铁路施工安全防护应用无线传输报警的研究及应用

摘要:介绍了利用无线电传输报警信号替代传统有线报警系统的优势,报警原理、分析了现场实际使用参数,重点叙述了无线报警如何保证高度可靠性的研究试验情况。

关键词:铁路施工;安全防护;无线报警

1问题的提出

在铁路营业线上进行基建大修和技术改造,人身安全经常受列车的高速通过威胁,而施工需要增开的临时道口、作业中的机具也威胁着列车通过的安全。因此,如何确保在每趟列车通过前通过报警信号通知作业人员及时做好撤离准备就是安全防护的重要工作内容。

按照铁路行车安全“故障安全原则”,(当设备发生故障时,能自动导向安全一方的技术原则)以往的安全防护装置是利用有线信号电缆进行,有线信号电缆报警系统因为传输信号线路可见,防护安全比较容易实现,因此长期以来得到保守使用。如今列车通过的速度大大提高,为保证铁路线上施工人员和列车通过的安全,列车接近的预警信号至少要在列车到达施工作业点前5公里发出,如果仍然沿用有线报警方法,必须敷设至少5公里的报警信号电缆,预警距离越长敷设的报警信号电缆就越长,在经济和防护技术的实现上就显的捉襟见肘了。

2无线电报警的基本原理

无线电报警器基本原理由设置在施工作业点外5公里的无线电发讯机和作业点的无线接收机组成报警信号发出和警报信号接收传输系统。发讯机按照设置在钢轨上的传感器送来的列车移动信息,控制电路启动发射列车出发信号。接收机器接收到报警信号后控制电路启动报警声响系统,警示施工人员提前做好下道的安全准备工作,达到安全防护的目的。

3列车接近无线报警器各部分的可靠性研究

3.1采样传感器研究:高可靠的系统是把采样的两根钢轨设置成轨道电路当列车进入取样点时轮对短路两根钢轨的轨道电路而取得列车出发信号。但是,铁路设备部门是不容许临时施工设置轨道电路的,在不能采取高度可靠的轨道电路采样方式时,要完成列车接近无线报警器的第一步,即高度可靠的列车运行信号采集传感器是报警器研制的核心和难点,笔者试验了以下几种报警信号采样:

3.1.1压敏电阻:利用列车重压钢轨的变形参数来获取列车信息,有信号取得比较准确,不容易错误报告的优点,但是铁路线路震动大、器件娇小容易损坏失效、受户外天气影响以及干、湿的影响参数不稳定,故试验一个阶段后被放弃;

3.1.2非接触式的红外线传感器:优点是能克服压敏电阻的主要缺点,但是红外线传感器需提供电能,这样主动式的采样系统要长时间消耗电能,且经常被过往作业的铁路工作人员干扰而发出错误信号,所以试验后也被放弃;

3.1.3磁震动微电传感器:利用永久磁铁受运动列车震动,切割传感器中的线圈发出微电流获取列车信息,这是被动式采样所以不消耗电能,能弥补以上二种传感器的缺点,在非电气化铁路上研究使用比较成功。在鹰厦铁路运行电气化后,磁震动微电传感器经常被列车通过的强大电磁场干扰而发生漏报或误报,在1995年后我们单位停止使用了磁震动微电传感器取样的列车接近无线报警器;

3.1.4在研究新的传感器中,在充分权衡经济与技术的基础上,试验采用了声频鉴别传感器,利用列车行进中的声频有别于绝大多数现场的声源这个原理,在列车行进中发出的声音及震动频率被被动式的声频传感器接收并取得采样信号,而声频信号和磁场信号又是完全不兼容的信号,所以被干扰的可能性为零。研究的声频传感器吸收了上述3种传感器的优点,在运动列车信号的获取可靠性上有了重大突破,使研究向实际应用迈进了可喜的一步。

3.2可靠性研究:围绕铁路“故障安全原则”,取无线传输便捷和有线传输直观可靠的优点开展如下工作:

3.2.1声频传感器识别信号可靠性研究:试验得出列车声频在钢轨轨腰处有下列特征:①声频(强频区为0.5KHZ );②响度在90db以上的持续时间最短在5秒内(与列车换长有关、单个火车头通过为最短)、其他环境声在轨腰处都不具备这2个条件,把传感器安装在轨腰处就能获得比较准确的列车运动信号。

3.2.2声频传感器可靠性研究:按照“故障安全原则”,我们对传感器及连接线的故障,设计断线和零电位故障报警电路,一旦故障出现发讯机即发出系统故障报警信号,以此来保证传感器工作的可靠性。

3.2.3发讯机、接收机故障时的安全性研究:为了实现 “故障安全原则” 吸收传统有线报警系统的的高可靠电路设计。我们把在工作人员身边能得到维护和提供电能方便的接收机优先进行无故障设计。①试验采用双电源供电,包括故障电源切换,清晰可见的仪表信号显示系统;②在接收机电路中采用了脉冲联络信号,一旦在设置的时间内没有收到接发讯机联络脉冲,接收机就按照“故障安全原则”发出报警信号以提示工作人员检查机器故障,而本套保护随即退出警戒,等待故障排除。③报警器预警中,接收机各种原因故障或1分钟内没有听到机器联络声音,同样退出警戒,等待故障排除。

