Nghiên cứu thiết kế, chế tạo hệ thống thiết bị phòng vệ đường ngang cảnh báo tự động có chắn sử dụng radar phát hiện đoàn tàu

Transport and Communications Science Journal, Vol 73, Issue 3 (04/2022), 327 343 327 Transport and Communications Science Journal RESEARCH ON DESIGNING, MANUFACTURING AN AUTOMATIC WARNING LEVEL CROSSI[.]

Transport and Communications Science Journal, Vol 73, Issue (04/2022), 327-343 Transport and Communications Science Journal RESEARCH ON DESIGNING, MANUFACTURING AN AUTOMATIC WARNING LEVEL CROSSING PROTECTION SYSTEM WITH BARRIERS USING TRAIN DETECTION RADAR Nguyen Duc Toan1, Pham Xuan Thang2, Do Duc Tuan1* University of Transport and Communications, No Cau Giay Street, Hanoi, Vietnam Tan Thang Loi Investment Construction and Trading Joint Stock Company, No 14, Ho Bieu Chanh Street, 11 Ward, Phu Nhuan Dist, Ho Chi Minh city, Vietnam ARTICLE INO TYPE: Scientific communication Received: 13/01/2022 Revised: 12/02/2022 Accepted: 15/04/2022 Published online: 15/04/2022 https://doi.org/10.47869/tcsj.72.3.10 * Corresponding author Email: ddtuan@utc.edu.vn; Tel: +84913 905 814 Abstract The technological equipment for level crossing protection in the Vietnamese railway industry currently uses “axle counters” which is processed data based on PLC processors Although accurate, it is cumbersome, with few functions and unable to update modern features such as: checking the operation status for its own and connected devices, no warning function for managers, operators, real-time data storage, etc Therefore, it is necessary to study and replace the current technology with a more advanced one, including using train identification equipment by domestic radar motion sensors with more modern microprocessor technology, extensive features, secure, compact, and less energy consumption To apply this technology in practice, the article presents the results of designing and manufacturing some main equipment of the automatic warning level crossing protection system with barriers using train detection radar Keywords: level crossing protection equipment, automatic warning, train detection radar © 2022 University of Transport and Communications 327 Tạp chí Khoa học Giao thông vận tải, Tập 73, Số (04/2021), 327-343 Tạp chí Khoa học Giao thơng vận tải NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ, CHẾ TẠO HỆ THỐNG THIẾT BỊ PHÒNG VỆ ĐƯỜNG NGANG CẢNH BÁO TỰ ĐỘNG CÓ CHẮN SỬ DỤNG RADAR PHÁT HIỆN ĐỒN TÀU Nguyễn Đức Tồn1, Phạm Xn Thắng2, Đỗ Đức Tuấn1* Trường Đại học Giao thông vận tải, Số Cầu Giấy, Hà Nội, Việt Nam Công ty Cổ phần dịch vụ Đầu tư xây dựng Thương mại Tân Thắng Lợi, Số 14 Lầu 3, Hồ Biểu Chánh, Phường 11, Quận Phú Nhuận, TP Hồ Chí Minh, Việt Nam THÔNG TIN BÀI BÁO CHUYÊN MỤC: Thông tin khoa học Ngày nhận bài: 13/01/2022 Ngày nhận sửa: 12/02/2022 Ngày chấp nhận đăng: 15/04/2022 Ngày xuất Online: 15/04/2022 https://doi.org/10.47869/tcsj.72.3.10 * Tác giả liên hệ Email: ddtuan@utc.edu.vn; Tel: +84913 905 814 Tóm tắt Các thiết bị cơng nghệ phịng vệ đường ngang