防溜铁鞋安全监控及自动化系统研究与设计

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　　摘 要：以朔黄铁路为例，通过分析原有机械三防铁鞋存在的问题，提出了一种综合运用无线通信和信息网络等先进技术的防溜铁鞋安全监控及自动化系统。文章给出了系统工作原理和结构，并对系统外观、软件和硬件设计进行了论述。该系统提高了防溜作业管理的可视化和自动化程度，实现了防溜作业全方位、全过程的闭环管理。
　　关键词：防溜;子铁鞋;全监控;自动化管理;智能检测
　　中图分类号：U284.63 文献标识码：A 文章编号：1671-2064（2020）07-0038-03
　　0 引言
　　由于防溜铁鞋油材质坚硬、造假成本低廉、便于携带的特点，目前，国内外铁路运输部门普遍利用将防溜铁鞋放置于车轮底下的方式防止车辆移动、溜逸事故的发生[1]，而随着铁路停留车辆的大幅度增加，结合朔黄铁路防溜铁鞋防溜作业管理背景发现，传统的人工检查巡视方式经常出现漏检、漏撤和漏上等问题，且智能化程度低，无法实现对防溜作业的全程监控和自动化管理，作业流程管理不闭环，已经严重不适应铁路安全管理的要求[2-3]。近年来，无线射频技术的发展为防溜铁鞋的管理提供了新的思路和方案[4-5]，利用无线射频识别技术、远程监控铁鞋状态的方式可以实现车站管理人员对防溜铁鞋工作状态的实时监督和管理[6-7]。为了解决铁鞋管理及在线监测的难题，本文基于无线通信和信息网络技术的基本原理，提出了一种能对防溜作业进行全天候不间断流程监控和网络智能化管理的系统方案，即一种防溜铁鞋安全监控与自动化系统。
　　1系统工作原理
　　电子铁鞋通过测距传感器实时监测与钢轨的密贴状态和轮对的踏面距离，以433M和230M频段的无线网络传输为基础，通过管理机软件实现现场作业人员、管理机、铁鞋柜和铁鞋四者关联互动，同时管理机软件可实现作业人员交接班管理，实现防溜作业全方位、全过程的闭环管理。
　　管理人员通过系统软件实现对现场人员防溜作业的全程监控和智能化管理。管理机位于调度室，以站场平面示意图为背景（可对较大站场区分股道和区段），显示各电子铁鞋在场内分布情况以及铁鞋的当前状态;软件具备人机交互界面，完成工号录入、上道、下道操作、遥控开门等;接收各铁鞋的状态信息并对其工作状态进行判断，发现异常需告警;具备数据存储功能，具备后期数据处理功能，生成各种报表。系统工作流程见图1，总体包含取铁鞋、上道、自动巡检、发送状态变化信息、下道和归还铁鞋六个主要步骤。
　　2系统结构
　　防溜铁鞋安全监控与自动化管理系统分为三级结构，第一级为站段管理机，主要对所辖站场的铁鞋进行监管和数据统计。第二级为站场管理机，只对本站场内的铁鞋进行监测、管理和配置。第三级为现场铁鞋、铁鞋柜及无线通讯设备，为最前端的执行设备。结构示意图如图2所示。
　　3 系统设计
　　系统主要由电子铁鞋、手持机、铁鞋柜和管理机四部分组成，以手持机为操作终端，管理机为后台综合管理和显示终端，将系统融合成一个有机整体，既相对独立又可进行关联互动。实现了防溜作业的流程监控和网络智能化闭环管理。以下对系统设计进行详细介绍。
　　3.1电子铁鞋设计
　　（1）电子铁鞋外观设计。电子铁鞋是系统的关键部件，由机械三防铁鞋增加电路、传感器和通讯模块改造而成。具备实时检测电子铁鞋踏面、电子铁鞋鞋底与轨面的距离、拖鞋状态、电池电压等功能。外观图如图3所示。
　　图3 电子铁鞋外观图
　　电子铁鞋设计主要需要考虑的是电子铁鞋踏面传感器和鞋底传感器的安装部位以及电子装置的安装和功能实现。其中电子铁鞋踏面传感器由两个直径为14mm的电容传感器安装孔进行安装，电子铁鞋鞋底中间部位设置一个直径为12mm的电感传感器安装孔;电子铁鞋后端设计一个材质为工程塑料的盖板，用于适应电子铁鞋电路控制板的安装和无线通讯功能的需要。
　　图4 电子铁鞋硬件设计图
　　（2）电子铁鞋软、硬件设计。电子铁鞋是整套设备的主要数据来源，其功能主要包括电量自检测、状态检测判断以及控制无线模块的收发等，具体硬件结构示意图如图4所示。电子铁鞋不仅能够实时检测电子铁鞋踏面和轮对踏面的距离以及电子铁鞋鞋底与轨面的距离，超出正常范围则表示放置有误或出现异常，手持机和管理机同时发出报警提示，出现该告警，提示操作员到现场查看铁鞋状态，还可以对拖鞋状态、电池电压进行实时检测，对于异常情况进行告警或发出报警提示。
　　3.2 手持机设计
