CN101274636A - 车载式轨道交通车辆运行状态智能监控和预警装置 - Google Patents
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Abstract
一种车载式轨道交通车辆运行状态智能监控和预警装置，它由至少一组用于获取包括车轮在钢轨上运行、车辆底盘部件、轨道变形和异常路况或车载设备状态在内的车辆运行状态的传感组件单元、对车辆状态传感信号进行信号处理、数据采集处理、图像边沿检测与抽取、图像跟踪、机械振动/噪声信息处理和智能分析、数据识别和提取、车辆状态和相关背景信息学习、形成监控和预警结果、信息记录和存储工作的基于微处理器的传感信息智能处理单元、用于监控和预警结果输出、操作、控制或数据通讯的输入/输出单元和供电电源单元组成。本发明具有功能多、智能化信息化水平高、高性价比、高可信性、安装方便等优点，而且扩展容易，可在全天候气象条件下应用。
Description
技术领域
本发明涉及一种车载式轨道交通车辆运行状态智能监控和预警装置，该装置可用作各种轨道交通车载式车辆工况及其运行状态传感器、轨道工况状态获取传感器，用来构建轨道交通(列车)安全运行监控和预警系统、列车车况静态和动态自动检查和诊断系统，特别是用来获取、监控和预警车辆的轮轨实时状态、车辆底盘重要部件的机械工况状态、车轮轴承温度或轴温、水箱水量、车辆横向风速/风压、车速、电源及重要设备(如空调)的工况，还可用来监控和预警车辆脱轨事故、钢轨的变形和断裂事故隐患及轨道异常工况等。
背景技术
随着经济的发展和人民生活水平的提高，轨道交通发展越来越快，车辆向载重吨位更大、乘客容量更多、车速更高和技术更现代化的方向发展，通车里程建设也呈迅猛增长的今天，对列车的运行安全也日益提出了更高的要求。目前广泛应用的轨道交通车辆安全监控和预警装置，存在着功能单一、监测信息不全面，也不具备强大的智能数据处理、事故隐患诊断、预警、自动控制应急处理和自动综合信息管理的能力；在轨道交通领域中针对车辆脱轨和列车冲突的安全评判、事故预防和事故调查等方面，还没有切实可行的产品和技术；列车脱轨问题也是困扰铁路运输100多年的世界性难题，被称为铁路“癌症”，迫切需要研发相应的交通安全智能监控及其自动预警装置，为维护交通运输正常的运行秩序、保证交通参与者的生命财产安全和保证运输设备和货物的完整性，提供实用的、可靠的、智能化的、低成本的技术支撑。
在轨道交通行车重大、大事故中，列车脱轨事故是影响安全的主要因素，近20年来，脱轨事故在全球每年重大、大事故总数的比率基本保持在70％左右，列车冲突的比率为20％，其它原因引起的事故仅占10％左右；据分析列车脱轨事故、车辆底盘机械故障和钢轨故障原因所引起的事故是目前轨道交通安全问题中的主要矛盾；目前关于列车运行常用的安全监测手段，大多还仅局限于对车轮轴承温度、车速、水箱液位、供发电电源等参数的监测和预警手段，加以停靠车站的人工检测手段。据报道，机械式脱轨检测器技术取得了一些进展，但还处在试验阶段，而且安装调试困难，远未达到时代对列车安全运行的智能化和现代化监控和预警的要求；针对“车载式轨道交通车辆运行状态智能监控和预警技术”、“车载式轨道交通脱轨事故图像智能监控和预警装置”、“车载式轨道交通车辆底盘机械失效智能监控和预警装置”、“车载式轨道交通轨道变形智能监控和预警装置”和“车载式轨道交通道路工况智能监控和预警装置”等进行技术查新检索和国内外专利检索，还未有相同的技术应用及专利技术。
本发明可以有效地监控车辆运行状态，包括列车脱轨事故、颠覆事故的监测和预警，用来获取、监控和预警车辆的轮轨实时状态参数、车辆底盘重要部件的机械工况状态、车轮轴承温度或轴温、水箱水量、车辆横向风速/风压和车速、电源及重要设备(如空调)的工况，还可用来监控和预警钢轨的变形和断裂、车轮在钢轨上运行的工况以及车辆运行前方的路况等车辆安全运行状态等，它不但为监测事故隐患、预防事故发生，还可为事故的及时应急处理和控制提供一个全新的可行的技术方案，为研究各种车辆事故的机理、评判准则、预防措施和事故调查提供强有力的技术支撑。
发明内容
为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种车载式轨道交通车辆运行状态智能监控和预警装置，其特征在于，它由至少一组用于获取包括车轮在钢轨上运行状态、车辆底盘重要部件工作状态、轨道变形和异常路况或车载的重要设备工作状态在内的车辆运行状态的传感组件单元、用来对车辆运行状态传感信号进行模拟信号处理、数据采集处理、图像的边沿检测与抽取、图像轮廓跟踪、图像模板匹配、图像压缩、机械振动/噪声信息处理和智能分析、数据识别和提取、车辆正常运行状态和相关背景信息学习、数据的比对、运算和分析、形成监控和预警结果、信息记录和存储并完成数据管理工作的基于微处理器的传感信息智能处理单元、用于监控和预警结果输出、设置操作、控制信号输入和输出或数据信息通讯的输入/输出单元和为上述各单元供电的电源单元四部分组成，传感信息智能处理单元中设有信息和数据存储组件，并设有与传感组件单元中对应传感输出信号相匹配的、并能按不同技术指标完成相应信号处理和数据采集的信号处理通路或接口电路，数据存储组件的读/写控制和数据线对应地与微处理器的控制端口和数据端口线相连，传感组件单元中的传感信号输出分别连接到与之对相应的传感信息智能处理单元中的信号处理通路或接口电路的输入端，信号处理通路或接口电路的输出端分别与传感信息智能处理单元中的微处理器的相应的传感数据输入端口相连，传感信息智能处理单元中的微处理器的其它数据输入/输出端口或数据线分别与输入/输出单元的相应信号或数据线相连，供电电源单元的相应输出线与各单元的电源线相连接。