ngành đường sắt Việt Nam sử dụng “Bộ đếm trục xe” xử lý liệu sở PLC, xác, cồng kềnh, chức khơng cập nhật tính đại như: kiểm tra tình trạng hoạt động thiết bị kết nối liên quan, khơng có chức cảnh báo cho người quản lý, vận hành, lưu trữ liệu theo thời gian thực v.v Vì vậy, cần nghiên cứu thay công nghệ hành cơng nghệ tiên tiến hơn, có việc sử dụng thiết bị nhận biết tàu hỏa cảm biến radar chuyển động sản xuất nước với công nghệ vi xử lý đại hơn, tính mở rộng hơn, khả bảo mật cao hơn, gọn nhẹ tiêu thụ lượng Với mong muốn ứng dụng công nghệ vào thực tế, báo trình bày kết thiết kế, chế tạo số thiết bị chủ yếu hệ thống thiết bị phòng vệ đường ngang cảnh báo tự động có chắn sử dụng radar phát đồn tàu Từ khóa: thiết bị phịng vệ đường ngang, cảnh báo tự động, rada phát đồn tàu © 2022 Trường Đại học Giao thông vận tải 328 Transport and Communications Science Journal, Vol 73, Issue (04/2022), 327-343 ĐẶT VẤN ĐỀ Hiện nay, nhiều điểm đường ngang người gác tồn tuyến, ngành đường sắt Việt Nam (ĐSVN) sử dụng thiết bị “đếm trục xe” để nhận biết cách tự động có tàu hỏa chạy qua Thiết bị “đếm trục xe” lắp đặt lòng đường sắt bên đế ray để truyền tín hiệu có tàu đến tủ điều khiển đặt đường ngang nhằm điều khiển tín hiệu đèn giao thơng đường (GTĐB), chng reo đóng/mở cần chắn đường ngang Tủ điều khiển đường ngang thực việc điều khiển bật/tắt tín hiệu tự động cơng nghệ PLC Cơng nghệ có ưu điểm đơn giản, xác, dễ lắp đặt vận hành, có nhược điểm cồng kềnh, chức khơng cập nhật tính đại như: kiểm tra tình trạng hoạt động thiết bị kết nối liên quan, khơng có chức phản hồi tự động cảnh báo cho người quản lý cách kịp thời có cố xảy ra, khơng có chức lưu trữ liệu theo thời gian thực v.v Hệ thống đèn tín hiệu giao thơng đường (GTĐB) sử dụng loại đèn màu (Đỏ - Xanh – Vàng) dạng sợi đốt, tiêu thụ nguồn điện lớn, tuổi thọ không cao Cần chắn sử dụng nhiều chủng loại nhiều hãng sản xuất, nên việc chuẩn hóa quy trình tu bảo dưỡng, bảo trì sản phẩm gặp nhiều khó khăn cơng nghệ chi phí thực Việc giám sát, quản lý tình hình an tồn giao thơng (ATGT) khu vực đường ngang thông qua hệ thống camera giám sát đặt đường ngang kết nối với trung tâm vận hành quản lý khu vực nhiều phương thức (hữu tuyến vô tuyến) chưa thực chuyên nghiệp Khi cố xảy đường ngang khó phát xử lý kịp thời Trước tình trạng nói trên, nhóm tác giả đề xuất việc nghiên cứu thiết kế, chế tạo hệ thống thiết bị phịng vệ đường ngang cảnh báo tự động có chắn sử dụng radar phát đoàn tàu với hai mục tiêu chủ yếu sau: + Sử dụng thiết bị nhận biết tàu hỏa cảm biến radar chuyển động sản xuất nước thay cho thiết bị nhận biết tàu hỏa công nghệ “đếm trục xe” Cơng nghệ có ưu điểm sau: - Cảm biến dar có độ xác cao, khơng bị ảnh hưởng thời tiết, khí hậu, không bị rung chấn tốc độ chạy tàu nâng cao; Vị trí lắp đặt thiết bị nằm hành lang ATGT đường sắt, khơng ảnh hưởng đến việc sửa chữa tu hạ tầng đường sắt; Chi phí đầu tư lắp đặt rẻ so với thiết bị “đếm trục xe” thiết bị nhận tàu sử dụng công nghệ dar sản xuất nước, dễ dàng cung cấp thay cần thiết; Chi