呼和浩特铁路局呼和浩特工务机械段 呼和浩特 010050
摘要：国内大型养路机械施工机组采用开天窗的模式封锁线路进行作业。在同一施工天窗、同一区间内大型养路机械之间及与其它施工车辆间均存在碰撞风险。在封锁区间内的作业车辆较多，同一机组的不同车型须分开一定距离，跟踪运行，作业完成后各车型需要联挂和编组。在视野较差和距离太短的情况下，司机发现前面的车辆后往往不能及时停车，从而发生碰撞。为防止车辆间碰撞，仅依靠施工人员监控、联控来保证，存有安全隐患，在疲劳作业、违章作业、联控不到位等情况下难以保证安全。本文分析了无线测距技术在大型养路机械车间防撞中的应用。
关键词：无线测距技术；大型养路机械车间防撞；应用；
随着我国铁路里程的不断增加，养路作业也逐渐进入了大型机械化时代。由于大型养路机械的作业速度越来越快，在提高作业效率的同时也带来了碰撞施工人员的风险。
一、简述
一般来说，在作业过程中，司机通过眼睛观察周围作业人员的分布情况并决定是否需要采取刹车、鸣笛等安全措施。然而事实上，由于疲劳驾驶、视线盲区等原因，司机往往难以完全掌握周围施工人员的分布情况，这样在作业时就会存在较大的安全隐患。因此，怎样才能让司机实时掌握周围施工人员的位置状态，从而避免碰撞事故的发生，是研究防碰撞技术时要解决的关键问题。目前，对于局部区域的人员定位多采用无线定位技术，该技术通过无线通信的方式获得移动标签到基站的距离等信息，从而推算出移动标签的位置。当采用80 MHz带宽时，频谱密度较低，但能够获取较大的通道增益，从而轻松分辨出脉冲信号，这样标签和基站自带的芯片就能够识别出传输信号的发送时间、对应回复信号到达时间，并记录在寄存器中，以供计算传输路径长度，从而获得移动标签到基站的距离。获得距离数据以后，再通过各种定位算法，就可以计算出移动标签的位置了。大型养路机械作业时是沿着铁轨不断向前运动的，因此整个定位区域是以车辆为中心的运动区域，这就决定了定位基站只能安装在养路机械上，而定位目标即施工人员则是在基站所围成的区域的外部活动。结合当前各种定位算法的特点，提出一种新的定位算法—曲圆定位法。
二、无线测距技术在大型养路机械车间防撞中的应用
1.无线测距原理。无线电测距有两种方法，一种是接受被测物体发出的信号，并根据信号强度来确定距离，它只在近距离测量时方可使用。另一种是利用信号往返的时间差来计算距离。本无线测距应用系统是基于被测物体主动应答方式工作的，主要由读写器和应答器两部分组成。工作原理是应答器进入读写器的射频场后，由其天线获得的感应电流经升压电路作为芯片的电源，同时将带信息的感应电流通过射频前端电路检得数字信号送入逻辑控制电路进行信息处理；所需回复的信息则从存储器中获取经由逻辑控制电路送回射频前端电路，最后通过天线发回给读写器。为了测得节点之间的距离，先是节点A发出一个数据包，在B接收到数据包以后，硬件会对数据进行处理并生成确认数据发送给A，A收到了B发送来的确认数据后，第1个过程完成。从B发送数据给A到A接收并发送确认数据给B再到B再次接收数据，这是第2个过程。其中信号从B返还给A既是第1个过程的后半段，也是第2个过程的前半段。因此这里的“双边”是指测距有两个节点（A和B）参与；“对等”则是指测距过程是对等的，整个过程既包括信号从节点A发出经过B回复后又被A接收这一往返的过程，又包括信号从节点B发出经过A回复后又被B接收这一往返的过程；两次是指一次测距包含两个信号往返过程。
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2.曲圆定位法定位。利用通信定位技术首先要解决的是基站的布置问题，由于养路机械作业时处于不断运动的状态，定位基站需要布置在养路车的车身上。在基站围成的矩形区域中，基站1、2的距离为3 m，2、3的距离为12 m。将养路机械周围的定位区域分成4块，根据所在基站序号记为区域1，2，3，4。当笔者获得了移动标签到基站的距离d1 ，d2 ，d3 ，d4 时，首先根据d1 和d2 大小判断目标处于养路机械的左边还是右边，假设d1 <d2 ，则说明目标位于左侧，再根据d1 和d3 的大小判断目标处于区域1还是区域3。这样只需求出双曲线和圆的交点（一般会出现4个点，分别位于4个区域），再根据预先判断的目标所处区域就可以筛选出正确的定位坐标。
3.算法的误差分析。为了研究该定位算法的性能，需要对其进行仿真测试。由于曲圆定位法依靠目标到基站的距离值进行定位，该值是由无线测距技术获得，测距的误差直接决定了最终的定位误差。无线通信测距的误差大致服从正态分布，目前市场上的无线通信产品测距精度可以达到1 m，据此认为测量值以99%的置信度落于以真实值为中心上下波动1 m的区间内。由于对目标定位的结果取决于目标到两个基站的距离，定位误差来源于测距误差。首先本研究给出一组定位信息（即目标到基站的距离信息），由此计算出目标的真实位置，然后在这组定位信息上加入服从正态分布的随机数，用于模拟带有误差的测量值，并据此计算出目标的测量位置，将测量位置与真实位置相比较，就可以得到在目前测量条件下曲圆定位法的定位误差了。随着定位距离的增加，定位误差也有变大的趋势，考虑到误差变化的这个特点，在对误差进行统计分析时，采用误差对定位距离的比值即相对误差作为分析指标，这说明该定位算法在一定的误差允许范围内是有效的。
4.建立安全判据模型。在获得大型养路机械作业时周围施工人员定位结果后，接下来要判断施工人员所处的安全状态，因为养路机械是沿着铁路线作业，可以预先在铁路线周围划分出安全区域，以便系统迅速判断出目标当前状态。在理想状态下，不考虑定位误差和铁轨曲率的影响，只需要沿铁路线左右划分出5 m的作业区域，在该区域以外认为是安全区域即可。但是实际过程中，由于铁轨曲率及定位误差的存在，为了提高系统的安全可靠性，必须根据误差量扩大潜在危险区域，已知定位误差随着定位距离的增加而增加。当施工人员进入潜在危险区时，则需要对其状态进行进一步判断，在该区域的施工人员的安全状态包括以下3种情况：一是人员距养路车有一定距离，且相对速度为分离的趋势，这属于安全状态；二是人员距养路车有一定距离，按当前速度在一段时间后会碰撞，但是有充足的时间进行避险，这属于缓冲状态；三是人员距养路车较近，即便减速也会发生碰撞，这属于危险状态。当目标处于安全状态时，保持继续监测；目标处于缓冲区域时，系统向司机发出警报，提醒司机注意潜在危险；目标处于危险区域时，系统通过扩音器发出警报，一方面提醒施工人员迅速离开危险区域，另一方面提醒司机采取减速措施，为工人避险争取足够的时间。
结束语：
本研究依靠定位结果，该防碰撞技术可以帮助司机实时了解周围人员动态，对避免养路作业时人员碰撞事故的发生具有实用价值，能有效预防大型养路机械施工机组作业时车间碰撞事故的发生。
参考文献：
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论文作者:麻万麒
论文发表刊物:《基层建设》2017年第31期
论文发表时间:2018/1/24
标签：作业论文; 误差论文; 基站论文; 区域论文; 距离论文; 机械论文; 目标论文; 《基层建设》2017年第31期论文;