如上所述的车载式轨道交通车辆运行状态智能监控和预警装置，其特征在于，用于获取车辆运行状态的传感组件单元中设有至少一个用于获取车轮在钢轨上运行状态图像信息、车辆底盘重要部件工作状态图像信息或热辐射成像信息、轨道变形图像信息和异常路况图像信息的图像传感器，图像传感器可采用手机、数码相机或DV上常用的图像拍照或摄像头，或者采用适合的模拟视频摄像头或数字视频摄像头，或者采用基于一维距离像、合成孔径或逆合成孔径雷达成像技术的图像传感器，其输出端线与传感信息智能处理单元中相对应的信号处理通路或接口电路的输入端相连。
如上所述的车载式轨道交通车辆运行状态智能监控和预警装置，其特征在于，用于获取车辆运行状态的传感组件单元中设置至少一个用于获取车辆运行中车辆底盘上的重要部件因运转而产生的机械振动加速度、速度、位移、包络信号及它们的参考值的压电加速度传感器，或者选择设置至少一个车轮转速传感器和至少一个用于获取车辆运行中车辆底盘上的重要部件因运转而产生的机械噪声或振动信号的音频、音振或振动传感器，其输出线与传感信息智能处理单元中相对应的信号处理通路或接口电路的输入端相连。
如上所述的车载式轨道交通车辆运行状态智能监控和预警装置，其特征在于，用于获取车辆运行状态的传感组件单元中可根据需要选择设置至少一个用于获取车辆的车轮轴承温度或轴温的温度传感器，其输出线与传感信息智能处理单元中相对应的信号处理通路或接口电路的输入端相连。
如上所述的车载式轨道交通车辆运行状态智能监控和预警装置，其特征在于，传感信息智能处理单元中的信号处理通路或接口电路可根据需要配合传感组件单元中的传感器和车辆上已有的传感装置，选择设有适合的和对应的用于接入车辆上的包括水箱水量、车辆横向风速/风压和车速、车门状态、供电电源或空调工况在内的重要设备工作状态的信号或数据、气象环境信息或GPS卫星定位数据的开关量输入端口、模拟量输入端口、数字量输入端口或总线通讯端口。
如上所述的车载式轨道交通车辆运行状态智能监控和预警装置，其特征在于，输入/输出单元可根据需要选择设有用于把本装置网络化、进行数据下载、或与其它车载或地面和路基设备进行数据通讯的或进行设备操作的通讯接口。
如上所述的车载式轨道交通车辆运行状态智能监控和预警装置，其特征在于，输入/输出单元可根据需要选择设有用于输出车辆运行状态监控和预警信息的声、光或图文信息的输出装置。
如上所述的车载式轨道交通车辆运行状态智能监控和预警装置，其特征在于，输入/输出单元可根据需要选择设有用于对本装置进行人工操作、功能设置、设备调试或数据输入的电气按钮、开关、键盘、鼠标和触摸屏。
如上所述的车载式轨道交通车辆运行状态智能监控和预警装置，其特征在于，供电电源单元为至少一路直流稳压电路构成，直流稳压电路的输出分别连接到传感组件单元、传感信息智能处理单元和输入/输出单元的相应电源端，直流稳压电路的输入端线与车辆上的供电电源线相连，也可与根据需要配置的蓄电池组电源及发电装置的电源输出线相连。
如上所述的车载式轨道交通车辆运行状态智能监控和预警装置，其特征在于，上述构成该装置的四个部分，可根据配置的传感器的种类和数量及安装位置的具体要求设计和制作成具有同一外壳的内嵌式一体化结构，或设计和制作成传感组件单元中的传感器相对独立安装、其它部分为模块化结构的分体式结构，也可设计和制作成传感组件单元中的传感器相对独立安装，其它部分为具有同一外壳的集控式结构，或者设计和制作成具有集上述结构之一部分特点的混合结构，并根据需要为图像传感器设置用来获取清晰图像的辅助光源、镜头自清洁装置或自动清洗装置，安装在每辆车上的并分别设置成具有特定的不同用途和功能的主设备或从设备节点的车载式轨道交通车辆运行状态智能监控和预警装置的输入/输出单元中的通讯接口可根据需要进行相应的联接，构成列车安全运行状态智能监控和预警系统。
本发明的车载式轨道交通车辆运行状态智能监控和预警装置的工作原理分别从以下几个方面阐述：