phí vận hành, bảo dưỡng bảo trì thấp, thiết bị sử dụng lượng thấp, thời gian lưu trữ nguồn điện lâu hơn, chí vận hành + Sử dụng tủ điều khiển đường ngang (Trung tâm xử lý liệu điều khiển đường ngang), với công nghệ vi điều khiển (VXL) Công nghệ có độ xác cao cơng nghệ PLC áp dụng nay, vì: - Việc điều khiển thiết bị xác hơn; Đồng hóa tính phản hồi tình trạng hoạt động thiết bị kết nối, báo cáo đến số điện thoại người quản lý vận hành đơn vị quản lý xác xử lý kịp thời thơng qua điện thoại di động; Có tính bảo mật cao, sử dụng phần mền mã hóa, tránh can thiệp từ bên ngồi; Có khả kết nối với Trung tâm quản lý vận hành thống toàn tuyến, làm sở đầu cuối thiết lập hệ thông giám sát giao thơng thơng minh tồn tuyến đường sắt; Sử dụng cần chắn nâng hạ thủy lực có ưu điểm hoạt động ổn định lâu dài, có độ xác cao với mức tiêu thụ lượng thấp, thuận lợi cho việc cung cấp nguồn lượng kéo dài thời gian nguồn lượng dự trữ, giảm chi phí cho việc đầu tư vận hành nguồn lượng cung cấp cho thiết bị hoạt 329 Tạp chí Khoa học Giao thơng vận tải, Tập 73, Số (04/2021), 327-343 động; Chuẩn hóa việc lắp đặt hệ thống camera giám sát khu vực đường ngang có góc quan sát rộng, rõ nét, làm sở cho người quản lý quan chức biết rõ tình hình hoạt động hệ thống thiết bị tình hình ATGT khu vực đường ngang; Lưu trữ truyền dẫn tín hiệu đến trung tâm quản lý khu vực, cảnh báo kịp thời cố khu vực đường ngang; Làm sở đầu cuối thiết lập hệ thống giám sát ATGT thơng minh tồn tuyến đường sắt Việt Nam, đại, an toàn với chi phí hợp lý Ngồi biết, gần (2019) có đề tài “Nghiên cứu, lắp đặt thử nghiệm hệ thống radar phát chướng ngại đường ngang sử dụng cần chắn chun dụng đóng kín, có hỗ trợ quản lý giám sát” Công ty Cổ phần Thơng tin tín hiệu Đường sắt Vinh thực Bản chất nghiên cứu “Ứng dụng cảm biến Radar để phát chướng ngại khu vực đường ngang” Tuy nhiên, nội dung mà nhóm tác giả đề xuất thiết kế chế tạo bo mạch tủ phần mềm điều khiển xử lý thông tin xác đâu đồn tàu chạy vào khu vực, chướng ngại khác, để liệu đầu thông tin gửi tủ TT Do đó, nội dung đề tài nêu có tính hồn tồn khác biệt so với đề xuất nhóm tác giả hai vấn đề hoàn toàn khác MƠ HÌNH TỔNG THỂ VÀ NGUN LÝ HOẠT ĐỘNG CỦA HỆ THỐNG THIẾT BỊ PHÒNG VỆ ĐƯỜNG NGANG TỰ ĐỘNG CĨ CHẮN SỬ DỤNG RADAR PHÁT HIỆN ĐỒN TÀU 2.1 Mơ hình tổng thể Hệ thống phịng vệ đường ngang cảnh báo tự động có chắn sử dụng radar phát đoàn tàu thiết bị lắp đặt ở đường ngang giao cắt đường đường sắt, nhằm cảnh báo ngăn người phương tiện giao thơng đường dừng lại có tàu hỏa qua Do tính chất quan trọng việc phịng tránh tai nạn giao thơng ở điểm giao cắt nên hệ thống phải làm việc tin cậy ổn định, khơng ảnh hưởng thời tiết khí hậu Việt Nam Sơ đồ bố trí thiết bị đường ngang thể hình [1-2] Hình Mơ hình tổng thể Hệ thống thiết bị phịng vệ tự động đường ngang có chắn sử dụng radar phát đoàn tàu 2.2 Nguyên lý hoạt động hệ thống Khi có tàu đến/đi hệ thống tự động nhận biết tàu hỏa cảm biến chuyển động rada đặt song song với đường sắt vị trí (đặt tủ A), gồm vị trí ở xa 01 vị trí đặt 330 Transport and