Разработка автономной системы оповещения работников с применением технологии LoRa

Обеспечение безопасности труда на объектах железнодорожной инфраструктуры – одна из приоритетных задач, стоящих перед ОАО «РЖД» как работодателем и оператором крупнейшей транспортной системы страны. Безопасные условия работы персонала напрямую влияют не только на здоровье и жизнь работников, но и на бесперебойность и качество перевозочного процесса в целом. Учитывая, что обслуживание инфраструктуры и технических устройств ложится на плечи персонала служб железной дороги, крайне важно обеспечить их защиту в ходе выполнения работ, особенно вблизи железнодорожных путей – зоне повышенной опасности [1].

Согласно распоряжению ОАО «РЖД» от 18 июня 2024 года № 1459/р, сигналисты должны располагаться на расстоянии зрительного контакта с рабочей бригадой и обеспечивать обнаружение приближающегося поезда минимум за 500 метров (а на участках, где идут работы, – за 800 метров). Тем не менее даже при соблюдении этих требований сохраняется риск того, что сигнал не будет принят вовремя или будет проигнорирован в условиях высокой рабочей нагрузки и внешних помех [2].

Актуальность

Существующая практика предупреждения рабочих бригад о приближении подвижных составов включает использование специальных сотрудников – сигналистов, а также технических решений, таких как система СОП01 (система оповещения работников). Однако, несмотря на их широкое распространение, эти способы не обеспечивают необходимый уровень безопасности и надежности. Так, согласно актуальным данным, в 2024 году на производстве было зафиксировано более 20 000 случаев травматизма среди работников, из которых около 1700 – со смертельным исходом. В частности, в подразделениях ЦДИ (Центральная Дирекция инфраструктуры) и ЦДРП (Центральная Дирекция по ремонту пути) произошло свыше 40 случаев травматизма, 11 из которых закончились гибелью, а 7 стали групповыми инцидентами. Одной из ключевых причин таких происшествий является человеческий фактор: снижение бдительности, усталость, ограниченная видимость, высокий уровень шума в месте проведения работ и погодные условия (туман, метель). Сигналисты, находясь на значительном удалении от рабочих (минимум 500 метров), могут несвоевременно отреагировать на приближение подвижного состава или быть попросту не услышанными бригадой [3].

В то же время существующее техническое решение в виде системы СОП01 не обеспечивает должный уровень надежности. Система имеет ряд существенных недостатков, затрудняющих ее полноценную эксплуатацию: высокий процент отказов, конструктивные недоработки, отсутствие унифицированных регламентов по техническому обслуживанию и ремонту оборудования.

Разработка системы

В условиях стремления к цифровизации и автоматизации процессов существующие методы нуждаются в серьезной модернизации. Одним из перспективных направлений является использование технологий беспроводной связи, в частности LoRa (Long Range Radio), обеспечивающей надежную передачу данных на значительные расстояния при низком энергопотреблении. В этом контексте предлагается использование новой автономной системы оповещения работников о приближении подвижного состава, которая основана на применении – 644 – микроконтроллерных технологий (в связке с электромагнитным датчиком обнаружения поезда) и радиоканале на базе LoRa-модулей. Предлагаемая система может быть использована как основное или дополнительное средство (как инструмент сигналиста) оповещения работников о приближающемся составе [4, 5].

Ключевым преимуществом предлагаемого решения является возможность оперативного и автоматизированного оповещения работников о приближении подвижной единицы с целью немедленного прекращения работ и схода в безопасную зону. Это позволяет существенно снизить вероятность несчастных случаев, вызванных человеческим фактором, низкой видимостью или запоздалым предупреждением со стороны сигналистов.

Технически данная система будет состоять из 2 передатчиков и 3 приемников. Передатчик будет оснащен микропроцессорной платой Arduino Mega, датчиком обнаружения поезда, модулем беспроводной связи LoRa, источником питания и, в зависимости от варианта применения, солнечной батареей. Приемник, в свою очередь, встроен в сигнальный жилет работника и состоит из микропроцессорной платы Arduino Micro, модуля беспроводной связи LoRa, модуля реле Arduino, звуковой и световой сигнализации и источника питания [5, 6].

