CN102009668B - 一种非接触式铁路异物侵限检测系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种非接触式铁路异物侵限检测系统，包括：激光扫描报警装置、中继器和远程监控服务器；激光扫描报警装置包括：二维激光测距仪、CPU、报警单元、通信单元和存储报警单元，用于通过二维激光测距仪采集测量信息，并在检测范围内比较当前测量信息和环境信息的信息差异，当信息差异满足报警条件时，将对应的测量信息输入至存储单元、进行现场报警，并将测量信息发送到中继单元；中继器，用于获取由激光扫描报警装置发送的测量信息，并将测量信息传输至远程监控服务器；远程监控服务器，用于接收中继器发送的测量信息，并对测量信息进行显示和记录。通过本发明，能够实现大范围小物体的检测，并且提高检测的精确度和实时性。

Description

一种非接触式铁路异物侵限检测系统

技术领域

本发明涉及铁路检测技术领域，特别是涉及一种非接触式铁路异物侵限检测系统。

背景技术

随着高速铁路建设力度的日益加大和工程进度的不断加快，在新建铁路跨越或邻近既有线施工过程中，经常发生机械、机具、人员及施工材料侵入既有线限界的情况，对既有线的安全运行造成极大的安全隐患。同时，在高速铁路运营过程中，在关键路段，尤其是山区和隧道出入口，经常存在落石等突发危害，严重危及铁路运输安全。作为铁路防灾安全监控系统的重要组成部分，异物侵限检测主要提供对重点地段异物侵入的监测，一旦检测到异物侵入，进行现场或远程报警，提醒维修人员及时排除危险因素，提醒司乘人员采取措施避免事故发生。目前国内外的轨道交通异物侵限检测主要应用在运营期间，检测原理分为接触式和非接触式两种。

应用较成熟的是接触式的防护网技术，例如京津城际铁路为防止公路桥上的汽车等大型物体坠落到铁路上危及行车安全，特设置了防护网异物侵限监控系统，当落物破坏了防护网上的检知导线时，就会产生报警信息。日本和德国的高速铁路也采用了这种接触式的检测技术。专利号为ZL200820148978.2的实用新型专利中介绍了一种基于接触网检测的技术。发明专利申请“高速铁路异物侵入监测系统”(申请号：200810024620.3)也是接触式异物侵限检测系统的一种具体实现方案。

接触式的防护网技术在铁路建设期大范围安装较为困难，同时由于建设期施工情况较为复杂，例如在工作天窗可能存在侵限作业，防护网使用不便，而且一旦破损及时修复较为困难。而且，防护网只能拦截大于防护网网眼大小的物体，纤细的钢筋等物体无法检测，该种方式无法判断侵入物体的大小及具体位置；同时，只能在侵限事件发生时才能报警，无法对报警事件进行记录、查询。

非接触式检测技术具有安装维护方便、检测灵敏准确的特点。非接触式物体侵入探测大部分采用红外探测光幕组成幕墙。例如，西班牙的高速铁路在隧道口等容易发生异物侵限(如落石)的路段，安装了基于红外线光幕的落物监测系统。

红外报警器的原理是能够响应入侵者在所防范区域内移动时所引起的红外辐射变化，从而完成报警功能。当入侵者静止时，对于防区内红外辐射没有变化的情况无法完成检测，只能探测辐射变化的运动物体；而且只能监测物体的有无，无法确定该物体的大小和在防区内的具体位置；并且，由于小物体的辐射能量较小，对于体积较小的钢筋、石块等物体的侵入无能为力，而在铁路建设施工期间，存在着大量潜在的小截面侵限物体，如钢筋、钢轨、石块等。

总之，需要本领域技术人员迫切解决的一个技术问题就是：如何能够提供一种非接触式铁路异物侵限检测方案，能够实现大范围小物体的检测，并且提高检测的精确度和实时性。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种非接触式铁路异物侵限检测系统，能够实现大范围小物体的检测，并且提高检测的精确度和实时性。

为了解决上述问题，本发明公开了一种非接触式铁路异物侵限检测系统，包括：至少一个激光扫描报警装置、中继器和远程监控服务器；

所述激光扫描报警装置包括：

二维激光测距仪，用于以扇面扫描的方式输出激光光束，并根据探测到的反射光采集测量信息，以及将所述测量信息输入至CPU；

CPU，用于实时获取二维激光测距仪输出的测量信息，并在检测范围内比较当前测量信息和环境信息的信息差异，当所述信息差异满足报警条件时，将对应的测量信息输入至存储单元，同时触发报警单元；

