防溜作业的标准化水平。

图2 车辆溜逸安全防护系统现场部署图