高速鐵路信號中繼站智能巡檢系統

高亮，孫翠玲，張志成

（中國鐵路北京局集團有限公司 唐山電務段，河北 唐山 063000）

高速鐵路信號中繼站設備巡檢每月1次[1]，需要維護人員到現場通過感官來完成，針對無人值守信號中繼站的設備巡檢存在交通不便、維護成本高、交通安全隱患大、實時性差等問題，提出利用網絡化、智能化、信息化、大數據和先進的管理手段代替傳統人工巡檢，研發智能化巡檢系統完成無人值守信號中繼站的自動巡檢和大數據分析工作，代替和減少人工巡檢，以達到降低維護成本、提高勞動效率、減少交通安全隱患和對故障進行有效防范的目的。

1 智能巡檢系統設計原則

智能巡檢系統要實現替代人工巡檢的功能，并需滿足高速鐵路對安全性、可靠性、創新性、維護便利性等多方面要求，應遵循以下原則進行設計：

（1）執行國家或相關部門技術標準。系統應遵循GB/T 8567《軟件工程國家標準》、GB 50194—1993《建設工程施工現場供用電安全規范》、GB 50174—1993《電子計算機機房設計規范》、GB/T 368—2001《入侵報警系統技術要求》等標準和規范進行設計和實施。

（2）安全性原則。巡檢系統不與既有信號設備接口，不影響既有設備正常工作[2]。巡檢系統在任何不良狀態下，不能影響被監測設備的安全運行，巡檢系統能夠穩定、可靠運行并在被監測設備存在異常時提供報警信息。

（3）實用性原則。智能巡檢系統能夠替代日常的人工巡檢，系統具備遠程下達巡檢計劃和實時人工啟動機器人功能，安裝在現場的機器人按照計劃定時進行信號設備巡檢和環境狀態監控，發現異常時通過圖像特征識別和大數據比對，在遠程終端進行報警提示、異常設備視頻圖像的傳送。系統還應具有人員、異物入侵及溫濕度超限等報警功能，為信號機房無人巡檢和壓縮故障時間提供平臺。

（4）網絡化原則。系統所采用的技術、規范、標準應符合當今巡檢機器人的發展方向，具備網絡化、模塊化、大數據分析、可擴展升級的特點。對于監控系統的非核心部分，考慮使用成熟技術，以提高系統的可靠性和安全性。

2 系統總體方案

目前，智能巡檢系統的巡檢機器人按導航方式分類，主要分為激光導航、磁導航、吊軌等方式，中繼站箱式機房信號設備的安全性和特殊性對導航方式確定至關重要。激光導航容易受外界干擾、存在偏離規定路徑的隱患，非正常狀態下存在撞擊信號設備、導致行車事故的風險；吊軌機器人對屋頂結構有特殊要求，若不達標則易引發漏水、墜落，影響既有信號設備；磁導航具有安全穩定、不易受干擾、行走路線柵格固定[3]、擴展靈活的特點，缺點是巡檢點位固定、通用性不好，每個機房數據需單獨設定，更考驗軟件的研發能力和硬件精度。結合中繼站信號設備安全性的要求，通過充分的論證，決定采用安全性能高、技術成熟穩定的磁導航和無線射頻識別（RFID）傳感定位技術[4]。

對于電源供給方面，考慮到無人值守和接觸式充電可能存在電火花、接觸電阻變化等帶來的消防隱患，機器人采用非接觸式充電方式，消除了充電時接觸火花和大電流帶來的火災隱患，進一步增強了系統的整體安全性。

因智能巡檢機器人不能同時完成中繼站環境監測（溫濕度、煙霧報警、水漬）、電纜入口和箱門外物入侵監測（不明人員、老鼠等）功能，因此系統采用模塊化設計，將環境監測、外物入侵監測單獨作為子模塊進行設計，采用無線網絡與系統服務器進行數據交互，簡化了軟、硬件系統的研發和實施難度。

3 系統功能與實現

信號中繼站智能巡檢系統主要由巡檢機器人子系統、防入侵安防子系統、環境檢測子系統和中央服務器4 個子系統組成（見圖1）[5]。

圖1 智能巡檢系統組成

3.1 巡檢機器人子系統

巡檢機器人子系統是系統的核心，安裝預先設定的走形軌跡和RFID 定位以進行巡檢、定位攝像，將數據通過無線局域網（Wi-Fi）通信方式傳輸給服務器，服務器與原始圖像進行對比后進行判定和報警。子系統主要組成部分包括：智能巡檢機器人、接口通信層、功能服務層和應用層（見圖2）。接口通信層主要是通過無線網絡設備，實現與中央服務器的信息、指令、自檢狀態信息的交互，系統預留與集中監測接口條件，滿足集中監測是信號維護人員統一監控平臺的要求[6]；功能服務層圍繞作業內容，為應用層提供數據支撐；應用層提供可操作的人機界面，完成各項管理、數據查詢、遠程控制等功能。

