高鐵防災(zāi)系統(tǒng)傳感器在線監(jiān)測裝置的研究

張明杰　崔高峰　賈繼峰　戈明喆　曹　密（.沈陽鐵路局科學(xué)技術(shù)研究所，遼寧 沈陽 00；.沈陽鐵路局電務(wù)處，遼寧 沈陽 000；.沈陽鐵路局工務(wù)處，遼寧 沈陽 000）

生 產(chǎn) 與 安 全 技 術(shù)

高鐵防災(zāi)系統(tǒng)傳感器在線監(jiān)測裝置的研究

張明杰1崔高峰1賈繼峰1戈明喆2曹密3
（1.沈陽鐵路局科學(xué)技術(shù)研究所，遼寧 沈陽 110013；2.沈陽鐵路局電務(wù)處，遼寧 沈陽 110001；3.沈陽鐵路局工務(wù)處，遼寧 沈陽 110001）

高鐵防災(zāi)系統(tǒng)對于保障行車安全有重要意義，本文對高鐵防災(zāi)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了分析，并提出了高鐵防災(zāi)系統(tǒng)傳感器在線監(jiān)測技術(shù)研究的解決方案，在此基礎(chǔ)上，研究了高鐵防災(zāi)系統(tǒng)傳感器在線監(jiān)測裝置，并介紹了其工作原理和硬件開發(fā)。

高鐵；防災(zāi)系統(tǒng)；傳感器；在線監(jiān)測；風(fēng)速計(jì)；雨量計(jì)；雪深計(jì)

1 前言

高速鐵路自然災(zāi)害及異物侵限監(jiān)測系統(tǒng)，也稱作高鐵防災(zāi)系統(tǒng)，它是鐵路信息系統(tǒng)重要組成部分，為高速鐵路運(yùn)營提供可靠的災(zāi)害預(yù)警及報(bào)警信息，是高速鐵路列車行車安全的重要保障系統(tǒng)之一。

高鐵防災(zāi)系統(tǒng)主要是對危及列車運(yùn)行安全的大風(fēng)、暴雨、暴雪、地震等自然災(zāi)害以及突發(fā)異物侵限等進(jìn)行實(shí)時監(jiān)測，提供經(jīng)過處理后的災(zāi)害預(yù)警、限速、停運(yùn)等信息，為運(yùn)營調(diào)度進(jìn)行列車運(yùn)行計(jì)劃調(diào)整，下達(dá)相應(yīng)行車管制、搶險救援、維修管理等命令提供依據(jù)，通過信號聯(lián)鎖、列控系統(tǒng)或行車調(diào)度命令實(shí)現(xiàn)自動或人工控制行車速度，保障高速列車的運(yùn)行安全。

圖1 高鐵防災(zāi)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

國外高速鐵路發(fā)達(dá)的國家，如日本、法國、德國、西班牙等，均采用先進(jìn)的高速鐵路防災(zāi)技術(shù)加強(qiáng)對自然災(zāi)害的有效防護(hù)，避免多次行車事故和險情。事實(shí)證明：高鐵防災(zāi)系統(tǒng)的作用是突出有效的，為高鐵列車的運(yùn)行提供了堅(jiān)強(qiáng)有力的安全保障。在高鐵防災(zāi)系統(tǒng)的應(yīng)用上我國起步較晚，應(yīng)用過程中自然災(zāi)害對高鐵行車影響的次數(shù)較少，積累的經(jīng)驗(yàn)還不夠多，防災(zāi)系統(tǒng)的自我完善還存在不足。以哈大高鐵防災(zāi)系統(tǒng)為例，經(jīng)過現(xiàn)場調(diào)研發(fā)現(xiàn)，風(fēng)、雨、雪傳感器誤報(bào)多次，通訊故障多次，影響了高鐵列車的正常行車。因此，研究高鐵防災(zāi)系統(tǒng)的傳感器在線監(jiān)測技術(shù)，研制實(shí)用的監(jiān)測裝置，實(shí)現(xiàn)對高鐵防災(zāi)系統(tǒng)的傳感器工作狀態(tài)進(jìn)行在線實(shí)時監(jiān)測，判斷分析其運(yùn)行狀況，為系統(tǒng)的運(yùn)營維護(hù)、故障維修提供依據(jù)和指導(dǎo)，以保障高鐵防災(zāi)系統(tǒng)的穩(wěn)定、可靠運(yùn)行。開展專項(xiàng)技術(shù)研究，是非常必要和迫切的。