轨道交通车辆脱轨、颠覆事故的监测和预警原理：脱轨就是左右车轮和联接它们的车轴构成的轮对，从钢轨上掉下来，脱轨分三种，即爬轨脱轨、滑轨脱轨和跳轨脱轨；颠覆是指车辆受强烈横向风等使一侧车轮在钢轨上，另一侧车轮抬起，直到翻车是一次颠覆，而脱轨的结果造成的翻车是二次颠覆。从表现出的相同现象来看，脱轨和颠覆都表现为车轮脱离钢轨，所以颠覆也可按脱轨来处理。因此，列车运行中，从脱轨事故隐患的出现到脱轨事故的发生之危险性的评判标准，最直接的是利用车轮在钢轨上抬升大小程度作为车轮抬升量，来评价列车运行的稳定性。安装在车辆底盘下方适当位置的车载式轨道交通车辆运行状态智能监控和预警装置，可以实时的获取车辆运行过程中包括车轮、钢轨和车轴等在内的车辆底盘上的重要部件和总成及轨道的运行状态图像信号，利用目前已非常成熟的数字图像处理技术，我们可以实时监测到车轮的抬升量，实时获得车轮踏面、轮缘两点与钢轨接触的状态等数据信息，以及获取车辆底盘上的重要部件和总成的工作状态信息，并对这些信息自动进行专业化的智能化的运算和分析，对车辆运行的安全性进行系统评价，达到监测和预警脱轨、颠覆和机械故障的目的。其具体的工作原理表述为：安装在车辆底盘下方适当位置的车载式轨道交通车辆运行状态智能监控和预警装置，其中的传感器组件里设置的图像传感器，可获得车轮在钢轨上运行的和车辆底盘上的其它重要部件的工作状态图像信号，该图像信号经信号处理或A/D变换后，成为实时的图像数据信息，送到智能微处理器进行数字图像处理，智能微处理器运行相应的内嵌程序软件模块对图像数据信息进行图像的边沿检测与抽取、图像分割、轮廓跟踪、图像特征的检测和提取、图像模板匹配、图像压缩、图像尺寸和数据识别和提取、车辆正常运行状态和图像尺寸信息的自动学习、图像尺寸和数据的比对、运算和分析，以及相应的专业化智能化的处理，监控和获取车轮与钢轨的相对位置数据和关于车轮、钢轨、轨道的各种运行状态参数，如车轮抬升量、以及车轮踏面、轮缘两点与钢轨接触的状态参数、车轮和钢轨的异常变形参数或轨道扭曲参数，结合相应的数据处理模型实时判断，给出事故预警结果；还可根据需要对车辆的重要机械部件的掉落、严重磨损和损坏等事件和故障进行监测等。或者综合各种传感器和其它信息渠道获得的车辆运行状态监测信息，根据车辆安全运行的评判标准，来评价和判断车辆运行的安全性，进一步地针对是否存在脱轨隐患提出列车驾驶预案、给出脱轨或车辆故障预警，直至脱轨事故或车辆故障的报警等；在图像传感器采用红外摄像头的情况下，还可根据红外图像监测技术，利用智能微处理单元还可分析出重要机械部件的温度，如车轮轴承的轴温等，给出温度变化记录数据和相应的事故隐患预警等。同时，还可记录和存储异常情况下的车辆运行状态的原始信息和状态参数，起到车辆“黑匣子”的作用和目的，为事故调查和分析事故原因提供可靠的事故发生时段的车辆运行状态数据和依据。
轨道异常、轨道扭曲和道路路况的监控和预警的工作原理：在轨道异常、轨道不平顺、轨道扭曲严重和列车行驶前方轨道上有障碍物的情况下，也会导致列车发生脱轨，安装在牵引车辆头部或列车尾部适当位置的车载式轨道交通车辆运行状态智能监控和预警装置，其中的图像传感器可获取车辆前方的轨道或道岔的图像信息信号，该图像信号经信号处理或A/D变换后，成为实时的图像数据信息，送到智能微处理器，智能微处理器运行相应的内嵌程序软件模块对图像数据信息进行数据分析、信息比对和识别及相应的专业化智能化的处理；另一方面，还可根据基于GPS卫星定位的内嵌式地理信息系统(GIS)检索到系统中存储的此位置处的正常路况信息以及上级系统传给的行驶路线图信息，与此时获得的车辆前方行进路况信息进行比对和分析，得到车辆前方的轨道或道岔是否异常、也可分析出轨道扭曲、变形程度、路基塌陷等路况异常信息，及时给出路况监控和预警，还可根据其严重危急程度给出应急控制信号、声、光、图文或视频警示信息等，避免事故、车祸的发生；如果确认是正常的路况变化，则刷新系统中存储的此位置处的历史路况信息，以便以后监控和预警系统使用；记录和存储异常情况下的轨道场景图像信息和状态参数，为以后事故调查、分析事故原因和事故预防提供依据，起到车辆“黑匣子”的作用和目的。
需要指出的是，用于车辆轮轨状态和用于车辆行驶前方道路路况的车载式轨道交通车辆运行状态智能监控和预警装置，它们的监控和预警的侧重面和技术需求不尽相同，尽管其组成原理结构相同，但设备的资源配置可不同，其图像信息处理和智能分析的工作原理基本相类似，但各有自身特点，最大的不同是各自内嵌的程序模块有着不相同的版本。
车辆重要部件出现机械性能异常和失效而造成事故隐患的监控和预警工作原理：不管旋转机械转速是固定的还是在一个范围内变化，也不管机械异常振动的幅度和频率是固定的还是在一个范围内变化，其基本点就是机械结构的振动特性是与转动和振动的频率相联系，机械结构的振动特性也反映着其本身的工况状态，基于振动、噪声和转速监测技术以及声发射技术的机械故障诊断技术有着广泛的应用，从振动、噪声或转速中采集到周期或脉冲信号，这些信号提供了机械设备的瞬态转速和其他用作瀑布谱等信号处理和阶次跟踪处理所需的信息，转速信号还可以用作控制开始和终止测量进程，利用瀑布谱分析、相关分析法、包络解调法、倒频谱法原理对实时信号进行数据处理，得到任意信号成分或者频域/时域上的切片数据和分析，利用阶次跟踪原理可以对时域、频域和幅值的信息进行便捷地指定转速范围、与故障有关的最高分析阶次和所需的阶次分辨率，运用了最新的歪度、峭度等时域无量纲诊断方法，并利用故障模型对特定机械部件达到状态监测和越限报警、故障诊断与预报；还可根据频谱、相关函数、自动回归滑动平均值分析和非平稳信号处理方法等方法，分析测得的信号以提取如误差、幅值等特征值并与预定值比较进行故障诊断；还可使用数学模型进行诊断，主要有两类模型，一类是基于解析方法的模型。