Communications Science Journal, Vol 73, Issue (04/2022), 327-343 đường ngang, phát tín hiệu có tàu đến/đi tủ trung tâm TT xử lý liệu tự động điều khiển việc bật/tắt đèn tín hiệu, chng (hoặc loa) cảnh báo trước, sau đóng/mở cần chắn buộc người phương tiện giao thông đường phải dừng lại trước cần chắn khoảng cách tối thiểu nhằm đảm bảo ATGT tàu hỏa chạy qua đường ngang theo trình tự sau: Khi tàu vừa đến vị trí tủ A1 (đặt hướng tàu đi) vị trí tủ A2 (đặt theo hướng tàu về) cảm biến rada xác định có tàu đến, liệu tủ A xử lý xác, phát tín hiệu tủ TT Tủ TT xử lý phát lệnh bật đèn tín hiệu màu vàng nhấp nháy (báo hiệu tàu vào khu vực đường ngang), sau thời gian từ 1-3 s chuông (hoặc loa) bật, sau 1-3 s đèn tín hiệu màu đỏ bật sáng (Đóng/mở luân phiên đèn theo chu kỳ 30-60 lần/phút), sau 1-3 s Cần chắn từ từ đóng xuống, đèn nháy đỏ (đặt cần chắn) bật sáng, đóng Cần chắn xong chng điện, đèn tín hiệu bật sáng (khoảng thời gian trình tự bật/tắt thiết bị điều chỉnh theo yêu cầu người dùng) Nếu q trình đóng, cần chắn bị cố khơng đóng (do bị đâm va hỏng hóc), cần chắn quay ngược trở lại vị trí ban đầu (mở chắn), lúc đèn cảnh báo dừng tàu hỏa khẩn cấp (đặt cột đèn đặt song song với đường sắt) bật sáng, nhằm cảnh báo cho tàu hỏa dừng lại để đảm bảo an toàn Khi cố xử lý xong, cần chắn tiếp tục đóng xuống, đóng xong đèn dừng tàu khẩn cấp tắt, báo hiệu an toàn tàu hỏa tiếp tục khởi hành Khi tàu qua đường ngang (đầu cùa tàu hỏa qua cảm biến nhận biết tàu hỏa tủ B, nằm tủ TT), đèn nhấp nháy đỏ (đặt cột tín hiệu GTĐB) tắt, Cần chắn từ từ mở lên, mở xong chuông đèn nháy đỏ (đặt cần chắn) tắt Tự động kiểm tra lưu trữ liệu tình trạng hoạt động thiết bị, phản hồi tình trạng cố thiết bị đến điện thoại di động người quản lý theo dạng tin nhắn SMS để người quản lý biết xử lý kịp thời Xong chu kỳ làm việc hệ thống quay chế độ chờ đoàn tàu 2.3 Các thiết bị hệ thống Các thiết bị hệ thống bao gồm: a Thiết bị phát tàu hỏa đến: gồm 02 (Tủ A1, A2), Mỗi tủ A có cảm biến radar chuyển động; b Thiết bị phát tàu hỏa đi: (tủ B tích hợp tủ TT) gồm có radar; c Tủ điều khiển trung tâm (Tủ TT): 01 bộ; d Cần chắn tự động: (Nâng/hạ cần chắn hệ thống thủy lực, sử dụng điện 24V-DC, điều khiển tự động thông qua Tủ C): 02 bộ; đ Cột tín hiệu giao thông đường (GTĐB): 02 cột Trên cột lắp đặt thiết bị chấp hành sau: Đèn nhấp nháy vàng (1 đèn); Đèn nhấp nháy đỏ (2 đèn), Chuông điện (hoặc loa), biển báo theo quy định); e Cột tín hiệu dừng tàu khẩn cấp: 02 cột Báo hiệu cho lái tàu biết dừng lại xảy cố đường ngang; f Nguồn điện sử dụng: Ắc quy 24V-DC, nạp điện tự động – từ lưới điện 220V Nguyên lý hoạt động thiết bị trình bày đầy đủ [1,2] THIẾT KẾ, CHẾ TẠO MỘT SỐ THIẾT BỊ CHỦ YẾU CỦA HỆ THỐNG THIẾT BỊ PHÒNG VỆ TỰ ĐỘNG ĐƯỜNG NGANG CĨ CHẮN SỬ DỤNG RADAR PHÁT HIỆN ĐỒN TÀU 3.1 Nguyên tắc thiết kế, chế tạo thiết bị hệ thống 331 Tạp chí Khoa học Giao thơng vận tải, Tập 73, Số (04/2021), 327-343 Từ sơ đồ nguyên lý thấy rằng, hệ thống Thiết bị phòng vệ sử dụng radar phát đoàn tàu hỏa qua đường ngang đường sắt cần chắn tự động bao