报警单元，用于进行现场报警；

通信单元，用于当所述信息差异满足报警条件时，将所述测量信息发送到中继单元；

存储单元，用于记录检测区域范围，以及保存环境信息和报警时的测量信息；

所述中继器，用于获取由激光扫描报警装置的通信单元发送的测量信息，并将测量信息传输至远程监控服务器；

所述远程监控服务器，用于接收中继器发送的测量信息，并对测量信息进行显示和记录。

优选的，每个工点设置一个中继器，一个中继器对应一个或多个激光扫描报警装置。

进一步，所述远程监控服务器还用于向将标定参数发送至中继器；则所述中继器还用于将接收到的远程监控服务器发送的标定参数转发给各个激光扫描报警装置；其中，所述标定参数包括：检测区域范围、扫描频率、报警条件。

进一步，所述测量信息包括：激光光束在扫描扇面内的扫描角度、对应扫描角度上激光光束反射点到反射光探测点的探测距离。

优选的，所述环境信息为：检测区域内没有侵入异物时，CPU获取的二维激光测距仪采集的一包测量信息；其中，所述一包测量信息为：二维激光测距仪完成一次扇面扫描所采集的多组测量信息。

优选的。所述报警条件为：当前测量信息的探测距离与环境信息中对应扫描角度上的探测距离之差大于预置阈值；和/或，完成一次扇面扫描，所述探测距离之差大于预置阈值的累积次数。

优选的，所述二维激光测距仪以每0.5度发射一激光光束的方式进行扇面扫描；其中，扫描角度范围为180度。

优选的，所述扫描频率为一秒完成一次扇面扫描。

所述检测类型包括：跨越类施工工点和并行类施工工点。

优选的，所述中继器通过轮询的方式从各个激光扫描报警装置获取测量信息；

所述中继器通过GPRS无线方式将测量信息远程传输至远程监控服务器。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

本发明通过激光扫描报警装置进行异物检测，具体的，利用二维激光测距仪以扇面扫描的方式输出激光光束，根据探测到的反射光采集测量信息和预先采集的环境信息做比较，当信息差异满足报警条件时进行报警。通过该激光扫描报警装置，相比于现有技术的防护网和红外检测，能够精确获知侵入异物的具体位置及大小，可精确到毫米。

此外，本发明可在多个工点设置多组激光扫描报警装置，可以根据现场需要灵活设置现场检测装置的数量及位置，而且每个激光扫描报警装置的监控范围可以通过软件任意设置(含任意多边形或曲线形状)，通过中继器和远程监控服务器实现对多个工点的远程监控，监控中心可以同时远程监测并记录上百个施工地点的侵限状况，增大了监控范围，提高了监控的及时性。

进一步，可对多种类型施工工点进行检测，本发明提出的跨越或并行既有铁路施工侵界报警技术，采用高密度的激光扫描实现非接触式、高密度的侵限报警，对确保高速铁路施工安全具有重要意义。

附图说明

图1是本发明一种非接触式铁路异物侵限检测系统实施例一的结构图；

图2是本发明一种二维激光测距仪的扫描示意图；

图3是本发明一种非接触式铁路异物侵限检测系统实施例二的结构图；

图4是本发明一种跨越类施工工点的激光扫描报警装置的布置示意图；

图5是本发明一种并行类施工工点的激光扫描报警装置的布置示意图。

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

参照图1，示出了本发明一种非接触式铁路异物侵限检测系统实施例一的结构图，包括：至少一个激光扫描报警装置11、中继器12和远程监控服务器13；

所述激光扫描报警装置11包括：

二维激光测距仪111，用于以扇面扫描的方式输出激光光束，并根据探测到的反射光采集测量信息，以及将所述测量信息输入至CPU；

CPU 112，用于实时获取二维激光测距仪输出的测量信息，并在检测范围内比较当前测量信息和环境信息的信息差异，当所述信息差异满足报警条件时，将对应的测量信息输入至存储单元，同时触发报警单元；

报警单元113，用于进行现场报警；

通信单元114，用于当所述信息差异满足报警条件时，将所述测量信息发送到中继单元；

存储单元115，用于记录检测范围，以及保存环境信息和报警时的测量信息；

所述中继器12，用于获取由激光扫描报警装置的通信单元发送的测量信息，并将测量信息传输至远程监控服务器；

所述远程监控服务器13，用于接收中继器发送的测量信息，并对测量信息进行显示和记录。

下面对上述一种非接触式铁路异物侵限检测系统的工作方式进行详细说明：

在激光扫描报警装置的现场检测阶段，二维激光测距仪以扇面扫描的方式输出激光光束，并根据探测到的反射光采集测量信息。二维激光测距仪是利用激光光束对目标的距离进行准确测定的仪器。具体的，激光测距仪在工作时依次以各个角度射出一束很细的激光，由光电元件接收目标反射的激光束，同时计时器测定激光束从发射到接收的时间，计算出从探测点到目标的距离。本发明实施例采用二维激光测距仪，相比其他光学测距仪，具有重量轻、体积小、操作简单、检测速度快、误差小的优点。