如参数估计法、状态估计法、等价空间法和非线性模型，如基于区间参数模型、基于有不确定环节模型等；另一类是基于知识方法的模型，如专家系统、模糊技术、模式识别等。它可以是单项的商品化的专家系统，例如旋转机械故障诊断专家系统、电机故障诊断专家系统等，也可以是实现在线计算机系统中的一个功能的专家系统。从而达到对车辆和轨道安全监控和预警的目的。因此，车载式轨道交通车辆运行状态智能监控和预警装置，除了利用图像信号可对车辆重要部件和道轨出现机械性能异常和失效而造成的事故隐患进行监测和预警之外，为了提高系统的监测和预警可靠性，还可根据需要设置振动传感器、机械噪声传感器、转速传感器、加速度传感器和温度传感器之一种或多种，以便获取车辆运行过程中车辆本身和轨道产生的异常振动、设备或重要零部件工作时的机械噪声异常或过热工况等信息，此类传感器的输出同样接驳到智能微处理模块中相应的信号处理电路的输入端，经信号处理及A/D变换成为相应的实时数据信息，智能微处理器执行相应的内嵌其中的依据上述机械故障诊断机理、车轴不分解探伤技术和现代机械失效自动诊断技术编制的机械故障数据处理程序软件模块，对这些实时数据信息进行分析处理，达到监测列车车辆部件损伤程度大小、轨道振动异常及其事故隐患预警的目的，为车辆安全运行保驾护航，并为列车的状态维修计划提供依据，改变目前铁路系统实行的到规定时间或跑到规定里程强制维修和更换配件的维修或列检程式，从而使车辆维修成本大幅度降低成为可能；同时，记录和存储异常情况下的车辆运行状态信息和状态参数，为以后事故分析和事故预防提供依据，起到车辆“黑匣子”的作用和目的。
该发明的车载式轨道交通车辆运行状态智能监控和预警装置，可根据对其功能要求、用途的不同和功能多少的不同，选择使用不同的传感器及其不同的传感器组合，对于图像传感器可采用基于CMOS互补性氧化金属半导体、CCD电荷藕合器件或SUPER CCD的图像传感器，或者采用手机、数码相机或DV上应用广泛的图像拍照或摄像头、以及针孔式图像拍照/摄像头，也可选择采用模拟视频摄像头或数字视频摄像头等，特别是还可选择采用基于一维距离像、合成孔径或逆合成孔径雷达成像技术的图像传感器；对于温度传感器可采用接触传感式的热敏电阻、热电偶、半导体集成温度传感器、非接触传感式的红外温度传感器(如光电池、红外光敏电阻)、光纤温度传感装置、激光温度传感器或热成像式图像传感器等；对于振动/噪声传感器可选用压电式振动加速度传感器或电容传声器等；本发明中的传感信息智能处理单元中的微处理器可选择使用具有不同功能、不同资源和技术的微处理器，包括基于现代微处理技术的各种技术性能和结构的单片机、ARM单片机、数据信号处理器(DSP)、混合信号微处理器(MCU)、基于PDA掌上电脑内核技术的或内嵌式系统微处理器等，其中内嵌相应的或不同功能的应用程序软件版本，以完成相应的数据处理和智能化监控预警处理；传感信息智能处理单元中的信息和数据存储组件由半导体存储器件构成，也可根据需要增设计算机硬盘、移动硬盘或U盘存储装置等；传感信息智能处理单元中的的总线通讯端口或输入/输出单元中的通讯接口的具体构建方案同样有很多种选择，设置的数量和种类可不只是一个或一种，目前国内外流行的现场总线接口技术约有40多种，并以迅猛之势推向市场，已有大量的、低成本的实际应用，可使布局分散的监控和预警装置方便的组成网络，其中有多种协议型号的现场总线支持节点设备集中供电的技术方案可供选择，具有代表性的现场总线有LonWorks、CAN、ARCnet、INTERBUS、FF基金会、DeviceNet、PROFIBUS、嵌入式工业以太网、ControlNet、WorldFIP、P-NET、HART、SERCOS、SDS和C-BUS等有线现场总线，还有R-fieldbus、Bluetooth等无线现场总线，以及以nRF无线通讯集成电路模块、CDMA/GPRS/3G/4G移动通讯或无线现场总线技术为基础构成的无线通讯总线接口，以红外、激光或光纤通讯技术为基础构成的通讯总线接口等等，对传输距离要求不高、节点较少、实时性要求不高及对成本要求更低的场合，可选用RS232、RS485、RS422等简易现场总线来实施本发明，另外还可利用USB、IEEE1394、LAN(局域网)、GPIB-LAN、TCP/IP或WAP无线互联网等技术和协议实现数据通讯端口或输入/输出接口；声、光或图文信息的输出装置如语音报警器、声光报警器、图文显示器、闪灯按钮等均可根据需求选用；可根据需求选置辅助光源，辅助光源包括LED光源、红外灯或其它传统发光装置等；可根据需求选置镜头自清洁装置，镜头自清洁装置指利用防污防水结构的或利用纳米材料制成的自清洁镜头防护罩或壳体等，也可根据需求选置自动清洗装置，自动清洗装置指自动高压水/专用清洁济清洗器、自动高压气体/空气清洁器、镜头防护罩自动清洗雨刷装置等；对于雷达图像传感器可不设置自清洁或自清洗装置，但可设置必要的壳体或防护罩；对于车辆上没有供电电源或供电困难的应用场合，可根据需求选置发电装置，发电装置可选用太阳能电池组、风力/气流发电机、车辆动力发电装置或其它传统发电机等。综上所述，再结合不同的应用需求，采用不同的和适合的总体结构形式，形成安装方式各有所长、功能和结构不尽相同、性能和成本有选择、应用场合不同、监控和预警目标和目的不同的系列化产品。