3.2.4发讯机的工作可靠性研究:在接收机的高度可靠的情况下,对没有按时发出联络信号的发讯机,无论是传感器故障、发讯功率不足还是发讯机本身被盗等等,接收机都按照故障给予报警提示工作人员这套保护系统已经失效。所以发讯机的可靠性在于电路和器件上的优化,即使故障也不会有不安全的状况出现。这是我们认为比较成功的一个研究思想,实现了铁路安全“故障安全原则”的要求。这里要说明的是理论上脉冲时间应该要设置的越短,系统的可靠性才会越高,然而,实际上由于无线报警器的研制有很多的困难,所以无法过于频繁的发射脉冲。其中困难之一就是铁路施工处在野外对发讯设备电源的获取相当困难,我们不得不优先选择干电池(电瓶)这种传统经济的能源,因为频繁更换电池会给作业人员增加很多的麻烦,如果是每天要去更换一次电池工作人员来回就得走上近10公里的路途,因此我们研究的被动式列车信号采样电路、脉冲联络,目的都在于最大可能的让电池续航时间增长。另外,在野外使用光伏电能不乏是一种好办法,碍与防盗问题没有解决所以没有采用。

为此我们对发讯机的用电要求十分苛刻,首先依据地形选择发射功率分0.5W、1W、1.5W、2W四档,并在天线的设置上进行多方试验,在有隧道、高山等环境,试验采用2W发射档,平原环境0.5W档就能保证有5公里以上的发射距离。可以在实地使用中切换发射档。

3.2.5收、发讯机报警信号可靠性研究:由于信号传输是无线电,受到外界各种信号干扰,存在错误发信有误报的可能存在。在前期试验的报警器存在这样的问题,后来我们研究信号编码、解码技术。对传感器送来的信号进行编码发送,接收机对收到的信号进行解码、识别,只有在收到列车接近信号时才启动报警声响系统。另外发讯机设计成短发3组完整的报警编码信号后就停止发射工作,从而最大可能地增加电池的续航时间。

3.2.6防盗问题,在野外工作中的无线报警器如果失窃会给施工安全带来极大的不利,在这方面我们研究如下对策:①对作业时间比较长的施工用立杆高挂报警发讯机,这样天线发射效果也最佳;②对短期的临时施工用道渣掩埋报警发讯机箱,使用超短螺旋天线;

3.2.7工作频率的选择研究,电气化铁路在列车通过传感器的瞬间所产生的强大电磁场会对通讯有覆盖效应,导致通讯中断数秒的时间。在覆盖通讯的试验中,最长的一次被覆盖时间是在鹰厦线益口站,发讯信号直到一列重车通过传感器后才收到信号,这对报警有效距离造成了不利影响,降低了可靠性。通过试验我们选择了最佳的超短波VHF段,发讯机离开线路中心2-5米就能有效地克服列车通过时强大电磁场对通讯的覆盖问题。

3.2.8无线电器件的防过电压问题,通过对列车接近无线报警器的多次研究试验,从早期的统计看,每10台有3台在工作一个月后不明故障,故障率为30%。我们着手查明故障的缘由,对损坏的器件进行分析研究发现过电压、静电、跨步电压造成的损坏占85%、器件自身和人为使用不当占15%,解决对策将在使用章节中给予说明;

4应用实例、注意事项

列车接近无线报警器,在近期的施工临时道口、施工区间安全防护中,得到了实际使用。在工作可靠性,提高劳动生产率,满足施工安全生产的需求上,达到了预期的效果。

4.1使用的列车接近报警器主要参数有:

4.1.1接收机、发射机频率:160.20MHZ,频率稳定度要求:10ppm,工作温度:-25—+65度,选择性:大于65db;

4.1.2电源:接收机,5号镍氢电池10.5伏,三组;(工作3天后、取下工作电池进行充电、加入一组新备用电池),发讯机,甲电池(或电瓶组)10.5—12伏;(20-30天更换或充电1次);

4.1.3联络脉冲:40秒发送一次;

4.2注意事项

4.2.1发射机频率选择应征求当地无线电管理部门及铁路部门的意见,避免有违反相关规定;

4.2.2为了防止过电压、静电、跨步电压对半导体器件的伤害,对工作在野外的发讯机应该采取双重金属屏蔽措施,即对控制电路设计一个金属屏蔽盒,外箱金属盒并对两套金属盒和引入线进行良好的接地;

5结语

列车接近无线报警器具有通讯便捷、安装容易、成本低、性能稳定、工作可靠等优点。在持续改进发讯机的供电系统,维修模块化后。相信这一新技术将能更好地服务于铁路施工安全工作,从而有更大的推广应用空间。

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