2 技術(shù)方案

高鐵防災(zāi)系統(tǒng)傳感器在線監(jiān)測技術(shù)及裝置的研究，必須在系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的分析基礎(chǔ)上進(jìn)行研究方案論證，從而提出合理有效的技術(shù)方案。

2.1 結(jié)構(gòu)分析

高鐵防災(zāi)系統(tǒng)是構(gòu)架在鐵路通信傳輸網(wǎng)基礎(chǔ)之上的安全信息采集和監(jiān)測系統(tǒng)，采用鐵路局中心系統(tǒng)、現(xiàn)場監(jiān)測設(shè)備兩級架構(gòu)，包括鐵路局中心系統(tǒng)、現(xiàn)場監(jiān)測設(shè)備及網(wǎng)絡(luò)通道等。其結(jié)構(gòu)組成如圖1所示。

（1）現(xiàn)場監(jiān)測設(shè)備

現(xiàn)場監(jiān)測設(shè)備包括監(jiān)控單元設(shè)備、風(fēng)速計(jì)、雨量計(jì)、雪深計(jì)（以及地震儀、異物傳感器）等，及相應(yīng)的電源模塊、通訊模塊等。其中監(jiān)控單元是現(xiàn)場監(jiān)測設(shè)備的工作核心，它采用模塊化結(jié)構(gòu)，同一監(jiān)控單元可以同時接入多個不同種類監(jiān)測設(shè)備。監(jiān)控單元實(shí)時采集其管轄范圍內(nèi)各類傳感器信息，并對采集到的信息進(jìn)行處理，再將處理后的監(jiān)測、報(bào)警數(shù)據(jù)傳送至鐵路局中心系統(tǒng)。

（2）鐵路局中心系統(tǒng)

鐵路局中心系統(tǒng)包括監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)處理設(shè)備、監(jiān)控終端等，鐵路局中心系統(tǒng)對收集的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、處理，生成監(jiān)測、報(bào)警、預(yù)警信息及提示，并傳送至相關(guān)監(jiān)控終端。

（3）網(wǎng)絡(luò)通道

監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)處理設(shè)備至現(xiàn)場監(jiān)控單元之間采用光纜傳輸系統(tǒng)提供的E-TREE網(wǎng)絡(luò)通道，各點(diǎn)間均采用雙設(shè)備雙通道互備。

2.2 方案論證

高鐵防災(zāi)系統(tǒng)傳感器在線監(jiān)測技術(shù)及裝置的研究方案論證，必須基于正確的需求分析，并建立對高鐵防災(zāi)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和通訊模式的分析基礎(chǔ)上。

（1）需求分析

研究高鐵防災(zāi)系統(tǒng)傳感器在線監(jiān)測技術(shù)及裝置，必須基于正確的需求分析基礎(chǔ)上。根據(jù)2014年對哈大高鐵防災(zāi)系統(tǒng)的現(xiàn)場調(diào)研分析結(jié)果表明：監(jiān)測數(shù)據(jù)誤報(bào)的情況多發(fā)生在風(fēng)速采集方面，其次是雨量數(shù)據(jù)、雪深數(shù)據(jù)采集方面。其中，大風(fēng)告警126次，大雨告警17次，大雪告警8次。另外，哈大高鐵防災(zāi)系統(tǒng)在夏季曾出現(xiàn)過大雪報(bào)警，在冬季還曾出現(xiàn)過大雨報(bào)警，與實(shí)際自然情況明顯不符。對以上產(chǎn)生監(jiān)測數(shù)據(jù)誤報(bào)的原因進(jìn)行探究、分析和定位，就需要對數(shù)據(jù)傳輸進(jìn)行監(jiān)測，即對風(fēng)、雨、雪傳感器上行通訊信號進(jìn)行在線實(shí)時采集，并經(jīng)過數(shù)據(jù)運(yùn)算、處理、存儲，才能發(fā)現(xiàn)高鐵防災(zāi)系統(tǒng)產(chǎn)生誤報(bào)的原因，有助于維護(hù)人員及時排除故障，保障高鐵防災(zāi)系統(tǒng)的準(zhǔn)確性和可靠性。