安装在一列车上的每辆车上的每个车载式轨道交通车辆运行状态智能监控和预警装置，可根据需要分别设置成具有通讯管理功能、配置较齐全、信息综合处理能力更强大的、为高级车辆管理者或驾驶者使用的主设备，或者设置成特定用途和功能的、软硬件配置较简单或特定版本的、为获取车辆运行和路况状态或一般车辆管理者使用的从设备，每台车载式轨道交通车辆运行状态智能监控和预警装置的输入/输出单元中的通讯接口可根据需要进行相适应的互联，如采用有线或无线连接，构成列车安全运行状态智能监控和预警系统。
总之，本发明可为构成更全面的、功能更强大的、智能化信息化水平更高的轨道交通车辆运行状态智能监控和预警系统提供一个全新的技术平台。
附图说明
图1为本发明实施例1的用作车载内嵌式车辆轮轨状态智能监控和预警装置的原理框图。
图2为本发明实施例2的用作车载式轨道路况智能监控和预警装置的原理框图。
图3为本发明实施例3的用作车载式车辆运行综合状态智能监控和预警装置的原理框图。
图4为本发明实施例4的用作客运列车安全运行状态智能监控和预警系统的原理框图
具体实施方式
实施例1
如图1为本发明实施为车载内嵌式车辆轮轨状态智能监控和预警装置的原理框图，它由基于红外图像传感器(D1)的传感器单元、基于微处理器(C1)和存储组件(B1)的传感信息处理单元(A1)、电源单元(F1)以及基于网络通讯接口(E1)的输入/输出单元构成。本实施例安装于车辆底盘下方适当位置(当然也可安装在列车牵引机车上或者安装于列车尾车上，用于获取列车运行前方道路工况图像信息)，图像传感器(D1)根据需要设有自动辅助LED红外光源和镜头防护罩自动水刷清洗装置。
本实施例1中，由于安装在车辆底盘下方适当位置的基于CCD技术的红外图像传感器(D1)可全天候获得能进行智能处理的图像信号；传感信息处理单元(A1)中，用于接驳红外图像传感器(D1)图像信号的信号处理接口(JK1)设有相配的高速A/D转换器，以便微处理器(C1)对图像信号进行数据采集，利用存储组件(B1)存储采集的图像数据、中间处理数据和和处理结果数据、历史数据和通讯数据，传感信息处理单元(A1)为基于高性能单片机构建，网络通讯接口(E1)为CAN总线接口。数据存储组件(B1)的读/写控制和数据线对应地与微处理器(C1)的控制端口和数据端口线相连，图像传感器(D1)的传感信号输出连接到传感信息智能处理单元(A1)中的信号处理通路或接口电路的输入端，信号处理通路或接口电路的输出端分别与传感信息智能处理单元(A1)中的微处理器(C1)的相应的传感数据输入端口相连，传感信息智能处理单元(A1)中的微处理器(C1)的其它数据输入/输出端口或数据线分别与网络通讯接口(E1)的相应信号或数据线相连，电源单元(F1)的相应输出线与各单元的电源线相连接。
本实施例为一体化内嵌式结构，并设有相应的壳体、安装架。
其工作原理如下：安装在车辆底盘下方适当位置的摄像头(D1)，可获得车轮在钢轨上运行工况(包括车轮、轮缘与钢轨之间的接触和踏面配合工况、钢轨工况等)和车辆底盘上的其它重要部件(包括车轴、轴承、转向架、轴箱、减振弹簧等)工作状态的实时图像信号，该图像信号经视频信号处理接口(JK1)和相配的高速A/D转换后，成为实时的图像数据信息，送到传感信息处理单元(A1)的智能微处理器(C1)进行图像数据处理，智能微处理器(C1)运行相应的内嵌程序软件模块对该图像数据进行图像的边沿检测与抽取、图像分割、轮廓跟踪、图像特征的检测和提取、图像模板匹配、图像数据压缩和存储、图像尺寸的自学习(因为在安装位置确定后，正常的车轮直径、钢轨的尺寸和轨距是有规范标准的，依此作参考进行自学习)和数据识别、图像尺寸和数据的比对、运算和分析，以及相应的专业化智能化的处理，监控和获取车轮与钢轨的相对位置数据和关于车轮、钢轨、轨道的各种运行状态参数，如车轮抬升量、以及车轮踏面、轮缘两点与钢轨接触的状态参数、车轮和钢轨的异常变形参数或轨道扭曲参数，结合相应的数据处理模型实时判断，给出事故预警结果；还可根据需要对车辆的重要机械部件的掉落、严重磨损和损坏、轨道变形或断裂等事件和故障进行监测等；同时，众所周知，物体的辐射光波长和强度与物体温度有着特定的关系，因此CCD作为一种光电转换器件，可用于温度测量，CCD也可根据测量近似黑体的物体表面发出的某一波长的单色光，得到物体的辐射温度，也可根据CCD的光谱响应特性、光电转换特性，利用RGB输出值可得到被测物体表面图像中的亮度和色度信息，并根据比色测温原理计算出物体的表面温度场。因此，本实施还可根据基于CCD技术的红外图像传感器(D1)得到的图像数据与正常红外图像数据比对和监测技术，利用智能微处理单元还可分析出重要机械部件的温度，如车轮轴承的轴温等，给出温度变化记录数据和相应的事故隐患预警等，还可根据评估规范，对其各种监测、监控结果的严重危急程度给出应急控制信号，记录和存储异常情况下的图像信息和状态参数，为以后事故调查、分析事故原因和事故预防提供依据，起到车辆“黑匣子”的作用和目的。监控和预警信息通过CAN总线接口上传或联网。
