铁路智能电子移动信号牌和控制系统研究

邢晓佳

（中铁电气化局集团有限公司铁路工程公司，北京 100071）

1 引言

根据 《国铁集团铁路营业线施工管理办法》（铁调[2021]160 号）规定，铁路营业线的成段（连续3 根及以上轨枕）破底清筛、成组更换道岔、无缝线路应力放散、线路架空或加固后桥涵顶进等各项施工作业完毕后，施工作业地段需根据相应的列车放行条件进行阶梯提速。涉及限速的施工作业，需在施工作业地点来车方向的线路左侧设置移动减速信号牌，向机车司机及时并准确地提供限速信息，提示司机减速[1]。目前应用的移动减速信号牌多采用刷漆、粘贴反光贴等方式体现，每张牌只能显示一种限速值，每次放行列车条件的限速变换需要作业人员在非天窗进入护网更换相应的限速数值。移动减速信号牌限速数值的更换必须准时，否则可能会给机车司机提供错误的限速信息，从而引起事故[2]。作业人员多次在非天窗时间进入护网更换移动减速信号牌，且不能完全保证准时更换，给作业人员的人身安全及列车的安全运行带来了巨大的隐患。

鉴于此，本文拟研发一种铁路智能电子移动减速信号牌和控制系统，实现远程控制切换限速值，以减少非天窗时间作业人员进入护网更换移动减速信号牌的次数，减少作业人员的工作量，降低人身、行车及施工安全隐患。

2 总体设计

《普速铁路工务安全规则》（铁总运[2014]272 号）对移动减速信号牌的样式、颜色、尺寸等做出了详细的要求。

智能电子移动信号牌的基本设计思路是在保证正、反面的外观、颜色、尺寸符合相关规则要求的前提下，将牌体设计为中空圆柱体，圆面几何尺寸与相关规则要求保持一致，牌体中空位置放置智能操控部件，牌体正面开显示屏孔（280 mm×160 mm）。智能操控部件通过3G/4G/5G 网络实现与远程控制端的信息互通和远程控制。本设计还考虑了显示屏受损、故障、3G/4G/5G 网络信号弱、信号中断及无信号等不能准确显示限速值情况下的应急显示操控设计、信号牌显示状态的视频监控系统设计以及智能电子移动信号牌架杆设计。智能电子移动信号牌整体架构图如图1 所示。

图1 智能电子移动信号牌整体架构图

3 智能电子移动信号牌设计

3.1 移动减速信号牌牌体外观设计

3.1.1 外观形状及材质

移动减速信号牌外观设计为圆柱体箱盒，外壳采用高硬度且有一定柔韧度的轻质金属材质。为节省成本，箱体的背面和正面的非数值区延用喷涂反光漆。箱盒的正面和侧面可采用整体冲压工艺，一体成型，再在显示屏位置掏孔。为方便检修，背面设计为可拆卸后盖，且具备防水、防尘、防潮等功能。

3.1.2 图案及颜色

正面由外向内依次为宽10 mm 的白色反光漆涂层警示圈，宽20 mm 的黑色反光漆涂层警示圈，内圆为黄色反光漆涂层，限速值数字为黑色反光漆（两位数的数字尺寸为170 mm×140 mm）。背面除内圆为绿色反光漆、无限速值数字外，其他与正面一致。侧面颜色采用白色反光漆喷涂。移动减速信号牌的外观设计示意图如图2 所示。

图2 移动减速信号牌外观设计示意图

3.2 显示系统以及控制系统

3.2.1 显示系统

数字显示区采用超薄、节能的户外高清LED 显示屏[3]。要求显示屏显示黄底黑字（要求能显示3 位数，两位数字的字高为140 mm，字宽为170 mm；三位数字的字高为140 mm，字宽为255 mm），夜间清晰可见，白天在太阳光的照射下亦能清晰可见，耐风化，防水、防尘、防潮，有一定的抗击打能力（一定程度上可抵御冰雹等恶劣天气带来的破坏）。

3.2.2 控制系统

1）远程控制系统：可通过远程控制实现限速值切换。远程控制采用3G/4G/5G 信号控制，此远程控制端可以通过电脑、手机、平板电脑等多种端口控制来实现。设置人工切换、红外感应切换模式和智能切换3 种模式。人工切换模式为红外感应切换和智能切换出现故障时的备用模式。定时模式适用于按时段限速的数值切换，红外感应切换模式适用于按列车通过次数切换限速值的情况。

当红外感应切换系统或智能定时切换系统出现故障，不能及时完成限速值切换时，通过远程控制端调整为手动切换系统，利用人工操作远程控制端来实现限速值的切换。

远程控制仅限于3G/4G/5G 网络信号全覆盖的地域。

2）红外遥控控制系统：通过专门的红外遥控器或有红外功能手机的App 端来实现限速值切换。红外遥控器或手机App根据《普速铁路工务安全规则》中规定的限速值设置相应的按键，切换限速值前，作业人员到达移动减速信号牌位置的铁路护网外侧，在遥控器的有效距离范围内利用遥控器直接切换相应的限速值，但无须进入护网。

