CN108466636A - 一种的轨道智能防事故系统及控制方法 - Google Patents

Abstract

一种的轨道智能防事故系统及控制方法，属于轨道安全技术领域。通过在钢轨与轨枕连接位置处安装磁流变垫片，利用磁流变现象吸收部分高铁列车高速行驶时使轨道产生的震动，解决轨道的减震降噪的问题；钢轨内侧安装震动检测器解决检测轨道震动强度的问题；轨道旁安装红外探测仪与摄像头解决确定轨道上是否有误入的动物或人员；单片机通过分析计算摄像头采集的列车位置信息和误入物体位置信息解决测定误入物体与列车的距离问题，轨枕上安装锥形气囊解决弹开轨道内误入物体的问题；轨道两旁安装方形气囊解决对被弹开物体的保护问题。该种轨道智能防事故装置能够有效避免列车撞击误入轨道的物体并保证列车正常运行。

Description

一种的轨道智能防事故系统及控制方法

技术领域

本发明涉及一种的轨道智能防事故系统及控制方法，属于轨道安全技术领域。

背景技术

当今世界，高铁的发展已经成为衡量国家综合实力的标准之一，在近些年，我国的高铁建设更是取得许多举世瞩目的成绩。随着我国高铁里程的增加，部分高铁路线延伸到偏远的山区，过程中可能会阻断当地人或者动物的便道，为了寻求方便，他们想尽办法并带着侥幸心理依然横穿铁路，给高铁轨道安全和高铁运行带来极大的安全隐患。另外，虽然铁路范围都设有围栏防止不相关的人员上轨道和野生动物误入轨道，但白密终有一疏，由于各种因素总会有无关的人员或者野生动物进入轨道范围，每年因此造成的安全事故不计其数，不仅造成人员伤亡，对高铁的运行质量也带来了极大的影响。因此，设计一种既能够保证高铁正常运行，也能降低铁路安全事故率的轨道防事故装置非常有必要。

发明内容

为解决现有技术的不足，本发明要解决的技术问题是：通过在钢轨与轨枕连接位置处安装磁流变垫片，利用磁流变现象吸收部分高铁列车高速行驶时使轨道产生的震动，解决轨道的减震降噪的问题；钢轨内侧安装震动检测器解决检测轨道震动强度的问题；轨道旁安装红外探测仪与摄像头解决确定轨道上是否有误入的动物或人员；单片机通过分析计算摄像头采集的列车位置信息和误入物体位置信息解决测定误入物体与列车的距离问题，轨枕上安装锥形气囊解决弹开轨道内误入物体的问题；轨道两旁安装方形气囊解决对被弹开物体的保护问题。该种装置主要实现铁轨的减震降噪和避免误入轨道的人员或者动物遭受列车撞击两个功能，能够有效避免列车撞击误入轨道的物体并保证列车正常运行。

本发明采用的技术方案是，一种轨道防事故装置包括钢轨、轨枕、红外探测仪、锥形气囊、侧翼气囊、气泵、摄像头、单片机、电源、震动检测器；红外探测仪与单片机连接；锥形气囊和侧翼气囊均与气泵连接；摄像头与单片机连接；气泵与单片机连接；震动检测器与单片机连接；电源为该装置中的电子设备和电子元件供电；摄像头采用测距式摄像头，安装于轨道的一侧；当红外探测器探测到轨道上有误入的人或者动物时，单片机接收到信号后打开相应范围内的摄像头，摄像头随即锁定误入物体的位置，并将误入物体的位置信息反馈给单片机；锥形气囊是一种可重复使用的气囊，整体形状呈圆锥体，安装于轨道内每个轨枕的侧壁且每个轨枕上等距的安装两个相同的锥形气囊，用于在瞬间充气的过程中将站在轨道内的物体弹至轨道的一侧，在完成一个充气-放气的过程后可恢复原状，仍可再次使用。

