動車組不落輪鏇修作業自動對位系統可行性應用分析

黃建欣

（廣東深莞惠城際鐵路運營有限公司，廣東深圳 518026）

0 引言

動車組實行走行公里周期為主、時間周期為輔的計劃預防修，其中輪對鏇修作業按照每運行20～25 萬公里開展，以保證車輪和軌面接觸性能，確保列車行駛平穩性。輪對鏇修時動車組需由帶電區域牽引至無高壓電的鏇修庫，輔助作業人員利用公鐵兩用車為動車組提供動力，并驅動動車組將需鏇修的車輪移動到鏇床相應位置，實現輪對對位。在現場實操中輪對對位耗人、耗時、效率低，隨著近年高鐵配有量增長，相應的動車組鏇修任務日益繁重，利用動車組不落輪鏇修作業自動對位系統，可減少人員投入、縮短鏇修綜合用時，達到提升鏇修效率目的。

1 系統組成

系統主要通過在既有公鐵兩用車上增設遠程監控設備，采用雷達定位、攝像采集、數據分析等技術，實現動車組輪對鏇修作業自動對位，具體系統組成如圖1所示。

圖1 系統組成

1.1 數據采集

系統擁有豐富的數據采集模塊，可根據需求采集數據，為對位算法提供數據支撐。具有動車組車型、車號采集模塊、粗對位采集模塊、精對位采集模塊等功能。

1.2 數據中心

數據中心用于存儲采集的所有數據及進行數據運算，可按動車組車型、車號，自動分析計算鏇修輪對位置，每次作業完成后可根據車組號及日期進行歸檔，形成輪對鏇修數據信息庫，便于后期輪對鏇修數據的統計、分析和查閱。

1.3 數據處理執行器

系統通過對應接口調用數據中心的數據，經過數據處理器運算，并將得出結果發送至執行器。執行器根據算法結果調用公鐵兩用車控制指令，驅動公鐵兩用車以5km/h 的速度行駛，并在到達既定鏇修輪對位置后自動停止，實現自動對位控制。

1.4 監控中心

監控中心通過監控平臺查詢各關鍵監控點的實時動態信息。在執行鏇修輪對對位時，可通過監控平臺查看關鍵監控點的實時狀態，對公鐵兩用車行走過程周圍環境進行監控，在發現危及行車安全問題時可遠程快速停止車組行走，實現實時有效、多點防護的功能。

1.5 安全防護模塊

系統采用關鍵監控點防護、異物遮擋保護、移動區域保護、脫軌保護、硬性超限保護、物理隔離保護、超時保護、數據驗證保護、心跳保護等多道安全防護，可有效確保系統安全性。

2 系統主要功能

2.1 自動對位

首先，在現有的公鐵兩用車上安裝遠程控制模塊，獲取公鐵兩用車控制權。其次，在鏇輪機床安裝粗對位采集模塊、精對位采集模塊及車廂信息采集模塊，用于數據采集。最后，在操作臺選擇“南向對位”或“北向對位”按鈕以實現正向或逆向的轉向架或輪對自定義對位，滿足動車組全列輪對鏇修或單個輪對故障鏇修的需求。

2.2 實時場景監控

公鐵兩用車和動車組對位經過的區域均設置監控攝像頭，擬定為安全防護區。攝像頭的監控圖像可實時回傳數據中心，數據中心通過監控展示平臺同步顯示各監控關鍵點動態信息。輪對鏇輪作業人員在操作自動對位時，可查看各個關鍵監控點的實時動態。當發現異常情況時，可通過操作臺或急停按鈕快速控制公鐵兩用車停止運行。為避免動車組牽引時人員突然闖入，攝像頭監控數據具備預警分析功能，一旦發生人員入侵可實現自動停車[1]。

2.3 激光雷達防護

在公鐵兩用車車頭安裝激光雷達，激光雷達可采集前方5m 內的數據信息，擬定為公鐵兩用車前行保護區。當發現保護區域被遮擋，系統判斷前方存在人為侵入或存在異物情況，將自動切斷公鐵兩用車移動信號源，并將危險信號轉發至控制臺?？刂婆_收到危險信號后，立即切斷公鐵兩用車控制源，此時公鐵兩用車將停止運行，操作人員需通過監控屏確認或現場處理后，方可手動恢復公鐵兩用車行走。