红外遥控控制系统适用于3G/4G/5G 网络信号未覆盖、信号较弱的地区及网络信号中断的情况。该红外遥控器可与应急装置的遥控合用。

3）供电系统：移动减速信号牌的设置时长由营业线施工管理细则中的列车放行条件和铁路天窗的设置决定。一般移动限速牌在现场设置会持续2～8 d 或更长（长期限速且未纳入列车运行监控记录装置的限速）。因铁路沿线无电源，移动限速信号牌应采用体积小、容量大的蓄电池供电，蓄电方式采用电源直充和太阳能充电相结合的方式。移动减速信号牌设置2个蓄电池组供电，一个为主蓄电池，另一个为应急备用蓄电池；正常工作时只用主蓄电池供电，应急备用蓄电池保持电量充盈，不参与供电；待主蓄电池电量用尽或者主蓄电池出现故障时，启用应急备用蓄电池。

4）实时监控系统：加装监控装置，以便随时查看移动减速信号牌的状态及限速值显示是否正确。监控装置宜采用微型高清摄像头，并将其与移动减速信号牌设计成为一个整体，将画面实时反馈回来。

5）应急备用系统：加装应急备用装置，一旦发生显示屏破裂、集成电路出现问题、主电源没电、接触不良、远程信号中断等无法正常显示信号的情况时，可以启动应急备用装置，避免给机车司机提供错误信息或不能提供信息。

应急备用系统主要由应急备用电源、控制模块、电机、显示卷轴等组成。该应急备用装置单独成立控制系统，应急备用装置供电采用独立的备用电源（备用电源在未启用的状态下可利用主电源补充电量），应急备用装置利用红外线或4G 网络远程实现控制，该装置采用遥控卷轴传动的方式转换限速数值，在显示器后面增加2 个卷轴，显示材料采用反光喷绘布，将所有限速数值印刷在反光喷绘布上，视觉效果要求黄底黑字，卷在上方卷轴上，牵引线绕过屏幕连接在下方卷轴上，通过远程控制端、遥控或手机App 等设备的远程控制，启动卷轴，卷轴转动，将上方卷轴上印有限速值的材料牵引至下方卷轴，以此实现切换限速数值。可设置数控模块，当选择某个数值时，模块根据事先设置好的程序将正确的数值展现出来。应急装置设计示意图如图3 所示。

图3 应急装置设计示意图

6）遥控的设计：红外线遥控内部设置变波发射装置，可以根据不同的需求来切换相应的波段发射，以实现对不同模块的控制。

4 智能电子移动信号牌架杆杆体设计

杆体采用不锈钢二级伸缩杆设计，杆体收缩状态长度为1 000 mm，杆体展开状态长度为1 900 mm。二级杆底部车出卡槽，伸缩关节处采用螺丝对应卡槽固定，防止二级杆随意滑动。二级杆顶部设置凸出环边，防止二级杆全部落入一级杆内。

杆体与移动减速信号牌箱体的连接采用丝扣连接方式，二级杆顶部车成螺杆丝扣，移动减速信号牌箱体底部焊接螺帽。

底部设折叠式三脚架腿，架腿展开长度为400 mm。架腿末端设置楔钉，楔钉入土深度200 mm。架腿分为平支撑和斜支撑两部分，平支撑采用不锈钢扁钢，远离杆体端开楔钉孔；斜支撑采用不锈钢圆管，末端开楔钉槽以藏匿楔钉。楔钉采用高强不锈钢钉，楔钉长度不小于250 mm，钉体开贯穿孔，用铆钉穿过楔钉贯穿孔使其与斜支撑连接在一起。

一级杆顶部设置可自动收线的缆风绳盒。防风绳采用防风化、防腐蚀、高韧性、耐磨、抗拉性强的聚乙烯线绳。防风绳的主要作用为将移动减速信号牌与既有接触网杆或栅栏捆绑在一起，或系在铁路反方向的固定物上，防止移动减速信号牌倾倒且倒向铁路线路方向，从而侵入铁路限界，引起事故。

5 结语

综上所述，本文提出的智能电子移动减速信号牌具有以下优点，值得在今后研发、生产及推广应用。

1）智能电子移动减速信号牌可以实现通过远程控制达到切换移动减速信号牌限速数值的目的。

2）可以实现减少作业人员在非天窗时间进入铁路护网及和穿越铁路运行线路的次数及在护网内逗留的时间，从而降低以上作业带来的人身及行车安全隐患。

3）可以通过视频监控来实现对移动减速信号牌显示状态的实时监控。

5）解决远程控制系统或显示装置出现故障后的应急处置，以及信号未覆盖区域远程控制系统不能发挥作用的问题。

6）解决传统杆体插入深度不足、不方便插入路肩、整体不稳的问题。