移动脱轨器智能监测技术研究

唐健宁

（中国铁路南宁局集团有限公司 科学技术研究所，工程师，广西 南宁 530029）

0 引言

移动脱轨器是重要的行车安全设备，能让即将进入作业区段的列车脱轨并停止行驶，保护作业区段的设备和人身安全。但移动脱轨器为无源设备，无法远程监控工作状态，插撤正确与否只能依靠现场作业人员判断，值班员无法有效盯控，一旦误插、漏插可能导致严重事故。随着生产安全要求的不断提高，需要一套移动脱轨器智能监测系统，有效监控上下脱状态及实时位置，确保运输生产安全可控。

1 方案选取

移动脱轨器一般在货运站场使用，有三个主要特点，一是火车多、接发车频繁，信号易受遮挡和屏蔽。二是站场运输繁忙，申请施工流程复杂、改造难度大。三是涉及行车安全的敏感数据需要妥善传输和处理。因此在设计移动脱轨器智能监测系统时需要现场试验并选取合适的定位和传输方案，以适应站场运输生产需要。

1.1 定位方案

首先测试了最常用的射频识别（RFID，Radio Frequency Identification）方案，在移动脱轨器上安装RFID 标签，在上脱区域道旁安装RFID 读卡器，设置为定时不间断扫描，识别到指定编号的标签即上脱，道旁读卡器未识别且被铁箱内读卡器识别即下脱。测试发现RFID信号受金属干扰影响严重，有效识别距离仅约1 米，不满足移动脱轨器最大10 米-20 米的移动范围需求，而且只能判断有效识别区域内有移动脱轨器，不能精确判断移动脱轨器是否固定在铁轨上。

在综合比较了北斗卫星定位和超宽带无线通信定位（UWB，Ultra Wide Band）后，最终选择了UWB方案，RFID、北斗、UWB三个方案优缺点如表1所示。

表1 定位方案比较

UWB 使用短的能量脉冲序列，并通过正交频分调制或直接排序将脉冲扩展到一个频率范围内,使其在较宽的频谱上能够传送极低功率的信号，以实现至高2Gbit/s 的数据传输速率，具有穿透力强、功耗低、抗干扰效果好、安全性高、空间容量大、能精确定位等诸多优点，是目前较为热门的新技术，在室内定位、新能源汽车等领域被广泛使用。

对比传统UWB定位方案，选用了超宽带到达角度测距（A0A）阵列天线单基站定位系统，其内置阵列天线，通过方位角测距，单基站即可实现实测最大半径约30米、最小定位误差约0.5米的三维定位，相对传统UWB 三维定位所需的4 个基站，极大地降低了硬件成本，简化了站场施工改造和组网难度，更便于大规模推广。

1.2 数据传输方案

根据AOA 定位标签每秒回传一次数据，包含坐标、电量、报警等信息，分析不同的数据传输方案。对于远距离无线电（Long Range Radio,LORA）方案无法满足数据传输需求，而站场内敷设光缆手续繁杂难度大，采用4G网络必须做信息安全等级保护测评，流程长费用高，最终选择架设无线网桥将现场数据回传至值班室，各类数据传输方案优缺点如表2。

表2 传输方案比较

1.3 上下脱判断方案

移动脱轨器固定在铁轨上时为上脱状态，取走放入道旁铁箱内保存时为下脱状态，需要对移动脱轨器进行智能化改造，监控其上下脱状态。

虽然UWB 技术最优定位误差为0.5 米，但依然只能判断出移动脱轨器在哪个股道，并不能精确判断是否在铁轨上。为了解决这个问题，在移动脱轨器下表面安装了行程开关，当移动脱轨器固定在铁轨上时，开关被按压，拿起时，开关被释放，结合定位坐标就可以综合判断移动脱轨器上脱状态和股道号。

