一種基于單軌運行的作業防護警示車

摘 要：在工務段工人進行天窗作業、養護道路等作業時，需要有人進行對遠方來車的觀察并向作業人員進行通知，該方式需消耗更多的人力。由于存在調度員失誤、無線電故障等原因，可能會通知不及時導致列車進入維修區域進而引發重大危險事故，威脅維修工人的生命安全。文章研究一款單軌運行警示車，在工作人員作業時，小車自動巡邏警示，實時監測來車信息，如果車輛闖入，及時報警警示工作人員撤離，同時司機減速運行，有效防護作業人員生命安全。

關鍵詞：防護 警示車 工務段

1 緒論

鐵路運輸生產是在國民經濟中起到至關重要的作用，是聯系社會生產、交換、消費等重要紐帶，其中，旅客周轉量占據全國60%，貨物周轉量占據全國的70%以上。鐵路運輸生產與人們的日常生產活動緊密相關，然而，保證鐵路運輸的順利和安全更是非常關鍵的。而鐵路工務段是鐵路系統中的一個重要部門，主要負責維修、改造、建設鐵路基礎設施，為保障鐵路交通安全、高效運行起到了至關重要的作用。

鐵路線路維護是鐵路工務段最基本的工作內容之一，其主要任務是確保鐵路路基、軌道的安全、順暢運行。具體包括：

（1）巡視線路：巡視鐵路線路，發現線路的隱患、缺陷，及時采取措施消除。

（2）鐵路道岔維護：對鐵路道岔進行檢查、維修、更換，確保道岔的開合、方向的正確性。

（3）防護工程維護：維修鐵路隧道、橋梁等防護工程，確保工程的穩定、安全。

（4）制動距離檢測維護：維修和管理制動距離檢測系統，確保系統的穩定性和準確性。

目前鐵路工務段的作業防護根據不同的作業環境，設置不同的防護，主要設置作業標、移動信號停車信息、設置駐站聯絡員、現場防護員、臨時封鎖施工等。但是目前由于防護員履職不到位，現場工人臆測行車，安全防護不周到，違反作業標準、違章蠻干等不同情況造成人員傷亡或者是設備損害等事故頻發。比如典型的2021年6月4日5時18分，甘肅省金昌市境內蘭新線K596次旅客列車運行至玉石至金昌站間與跨越線路的作業人員發生相撞，造成9人死亡，構成鐵路交通較大事故。造成事故的直接原因是維修作業過程中，搗固穩定車發生故障，而工作人員在轉場跨過股道的時候，現場防護人員盲目指揮、聯防聯控不徹底導致現場防護失效，造成了現場失控，導致人員死亡。

針對天窗作業、養護道路等作業中的安全問題，本文研發一種基于單軌運行的作業防護警示車，當作業工人進入施工區域時，將小車放置于鋼軌上，小車以80公里/每小時的速度快速運行至指定位置，警示牌通過電路控制自動豎起。當列車司機看見警示牌時適當減速，在列車與作業防護警示車發生碰撞時，控制模塊將信息發送至監控平臺、骨傳導耳機以及智能警示馬甲，準確快速地傳遞危險信號，為作業工人躲避列車提供了充足時間，保障了作業工人的安全。若在作業過程中未有列車駛入，在作業結束時，作業工人可用監控平臺控制放下警示牌，控制作業防護警示車反向駛回作業點位置，節省了人力消耗。

2 單軌警示車設計

單軌運行的作業防護警示車由單片機模塊、通訊模塊、發光模塊、電源模塊、壓力傳感器等部分組成，其中壓力傳感器通過檢測外部壓力傳遞信號至單片機，由單片機模塊進行信息處理并通過通訊模塊發送至監控平臺、智能警示馬甲的發光模塊。

電機實現驅動警示車，給警示車提動力，通過兩側的四個輪子讓警示車能卡在鋼軌的軌頭上實現警示車平穩行駛，通過監控平臺控制實現警示車的前進、停止、后退及把控警示車的運動距離。警示車運行至指定位置后自動停車，警示車在列車駛過時，觸發壓力傳感器傳遞信號，發送至監控平臺、骨傳導耳機以及智能警示馬甲的發光模塊。準確地判斷警示車狀態，進而判斷有列車正在駛來，為作業人員躲避列車危險提供了充足時間，極大地保障了作業人員的作業安全。若在作業過程中未有列車駛入，在作業結束，作業人員可用監控平臺控制警示車反向駛回作業點位置。

圖1中，標號1為電機2為電源模塊，3是單片機模塊，4是信息檢測模塊及壓力傳感器。

3 單軌警示車工作原理

本文所研發單軌運行的作業防護警示車，其工作原理如圖2所示。

當作業工人進入施工區域時，將警示車放置于鋼軌上，警示車快速運行至指定位置，警示車開始作業警示。當列車與警示車發生碰撞時，前端響墩爆炸提醒司機緊急制動，觸發壓力傳感器傳遞信號至STM32單片機，由STM32單片機進行信息處理并通過NRF24L01+PA發送至監控平臺、LED聲光報警器以及智能警示馬甲。準確快速地傳遞危險信號，為作業工人躲避列車提供了充足時間，保障了作業工人的安全。若在作業過程中未有列車駛入，在作業結束時，作業工人可用監控平臺控制智能警示車反向駛回作業點位置，節省了人力消耗。