gồm nhiều loại thiết bị linh kiện đa dạng, bao gồm thiết bị linh kiện điện, điện-tử, khí, thủy lực v.v Do vậy, khn khổ báo có hạn, ở trình bày nội dung liên quan đến trình nghiên cứu, thiết kế chế tạo thiết bị Hệ thống, sản phẩm riêng biệt thực đáp ứng yêu cầu kỹ thuật, quy trình, quy định ngành đường sắt liên quan đến Thiết bị phòng vệ đường ngang tự động hành 3.1.1 Lựa chọn linh kiện, thiết bị trước đưa vào thiết kế Là linh kiện, thiết bị có sẵn thị trường Việt Nam nhập từ nước tiên tiến (Đức, Nhật), có nguồn gốc, xuất xứ (CO, CQ) rõ ràng, kiểm nghiệm từ phịng kiểm định quan có chức chấp thuận mang tính đại trà, thuận tiện việc cung cấp cần, không bị ràng buộc điều kiện độc quyền Có giá cạnh tranh, làm việc ổn định, an tồn mơi trường khí hậu nhiệt đới Việt Nam 3.1.2 Nguyên tắc thiết kế, chế tạo thiết bị hệ thống Với lý nêu trên, nguyên tắc thiết kế, chế tạo đề xuất sau: + Kế thừa lựa chọn thiết bị, linh kiện có sẵn phù hợp với Tiêu chuẩn Quy chuẩn hành + Thiết kế chế tạo thiết bị linh kiện Cụ thể sau + Đối với Tủ A: Bước Lựa chọn cảm biến radar chip Atmega16, sản phẩm sẵn có thị trường, đáp ứng yêu cầu TCKT quy phạm hành Bước Thiết kế chế tạo bo mạch tủ A phần mềm điều khiển xử lý thơng tin xác đâu đoàn tàu chạy vào khu vực, để liệu đầu thông tin gửi tủ TT + Đối với Tủ TT: Bước Lựa chọn Chip Atmega128 sản phẩm có sẵn thị trường Thuật tốn cho VXL ngơn ngữ lập trình có Chip Atmega 16/128, đáp ứng yêu cầu TCKT quy phạm hành Bước Thiết kế chế tạo bo mạch phần mềm xử lý (tủ TT) + Đối với cần chắn tự động: Bước Lựa chọn động điện ben thủy lực sản phẩm sẵn có thị trường, đáp ứng yêu cầu TCKT quy phạm hành Bước Thiết kế, chế tạo phận cấu khí, truyền động điều khiển, thiết bị hoàn toàn khác so với với sản phẩm hành sử dụng ngành ĐSVN + Đối với số thiết điện-điện tử: Các thiết bị đèn tín hiệu, chng (hoặc loa) sản phẩm sẵn có thị trường, lựa chọn theo Tiêu chuẩn kỹ thuật (TCKT), Quy chuẩn, Quy phạm Cơ quan có thẩm quyền ban hành Quá trình nghiên cứu, thiết kế, chế tạo sản phẩm trình bày đầy đủ [1,2] Trong báo trình bày số sản phẩm chủ yếu sau 3.2 Thiết kế, chế tạo số thiết bị hệ thống 3.2.1 Thiết bị nhận biết tàu hỏa đến/đi Tính năng, vị trí bố trí thiết bị trình bày [1,2] Tiêu chuẩn kỹ thuật - Chất lượng sản phẩm: Tuân thủ Quy chuẩn kỹ thuật Quốc gia Hệ thống thiết bị phòng vệ đường ngang cảnh báo tự động QCVN 104:2019/BGTVT- Quy định thiết bị nhận biết tàu hỏa [3-10] Các thông số kỹ thuật linh kiện, thiết bị trình bày đầy đủ [1], có nội dung Bộ TTTT cấp phép lưu hành [11] Bản thiết kế mạch tủ A nhận biết tàu hỏa đến/đi (kết nối cảm biến rada) thể Hình 332 Transport and Communications Science Journal, Vol 73, Issue (04/2022), 327-343 Hình Bản thiết kế mạch tủ A nhận biết tàu hỏa đến/đi (kết nối cảm biến rada) Các linh kiện mạch Tủ A cho bảng Thông số kỹ thuật cảm biến chuyển động rada RD-223 xử lý liệu Tủ A cho bảng 2-3 Bảng Các linh kiện mạch Tủ A TT Tên linh kiện Bảng mạch có vi điều khiển ATmega16A linh kiện kèm theo Cảm biến chuyển động rada với khoảng cách phát tàu