如图1，用3D 打印技术制作了一个简易固定装置，将定位手环固定在移动脱轨器上。手环上有两个实体按键，按压可产生报警，将移动脱轨器下表面行程开关的针脚和手环按键对应的电路部分相连，移动脱轨器上脱时，下表面开关被压住，导通信号传递到手环按键对应电路上，系统即会收到带有报警信息的坐标，比如当系统连续收到一组坐标在固定轨道区域并带有报警信息的坐标，即可认为移动脱轨器在该轨道已上脱。

图1 移动脱轨器改造

2 系统设计

图2 为移动脱轨器智能监测系统主界面，可以显示移动脱轨器的移动轨迹、划定的边界区域（超出报警）、股道号、上脱状态等信息，系统还可实现移动脱轨器状态管理、报警记录管理、日志管理、用户管理等功能。

图2 移动脱轨器智能监测系统主界面

2.1 数据架构设计

系统数据结构示意图如图3，分为主数据和业务数据两大块，主数据包括系统日志、状态监测、操作日志、划定边界区域等。

图3 数据结构示意图

2.2 技术架构

本系统后端基于DevexpressWinform 框架，采用分层架构设计。展示层采用Devexpress，提供良好的用户界面；数据层中，系统的主数据及非敏感业务数据采用关系型数据库MySQL 8.0 存储，敏感业务数据如用户密码采用MD5消息摘要算法加密存储。

2.3 定位坐标转换

定位引擎转发接收现场数据解算并生成坐标后，系统将坐标、电量、告警等信息转发到上层应用系统。由于定位系统坐标和管理系统上显示的地图数值比例并不一致，还需要根据现场情况调试后按比例缩放并增加偏移量以适配地图。将转换后的数值放入坐标数组内，通过chart control 插件在地图上绘制出圆点并保持显示10秒，不断动态更新坐标数组，即可实现移动轨迹的绘制，实现了移动脱轨器位置的实时检测。引擎转发数据使用UDP 协议，端口在配置信息中指定，默认端口为40001。

2.4 防漂移算法

在试验中发现，当移动脱轨器不使用放入铁箱中时，定位标签的信号有时会产生漂移，即返回的坐标和实际不符，如移动脱轨器在箱中，但坐标显示移动到了10道区域。

为此根据设备特性专门设计了一套防漂移算法，基本原理是当检测到移动脱轨器返回的坐标在划定的铁箱区域内后，如果相邻坐标偏移量超过设定阈值（即出现漂移），就不更新坐标位置，视为仍在箱内；当坐标出现连续移动时，视为移动，正常显示移动脱轨器实时位置。经过不断调试优化，解决了移动脱轨器放入铁箱后，信号会受到金属箱体的干扰导致定位漂移的问题。

3 现场试验

系统在中国铁路南宁局集团有限公司柳州南六场进行了试验。由于两条股道间距离有限，不便于立新杆。在保障行车和既有设备安全的前提下，定制了一套支架将AOA 定位基站、无线网桥安装在站场原有的列车试风柜上，并利用站场内空闲电杆安装无线网桥，最大化利用既有环境，减少施工环节，现场设备安装图如图4。

图4 现场设备安装

本系统2022 年11 月份以来一直在柳南六场使用，顺利实现了显示移动脱轨器实时的轨迹，正确显示上下脱状态，超出作业区域报警等重要功能，值班员反应良好，有效提高了柳南六场移动移动脱轨器的管理水平。

后续还将不断完善系统，去除手环外壳，为内部芯片重新设计外壳，更适合安装在移动脱轨器上，更换更大容量的电池增加续航，优化下表面行程开关和芯片电路间的连接方式等。

4 结束语

目前南宁局集团公司约有百条股道正在使用移动脱轨器。为了适应日益严苛的安全管理需求，急需进行智能化改造。本项目可以对移动脱轨器作业的全过程进行实时监控，极大提高了移动脱轨器的管理水平，可有效保障人身安全，具有良好的推广应用前景。