所述测量信息为二维信息，包括：激光光束在扫描扇面内的扫描角度，以及对应扫描角度上激光光束反射点到反射光探测点的探测距离。也即，在极坐标平面中的极角和极径。

在本发明的一个具体实施例中，所述二维激光测距仪以每0.5度发射一激光光束的方式进行扇面扫描，同时接收反射的激光束，通过激光传播时间计算此角度上物体的距离，其中，扫描角度为180度。如图2所示，为本发明一种二维激光测距仪的扫描示意图。该二维激光测距仪依次从0度到180度进行扫描，则在180度范围内，可以获得361个角度上反射探测物体到激光器的距离。

需要说明的是，二维激光测距仪实际测量得到的数据为激光光束反射点到反射光探测点的探测距离，对应的扫描角度可以依据扫描过程中的扫描点获知，例如，进行180度范围的扫描时，第一个扫描点对应0度，最后一个扫描点对应180度。

进一步，激光扫描报警装置将采集到的测量信息输入至CPU，CPU实时采集二维激光测距仪的测量信息，并将当前测量信息和预先存储在存储单元中的环境信息进行比对，在检测范围内，当前测量信息和环境信息的信息差异满足报警条件时，则判断有异物进入了检测范围；一旦有异物侵入，则CPU触发报警单元，具体的，通过报警输出接口驱动现场报警器进行报警，所述报警可以是语音报警、光信号报警、或者声光结合报警。

所述环境信息为：检测区域内没有侵入异物时，CPU获取的二维激光测距仪采集的一包测量信息；其中，所述一包测量信息为：二维激光测距仪完成一次扇面扫描(从0度到180度)所采集的多组测量信息。也就是说，在激光扫描报警装置进行检测阶段之前，CPU首先采集初始的一组测量信息作为环境数据，并保存在存储单元中，其中，反射点即为环境建筑物上的某一点。通常的，CPU采集二维激光测距仪开始工作时扫描的第一包测量信息，此外，还可以扫描多包测量信息，选取其中的一包质量较好的数据作为环境信息。在本发明实施例中，由于扫描光束间隔0.5度，扫描角度范围为180度，所以环境信息(以一包计算)包括361组测量信息。

所述报警条件为：当前测量信息的探测距离与环境信息中对应扫描角度上的探测距离之差大于预置阈值；和/或，完成一次扇面扫描，所述探测距离之差大于预置阈值的累积次数。

例如，有如下测量信息：

其中，第一行为激光光束在扫描扇面内的扫描角度，第二行为与各个扫描角度相对应的环境信息中的初始探测，第三行为与各个扫描角度相对应的某一次测量信息中的探测。通常预置阈值的范围为10～20mm，在本发明的一个具体实施例中，设置预置阈值(也即测量精准度)为15mm。则对该次测量信息的探测距离与环境信息中对应扫描角度上的探测距离进行比较，当探测距离之差小于15mm时，可认作检测误差，当探测距离之差大于15mm时，满足报警条件，进行报警。通过上述数据的比较，扫描角度为2度和179.5度处的探测距离与初始测量的探测距离的差值大于15mm，发生了较大变化，则将该组数据进行报警。

在本发明的另一实施例中，报警条件还可以包括：完成一次扇面扫描，所述探测距离之差大于预置阈值的累积次数。例如设置累计次数为5次，则根据上述的一次扇面扫描，只有扫描角度为2度和179.5度处的探测发生了较大变化，累计次数为2(小于5)，则可以忽略尚未达到报警级别，不做报警。

在本地进行报警的同时，CPU将对应的测量信息输入至存储单元，作为报警信息进行保存，同时通过通信单元进行远程数据传输，将数据传送到监控中心。其中，存储报警信息(也即有异物侵限时采集的测量信息)目的是，在网络通信不稳定的情况下，为了防止数据在传输过程中的丢失，将测量信息临时保存，以待网络通信质量良好时，再次将测量信息上报给中继器。

中继器在整个系统中还担负着承上启下的作用。它在现场担当局域网络中的主节点，负责协调各个现场报警装置报警信息的上传。通常一个中继器采集多个激光扫描报警装置的测量信息，同时，中继器还用于将现场满足报警条件的测量信息上报给远程监控服务器。