实施例2
如图2为本发明实施为车载式轨道路况智能监控和预警装置的原理框图，它由基于两个图像传感器(D21、D22)和GSP卫星定位装置(M2)的传感器单元、基于微处理器(C2)和存储组件(B2)的传感信息处理单元(A2)、电源单元(F2)以及基于网络通讯接口(E2)、用于预警输出的声/光报警器(N2)、操作键盘(T2)和LCD图文显示屏(R2)的输入/输出单元构成。本实施例可安装于列车牵引机车上或者安装于列车尾车上，用于获取列车运行前方道路工况图像数据信息的雷达图像传感器(D21)可安装在牵引机车的头部上端或列车尾车的尾部上端；用于获取牵引机车或列车尾车运行状态的带有自动辅助光源和镜头防护罩自动水刷清洗装置的视频摄像头(D22)安装在车辆底盘下方的适当位置。
本实施例中，由于安装在车辆底盘下方适当位置的视频摄像头(D22)的图像获取的距离较短、光线较暗时或晚上可自动启动有辅助光源利用，且镜头防护罩设有自动水刷清洗装置，该视频摄像头(D22)可全天候获得能进行智能处理的图像信号；由于雷达图像传感器(D21)具有拍摄距离远、图像分辨率高、受环境和能见度影响小，也可全天候获得能进行智能处理的图像数据信息；传感信息处理单元(A2)中，用于接驳模拟视频摄像头(D22)的视频信号的信号处理接口(JK22)设有相配的高速A/D转换器，以便微处理器(C2)对模拟视频信号数据进行采集，传感信息处理单元(A2)中设有与雷达图像传感器(D21)对接的相配的数据接口(JK21)，卫星定位装置(M2)的数据通讯接口接驳到传感信息处理单元(A2)中的相匹配的数据接口(JK23)上。传感信息处理单元(A2)为基于高性能的DSP、掌上电脑或微型工控计算机主板构建。网络通讯接口(E2)可选择以太网调制/解调器、CAN总线接口或NT局域网接口。数据存储组件(B2)的读/写控制和数据线对应地与微处理器(C2)的控制端口和数据端口线相连，两个图像传感器(D21、D22)和GSP卫星定位装置(M2)的传感器单元的传感信号输出分别连接到传感信息智能处理单元(A2)中的对应的信号处理通路或数据接口端(JK21、JK22和JK23)；信号处理通路或接口电路的输出端分别与传感信息智能处理单元(A2)中的微处理器(C2)的相应的传感数据输入端口相连；传感信息智能处理单元(A2)中的微处理器(C2)的其它数据输入/输出端口或数据线分别与网络通讯接口(E2)的相应信号或数据线相连；用于预警输出的声/光报警器(N2)、操作键盘(T2)和LCD图文显示屏(R2)的输入/输出数据线分别连接到传感信息智能处理单元(A2)中的对应的信号输入/输出数据线上；电源单元(F2)的相应输出线与各单元的电源线相连接。
本实施例采用分体模块式结构，带有自动辅助光源和镜头防护罩自动水刷清洗装置的视频摄像头(D22)和雷达图像传感器(D21)各为独立模块，其它部分另设一个独立模块，安装在车辆适当位置或驾驶室内，均设有相应的壳体或安装架。
其工作原理如下：安装在车辆底盘下方适当位置的视频摄像头(D22)，可获得车轮在钢轨上运行工况(包括车轮、轮缘与钢轨之间的接触和踏面配合工况、钢轨工况等)和车辆底盘上的其它重要部件(包括车轴、轴承、转向架、轴箱、减振弹簧等)工作状态的视频图像信号，该视频图像信号经视频信号处理接口(JK22)和相配的高速A/D转换后，成为实时的图像数据信息，送到传感信息处理单元(A2)的智能微处理器(C2)进行图像数据处理，智能微处理器(C2)运行相应的内嵌程序软件模块对该图像数据进行图像的边沿检测与抽取、图像分割、轮廓跟踪、图像特征的检测和提取、图像模板匹配、图像数据压缩和存储、图像尺寸和数据识别、图像尺寸和数据的比对、运算和分析，以及相应的专业化智能化的处理，监控和获取车轮与钢轨的相对位置数据和关于车轮、钢轨、轨道的各种运行状态参数，如车轮抬升量、以及车轮踏面、轮缘两点与钢轨接触的状态参数、车轮和钢轨的异常变形参数或轨道扭曲参数，结合相应的数据处理模型实时判断，给出事故预警结果；还可根据需要对车辆的重要机械部件的掉落、严重磨损和损坏等事件和故障进行监测等。同时，安装在牵引机车的头部上端或列车尾车的尾部上端雷达图像传感器(D21)，可获取列车运行前方道路路况的数字化图像信息，经数据接口(JK21)送到智能微处理器(A2)的智能微处理器(C2)进行图像数据处理，智能微处理器(C2)运行相应的内嵌程序软件模块对该图像数据进行数据分析、信息比对和识别及相应的专业化智能化的处理；GPS卫星定位装置(M2)经数据接口(JK23)，智能微处理器(C2)根据内嵌的基于GPS卫星定位的地理信息系统(GIS)检索到系统中存储的此位置处的正常路况信息，与此时获得的车辆前方行进路况信息进行比对和分析，得到车辆行驶前方的轨道或道岔是否异常、也可分析出轨道扭曲、变形程度、道路塌陷、是否有障碍物等路况异常信息，及时给出路况监控和预警信息；还可根据其严重危急程度给出应急控制信号；如果确认是正常的路况变化，则刷新系统中存储的此位置处的历史路况信息，以便以后监控和预警系统使用；记录和存储异常情况下的轨道场景图像信息和状态参数，为以后事故调查、分析事故原因和事故预防提供依据，起到车辆“黑匣子”的作用和目的。监控和预警信息通过LCD图文显示屏(R2)显示，通过以太网调制/解调器或CAN总线接口上传或联网，通过声/光报警器(N2)输出预警。人工可使用操作键盘(T2)对本实施例进行功能和数据设置、调试和操作；也可通过以太网调制/解调器或CAN总线接口对本实施例进行功能和数据设置、控制等。
