動車組不落輪鏇修作業(yè)自動對位系統(tǒng)可行性應(yīng)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(yù)防修，其中輪對鏇修作業(yè)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(wěn)性。輪對鏇修時動車組需由帶電區(qū)域牽引至無高壓電的鏇修庫，輔助作業(yè)人員利用公鐵兩用車為動車組提供動力，并驅(qū)動動車組將需鏇修的車輪移動到鏇床相應(yīng)位置，實現(xiàn)輪對對位。在現(xiàn)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(yīng)的動車組鏇修任務(wù)日益繁重，利用動車組不落輪鏇修作業(yè)自動對位系統(tǒng)，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(tǒng)組成

系統(tǒng)主要通過在既有公鐵兩用車上增設(shè)遠程監(jiān)控設(shè)備，采用雷達定位、攝像采集、數(shù)據(jù)分析等技術(shù)，實現(xiàn)動車組輪對鏇修作業(yè)自動對位，具體系統(tǒng)組成如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)組成

1.1 數(shù)據(jù)采集

系統(tǒng)擁有豐富的數(shù)據(jù)采集模塊，可根據(jù)需求采集數(shù)據(jù)，為對位算法提供數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)中心

數(shù)據(jù)中心用于存儲采集的所有數(shù)據(jù)及進行數(shù)據(jù)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(yè)完成后可根據(jù)車組號及日期進行歸檔，形成輪對鏇修數(shù)據(jù)信息庫，便于后期輪對鏇修數(shù)據(jù)的統(tǒng)計、分析和查閱。

1.3 數(shù)據(jù)處理執(zhí)行器

系統(tǒng)通過對應(yīng)接口調(diào)用數(shù)據(jù)中心的數(shù)據(jù)，經(jīng)過數(shù)據(jù)處理器運算，并將得出結(jié)果發(fā)送至執(zhí)行器。執(zhí)行器根據(jù)算法結(jié)果調(diào)用公鐵兩用車控制指令，驅(qū)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(xiàn)自動對位控制。

1.4 監(jiān)控中心

監(jiān)控中心通過監(jiān)控平臺查詢各關(guān)鍵監(jiān)控點的實時動態(tài)信息。在執(zhí)行鏇修輪對對位時，可通過監(jiān)控平臺查看關(guān)鍵監(jiān)控點的實時狀態(tài)，對公鐵兩用車行走過程周圍環(huán)境進行監(jiān)控，在發(fā)現(xiàn)危及行車安全問題時可遠程快速停止車組行走，實現(xiàn)實時有效、多點防護的功能。

1.5 安全防護模塊

系統(tǒng)采用關(guān)鍵監(jiān)控點防護、異物遮擋保護、移動區(qū)域保護、脫軌保護、硬性超限保護、物理隔離保護、超時保護、數(shù)據(jù)驗證保護、心跳保護等多道安全防護，可有效確保系統(tǒng)安全性。

2 系統(tǒng)主要功能

2.1 自動對位

首先，在現(xiàn)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(quán)。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(shù)據(jù)采集。最后，在操作臺選擇“南向?qū)ξ弧被颉氨毕驅(qū)ξ弧卑粹o以實現(xiàn)正向或逆向的轉(zhuǎn)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(jiān)控

公鐵兩用車和動車組對位經(jīng)過的區(qū)域均設(shè)置監(jiān)控攝像頭，擬定為安全防護區(qū)。攝像頭的監(jiān)控圖像可實時回傳數(shù)據(jù)中心，數(shù)據(jù)中心通過監(jiān)控展示平臺同步顯示各監(jiān)控關(guān)鍵點動態(tài)信息。輪對鏇輪作業(yè)人員在操作自動對位時，可查看各個關(guān)鍵監(jiān)控點的實時動態(tài)。當(dāng)發(fā)現(xiàn)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(jiān)控數(shù)據(jù)具備預(yù)警分析功能，一旦發(fā)生人員入侵可實現(xiàn)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(nèi)的數(shù)據(jù)信息，擬定為公鐵兩用車前行保護區(qū)。當(dāng)發(fā)現(xiàn)保護區(qū)域被遮擋，系統(tǒng)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(zhuǎn)發(fā)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(jiān)控屏確認或現(xiàn)場處理后，方可手動恢復(fù)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(dāng)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(dāng)對位牽引系統(tǒng)未被啟動，操作人員可在啟動前通過監(jiān)控平臺查看保護區(qū)情況，發(fā)現(xiàn)人員進入時，可語音播報提醒人員離開，保證牽引系統(tǒng)啟動前的風(fēng)險。