圖2 監(jiān)測裝置的數(shù)據(jù)監(jiān)測接入點(diǎn)

圖3 監(jiān)測裝置工作原理圖

（2）結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)

研究高鐵防災(zāi)系統(tǒng)傳感器在線監(jiān)測技術(shù)及裝置，必須基于系統(tǒng)的既有結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上。前提是必須保證不影響高鐵防災(zāi)系統(tǒng)的工作性能，既不能影響防災(zāi)系統(tǒng)的正常運(yùn)行，做到在線監(jiān)測；又不能干擾防災(zāi)系統(tǒng)各功能單元之間的數(shù)據(jù)通訊與傳輸，做到實(shí)時監(jiān)測，保證高鐵防災(zāi)系統(tǒng)持續(xù)工作的穩(wěn)定性和可靠性。因此，在圖1所示的高鐵防災(zāi)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)中，只要對監(jiān)控單元與風(fēng)速計(jì)、雨量計(jì)、雪深計(jì)之間的通訊數(shù)據(jù)進(jìn)行監(jiān)測，就能既滿足系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的要求，又滿足風(fēng)、雨、雪傳感器在線監(jiān)測的需求，使高鐵防災(zāi)系統(tǒng)傳感器在線監(jiān)測裝置的研究實(shí)現(xiàn)具有可行性。

（3）通訊模式

研究高鐵防災(zāi)系統(tǒng)傳感器在線監(jiān)測技術(shù)及裝置，必須基于系統(tǒng)的既有通訊模式。高鐵防災(zāi)系統(tǒng)的監(jiān)控單元與風(fēng)、雨、雪傳感器的數(shù)據(jù)通訊是通過監(jiān)控單元主機(jī)實(shí)現(xiàn)的，其中：風(fēng)速計(jì)、雨量計(jì)采用RS485通訊協(xié)議，并通過中間環(huán)節(jié)的通訊模塊實(shí)現(xiàn)信號中繼和遠(yuǎn)距離傳輸，將采集到的數(shù)據(jù)上傳至監(jiān)控單元主機(jī)，通訊方式為查詢應(yīng)答式；雪深計(jì)采用RS232通訊協(xié)議，通過中間環(huán)節(jié)的通訊模塊轉(zhuǎn)換為RS485信號實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離傳輸，將采集到的數(shù)據(jù)上傳至監(jiān)控單元主機(jī)，通訊方式為定時發(fā)送式。因此，高鐵防災(zāi)系統(tǒng)傳感器在線監(jiān)測裝置可以選擇監(jiān)控單元與通訊模塊之間作為數(shù)據(jù)監(jiān)測接入點(diǎn)，如圖2所示，監(jiān)測裝置采用RS485通訊協(xié)議，便可以實(shí)現(xiàn)對監(jiān)控單元與風(fēng)、雨、雪傳感器的數(shù)據(jù)傳輸進(jìn)行采集，從而實(shí)現(xiàn)在線監(jiān)測功能。

2.3 解決方案

為了滿足高鐵防災(zāi)系統(tǒng)現(xiàn)場監(jiān)測與維護(hù)的實(shí)際應(yīng)用需求，高鐵防災(zāi)系統(tǒng)傳感器在線監(jiān)測裝置解決方案的提出，應(yīng)滿足該裝置具有以下三個功能：在線監(jiān)測、故障檢測、模擬測試。同時，監(jiān)測裝置應(yīng)具有遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)無線傳輸功能。

（1）在線監(jiān)測

高鐵防災(zāi)系統(tǒng)傳感器在線監(jiān)測裝置既要實(shí)時監(jiān)測監(jiān)控單元主機(jī)發(fā)出的對風(fēng)、雨傳感器的查詢命令，又要實(shí)時監(jiān)測風(fēng)、雨、雪傳感器的應(yīng)答命令，實(shí)現(xiàn)雙向監(jiān)測。監(jiān)測裝置對采集到的監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行運(yùn)算、處理和分析，實(shí)時顯示監(jiān)測結(jié)果，并進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲，還可以通過無線通信網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程傳輸。對高鐵防災(zāi)系統(tǒng)傳感器的在線監(jiān)測，是該監(jiān)測裝置的主要功能。