进一步的，有磁流变垫片安装于钢轨与轨枕之间，上表面与钢轨接触，下表面与轨枕接触；震动检测器为现有装置，安装于钢轨的内侧单片机根据摄像头检测到的列车与该轨道智能防事故装置的距离和震动检测器检测到的轨道震动强度给相应位置的磁流变垫片内的线圈通与震动强度相适应的电能；线圈在阻尼通道内产生相应大小的磁场，活塞头发生相对于工作缸的运动时，磁流变液经过阻尼通道流动，产生的阻尼力限制了活塞头相对缸体的运动，同时吸收能量，达到对轨道减震降噪的效果。

进一步的，磁流变垫片内由磁流变吸能器构成，磁流变吸能器由活塞杆、导线、上盖板、波纹管、导向管、活塞、线圈、磁流变液和工作缸组成；磁流变液采用的是一种智能材料，由磁性颗粒、防沉降凝聚添加剂按照一定的比例悬浮于母液中配置而成；在未加磁场的情况下，磁流变液呈现牛顿流体状态，但是在施加磁场的一瞬间，它的黏性和塑性等流变特性会发生急剧性的变化，毫秒级内即可实现牛顿流体到非牛顿流体的转变呈半固态或固态，且这种转变是可逆的，从而产生磁流变现象，当磁流变现象发生时，磁流变液具有吸能的作用；线圈环绕在活塞头上，导线和电源连接，为线圈供电；活塞杆与活塞连接，活塞与磁流变液同在工作缸内；导向环套在活塞杆上，用于固定活塞运动的方向。

进一步的，红外探测仪为现有装置，安装于轨道的一侧；用于监测轨道上是否有误入的人员或者动物，并将实时监测结果反馈给单片机。

进一步的，侧翼气囊为一种可重复使用的气囊，整体形状为长方体状，安装于轨道的两侧，不与钢轨接触，并且是成对存在，即在轨道的同一个位置的两侧均安装有相同的侧翼气囊，轨道两侧的气囊的作用是保护被弹开的人或动物，避免其被弹开后再受到撞击或者直接砸在其他轨道设施上而受到伤害；锥形气囊的充气过程和放气过程皆是接近于一瞬间的快速完成的；侧翼气囊和锥形气囊的充气过程是同步的，但放气过程是缓慢的，其放气时间以实际情况同过调控气泵来控制。

进一步的，气泵采用的是微型气泵并且可完成向气囊瞬间充气和吸气两项工作，安装于轨枕的侧壁；由于一个气泵可向多个气囊充气和吸气，所以气泵不是每个轨枕上都安装，而是隔一定距离安装一个气泵，其距离能保证气泵能够正常对相应范围内的锥形气囊和侧翼气囊充气和吸气。

进一步的，单片机综合摄像头反馈回来的列车位置信息和误入轨道内的人或动物的位置信息，并通过分析计算出列车头部与轨道内误入物体的距离，当此距离小于一定范围（如200m）时，单片机将立即控制气泵开始工作，使气囊完成弹开和保护误入轨道物体的工作，从而避免事故的发生

进一步的，电源即为太阳能发电装置和蓄电池，太阳发电装置和蓄电池连接，蓄电池为为该装置中的电子设备和电子元件供电。

在该装置的系统电路图中，XTAL1，XTAL2，相接的电路为单片机工作所必须的起震电路。RST相接的是单片机开关，可通过按键控制整个电路的开关。与P0.0相接的是震动检测装置，传感器采用压电陶瓷片作为振动检测器件，检测出列车的震动量。与P2.5相接的是高压气泵，由一个MOC3041芯片驱动，弹开误入轨道内的物体。与P1.5相接的是红外探测仪，分别为红外发射端和红外接收端，判断轨道上是否有动物和人员。与TXD、RXD相接的是摄像头模块，采用串口通信将采集的信息发送给单片机，单片通过红外探测仪和摄像头判断轨道上是否有异物。与P1.6相接的是磁流变垫片，安装在钢轨和轨枕的连接处，吸收列车的震动产生的能量达到减震降噪的效果。单片机型号为：AT78C51