实施例3
如图3为本发明实施为车载式车辆运行综合状态智能监控和预警装置的原理框图，它与实施例1的不同之处在于，在传感器单元中，图像传感器(D3)选择为雷达图像传感器，增加了车轴轴承温度传感器(G3)、基于压电传振技术的振动加速度传感器(H3)、基于电容传声技术的机械噪声(I3)、霍尔元件轮速传感器(K3)和车辆水箱水位传感器(J3)，并在传感信息处理单元(A3)中，相应增设了对应的信号处理通路或接口电路及输入/输出接口，在输入/输出单元中，增加了用于监控和预警输出的LCD图文显示屏(R3)及应用于对本实施例进行操作的键盘(T3)。
本实施例采用分体模块和集中控制式结构，雷达图像传感器(D3)为独立模块，其它部分分别设独立模块或组件，安装在车辆适当位置上，或者利用车辆上已安装的传感器组件(如车轴轴承温度传感器、车辆水箱水位传感器和开关量车门状态传感器等)，它们的信号输入输出接口或输出线分别接驳于对应的传感信息处理单元(A3)中的信号处理通路或接口电路上，各个单元或组件根据需要设有相应的壳体或安装架。
本实施例可安装于车辆上或列车牵引机车上，用于车辆或牵引机车运行综合状态的或者用于轨道路况的智能监控和预警装置。关于图像信息、车轴轴承温度的监控和预警原理基本类似于实施例1和实施例2中的相关内容；车辆水箱水位和开关量车门状态的监控和预警原理已在目前技术中广泛采用，这些方面不再赘述。
利用振动加速度和机械噪声传感器进行车辆底盘和动力装置(内燃机或电动机)机械失效和故障监控和预警的工作原理如下：基于压电传振技术的振动加速度传感器(H3)、基于电容传声技术的机械噪声(I3)和基于霍尔元件的车轮转速传感器(K3)的传感到的车辆运行过程中车辆底盘、轨道、牵引机车底盘和其内燃机或电动机产生的振动信号、设备或重要零部件工作时的机械噪声信号及转速信息，送到智能微处理单元(A/3)中相应的信号处理电路的输入端，经信号处理及A/D变换成为相应的实时数据信息，智能微处理器(A3)执行相应的内嵌其中的依据上述机械故障诊断机理、设备或机械总成不分解探伤技术和现代机械失效自动诊断技术编制的机械故障数据处理程序软件模块，对这些实时数据信息进行分析处理，并综合对图像信号和车轴轴承温度的分析和处理结果，形成车辆运行综合状态智能监控和预警数据和控制，通过LCD图文显示屏(R3)或通讯接口(E3)输出，达到监测列车车辆或机车部件损伤程度大小、轨道振动异常或动力设备(内燃机或电动机)工作异常及其事故隐患预警的目的。
实施例4
如图4为本发明实施为用作客运列车安全运行状态智能监控和预警系统的原理框图，它由四种不同软硬件配置的车载式轨道交通车辆运行状态智能监控和预警装置构成，第一种是为列车员使用的分体结构的集中控制型车载式车辆运行综合状态智能监控和预警装置(2、3)，第二种是安装在车辆底盘下面适当位置的一体化结构的车载内嵌式车辆轮轨状态智能监控和预警装置(5、7、8)，第三种是安装在列车头部或尾部的为驾驶员使用的车载式轨道路况智能监控和预警装置(1、9)，第四种为列车长使用的分体结构的集中控制型具有获得列车上各个监控和预警装置信息的、并能发布列车控制命令的车载式车辆运行综合状态智能监控和预警装置(4)，它们的工作原理分别对应类似于上述工作原理，每种车载式轨道交通车辆运行状态智能监控和预警装置的软硬件配置可根据需要设置；每台车载式轨道交通车辆运行状态智能监控和预警装置的输入/输出单元中的通讯接口设置为CAN现场总线接口，通讯协议符合国际标准，如CAN2.0，CAN现场总线接口通过电缆(6)相连接。
需指出的是，每辆车上安装哪一种、什么配置、分别安装几套车载式轨道交通车辆运行状态智能监控和预警装置，采用哪一种结构，以及安装在什么位置，可根据需要设置。
Claims (10)
1. 一种车载式轨道交通车辆运行状态智能监控和预警装置，其特征在于，它由至少一组用于获取包括车轮在钢轨上运行状态、车辆底盘重要部件工作状态、轨道变形和异常路况或车载的重要设备工作状态在内的车辆运行状态的传感组件单元、用来对车辆运行状态传感信号进行模拟信号处理、数据采集处理、图像的边沿检测与抽取、图像轮廓跟踪、图像模板匹配、图像压缩、机械振动/噪声信息处理和智能分析、数据识别和提取、车辆正常运行状态和相关背景信息学习、数据的比对、运算和分析、形成监控和预警结果、信息记录和存储并完成数据管理工作的基于微处理器的传感信息智能处理单元、用于监控和预警结果输出、设置操作、控制信号输入和输出或数据信息通讯的输入/输出单元和为上述各单元供电的电源单元四部分组成，传感信息智能处理单元中设有信息和数据存储组件，并设有与传感组件单元中对应传感输出信号相匹配的、并能按不同技术指标完成相应信号处理和数据采集的信号处理通路或接口电路，数据存储组件的读/写控制和数据线对应地与微处理器的控制端口和数据端口线相连，传感组件单元中的传感信号输出分别连接到与之对相应的传感信息智能处理单元中的信号处理通路或接口电路的输入端，信号处理通路或接口电路的输出端分别与传感信息智能处理单元中的微处理器的相应的传感数据输入端口相连，传感信息智能处理单元中的微处理器的其它数据输入/输出端口或数据线分别与输入/输出单元的相应信号或数据线相连，供电电源单元的相应输出线与各单元的电源线相连接。