　　（1）手持机外观结构设计。手持机是系统的数据来源之一（外观图见图5），同时也是现场作业人员与管理机和铁鞋柜互动的工具，手持机主要完成铁鞋的上道登记、下道登记和接收語音报警或提示三项操作功能。手持机采用带键盘的对讲机，设置专用频点，在本系统中使用时，主要为键盘操作和接收告警提示语音。
　　图5 手持机外观图
　　（2）手持机硬件设计。手持机为本系统重要的辅助工具，市场上可购买的类似设备大多不能满足本系统的作业需求，需要自主设计，手持机要求性能稳定、操作简便、信息准确，以满足室外环境使用，主要由无线通讯模块、信息处理电路、输入/输出装置组成。
　　手持机和电子铁鞋所选用的单片机均为C8051F023，其作用是利用无线收发模块完成电子铁鞋上、下道信息的登记以及报警信息的接收和显示等功能。
　　手持机的输入装置采用按键输入方式（15个按键）;采用1.8吋液晶屏为信息显示屏，分辨率为128×64;手持机的即语音输出模块实现将异常报警类型识别转换成模拟声音输出，当电子铁鞋出现异常报警之后，手持机对报警信息进行显示。手持机硬件电路框图如图6所示。
　　（3）手持机软件设计。软件流程如图7所示。完成铁鞋的上道登记、巡检登记、下道登记以及来自管理机的电子铁鞋报警信息接收和显示。
　　3.3铁鞋柜设计 　　电子铁鞋柜主要用于铁鞋下道后的存储和充电。铁鞋柜的智能化设计，可以规范铁鞋的使用，铁鞋出柜、入柜都有记录（操作员、操作时间、柜号）可查。杜绝铁鞋保管的安全漏洞，消除由于铁鞋管理不善带来的安全隐患。铁鞋柜可以分布在站场靠近铁鞋作业的区域，方便列检员就近取鞋，免去了拎着铁鞋长距离走动的麻烦，减轻列检员劳动强度。铁鞋柜还集成了无线通信中继器的功能，保障铁鞋和值班室之间的远距离可靠通信。设备由柜体、控制系统、门禁系统、充电系统、中继系统组成。铁鞋柜柜体结构示意见图8。
　　图6 手持机电路结构图
　　图7 手持机软件流程图
　　3.4 管理机设计
　　管理机既是综合管理设备，也是显示终端，主要用于完成数据信息的处理和显示管理。一方面，管理机可以将电子铁鞋和手持机的数据进行校对，同时进行整合以及处理，形成唯一对应的组合，当电子铁鞋发出报警数据时，管理机对信息进行判断，并实现视觉与同步听觉报警，同时将报警信息传递给手持机;另一方面，可以对在线电子铁鞋作业信息进行保存和查询，查询的信息包括电子铁鞋的具体操作记录，如上道、巡检、下道，实现对在道电子铁鞋的安全管理。同时当按照调车作业计划设置电子铁鞋下道时间后，管理机可以进行下道蜂鸣提醒，还可以将下道提醒信息发送到手持机，实现电子铁鞋的下道提醒功能。
　　①左柜门;②右柜门;③气撑杆，每个柜门用两根;
　　④门磁，左右各一组，用于采集柜门开启闭合状态;⑤柜体;⑥充电器安装板，左右各一个，用于安装铁鞋电池充电器;⑦中继，用于铁鞋柜通讯;⑧电控锁，左右各一个;
　　⑨支腿，四个，用于铁鞋柜现场安装;
　　⑩铁鞋安放板，左右各一件，用于放置铁鞋
　　图8 铁鞋柜柜体结构示意图
　　4 结语
　　文章研究和设计的防溜铁鞋安全监控与自动化管理系统采用的三防电子铁鞋符合部颁标准，基于无线通信远程数据传输方式实现了电子铁鞋与监控系统的实时通信;利用数据解析、信息识别、逻辑判断、逻辑关联技术实现现场作业人员、专用手持操作终端、铁鞋和管理机之间的关联互动;对铁鞋柜进行智能化设计以规范铁鞋的使用;且提供室内管理机作为电子铁鞋运用安全网络管理中心，完成多种数据信息的处理、显示和管理。系统解决了铁鞋管理及在线监测的难题，为防止车辆溜逸奠定了技术基础，可实现防溜电子铁鞋电子监测及巡检设备维护，有效促进行车制度的演进。
　　参考文献
　　[1] 宋毅.防溜铁鞋（止轮器）铁道行业标准解读[J].铁道技术监督，2010，38（4）：5-6.
　　[2] 张智.关于防溜铁鞋状态监测的探讨[J].太原铁道科技，2007（3）：15-16.
　　[3] 孙卫国，李小帅.中间站防溜铁鞋使用与管理存在问题的思考[J].中国科技纵横，2016（5）：63.
　　[4] 劉鑫鹏，赵伟，牛有生，等.一种新型智能铁鞋管理系统[J].铁路计算机应用，2017（4）：25-29.
　　[5] 宋立志，张丹婷，董婷，等.基于无线通信的智能防溜铁鞋系统设计[J].硅谷，2010（14）：74.
　　[6] 肖付辉.基于智能铁鞋的专调机车随车铁鞋监控装置[J].铁道机车与动车，2019（6）：35-36.
　　[7] 李林贵.关于防溜铁鞋实现远程监控的探讨[J].科学技术创新，2013（35）：204-205.
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