基于微波感應(yīng)和超短波無線電通信自動化在鐵路營業(yè)線施工安全防護(hù)中的應(yīng)用研究

曾昭強(qiáng)

（甘肅酒額鐵路有限公司，甘肅 酒泉735000）

1 引言

近年來，隨著鐵路項(xiàng)目建設(shè)的迅猛發(fā)展，鐵路運(yùn)輸調(diào)度指揮、生產(chǎn)和維修設(shè)備設(shè)施自動化程度不斷提高，營業(yè)線及鄰近營業(yè)線施工作業(yè)時的安全風(fēng)險和損失影響程度不斷增大。但營業(yè)線及鄰近營業(yè)線施工作業(yè)在探索自動化發(fā)展方向上取得的成果甚微，現(xiàn)場防護(hù)和安全防控工作仍停留在以兩端防護(hù)員、施工安全員等人工防護(hù)和現(xiàn)場響應(yīng)指揮為核心的基本層面。因此，開發(fā)研究營業(yè)線及鄰近營業(yè)線施工安全自動化防護(hù)和響應(yīng)系統(tǒng)十分必要。

為了解決營業(yè)線及鄰近營業(yè)線施工安全防護(hù)自動化中的問題，本文從安全防護(hù)監(jiān)測對象、預(yù)警信號傳遞、現(xiàn)場報警信號響應(yīng)、自動化系統(tǒng)構(gòu)建思路和應(yīng)用可行性等幾個方面進(jìn)行研究。首先，分析安全防護(hù)監(jiān)測對象的特點(diǎn)和存在的影響因素，確定以監(jiān)測對象機(jī)械波為切入點(diǎn)，采用以多普勒效應(yīng)原理的微波感應(yīng)開關(guān)作為監(jiān)測設(shè)備進(jìn)行實(shí)時監(jiān)測；然后，分析信號發(fā)送和傳遞條件，結(jié)合現(xiàn)場作業(yè)環(huán)境的特點(diǎn)，確定以超短波無線電通信方式進(jìn)行預(yù)警信號傳遞；再分析接收預(yù)警信號的表示方式，明確預(yù)警的覆蓋范圍和響應(yīng)程度，判別安全防護(hù)自動化方案的可行性；最后，簡要總結(jié)全文內(nèi)容。

2 安全防護(hù)監(jiān)測對象和分析

在營業(yè)線及鄰近營業(yè)線施工作業(yè)管理中，防護(hù)監(jiān)測對象和重點(diǎn)始終以現(xiàn)場作業(yè)人員及行為為主，現(xiàn)場防護(hù)員、安全員均是圍繞這一核心思想開展工作，但防護(hù)員的防護(hù)成效受其自身的職業(yè)素養(yǎng)和履職能力影響，這點(diǎn)以往是通過現(xiàn)場負(fù)責(zé)人、監(jiān)理人員和建設(shè)單位配合人員進(jìn)行巡視檢查督促和呼叫應(yīng)答響應(yīng)機(jī)制進(jìn)行規(guī)范和管理，會存在“行為盲區(qū)”。為此，將自動化感應(yīng)監(jiān)測代替視覺、聽覺的人員行為，可以提高監(jiān)測過往鐵路機(jī)車行駛的實(shí)時性和可靠性，有效提高現(xiàn)場作業(yè)安全防護(hù)成效和作業(yè)人員下道避讓行車的及時性。

2.1 監(jiān)測對象特點(diǎn)

鐵路機(jī)車在行駛過程中，會壓縮周圍的空氣介質(zhì)，產(chǎn)生機(jī)械波，這就是機(jī)車車輛運(yùn)行時噪聲的來源。同時，機(jī)車車輛在運(yùn)行時，其產(chǎn)生的機(jī)械波在與車輛行駛方向相同時，波長被壓縮、變短；產(chǎn)生的機(jī)械波在與車輛行駛方向相反時，波長被拉長、變長。

2.2 監(jiān)測參數(shù)分析

基于多普勒效應(yīng)表達(dá)公示，設(shè)波源為S，觀察者L 分別以速度VS、VL在靜止的介質(zhì)中沿同一直線相向運(yùn)動，波源發(fā)出波在介質(zhì)中的傳播速度為V，且VS＜V，VL＜V。當(dāng)波源不動時，波源發(fā)射頻率為f，波長為X 的波，觀察者接收到的波的頻率為：