2.4 語音播報警示

通過安裝高分貝的語音播報器，當公鐵兩用車移動行走時，語音播報器開始警示，提醒人員注意安全。當對位牽引系統未被啟動，操作人員可在啟動前通過監控平臺查看保護區情況，發現人員進入時，可語音播報提醒人員離開，保證牽引系統啟動前的風險。

2.5 無線網絡及控制

無線網絡和無線控制采用不同種類的網絡方式，實現物理層隔離效果。監控視頻通過有線及無線兩種方式向數據中心回傳數據流。近距離傳輸使用交換機進行數據交互，遠距離傳輸通過網橋傳播，可節省布線成本，降低故障率的發生。無線網絡具有自動診斷功能，當與監控中心無法連通時，將自動重啟。為保證安全控制，公鐵兩用車遠程控制采用專用無線傳輸協議，可防止外來用戶通過無線信號侵入系統。在控制信息交互上采用邏輯交互鎖，錯誤的交互邏輯指令會觸發入侵保護程序，系統將強制鎖定控制源的有效性，提升防護等級。

2.6 全過程信息存檔

采用信息化控制系統，將行車視頻、操作員操作日志、設備動作日志、采集數據等信息進行歸類存檔，形成方便查閱的后臺數據。后臺數據可根據車型、車號、日期等索引，為數據分析便利化提供保障。

3 系統作業流程

3.1 系統獲取公鐵兩用車控制權

開工前，公鐵兩用車操作員與鏇輪作業人員辦理鑰匙和錄音筆交接，填寫交接記錄。當公鐵兩用車鑰匙拔出后并插入系統時，自動對位系統方可獲取公鐵兩用車的控制權限。

3.2 遠程信號控制

動車組檢修作業時，需在來車方向的右側設置信號指示燈，特別在輪對鏇修作業過程中，頻繁的對位需作業人員前后行走，進行關閉和開啟信號指示燈，單次行走（往返）最長約400m，作業既耗時又耗人。在已安裝自動對位系統的輪對鏇修軌道，將采取固定式信號燈管理，牽引對位時，鏇輪作業員可通過系統遠程關閉固定式信號燈；反之，牽引對位完成后，可通過系統遠程開啟固定式信號燈，實現整車鏇輪作業期間，無需人員來回行走設置信號，提高作業效率。

3.3 系統登錄

鏇輪作業人員憑個人賬號和密碼登錄系統客戶端，系統賬戶一人一號，作業過程全過程記錄。

3.4 遠程聯防

鏇輪作業人員操作公鐵兩用車前，通過視頻監控確認股道兩側無異物、前后方無阻擋。

3.5 對位系統與鏇修機床的互鎖

鏇輪作業人員啟動智能對位系統前，應確認鏇輪庫股道指示燈狀態，指示燈為綠燈時，表示鏇輪機床各項準備工作到位，動車組可以移動入庫；指示燈為紅燈時，禁止操作智能對位系統。同時，智能對位系統已實現與鏇輪機信號燈的互鎖功能，當鏇輪機信號燈為紅燈時，開啟對位操作無效。

3.6 執行自動對位

鏇輪作業人員負責操作智能對位系統對位，在操作界面輸入車號，點擊“南向對位”或“北向對位”開啟對位操作，并全程盯控監控中心各關鍵防控點的實時狀態，此時公鐵兩用車將自動行駛對位。

3.7 退出登錄

對位完畢后，鏇輪作業人員退出智能對位系統軟件操作界面，拔出權限鑰匙退出控制權。每次重新登錄對位操作系統時，均須重新登錄賬號和密碼，以及插入權限鑰匙獲取控制權限。

3.8 關閉信號燈

全列動車組鏇修計劃任務完成后，鏇輪作業人員遙控關閉信號燈，退出智能對位系統，關閉控制主機，鏇輪作業任務完成。

3.9 任務完成

公鐵兩用車操作員和鏇輪作業人員辦理鑰匙和錄音筆交接并登記后，操作員再將動車組推送至指定位置后解編、下道作業，完成鏇輪任務。

4 系統控制原理

4.1 系統啟動

點擊自動對位按鈕，系統先檢測設備啟動條件，如機床互鎖信號、激光雷達信號、權限獲取信號、安全回路信號等是否滿足條件；當啟動條件滿足時系統將會初始化，當啟動條件不滿足時，啟動命令將被禁止，提示不被啟動的原因。