子系統硬件部分由巡檢機器人、升降機構以及安裝于升降機構頂部的高清云臺攝像機組成。巡檢機器人主要組成包括：巡檢機器人驅動系統、巡檢機器人自動充電系統、巡檢機器人無線網絡通信系統、巡檢機器人路徑跟蹤與精確定位系統、巡檢管理系統。巡檢機器人見圖3。

巡檢機器人通過圖像識別技術實現信號指示燈狀態監測分析[7]，將檢測結果形成高清圖片，并智能轉換成數據記錄，上傳到服務器。機器人在巡檢過程中，當發現分析比對結果異常時會在終端生成報警信息，通知信號維護和分析人員。升降機構采用直流無刷電機作為動力驅動，輸入電壓為DC 24 V，采用編程邏輯控制器（PLC）實現對機器人運動控制及信號的處理。同時結合RFID 閉環反饋，實現位置的精確定位。機器人內部CPU 對電池、RFID 管理及電機驅動均通過RS485 通信總線實現，其工作原理見圖4。

圖2 巡檢機器人子系統組成

圖3 巡檢機器人

圖4 巡檢機器人工作原理

巡檢機器人子系統能夠完成以下主要功能：

（1）系統自檢。巡檢機器人開機啟動后自動檢測軟、硬件及網絡連接狀態，均正常后方處于待機狀態。接收巡檢任務動作前，程序自動檢測電池電量、所處位置、伸縮桿定位高度，均正常后開始自動巡檢工作，防止因程序執行、傳感器偏差導致的誤報警。

（2）自動巡檢。巡檢機器人按照預先設定的巡檢內容、時間、周期、線路進行自主啟動和完成巡檢任務，生成巡檢報表。自動導航定位誤差不大于±10 mm，運行最大速度不小于1 m/s。行走過程中遇溝槽、下落臺階等情況時，能及時停止運行并報警，并具備爬坡能力，最大爬坡能力不小于3°。

（3）手動巡檢。利用操作和分析終端可切換為手動巡檢模式，在此模式下可任意選擇需要檢查的機柜和檢測點，并可手動控制云臺攝像機的視角。

（4）存儲、回放。具備10 d 巡檢記錄、視頻回放功能，能夠對數據進行轉存。

（5）自動避障：巡檢機器人采用定點、定徑路走行方式，并有自主避障功能。在自主行走過程中正面遇到障礙物（高150 mm×寬100 mm）能及時停止，障礙物移除后能恢復行走。自動導航重復定位誤差不大于±10 mm，在1 m/s 運動速度下,制動距離不大于0.5 m。

（6）自動充電。當智能巡檢機器人電量低于設定的閾值時，車載控制系統能夠使智能巡檢機器人自動返回充電位，進行非接觸式充電。

（7）電源管理。可防止非接觸式充電系統長時間不間斷工作造成的火災安全隱患。自動巡檢狀態下電池電量小于30%時（閾值可自行設定）能夠啟動報警，并自動返回充電樁，完成自主充電。

（8）照明管理。為提高巡檢質量和視頻傳輸效果，系統在巡檢時自動開啟室內照明電源，巡檢結束后自動關閉照明電源，實現日常的節能環保。

（9）云臺自由旋轉。云臺旋轉的垂直范圍為0°～ +90°，水平范圍為+175°～ -175°。升降桿根據室內信號設備與地面高度進行配置，升降高度是2 150 mm，最高不超過2 250 mm。

3.2 防入侵安防子系統

防入侵安防子系統通過安裝在中繼站（機房）的紅外攝像機、網絡攝像機，對線纜入口、機房門口進行實時監控，外物（不明人員、老鼠等）入侵監測范圍后，通過紅外攝像機將相關影像、報警信息傳送至服務器。

3.3 環境監測子系統

環境監測子系統通過安裝于機房的各種傳感器可以進行溫濕度、水漬、煙霧報警等方面的實時監測。硬件方面由監控主機、溫濕度傳感器、漏水檢測器、煙霧報警器等組成，實現對中繼站（機房）溫濕度、水漬、煙感的實時監測和報警[8]。