先殺死自己，讓梁誠名正言順地單身，然后幫著安安殺死凌薇讓安安繼承遺產(chǎn)，然后梁誠與安安結(jié)婚后，再弄死安安，凌宇生那一大筆遺產(chǎn)就自然落到他們手上。

（2）故障檢測

高鐵防災(zāi)系統(tǒng)傳感器在線監(jiān)測裝置可以模擬監(jiān)控單元主機(jī)進(jìn)行工作，即在脫機(jī)狀態(tài)下對風(fēng)、雨傳感器模擬發(fā)出查詢命令，接收風(fēng)、雨、雪傳感器的應(yīng)答命令，對收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行運(yùn)算、處理和分析，實(shí)時顯示監(jiān)測結(jié)果，并進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲，可以對傳感器進(jìn)行故障檢測，判斷傳感器工作是否正常。

（3）模擬測試

高鐵防災(zāi)系統(tǒng)傳感器在線監(jiān)測裝置可以模擬風(fēng)、雨、雪傳感器進(jìn)行工作，即把模擬風(fēng)、雨、雪數(shù)據(jù)發(fā)送至監(jiān)控單元主機(jī)，監(jiān)控單元主機(jī)可以將數(shù)據(jù)繼續(xù)上傳至鐵路局中心系統(tǒng)，測試監(jiān)控終端的報(bào)警、預(yù)警功能是否正常。

圖4 監(jiān)測裝置主界面

3 工作原理

高鐵防災(zāi)系統(tǒng)傳感器在線監(jiān)測裝置的工作原理圖，如圖3所示。其中：I為高鐵防災(zāi)系統(tǒng)的現(xiàn)場監(jiān)控單元主機(jī)與風(fēng)、雨、雪傳感器的結(jié)構(gòu)關(guān)系；II為高鐵防災(zāi)系統(tǒng)傳感器在線監(jiān)測裝置的結(jié)構(gòu)原理。

高鐵防災(zāi)系統(tǒng)傳感器在線監(jiān)測裝置主要包括主控單元、運(yùn)算處理單元、信號隔離單元、接口單元、數(shù)據(jù)存儲單元、電源單元、人機(jī)交互單元、顯示單元、遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸單元、上位機(jī)遠(yuǎn)程監(jiān)測系統(tǒng)，并選擇GSM無線通信系統(tǒng)作為遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸平臺。

主控單元是監(jiān)測裝置的核心工作單元，在硬件設(shè)計(jì)上選擇嵌入式計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，使得硬件開發(fā)簡單易行。主控單元主要負(fù)責(zé)傳感器數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)發(fā)送、數(shù)據(jù)運(yùn)算控制、信號生成、人機(jī)交互操作、屏幕信息顯示、遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸與控制。

信號隔離單元主要對采集和發(fā)送的信號進(jìn)行光電隔離，防止產(chǎn)生通訊干擾，影響高鐵防災(zāi)系統(tǒng)正常工作。

接口單元為信號隔離單元、運(yùn)算處理單元、數(shù)據(jù)存儲單元、遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸單元提供相應(yīng)的數(shù)據(jù)接口。

數(shù)據(jù)存儲單元在主控單元控制下進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲，包括對采集到的數(shù)據(jù)和生成的模擬信號進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲，采用SD安全數(shù)碼卡，具有大容量、高性能、讀寫速度快、安全方便等優(yōu)點(diǎn)。

電源單元為監(jiān)測裝置提供電源供給，電源電路具有不僅具有濾波功能，還提供外部供電的過壓和過流保護(hù)功能。

人機(jī)交互單元在主控單元控制下實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互操作，實(shí)現(xiàn)監(jiān)測裝置的各種參數(shù)設(shè)置，以及在線監(jiān)測、故障檢測、模擬測試的交互功能。

顯示單元在主控單元控制下實(shí)時顯示各種監(jiān)測、檢測和測試信息。

遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸單元可以將實(shí)時監(jiān)測信息通過無線通信系統(tǒng)上傳至上位機(jī)遠(yuǎn)程監(jiān)測系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸。

上位機(jī)遠(yuǎn)程監(jiān)測系統(tǒng)可以接收監(jiān)測裝置的實(shí)時監(jiān)測信息，進(jìn)行遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)監(jiān)測，并可以通過發(fā)送操作命令，實(shí)現(xiàn)對監(jiān)測裝置的遠(yuǎn)程控制，方便監(jiān)測裝置的應(yīng)用和管理。