智能單軌防護作業警示車的硬件系統分為單片機系統、直流供電模塊，通信模塊、壓力傳感器、MCGS嵌入式組態系統、電機、旋轉編碼器等幾部分組成。其中，控制模塊選用常用的STM32單片機，通過單片機的輸入輸出功能驅動電機的正轉和反轉，從而使得小車直行或者倒退。通信模塊選用NRF24L01芯片，主要通過芯片的控制實現壓力傳感器和智能馬甲的通信，從而警示工作人員。通過串聯通信接口模塊，實現組態觸摸屏和單片機之間的通信連接，實時檢測小車的位置，當有火車侵線時，顯示屏提醒作業人員盡快撤離。

3.1 STM32單片機

本產品采用了ARM公司生產的STM32單片機。該單片機的最高工作頻率為72MHz，具有128KBFLASH程序存儲器，20KB的SRAM存儲器，該單片機具備豐富的I/O端口包含2個12位的ADC、3個通用16位定時器和1個PWM定時器，還包含多達2個I2C接口和SPI接口、3個USART接口、一個USB接口和一個CAN接口，該款單片機具備省電模式可以保證低功耗應用的要求，能夠滿足警示車長時間工作的待機要求。

3.2 NRF24L01

NRF24L01是一款新型單片射頻收發器件，工作頻率是2.4GHz～2.5GHzISM。內部集成了頻率合成器、功率放大器、晶體振蕩器、調制器等各大功能模塊，同時添加了增強型ShockBurst技術，通過程序控制，可以對輸出功率和通信頻道進行修改和配置。其工作原理為，當發射數據時，要將NRF24L01的配置修改為發射模式，同時，接收節點的地址TX_ADDR以及有效數據TX_PLD均要根據一定的時序由SPI口寫入到NRF24L01緩存區，這里需要注意的是，CSN設置為低時連續，才可以寫入TX_PLD，但是在發射時，TX_ADDR一次性寫入，并且保證CE置為高電平，保持的時間不能少于10μs，在延遲130μs后方可發射數據。

3.3 MCGS嵌入式組態軟件

本產品以北京昆侖通態自動化軟件科技有限公司的TPC7062TD型組態觸摸顯示屏作為警示車作業狀態接收端的顯示設備，此系統的核心是Cortex-A8CPU，是一款高性能嵌入式一體化觸摸屏，其頻率300MHz。此款液晶顯示屏分辨率是800×480，其中，四線電阻式觸摸屏的分辨率為4096×4096。并且有MCGS嵌入式組態軟件，因此可以進行多種數據處理和圖像的實時顯示。

3.4 電壓模塊

供電模塊采用DC-DC直流轉換電路集成板。直流變換電路主要工作方式是脈寬調制（PWM）工作方式，基本原理是通過開關管把直流電斬成方波（脈沖波），通過調節方波的占空比（脈沖寬度與脈沖周期之比）來改變電壓。

3.5 壓力傳感器

為了方便檢測來車信息，本產品選用IMS-S40A薄膜是壓力傳感器，因為薄膜原理傳感器的體積小，厚度薄，放置在鋼軌上不會對來車造成傷害，但可以檢測出車輛壓力，因此這里選用精度不高的薄膜式傳感器，而不選用精度很高的稱重壓力傳感器。

3.6 光電編碼器

光電編碼器主要由光柵盤和光電檢測裝置構成，在伺服系統中，光柵盤與電動機同軸致使電動機的旋轉帶動光柵盤的旋轉，再經光電檢測裝置輸出若干個脈沖信號，根據該信號的每秒脈沖數便可計算當前電動機的轉速，進而確定小車來回往返的距離。

4 單軌警示車工作流程

一種基于單軌警示車的工作流程如圖3所示，當警示車在接收到監控平臺的指令后開始向目標點移動，旋轉編碼器計算車輪旋轉圈數，計算警示車運行距離，若未到達指定位置，上位機發現并人為糾正，警示車繼續運行；當警示車運行到位后，激活壓力傳感器和超聲波測距模塊，判斷是否有物體進入后方作業區域，若無物體進入，后方作業完成后，上位機發送回收指令，警示車返回人員位置，斷電回收；若在此期間有物體進入，超聲波測距模塊判斷物體距離，壓力傳感器模塊判斷物體質量，綜合判斷是列車駛入或人員誤闖，若是人員誤闖，警示車不作出反應，等待上位機回收指令；若判斷是車輛駛入，警示車向上位機發送危險信號，上位機報警，發光馬甲閃爍，報警器報警，提示人員撤出股道。

5 單軌警示車工作成效

基于單軌運行的作業防護警示車，主要用于降低人工作業強度、完善作業防護，具有危險預警智能化、傳輸信號可視化等優點、能夠更加智能化進行作業防護預警。電機實現驅動警示車，給警示車提供動力，通過兩側的四個平衡側輪讓警示車能卡在鋼軌的軌頭上實現警示車平穩行駛，小車以80公里/每小時的速度快速運行至指定位置。在列車與作業防護警示車發生碰撞時，控制模塊將信息發送至監控平臺和智能警示馬甲，準確快速地傳遞危險信號，為作業工人躲避列車提供了充足時間，保障了作業工人的安全。若在作業過程中未有列車駛入，在作業結束時，作業工人可用手持遙控器控制作業防護警示車反向駛回作業點位置，節省了人力消耗。

基金項目：西安鐵路職業技術學院院級課題編號：XTZY24K03，一種基于單軌運行的作業防護警示車設計與研究。

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