Программирование микроконтроллеров, как на передающих, так и на приемных устройствах, осуществлялось в среде разработки Arduino IDE с использованием упрощенного языка программирования C/C++. В рамках программной реализации были разработаны отдельные скетчи для обработки сигнала от датчика ШМП12, передачи данных по радиоканалу LoRa, а также для активации световой и звуковой сигнализации на приемной стороне. Программный код был оптимизирован с учетом необходимости работы в условиях ограниченных вычислительных ресурсов и обеспечения стабильной бесперебойной связи между модулями [6].

Проектируемая система реализуется в двух вариантах: стационарном и мобильном, в зависимости от характера объекта и условий эксплуатации:

– стационарный вариант предназначен для объектов железнодорожной инфраструктуры, требующих постоянного обслуживания и расположенных вблизи путей, например, посты КТСМ (комплекс технических средств многофункциональный). В данном случае передающая часть системы размещается в специальном путевом шкафу, оборудованном автономным электропитанием, за счет использования солнечной панели с функцией отслеживания источника энергии (солнце) в двух плоскостях (трекинг). Приемные устройства интегрированы в сигнальные жилеты сотрудников;

• – мобильный вариант ориентирован на временные и разовые работы на путях. В этом случае передатчики размещаются в защитных кейсах и перед началом работ устанавливаются вручную за 1 км по обе стороны от места проведения работ. Приемники по-прежнему встроены в сигнальные жилеты рабочих.

В качестве датчика обнаружения поезда планируется использование электромагнитного датчика ШМП12, состоящего из головки и крепежного устройства. ШМП12 функционирует на основе явления магнитной индукции. Когда гребень колеса приближается к датчику, магнитный поток возрастает, что вызывает появление в катушке ЭДС в форме колоколообразного импульса. При удалении гребня из зоны чувствительности магнитное поле уменьшается и в катушке возникает ЭДС с противоположной полярностью. Сформированный сигнал регистрируется микроконтроллером, входящим в состав передающей части системы [7, 8].

Выбор ШМП12 обусловлен его высокой надежностью, высокой помехозащищенностью, простотой установки и эксплуатации, а также способностью эффективно функционировать в различных климатических условиях. Его технические характеристики соответствуют требованиям, предъявляемым к системам безопасности на железнодорожном транспорте.

Для оповещения работников предусмотрено 2 вида сигнализации:

• 1.    Световая сигнализация: исполнена в виде красной светодиодной ленты, размещенной на внешней стороне сигнального жилета работника.

• 2.    Звуковая сигнализация: в данной системе служит дополнительным средством оповещения работников, издавая громкое и раздражительное пищание. Источник звука находится внутри корпуса вместе с исполнительной частью приемника. В качестве источника звука используется зуммер пьезоэлектрический, имеющий миниатюрные размеры и достаточно громкий звук.

Световая сигнализация является одним из основных средств предупреждения о потенциальной опасности, к преимуществам данного вида сигнализации можно отнести:

– заметность в различных условиях;

– наглядность получаемой информации;

– эффективность при высоких уровнях шума.

Питание и автономность системы

Для обеспечения автономного питания передающего модуля (в случае стационарного варианта размещения системы), находящегося в путевом шкафу, предлагается использование солнечной системы с функцией двухосного слежения за солнцем. Использование солнечной энергии позволяет поддерживать работоспособность устройства, обеспечивая бесперебойную работу системы в удаленных или труднодоступных местах с отсутствием электроснабжения. Энергия, полученная с помощью солнечной панели через контроллер заряда, будет накаливаться в аккумуляторной батарее.