1）當(dāng)觀察者和波源都不動時，VS=0，VL=0，由式（1）得f′=f；

2）當(dāng)觀察者不動VL=0，波源接近觀察者時，觀察者接收到的頻率可簡化為f′=fV/(V-VS)。此時，當(dāng)觀察者與波源相互靠近時VS＞0，f′＞f；當(dāng)觀察者與波源相互遠(yuǎn)離時VS＜0，f′＜f。

運(yùn)用多普勒效應(yīng)表達(dá)式的分析結(jié)果，并結(jié)合濾波技術(shù)，有效篩分剔除空氣介質(zhì)中傳遞的其他機(jī)械波，排除周邊環(huán)境因素和人為因素影響，有針對性地監(jiān)測接收機(jī)車車輛運(yùn)行時產(chǎn)生機(jī)械波的情況，計(jì)算防護(hù)監(jiān)測點(diǎn)接收到的機(jī)械波變化數(shù)值的大小，判別機(jī)車車輛的運(yùn)行速度、相對距離，實(shí)現(xiàn)監(jiān)控自動化和實(shí)時化。

3 報警信號發(fā)送和傳遞技術(shù)

當(dāng)機(jī)車車輛通過時，監(jiān)測設(shè)備輸出預(yù)警信號，此時，需要將預(yù)警信號進(jìn)行放大并傳輸。因鐵路工程本身的特點(diǎn)，線路穿越自然地理環(huán)境復(fù)雜，沿線區(qū)間施工作業(yè)面有限，導(dǎo)致使用信號功率放大設(shè)備、攜帶蓄電設(shè)備、占用信號傳輸網(wǎng)絡(luò)通道等受限，信號傳遞延遲且不穩(wěn)定。為此，信號發(fā)送和傳輸，采用超短波無線電通信方式，克服現(xiàn)場信號傳輸無網(wǎng)絡(luò)問題，同時，超短波無線電信號發(fā)送和接收設(shè)備無須時刻待機(jī)，有效降低信號發(fā)送裝置能耗，可采用充電鋰電池代替，輕量化信號發(fā)送裝置。

3.1 超短波無線電通信技術(shù)

該技術(shù)是利用無線電波具有的波動傳遞信息的功能，從無線電波的特性來看，如同光波一樣，無線電波可以反射、折射、繞射和散射傳播。根據(jù)營業(yè)線及臨近營業(yè)線施工現(xiàn)場作業(yè)環(huán)境中的干擾和不確定性多的特點(diǎn)，監(jiān)測信號傳遞采用無線電通信中超短波（30～300 MHz），超短波特點(diǎn)對電離層的穿透力強(qiáng)，主要以直線視距方式傳播，其穩(wěn)定性高，受季節(jié)和晝夜變化的影響小。由于頻帶較寬，超短波通信被廣泛應(yīng)用于傳送電視、調(diào)頻廣播、雷達(dá)、導(dǎo)航、移動通信等業(yè)務(wù)，其傳遞技術(shù)和設(shè)備成熟，可靠性強(qiáng)[1]。

3.2 信號發(fā)送裝置設(shè)計(jì)原理

微波監(jiān)測裝置輸出監(jiān)測信號，信號通過判別模塊對機(jī)車車輛速度和距離進(jìn)行邏輯判別，按照邏輯優(yōu)先級輸出，根據(jù)判別結(jié)果分別輸出預(yù)警準(zhǔn)備、報警下道2 種警告信號。警告信號由簡單的兩位數(shù)字信號表示，分別為預(yù)警準(zhǔn)備信號01、報警下道信號11。該信號通過對講機(jī)模塊調(diào)制到現(xiàn)場報警接收裝置同頻后，經(jīng)過功率放大電路提升信號發(fā)射功率，最后，由天線電路進(jìn)行輸出，如圖1 所示。

圖1 信號發(fā)送裝置設(shè)計(jì)原理

4 報警信號接收和表示技術(shù)

當(dāng)監(jiān)測信號在遠(yuǎn)端防護(hù)地點(diǎn)通過超短波輸出和傳遞后，由作業(yè)現(xiàn)場報警接收裝置進(jìn)行捕獲和接收，將信號轉(zhuǎn)化為報警聲音和報警燈光形式輸出，通告現(xiàn)場作業(yè)人員，進(jìn)行現(xiàn)場作業(yè)物料清理和人員避讓下道，從而實(shí)現(xiàn)施工區(qū)段人員和設(shè)備的安全防護(hù)作用。