2. 如权利要求1所述的车载式轨道交通车辆运行状态智能监控和预警装置，其特征在于，用于获取车辆运行状态的传感组件单元中设有至少一个用于获取车轮在钢轨上运行状态图像信息、车辆底盘重要部件工作状态图像信息或热辐射成像信息、轨道变形图像信息和异常路况图像信息的图像传感器，图像传感器可采用手机、数码相机或DV上常用的图像拍照或摄像头，或者采用适合的模拟视频摄像头或数字视频摄像头，或者采用基于一维距离像、合成孔径或逆合成孔径雷达成像技术的图像传感器，其输出端线与传感信息智能处理单元中相对应的信号处理通路或接口电路的输入端相连。
3. 如权利要求1所述的车载式轨道交通车辆运行状态智能监控和预警装置，其特征在于，用于获取车辆运行状态的传感组件单元中设置至少一个用于获取车辆运行中车辆底盘上的重要部件因运转而产生的机械振动加速度、速度、位移、包络信号及它们的参考值的压电加速度传感器，或者选择设置至少一个车轮转速传感器和至少一个用于获取车辆运行中车辆底盘上的重要部件因运转而产生的机械噪声或振动信号的音频、音振或振动传感器，其输出线与传感信息智能处理单元中相对应的信号处理通路或接口电路的输入端相连。
4. 如权利要求1所述的车载式轨道交通车辆运行状态智能监控和预警装置，其特征在于，用于获取车辆运行状态的传感组件单元中可根据需要选择设置至少一个用于获取车辆的车轮轴承温度或轴温的温度传感器，其输出线与传感信息智能处理单元中相对应的信号处理通路或接口电路的输入端相连。
5. 如权利要求1所述的如上所述的车载式轨道交通车辆运行状态智能监控和预警装置，其特征在于，传感信息智能处理单元中的信号处理通路或接口电路可根据需要配合传感组件单元中的传感器和车辆上已有的传感装置，选择设有适合的和对应的用于接入车辆上的包括水箱水量、车辆横向风速/风压和车速、车门状态、供电电源或空调工况在内的重要设备工作状态的信号或数据、气象环境信息或GPS卫星定位数据的开关量输入端口、模拟量输入端口、数字量输入端口或总线通讯端口。
6. 如权利要求1所述的车载式轨道交通车辆运行状态智能监控和预警装置，其特征在于，输入/输出单元可根据需要选择设有用于把本装置网络化、进行数据下载、或与其它车载或地面和路基设备进行数据通讯的或进行设备操作的通讯接口。
7. 如权利要求1所述的车载式轨道交通车辆运行状态智能监控和预警装置，其特征在于，输入/输出单元可根据需要选择设有用于输出车辆运行状态监控和预警信息的声、光或图文信息的输出装置。
8. 如权利要求1所述的车载式轨道交通车辆运行状态智能监控和预警装置，其特征在于，输入/输出单元可根据需要选择设有用于对本装置进行人工操作、功能设置、设备调试或数据输入的电气按钮、开关、键盘、鼠标和触摸屏。
9. 如权利要求1、2、3、4、5、6、7或8所述的车载式轨道交通车辆运行状态智能监控和预警装置，其特征在于，供电电源单元为至少一路直流稳压电路构成，直流稳压电路的输出分别连接到传感组件单元、传感信息智能处理单元和输入/输出单元的相应电源端，直流稳压电路的输入端线与车辆上的供电电源线相连，也可与根据需要配置的蓄电池组电源及发电装置的电源输出线相连。
10. 如权利要求1、2、3、4、5、6、7或8所述的车载式轨道交通车辆运行状态智能监控和预警装置，其特征在于，上述构成该装置的四个部分，可根据配置的传感器的种类和数量及安装位置的具体要求设计和制作成具有同一外壳的内嵌式一体化结构，或设计和制作成传感组件单元中的传感器相对独立安装、其它部分为模块化结构的分体式结构，也可设计和制作成传感组件单元中的传感器相对独立安装，其它部分为具有同一外壳的集控式结构，或者设计和制作成具有集上述结构之一部分特点的混合结构，并根据需要为图像传感器设置用来获取清晰图像的辅助光源、镜头自清洁装置或自动清洗装置，安装在每辆车上的并分别设置成具有特定的不同用途和功能的主设备或从设备节点的车载式轨道交通车辆运行状态智能监控和预警装置的输入/输出单元中的通讯接口可根据需要进行相应的联接，构成列车安全运行状态智能监控和预警系统。
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| PB01 | Publication | ||
| C02 | Deemed withdrawal of patent application after publication (patent law 2001) | ||
| WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication |
Open date: 20081001 |