無線通信系統(tǒng)采用GSM數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡(luò)作為遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸?shù)钠脚_，具有覆蓋率高、通信質(zhì)量高、費(fèi)用低、簡單易行等優(yōu)點(diǎn)。

4 硬件開發(fā)

高鐵防災(zāi)系統(tǒng)傳感器在線監(jiān)測裝置的設(shè)計(jì)開發(fā)，充分考慮到了現(xiàn)場實(shí)際應(yīng)用的實(shí)用性、簡便性和可靠性，采用了便攜式硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)，提高硬件集成度，增強(qiáng)工作穩(wěn)定性，保證高速運(yùn)算和處理性能。

監(jiān)測裝置的電路硬件設(shè)計(jì)基于模塊化原則，以嵌入式系統(tǒng)為核心的，該系統(tǒng)具有豐富的硬件資源，采用ARM9系列單片機(jī)作為核心處理器，標(biāo)稱工作頻率為400MHz，具有封閉性好、安全性好、系統(tǒng)成熟、較為穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)。同時，監(jiān)測裝置配置了128M的Flash存儲器與64M 的SDRAM存儲器，保證了足夠快的存儲速度；并選用了7寸TFT觸摸顯示屏，視覺效果良好，觸摸操作方便實(shí)用。監(jiān)測裝置主界面如圖4所示。

監(jiān)測裝置采用ARM9單片機(jī)，可以較方便地植入WINCE操作系統(tǒng)，并實(shí)現(xiàn)Microsoft Visual studio 2008語言編程，開發(fā)界面友好，較容易實(shí)現(xiàn)。

結(jié)語

本文通過對高鐵防災(zāi)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，并對高鐵防災(zāi)系統(tǒng)傳感器在線監(jiān)測技術(shù)的方案進(jìn)行了論證，在此基礎(chǔ)上，研究了高鐵防災(zāi)系統(tǒng)傳感器在線監(jiān)測裝置，并在嚴(yán)寒地區(qū)的哈大高鐵防災(zāi)系統(tǒng)上實(shí)際應(yīng)用。該監(jiān)測裝置經(jīng)過長時間應(yīng)用驗(yàn)證，證明其監(jiān)測結(jié)果準(zhǔn)確，可以有效記錄、定位傳感器故障情況，不僅有助于維護(hù)人員及時發(fā)現(xiàn)故障，維修人員據(jù)此還可以迅速排除故障，為高鐵防災(zāi)系統(tǒng)的穩(wěn)定和可靠運(yùn)行提供了技術(shù)支持。

由于高鐵防災(zāi)系統(tǒng)在我國建成運(yùn)行的時間尚短，相關(guān)研究仍然是一個長期的探索過程。因此，對于高鐵防災(zāi)系統(tǒng)的傳感器在線監(jiān)測技術(shù)研究還需要持續(xù)跟蹤調(diào)研，以實(shí)現(xiàn)對防災(zāi)系統(tǒng)的不斷補(bǔ)充和完善，以充分發(fā)揮高鐵防災(zāi)系統(tǒng)的減災(zāi)和防災(zāi)作用，為高速鐵路列車的運(yùn)行提供安全保障。

[1]史宏，王彤.高速鐵路防災(zāi)安全監(jiān)控系統(tǒng)測試技術(shù)研究[J].中國鐵路，2012 （07）.

[2]白廣爭，郭進(jìn)，楊揚(yáng).高速鐵路防災(zāi)安全監(jiān)控系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)[J].中國鐵路，2011（09）.

[3]王爽.分布式鐵路防災(zāi)監(jiān)控單元的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].可編程控制器與工廠自動化，2014（10）.

[4]白鑫，李曉宇.高速鐵路防災(zāi)安全監(jiān)控系統(tǒng)架構(gòu)研究[J].北京：中國鐵路出版社，2012（12）.

[5]姚樹金.關(guān)于高速鐵路防災(zāi)安全系統(tǒng)的思考[J].科技信息，2013（01）.

[6]王彤.高速鐵路防災(zāi)安全監(jiān)控系統(tǒng)研究與開發(fā)[J].中國鐵路，2009（08）.

U298

A