4.1 信號接收裝置設(shè)計(jì)原理

信號接收裝置通過選頻電路對發(fā)送的警告信號進(jìn)行篩分甄別，捕獲到同頻道的警告信號后，通過高頻信號放大電路進(jìn)行高頻放大，并經(jīng)過混頻電路進(jìn)行混頻處理還原警告信號，經(jīng)對講機(jī)模塊輸出。經(jīng)輸出的預(yù)警準(zhǔn)備信號和報警下道信號，由邏輯判別模塊進(jìn)行篩分，按照邏輯優(yōu)先級輸出，分別輸入至預(yù)設(shè)語音模塊和報警閃光模塊，如圖2 所示。

圖2 信號發(fā)送裝置設(shè)計(jì)原理

4.2 信號表示形式和裝置設(shè)計(jì)原理

預(yù)設(shè)語音模塊和報警閃光模塊接收到警告信號后，分別輸出警告音頻和閃光信號。其中，音頻分預(yù)警準(zhǔn)備語音和報警下道避讓兩種語音，閃光信號分藍(lán)色預(yù)警和黃色報警2 種LED 陣列閃光信號，并通過揚(yáng)聲器和LED 閃光陣列輸出表示，如圖3 所示。

圖3 信號表示形式和裝置設(shè)計(jì)原理

5 營業(yè)線及鄰近營業(yè)線施工安全防護(hù)的應(yīng)用方案

該施工安全防護(hù)設(shè)備由可移動遠(yuǎn)端監(jiān)測防護(hù)裝置、便攜式個人警告裝置2 部分組成。

營業(yè)線及鄰近營業(yè)線施工前，現(xiàn)場作業(yè)人員通過可移動遠(yuǎn)端監(jiān)測防護(hù)裝置的操作面板，對個人佩戴警告裝置進(jìn)行調(diào)頻，保證信號傳遞在同一頻道上。營業(yè)線及鄰近營業(yè)線施工時，在作業(yè)區(qū)段兩端，由作業(yè)人員將遠(yuǎn)端監(jiān)測防護(hù)裝置，通過支架固定到作業(yè)同側(cè)線路路肩，并使監(jiān)測設(shè)備的監(jiān)測段面向線路，通過目視將監(jiān)測段的視角中線調(diào)整至與線路基本垂直。

當(dāng)機(jī)車車輛向作業(yè)地點(diǎn)行駛時，微波監(jiān)測裝置監(jiān)測到機(jī)車車輛的速度和位置數(shù)據(jù)，與內(nèi)設(shè)速度和位置數(shù)據(jù)進(jìn)行對比，達(dá)到預(yù)設(shè)值時，根據(jù)機(jī)車車輛相對觀測點(diǎn)的位置和距離，以及機(jī)車車輛通過速度，啟動對講模塊分別發(fā)出預(yù)警信號和下道信號。

現(xiàn)場作業(yè)人員佩戴的便攜式個人警告裝置，在接收到警告信號后，根據(jù)信號類型，立即啟動語音模塊和LED 閃光陣列，按照預(yù)設(shè)程序播放警告語音并接通警告燈光，提醒現(xiàn)場作業(yè)人員采取防護(hù)措施，實(shí)現(xiàn)安全防護(hù)的，如圖4 所示。

圖4 防護(hù)設(shè)備應(yīng)用原理圖

6 結(jié)語

本文首次提出將微波感應(yīng)技術(shù)和超短波無線電通信用于鐵路營業(yè)線及鄰近營業(yè)線施工安全防護(hù)，分析了微波感應(yīng)技術(shù)用于監(jiān)測機(jī)車車輛速度和位置的可行性，結(jié)合超短波無線電通信技術(shù)特點(diǎn)，綜合考慮警告信號的發(fā)送和接收后的現(xiàn)場人員行為情況，運(yùn)用于現(xiàn)場作業(yè)施工安全防控。本應(yīng)用系統(tǒng)由于采用監(jiān)測和警告設(shè)備分離式，其設(shè)備功耗低、設(shè)備空間需求小、便攜輕便，設(shè)備內(nèi)部集成模塊發(fā)展成熟，基礎(chǔ)電路構(gòu)造簡單，信號發(fā)射波頻穩(wěn)定，傳輸抗干擾性強(qiáng)，具有低廉的制造成本和較大運(yùn)用空間。