4.2 系統初始化

系統啟動階段，將對視覺相機、采集傳感器、緩存數據等進行數據初始化，并對各軟件進行通信診斷，確認正常則自動進入高速（5km/h）粗對位階段。

4.3 高速粗對位

進入高速粗對位階段意味著系統已經判別系統硬件及軟件均正常，屆時系統關閉信號燈，同時打開語音播報提示，并長鳴10s 公鐵兩用車喇叭后進入高速移動環節。系統控制公鐵兩用車高速移動的同時，開啟高速粗采集模塊的數據采集，將采集回來的數據同步到算法服務器進行位置判別，當初步判別為目標位置時，系統將自動跳轉到低速（1km/h）精準對位階段。

4.4 低速精準對位

進入低速精準對位階段后，系統會自動開啟低速精準采集模塊。因系統降低了動車組移動速度，精準采集模塊可以采集到清晰的數據圖片，并通過算法服務器實時的將圖像信息轉換為位置信息發送給控制器。當位置信息滿足對位預設值范圍內，控制器將啟用中斷命令停止公鐵兩用車的控制，完成輪對對位。

4.5 解除安全防護

系統對位準確后會自動記錄數據，并停止語音播報、同時打開信號指示燈、然后退出公鐵兩用車控制權。此時自動對位的鏇修庫解除安全防護。

5 智能對位系統與人工對位的優勢

5.1 對位人員

人工：動車組每擔輪對鏇修時均需對位后再進行鏇修，每次對位作業需要4 人協作完成，全列輪對鏇修時，頻繁調車時間較長；

智能對位系統：每次對位僅需要1 人完成，較之前減少3 名。

5.2 對位環境

人工：室外盯控，人員受炎熱氣候、雨雪等惡劣天氣影響；

智能對位系統：室內作業，不受天氣變化影響，減少風險。

5.3 對位時間

人工：作業前的崗位溝通、準備、上下信號燈，一次對位耗時約30min。

智能對位系統：可一鍵啟動對位、遠程上下信號指示燈，一次對位僅需3min。特別在動車組全列輪對鏇修時，作業時間由原來的2d 縮短至1d 完成，減少了50%的時間。

5.4 對位安全

人工：盯控局限在車尾及車頭，需使用對講機溝通實時場景信息，存在溝通不暢、信息延緩等問題。

智能對位系統：可同步盯控多個重要防護點的實時動態，盯控和實操均為同一人，減少溝通環節。

5.5 對位數據管理

人工：人工錄入或書寫記錄。

智能對位系統：系統自動記錄并存檔，后期可查可用。

6 系統實際使用效果

自動對位系統研發完成后，在廣州動車段廣州南動車運用所現場試用，效果反應良好：第一，減少作業人員數量。第二，降低作業人員勞動強度。第三，多方位實時監控，確?？刂瓢踩?。第四，數據信息化，全程記錄，具有可追溯性。第五，縮短作業時間，提高效率。第六，利用既有公鐵兩用車改造，減少成本投入。試用該系統后，投入成本小，減少作業人員，簡化作業流程，大幅度提升了鏇修作業工作效率[2]。

7 結語

通過改造現有公鐵兩用車設備和優化作業流程，利用視覺傳感器“替代”人的眼睛，識別定位算法“替代”人的大腦分析，通過實時遠程監控及報警系統建立安全防護網，通過自動牽引和制動系統實現無人駕駛。系統將各個新“組織”完美結合成新的智能對位系統，智能對位系統在人力、時間、效率上都取得了顯著的成績。同時，該設計也適用于軌道機車的對位或指定區域的有限控制，應用范圍可擴展為高鐵、普客、地鐵、有軌電車等軌道機車。