Эксплуатация солнечной панели планируется с применением системы слежения за солнцем, что позволяет значительно повысить ее эффективность за счет увеличения коэффициента полезного действия (КПД). В течение светового дня панель будет автоматически ориентироваться в сторону максимальной солнечной освещенности, что способствует более полной выработке энергии и стабильному восстановлению емкости аккумуляторной батареи. Применение трекингового механизма особенно актуально для регионов с переменными погодными условиями и низкой инсоляцией [9].

Поворот солнечной панели осуществляется с помощью простого аналогового устройства, не требующего микроконтроллера. Конструкция панели предусматривает установку на специальный кронштейн, обеспечивающий вращение в двух плоскостях – горизонтальной и вертикальной. На поверхности панели установлены четыре фоторезистора, размещенные по одному на каждой из сторон (слева, справа, сверху и снизу). Эти датчики воспринимают уровень освещенности (чем ярче свет, тем выше ток, проходящий через фоторезистор), и их сигналы сравниваются на специальной плате с усилителями. К плате также подключены два электродвигателя, каждый из которых отвечает за поворот панели в одной из двух плоскостей. При изменении положения Солнца один из фоторезисторов фиксирует больше света, чем противо-– 646 – положный – на его выходе формируется положительный или отрицательный сигнал. Возникающая разность потенциалов приводит к срабатыванию двигателя, который начинает вращать панель в нужную сторону. Процесс продолжается до тех пор, пока освещенность на паре противоположных фоторезисторов не сравняется, и сигналы не «выйдут в ноль» – в этот момент поворот останавливается [9].

Принцип работы системы

Принцип работы заключается в постоянном «общении» модулей LoRa между собой и информировании друг друга об изменениях. Перед началом выполнения работ работники должны установить передатчики на расстоянии не менее 1–1,5 км от места работ в зависимости от рельефа местности и условий видимости, а также включить приемник и убедиться в работоспособности системы, только после этого приступать к работам. В процессе выполнения рабочих обязанностей при проезде состава над одним из датчиков обнаружения поезда формируется сигнал, который фиксируется контроллером и мгновенно передается через беспроводную связь LoRa на приемники, встроенные в сигнальные жилеты работников. При получении сигнала на жилетах загорается красная светодиодная лента, и раздается громкий звуковой сигнал, свидетельствующий о прекращении работ вблизи железнодорожных путей и необходимо-

Рис. 1. Принцип работы системы оповещения рабочих бригад об опасности

Fig. 1. The principle of operation of the warning system for work crews about the danger сти немедленно отойти на безопасное расстояние. После проезда подвижной единицы жилеты гаснут, что означает отсутствие состава на путях и возможность продолжения выполнения рабочих обязанностей [5]. Наглядный принцип работы представлен на рис. 1.

Создание макета системы

Для реализации и наглядной работы системы был разработан макет системы, состоящий из 2 передатчиков с электромагнитным датчиком обнаружения подвижного состава ШМП12, 3 приемников, солнечной панели с функцией трекинга, установленной на путевом шкафу, аккумуляторной батареи. Макет системы максимально приближен к будущему промышленному образцу и демонстрирует его основные функции.

Рис. 2. Сигнальный жилет работника, в который встроен приемник-контроллер

Fig. 2. The employee’s signal vest, which has a built-in receiver-controller

Сигнальный жилет работника со встроенным приемником-контроллером представлен на рис. 2. Жилет оборудован световой и звуковой сигнализацией – в виде светодиодной ленты и пьезоэлектрического зуммера соответственно.

Солнечная панель с функцией слежения за источником света представлена на рис. 3 и 4.

Исполнительная часть контроллера-передатчика с подключенным к нему электромагнитным датчиком обнаружения состава ШМП12 представлена на рис. 5.

Передающее устройство, установленное в путевом ящике, оборудованном солнечной панелью с функцией двухосного трекинга, изображено на рис. 6.