2.5 無線網(wǎng)絡(luò)及控制

無線網(wǎng)絡(luò)和無線控制采用不同種類的網(wǎng)絡(luò)方式，實現(xiàn)物理層隔離效果。監(jiān)控視頻通過有線及無線兩種方式向數(shù)據(jù)中心回傳數(shù)據(jù)流。近距離傳輸使用交換機進行數(shù)據(jù)交互，遠距離傳輸通過網(wǎng)橋傳播，可節(jié)省布線成本，降低故障率的發(fā)生。無線網(wǎng)絡(luò)具有自動診斷功能，當(dāng)與監(jiān)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(xié)議，可防止外來用戶通過無線信號侵入系統(tǒng)。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(fā)入侵保護程序，系統(tǒng)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(tǒng)，將行車視頻、操作員操作日志、設(shè)備動作日志、采集數(shù)據(jù)等信息進行歸類存檔，形成方便查閱的后臺數(shù)據(jù)。后臺數(shù)據(jù)可根據(jù)車型、車號、日期等索引，為數(shù)據(jù)分析便利化提供保障。

3 系統(tǒng)作業(yè)流程

3.1 系統(tǒng)獲取公鐵兩用車控制權(quán)

開工前，公鐵兩用車操作員與鏇輪作業(yè)人員辦理鑰匙和錄音筆交接，填寫交接記錄。當(dāng)公鐵兩用車鑰匙拔出后并插入系統(tǒng)時，自動對位系統(tǒng)方可獲取公鐵兩用車的控制權(quán)限。

3.2 遠程信號控制

動車組檢修作業(yè)時，需在來車方向的右側(cè)設(shè)置信號指示燈，特別在輪對鏇修作業(yè)過程中，頻繁的對位需作業(yè)人員前后行走，進行關(guān)閉和開啟信號指示燈，單次行走（往返）最長約400m，作業(yè)既耗時又耗人。在已安裝自動對位系統(tǒng)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(yè)員可通過系統(tǒng)遠程關(guān)閉固定式信號燈；反之，牽引對位完成后，可通過系統(tǒng)遠程開啟固定式信號燈，實現(xiàn)整車鏇輪作業(yè)期間，無需人員來回行走設(shè)置信號，提高作業(yè)效率。

3.3 系統(tǒng)登錄

鏇輪作業(yè)人員憑個人賬號和密碼登錄系統(tǒng)客戶端，系統(tǒng)賬戶一人一號，作業(yè)過程全過程記錄。

3.4 遠程聯(lián)防

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

3.5 對位系統(tǒng)與鏇修機床的互鎖

鏇輪作業(yè)人員啟動智能對位系統(tǒng)前，應(yīng)確認鏇輪庫股道指示燈狀態(tài)，指示燈為綠燈時，表示鏇輪機床各項準(zhǔn)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(tǒng)。同時，智能對位系統(tǒng)已實現(xiàn)與鏇輪機信號燈的互鎖功能，當(dāng)鏇輪機信號燈為紅燈時，開啟對位操作無效。

3.6 執(zhí)行自動對位

鏇輪作業(yè)人員負責(zé)操作智能對位系統(tǒng)對位，在操作界面輸入車號，點擊“南向?qū)ξ弧被颉氨毕驅(qū)ξ弧遍_啟對位操作，并全程盯控監(jiān)控中心各關(guān)鍵防控點的實時狀態(tài)，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(yè)人員退出智能對位系統(tǒng)軟件操作界面，拔出權(quán)限鑰匙退出控制權(quán)。每次重新登錄對位操作系統(tǒng)時，均須重新登錄賬號和密碼，以及插入權(quán)限鑰匙獲取控制權(quán)限。

3.8 關(guān)閉信號燈

全列動車組鏇修計劃任務(wù)完成后，鏇輪作業(yè)人員遙控關(guān)閉信號燈，退出智能對位系統(tǒng)，關(guān)閉控制主機，鏇輪作業(yè)任務(wù)完成。

