非集中道岔状态监测装置研究

调车作业时要求严格执行要道还道制度，作业完毕后扳道员可能忘记将道岔恢复定位，如再有调车作业，车列也会进入异线发生事故。如果天气不良或夜间作业，道岔状态确认困难，容易发生转换不到位情况，引发上述同类事故的发生。非集中区道岔状态监测装置（以下简称“装置”）的应用，通过技术手段提高了作业的安全监控能力，消除了人为隐患，确保了行车安全。

1装置组成及功能

装置由现场安装的道岔位置采集机（简称采集机）和作业人员随身携带的手持语音接收机（简称手持机）两部分组成（见图1）。装置采用无线通信自成体系，无需外界提供电源。采集机适用于非集中区各种类型道岔；手持机小巧轻便，随身携带，使用时无需任何操作。

1.1采集机

采集机由双路感应式接近传感器、微控制器、无线数传模块、太阳能供电部分等组成，固定安装于道岔附近，通过非接触方式随时采集道岔位置信息，经处理后发送至手持机。采集机采用了ATmega88单片机作为嵌入式微控制器，统一协调道岔位置采集、数据处理、设备自检、蓄电池电压监测和无线通信等工作，并通过网络通信协议实现网状分布的集中控制。主要实现2项基本功能：道岔当前状态的采集，判断其定位、反位还是四开位置；道岔状态信息编码后通过无线方式发送。

1.2手持机

手持机由无线数传模块、微控制器、语音芯片、电源管理器、锂电池和喇叭等组成。手持机体积小、重量轻，成品与手机相仿，并采用了语音合成技术，功能和外观特点符合扳道员的工作特点。道岔位置变化后，手持机收到采集机发出的道岔位置信息，经微控制器判断、处理后，可保证在3s内将道岔位置、开通方向等状态信息通过语音提示播报给作业人员。同时手持机具备道岔四开、通信故障、采集机电池欠压、自身电池欠压等信息的语音报警功能。作为用户使用终端的手持机主要实现2项功能：道岔位置信息的接收及处理；监测信息的自动语音播报。

2装置特点与原理

结合非集中区作业特点和应用环境，装置主要开发了道岔状态采集和处理、采集机与手持机间无线通信、采集机的现场供电、手持机语音提示4部分内容。

2.1道岔状态采集与处理

由于非集中道岔种类繁多，研究设计了一种通用卡式固定配件将非接触位置检测传感器安装于基本轨上。检测反射底板设置在道岔岔尖的两边，直接监测岔尖相对于基本轨的距离，调整反射面使监测信息不仅能直接反映道岔位置，还能检测道岔密贴状况。为避免单个传感器故障时产生道岔位置误报，2个传感器分别安装于1组道岔的2根尖轨上，传感器经有线连接到路基旁的采集箱内，利用微处理器判断道岔状态处于定位、反位还是四开后通过无线模块发送出去。采集机软件流程见图2。

2.2无线通信

装置的服务对象主要是室外作业的扳道员、调车员。为使用方便灵活，采集机与手持机之间的信息交换采用多点对多点的无线通信框架，传输采用双向握手通信。无线通信设计了专用的通信协议，包括传输的校验机制、防碰撞机制、误码重发机制及通信故障检测等多种保证可靠传输的手段。无线数据传输部分采用了ISM频段APC801A型具有前向纠错、透明传输的微功率无线数据传输模块。该模块适合于工业领域强干扰的恶劣环境，能够满足非集中区数据传输的要求。由于受供电限制，无线通信为休眠-激活的间歇工作模式。无线通信模式见图3。

2.3采集机供电

非集中道岔所处位置相对偏僻，周围一般没有可以借用的稳定电源，采集机长期连续工作需自身提供免维护供电。太阳能电池作为当前新能源的首选产品，技术开发相对成熟，且太阳能电池具有无污染、寿命长、无需维护等优点。经过调研、测算与模拟试验，采用太阳能电池+蓄电池一体化集成方式解决了现场采集机不间断、免维护的供电问题。同时，为减小太阳能电池板尺寸，便于线路间安装，在不影响采集与传输的前提下，充分发挥微控制器的各单元电源管理功能，针对软、硬件两方面都进行了低功耗设计。实践证明，在太原地区，该装置能够连续1年不间断运行。

2.4手持机语音提示

非集中道岔转换要求扳道员操作完毕即刻判断是否转换到位，为此在装置终端设计时选择了手持的无线传输语音播报方式，直接提示扳道作业是否正确。这样，装置运行既不受作业地点限制，也不影响扳道员正常作业，使其能随时随地、清楚地掌握道岔当前状况。根据ISD1700系列语音芯片双运作模式，可录、放音10万次，存储内容可断电保留100年，可处理多达255段信息的特点，并包含自动增益控制、麦克风前置扩大器、扬声器驱动线路、振荡器与内存等功能，手持机将状态有变化的道岔号和与其对应的状态信息进行合成，提供了现行的6种语音提示信息：××号道岔定位开通方向；××号道岔反位开通方向；xx号道岔不密贴；××号道岔电池电压不足；××号道岔通信故障；本机电池不足请充电。

3装置主要技术参数

转换语音提示延时：<3s；

道岔密贴检测标准：<4mm；

道岔采集机容量：≤255套；

手持机持续供电时间：≥10h；

手持机尺寸（长×宽×厚）：60mm×I00mm×27mm

无线通信覆盖半径：300m；

采集机连续阴天持续供电时间：≥7d；

使用环境温度：-35~70℃。