3.4 中央服務器

3.4.1 硬件組成

中央服務器使用3 臺工控機實現圖像采集處理、環境監控和機器人數據比對、運算功能，系統間采用瀏覽器/服務器（B/S）架構。

3.4.2 軟件主要功能

中央服務器主要有基礎管理、巡檢管理、監控管理、數據分析、歷史報告等功能。

（1）基礎管理。新增、刪除、修改、查詢系統用戶信息，包括用戶名、用戶登錄密碼等。

（2）巡檢管理。新增、刪除、修改、查詢巡檢設備信息，包括設備編號、設備名稱、設備坐標、設備高度等。另外，還包括巡檢計劃管理、巡檢任務管理、遠程控制管理和手動點檢等功能。①巡檢計劃管理：當前巡檢計劃查看功能，包含巡檢地點、巡檢周期、執行狀態等信息；用戶可新建巡檢計劃，選定巡檢地點、巡檢周期、是否手動點檢等。巡檢計劃可隨時下發、取消，執行中的計劃將按照指定的周期定時生成巡檢任務。②巡檢任務管理：巡檢任務的查詢功能，包含當前和歷史任務的時間、巡檢內容、巡檢結果等。③遠程控制：在系統客戶端手動新建巡檢任務，選定巡檢地點、時間等信息后巡檢機器人移動平臺（AGV）將立即執行該任務。

（3）監控管理。①實時監控：系統可實時監控AGV、安防信息和中繼站環境狀態。AGV 信息監控包括查看AGV 狀態和AGV 視頻狀態，用戶可遠程和AGV 進行通話；安防信息監控包括查看紅外監控狀態和查看視頻監控狀態；機房傳感器信息監控包括查看機房溫濕度、煙霧傳感器、水漬傳感器等信息。②報警管理：報警的項目包含溫濕度報警、煙霧報警、水漬報警、異物入侵報警、巡檢異常報警等。報警條件需設置溫濕度、煙霧、水漬傳感器報警參數。管理員賬戶也可以在服務器終端對已發生的報警進行屏蔽，屏蔽之后該條報警將不顯示。

（4）數據分析。①巡檢報告：查詢指定條件范圍內的巡檢任務和巡檢結果，生成巡檢報告；根據巡檢報告異常的時間對指定巡檢視頻進行回放。②安防報告：查詢指定條件范圍內的安防入侵記錄，生成安防報告；根據安防報告異常入侵的時間對指定監控視頻進行回放。③環境報告：查詢指定條件范圍內的溫濕度、煙霧水漬報警記錄，生成環境報告。

（5）歷史報告。查詢指定條件范圍內的歷史巡檢結果，生成歷史巡檢報告；根據歷史巡檢報告異常的時間對指定巡檢視頻進行回放。

4 系統網絡安全

系統采用無線局域網Wi-Fi 作為通信載體，為防止惡意用戶竊聽和干擾信息，對系統的網絡安全采取以下防護措施：

（1）無線局域網與機器人采用AIRMAX 技術進行通信并且相互鎖定MAC 地址，普通Wi-Fi 設備無法接入，從而保證兩者創建唯一連接而不受其他設備干擾[9]。

（2）無線局域網與機器人內部使用IP 地址和MAC 地址，防止其他無線設備的接入。一方面無線接入點通過配置MAC 地址過濾、IP 和MAC 地址進行綁定，可有效限制非法用戶接入。另一方面，實行流量控制，不同用戶的帶寬可進行人工管理，保證機器人數據通信有足夠的帶寬，從而保證系統數據傳輸的暢通。

（3）在無線局域網后臺基站端，除了隱藏基站端SSID 外還采用WPA/WPA2 加密方式進行加密。WPA/WPA2 是新一代無線網絡安全認證協議，可大大提高無線網絡的數據保護和接入控制的增強安全性級別，解決了WEP 加密不能解決的問題。

（4）為進一步保證機器人無線網絡安全，還對機器人通信數據進行加密。在機器人與后臺進行通信時，通信數據采用授權密碼驗證，數據采用AES 加密方式，防止非法對機器人或后臺數據進行訪問，確保數據不被竊取。

5 現場測試

對無人值守信號中繼站智能巡檢系統的各項功能進行現場測試，分為硬件安裝、軟件調試和功能驗證3 個步驟。硬件安裝選取在2 m×3 m×9 m 箱式機房中[10]，現場安裝服務器機柜1 套、智能巡檢機器人1 臺、磁導航24 m、安防攝像機1 臺、紅外防鼠攝像機2 臺、水漬傳感器4 套、煙感傳感器2 套、溫濕度傳感器2 套、中繼站照明控制系統1 套、非接觸式充電樁1 套、遠程查詢終端1 套。系統硬件安裝在高速鐵路天窗點內進行，每日4 h 作業大約需4 個天窗時間[11]；軟件調試大約需3 個天窗時間，整體系統安裝和調試共需1 周。調試完畢后對相關功能、安全防護等進行了測試，重點包括系統自檢、巡檢功能及報警實現、自動避障和網絡安全等項目。

6 結束語

目前智能巡檢系統已在無人值守信號中繼站進行了安裝和測試，系統運行正常，各項功能可以初步滿足替代人工巡檢的要求。該系統的網絡化運用與管理必將大大降低信號設備維護成本、提高勞動效率、減少交通安全隱患，同時提升高速鐵路信號監測自動化技術水平，為高鐵安全運營發揮重要的技術保障作用。