3.9 任務(wù)完成

公鐵兩用車操作員和鏇輪作業(yè)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(yè)，完成鏇輪任務(wù)。

4 系統(tǒng)控制原理

4.1 系統(tǒng)啟動

點擊自動對位按鈕，系統(tǒng)先檢測設(shè)備啟動條件，如機床互鎖信號、激光雷達信號、權(quán)限獲取信號、安全回路信號等是否滿足條件；當(dāng)啟動條件滿足時系統(tǒng)將會初始化，當(dāng)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(tǒng)初始化

系統(tǒng)啟動階段，將對視覺相機、采集傳感器、緩存數(shù)據(jù)等進行數(shù)據(jù)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(tǒng)已經(jīng)判別系統(tǒng)硬件及軟件均正常，屆時系統(tǒng)關(guān)閉信號燈，同時打開語音播報提示，并長鳴10s 公鐵兩用車?yán)群筮M入高速移動環(huán)節(jié)。系統(tǒng)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(shù)據(jù)采集，將采集回來的數(shù)據(jù)同步到算法服務(wù)器進行位置判別，當(dāng)初步判別為目標(biāo)位置時，系統(tǒng)將自動跳轉(zhuǎn)到低速（1km/h）精準(zhǔn)對位階段。

4.4 低速精準(zhǔn)對位

進入低速精準(zhǔn)對位階段后，系統(tǒng)會自動開啟低速精準(zhǔn)采集模塊。因系統(tǒng)降低了動車組移動速度，精準(zhǔn)采集模塊可以采集到清晰的數(shù)據(jù)圖片，并通過算法服務(wù)器實時的將圖像信息轉(zhuǎn)換為位置信息發(fā)送給控制器。當(dāng)位置信息滿足對位預(yù)設(shè)值范圍內(nèi)，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(tǒng)對位準(zhǔn)確后會自動記錄數(shù)據(jù)，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(quán)。此時自動對位的鏇修庫解除安全防護。

5 智能對位系統(tǒng)與人工對位的優(yōu)勢

5.1 對位人員

人工：動車組每擔(dān)輪對鏇修時均需對位后再進行鏇修，每次對位作業(yè)需要4 人協(xié)作完成，全列輪對鏇修時，頻繁調(diào)車時間較長；

智能對位系統(tǒng)：每次對位僅需要1 人完成，較之前減少3 名。

5.2 對位環(huán)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(tǒng)：室內(nèi)作業(yè)，不受天氣變化影響，減少風(fēng)險。

5.3 對位時間

人工：作業(yè)前的崗位溝通、準(zhǔn)備、上下信號燈，一次對位耗時約30min。

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

5.5 對位數(shù)據(jù)管理

人工：人工錄入或書寫記錄。

智能對位系統(tǒng)：系統(tǒng)自動記錄并存檔，后期可查可用。

6 系統(tǒng)實際使用效果

自動對位系統(tǒng)研發(fā)完成后，在廣州動車段廣州南動車運用所現(xiàn)場試用，效果反應(yīng)良好：第一，減少作業(yè)人員數(shù)量。第二，降低作業(yè)人員勞動強度。第三，多方位實時監(jiān)控，確?？刂瓢踩?。第四，數(shù)據(jù)信息化，全程記錄，具有可追溯性。第五，縮短作業(yè)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(tǒng)后，投入成本小，減少作業(yè)人員，簡化作業(yè)流程，大幅度提升了鏇修作業(yè)工作效率[2]。

7 結(jié)語

通過改造現(xiàn)有公鐵兩用車設(shè)備和優(yōu)化作業(yè)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(jiān)控及報警系統(tǒng)建立安全防護網(wǎng)，通過自動牽引和制動系統(tǒng)實現(xiàn)無人駕駛。系統(tǒng)將各個新“組織”完美結(jié)合成新的智能對位系統(tǒng)，智能對位系統(tǒng)在人力、時間、效率上都取得了顯著的成績。同時，該設(shè)計也適用于軌道機車的對位或指定區(qū)域的有限控制，應(yīng)用范圍可擴展為高鐵、普客、地鐵、有軌電車等軌道機車。