Рис. 3. Солнечная панель с функцией слежения за источником света, вид сбоку: 1 – электродвигатель постоянного тока, осуществляющий поворот панели; 2 – контроллер заряда, подключенный к АКБ и солнечной панели; 3 – плата управления механизмом слежения (усилитель рассогласования); 4 – центральная поворотная стойка с возвратной пружиной; 5 – направляющий блок с роликом натяжения тросового привода

Fig. 3. Solar panel with the function of tracking the light source, side view: 1 – DC electric motor that rotates the panel; 2 – charge controller connected to the battery and solar panel; 3 – control board for the tracking mechanism (misalignment amplifier); 4 – central rotary stand with a return spring; 5 – guide cable drive tension roller unit

Рис. 4. Солнечная панель с функцией слежения за источником света, вид сверху: 1 – фоторезисторы, расположенные по краям солнечной батареи; 2 – аккумуляторная батарея, подключенная к контроллеру заряда

Fig. 4. Solar panel with the function of tracking the light source, top view: 1 – photoresistors located at the edges of the solar panel; 2 – rechargeable battery connected to the charge controller

Рис. 5. Исполнительная часть передатчика

Fig. 5. The executive part of the transmitter

Испытания и результаты

Для подтверждения работоспособности системы были проведены первые полевые испытания на железнодорожных путях. В ходе тестирования оборудование было размещено в условиях, максимально приближенных к реальным. При прохождении подвижного состава датчик ШМП12 корректно зафиксировал приближение поезда, сигнал был успешно передан по радиоканалу LoRa на приемные устройства, встроенные в сигнальные жилеты работников. Система своевременно активировала световую и звуковую сигнализацию, тем самым подтверждая свою эффективность и устойчивость к внешним помехам. Испытания показали стабильную работу

Рис. 6. Передающее устройство, установленное в путевом ящике, оборудованном солнечной панелью с трекингом: слева – общий вид передающей части с подключенным датчиком ШМП12; справа – оборудование, размещенное внутри ящика, и система слежения за солнцем, закрепленная на крыше ящика

Fig. 6. Transmitting device installed in a travel box equipped with a tracking solar panel: on the left is a general view of the transmitting part with a connected SHMP12 sensor; on the right is the equipment located inside the box and the sun tracking system mounted on the roof of the box всех элементов устройства и подтвердили его готовность к дальнейшему усовершенствованию и внедрению в производственные условия.

Заключение

В ходе выполнения работы была разработана и реализована автономная система оповещения работников о приближении подвижного состава с использованием технологии беспроводной связи LoRa и микроконтроллерных компонентов. Предложенное техническое решение ориентировано на повышение уровня безопасности при выполнении работ вблизи железнодорожных путей, что соответствует актуальным требованиям к охране труда на предприятиях с повышенным уровнем опасности, в том числе в ОАО «РЖД».

Разработанная система способна эффективно заменить устаревшие и ненадежные методы оповещения, включая человеческий фактор в лице сигналистов и низкоэффективную систему СОП01. Она обеспечивает своевременное и достоверное предупреждение рабочих бригад, что позволяет минимизировать риски травматизма и повышает общую безопасность производственного процесса.

Система отвечает современным требованиям к надежности, автономности и адаптивности. Использование солнечного питания с функцией слежения за солнцем гарантирует ее – 650 – бесперебойную работу даже в удаленных и труднодоступных регионах с неблагоприятными климатическими условиями. Применение микроконтроллеров и радиомодулей LoRa позволяет создавать масштабируемые и гибкие конфигурации, легко адаптируемые под конкретные условия эксплуатации.

Первичные испытания устройства, проведенные в реальных условиях на железнодорожных путях, подтвердили его работоспособность и корректную реакцию системы на приближающийся поезд. Это свидетельствует о практической реализуемости проекта и возможности его внедрения в производственную среду.

Система имеет значительный потенциал для дальнейшего совершенствования: возможно расширение функционала, повышение энергоэффективности, реализация централизованного мониторинга состояния оборудования, интеграция с другими системами безопасности и автоматизации. Таким образом, предложенное решение не только соответствует современным стандартам, но и является перспективным направлением в развитии цифровой инфраструктуры безопасности на железнодорожном транспорте.