远程监控服务器接收中继器发送的测量信息，并由监控软件对测量信息进行显示和记录，通过记录的方式用于用户对报警信息的查询。其中，监控软件包括报警显示记录软件和Oracle数据库，可以利用图形化的方式显示报警位置、侵限异物的大小和报警类型，并将报警信息逐条记录。其中，报警的位置可以通过扫描角度和探测距离计算出，可精确到毫米；异物的大小可以根据连续报警的信息点的个数计算出；所述报警类型即报警等级，其主要根据异物的大小确定。

进一步，所述远程监控服务器还用于将标定参数发送至中继器，完成系统的远程设置和标定功能；则所述中继器还用于将接收到的远程监控服务器发送的标定参数转发给各个激光扫描报警装置；其中，所述标定参数包括：检测区域范围、扫描频率、报警条件。

通常的，半圆形的扇面监控范围是该检测系统最大的监测区域范围，它是由二维激光测距仪探测(半圆的半径)决定的。半径主要取决于选取的激光测距仪的类型，在本发明的实施例中，所述二维激光测距仪的探测为30米。但实际应用中，需要监测的范围千差万别，可以在该半圆范围内通过软件设定任意形状的区域作为实际的检测区域，其实现过程是在远程监控服务器中利用计算机软件计算该区域所有边界点的坐标，然后通过网络传输给中继器，并下载到现场的激光扫描报警装置中。

在实际应用中，通常需要同时监视多个施工工点的多个检测区域，则可以在每个工点设置一个中继器，一个中继器对应多个报警装置。参照图3，示出了本发明一种非接触式铁路异物侵限检测系统实施例二的结构图，在本发明实施例二中，所述检测系统包括：多个激光扫描报警装置、多个中继器和远程监控服务器；该检测系统负责监测多个工点：工点1、工点2.....工点n；每个工点的现场设备包括一个中继器，一个中继器同时和位于该工点的多个激光扫描报警装置进行通信。

对于每一个激光扫描报警装置，其包括：

二维激光测距仪，用于以扇面扫描的方式输出激光光束，并根据探测到的反射光采集测量信息，以及将所述测量信息输入至CPU；

CPU，用于实时获取二维激光测距仪输出的测量信息，并在检测范围内比较当前测量信息和环境信息的信息差异，当所述信息差异满足报警条件时，将对应的测量信息输入至存储单元，同时触发报警单元；

报警单元，用于进行现场报警；

通信单元，用于当所述信息差异满足报警条件时，将所述测量信息发送到中继单元；

存储单元，用于记录检测区域范围，以及保存环境信息和报警时的测量信息；

与每一个工点对应的中继器，用于获取由激光扫描报警装置的通信单元发送的测量信息，并将测量信息传输至远程监控服务器；

所述远程监控服务器，用于接收中继器发送的测量信息，并对测量信息进行显示和记录。

具体的，每个工地可以根据现场需要设置所需激光扫描报警装置的数量和位置。通过本发明实施例提出的非接触式铁路异物侵限检测系统可实现多种工点的检测，所述检测类型包括：跨越类施工工点和并行类施工工点。

如图4所示，为本发明一种跨越类施工工点的激光扫描报警装置的布置示意图。参照图4，施工轨道线路41通过桥墩42和桥墩43跨越在既有轨道线路44上。在桥墩42和桥墩43的顶端分别设置激光扫描报警装置，水平面内相对的方向上进行扇面激光扫描，以检测施工轨道线路41上是否有异物掉下，妨碍在既有轨道线路44上的车辆运行。同样的，在桥墩42和桥墩43的底端分别设置激光扫描报警装置，在轨道平面内相对的方向上进行扇面激光扫描，以检测既有轨道线路44上的检测区域范围内是否落有异物。类似的，设置两个激光扫描报警装置在桥墩所在的竖直平面内进行扫描，以检测竖直平面内对应区域内是否侵入异物。可以理解的是，大跨度施工时可以采用6个激光扫描报警装置，小跨度时采用4个即可(由于跨越距离在激光扫描报警装置的扫描量程范围之内，则在上下两个水平面内只需分别采用一个激光扫描报警装置进行扫描)。

如图5所示，为本发明一种并行类施工工点的激光扫描报警装置的布置示意图。其中左边为施工轨道线路51，右边为既有轨道线路52，施工条件下采用2个激光扫描报警装置分别检测垂直面和轨道平面的激光扫描，以检测左边施工轨道线路51上是否有异物侵入既有轨道线路52的限界。

需要说明的是，轨道平面内的激光扫描只检测高于既有轨道线路的异物，低于既有轨道线路34的异物对车辆运行不受影响，因此，不进行报警。

在本发明实施例二中，利用多个激光扫描报警装置同时监测，例如，上述图3所示激光扫描报警装置组合设置在工点1内，上述图4所示激光扫描报警装置组合设置在工点2内，各个激光扫描报警装置通过局域无线网和中继器相互连接，构成一个立体监测系统。所述中继器通过GPRS无线方式将测量信息远程传输至远程监控服务器。在本发明的优选实施例中，中继器采用轮循广播方式和现场的各个激光扫描报警装置进行通信联络，获取测量信息；所述中继器通过GPRS无线方式将测量信息远程传输至远程监控服务器。

在本发明实施例中，每个远程监控服务器可以监控成百上千个工点的侵限报警信息，在每个工点中，多个激光扫描报警装置和中继器可以处于Zigbee无线局域网或者其他无线网络中。远程监控服务器利用Oracle数据库进行存储记录，管理人员可利用任意查询条件组合随时查询各工点的报警信息。同时，管理人员可以根据自己的权限通过任意一台联网的计算机访问和管理报警信息，实现信息的共享，满足大范围异物检测的要求。

通过本发明实施例，能够实现铁路跨越或并行施工现场异物侵限的非接触式监测，其监测精度超过了现有的所有防护方法。除了应用于施工现场以外，本发明实施例还可以应用于正常运行线路重点路段的侵限防护，根据现场需要灵活设置现场检测装置的数量及位置，具有很强的灵活性和适用性。并且，每个激光监测仪的监控范围可以通过软件任意设置(含任意多边形或曲线形状)，通过网络通信对多个工点进行检测，实现了大范围的异物侵限检测。

本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可。

以上对本发明所提供的一种非接触式铁路异物侵限检测系统，进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (10)

1.一种非接触式铁路异物侵限检测系统，其特征在于，包括：至少一个激光扫描报警装置、中继器和远程监控服务器；

所述激光扫描报警装置包括：

二维激光测距仪，用于以扇面扫描的方式输出激光光束，并根据探测到的反射光采集测量信息，以及将所述测量信息输入至CPU；

CPU，用于实时获取二维激光测距仪输出的测量信息，并在检测范围内比较当前测量信息和环境信息的信息差异，当所述信息差异满足报警条件时，将对应的测量信息输入至存储单元，同时触发报警单元；

报警单元，用于进行现场报警；

通信单元，用于当所述信息差异满足报警条件时，将所述测量信息发送到中继单元；

存储单元，用于记录检测区域范围，以及保存环境信息和报警时的测量信息；

所述中继器，用于获取由激光扫描报警装置的通信单元发送的测量信息，并将测量信息传输至远程监控服务器；

所述远程监控服务器，用于接收中继器发送的测量信息，并对测量信息进行显示和记录。

2.如权利要求1所述的系统，其特征在于，

每个工点设置一个中继器，一个中继器对应一个或多个激光扫描报警装置。

3.如权利要求2所述的系统，其特征在于，

所述远程监控服务器还用于向将标定参数发送至中继器；

则所述中继器还用于将接收到的远程监控服务器发送的标定参数转发给各个激光扫描报警装置；

其中，所述标定参数包括：检测区域范围、扫描频率、报警条件。

4.如权利要求3所述的系统，其特征在于，

所述测量信息包括：激光光束在扫描扇面内的扫描角度、对应扫描角度上激光光束反射点到反射光探测点的探测距离。

5.如权利要求4所述的系统，其特征在于，

所述环境信息为：检测区域内没有侵入异物时，CPU获取的二维激光测距仪采集的一包测量信息；

其中，所述一包测量信息为：二维激光测距仪完成一次扇面扫描所采集的多组测量信息。

6.如权利要求5所述的系统，其特征在于，所述报警条件为：

当前测量信息的探测距离与环境信息中对应扫描角度上的探测距离之差大于预置阈值；

和/或，完成一次扇面扫描，所述探测距离之差大于预置阈值的累积次数。

7.如权利要求1所述的系统，其特征在于，

所述二维激光测距仪以每0.5度发射一激光光束的方式进行扇面扫描；其中，扫描角度范围为180度。

8.如权利要求1所述的系统，其特征在于，

所述扫描频率为一秒完成一次扇面扫描。

9.如权利要求1所述的方法，其特征在于，

所述检测类型包括：跨越类施工工点和并行类施工工点。

10.如权利要求1所述的方法，其特征在于，

所述中继器通过轮询的方式从各个激光扫描报警装置获取测量信息；

所述中继器通过GPRS无线方式将测量信息远程传输至远程监控服务器。

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