电路说明：该轨道智能防事故装置，在钢轨与轨枕的连接处安装了磁流变垫片，震动检测装置检测出轨道的震动量，将收集的震动信息传给单片机。单片机接收信息处理后将信号传给磁流变垫片产生磁流变现象，解决轨道减震降噪的问题。红外探测仪和摄像头配合使用，检测轨道上是否有人员或者动物，一旦检测到有人员或者动物，单片机就驱动高压气泵，通过安装在轨道两旁的气囊弹开物体，到达保护的效果。

一种轨道防事故装置，其控制方法包括如下步骤：

步骤1.轨道沿线的安装的摄像头在列车发出后开始工作，单片机不间断接收摄像头反馈回来的车头位置信息。

步骤2.红外探测仪是不间断工作，实时监测轨道上是否有误入的人或动物，如果检测到有误入的物体，红外探测仪即将信号反馈给单片机。

步骤3.单片机接收到红外探测仪反馈的信号后，控制摄像头开始工作，摄像头锁定目标，并测出误入物体与摄像头的距离，随后将目标距离信息反馈给单片机。

步骤4.单片机综合摄像头反馈回来的位置信息，如果误入物体所在轨道即将有列车通过时，单片机通过分析计算出误入物体与列车头部的距离，当此距离小于一定范围时，单片机立即控制误入物体所在范围的气泵开始工作。

步骤5.受单片机控制的气泵对误入物体具体所在位置处的锥形气囊和侧翼气囊瞬间完成充气，锥形气囊在充气的那一瞬间将误入物体弹至所在轨道的两侧，侧翼气囊接住被弹开的物体。

步骤6.锥形气囊将误入物体弹开后，气泵立即对其进行吸气，放完气的锥形气囊边吸附在轨道上，不影响列车正常行驶；侧翼气囊在接住被弹开物体后存在一个缓冲期，其放气过程是缓慢的。

步骤7.当列车通过，人为将误入物体驱离，之后将工作后的气囊全部恢复原位，即可在下次事故中继续使用。

本发明的工作原理是：通过在钢轨与轨枕连接位置处安装磁流变垫片，利用磁流变现象吸收部分高铁列车高速行驶时使轨道产生的震动，解决轨道的减震降噪的问题；钢轨内侧安装震动检测器解决检测轨道震动强度的问题；轨道旁安装红外探测仪与摄像头解决确定轨道上是否有误入的动物或人员；单片机通过分析计算摄像头采集的列车位置信息和误入物体位置信息解决测定误入物体与列车的距离问题，轨枕上安装锥形气囊解决弹开轨道内误入物体的问题；轨道两旁安装方形气囊解决对被弹开物体的保护问题。该种轨道智能防事故装置能够有效避免列车撞击误入轨道的物体并保证列车正常运行。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：1、红外探测仪的使用，可实时感知轨道内是否有人员或动物误入，更有利于铁路监管；2、锥形气囊可迅速将即将有列车驶过的轨道内的人员或者动物弹出，不仅避免了误入物体遭受列车的撞击，也保证了列车的正常行驶；3、侧翼气囊可对被弹开物体进行充分保护，避免其二次受伤；4、气囊在使用后不影响列车运行，并且可重复使用；5、磁流变垫片可吸收部分列车高速行驶时使轨道产生的震动，实现轨道整体的减震降噪，不仅优化了列车的运行环境，对降低铁路维修成本也有重要作用。

附图说明

图1、图2为本发明的整体结构示意图；

图3为本发明的系统电路图；

图4为太阳能发电装置的系统电路图；

图中各个标号为：1-钢轨；2-轨枕；3-磁流变垫片；4-红外探测仪；5-锥形气囊；601-关闭状态的侧翼气囊；602-打开状态的侧翼气囊；7-气泵；8-摄像头；9-单片机；11-震动检测器。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明了，下面结合具体实施方式并参照附图，对本发明进一步详细说明。应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本发明的范围。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本发明的概念。

请参阅图1和图2，一种的轨道智能防事故系统及控制方法，包括钢轨1、轨枕2、红外探测仪4、锥形气囊5、侧翼气囊6、气泵7、摄像头8、单片机9、电源10、震动检测器11；红外探测仪4与单片机9连接；锥形气囊5和侧翼气囊6均与气泵7连接；摄像头8与单片机9连接；气泵7与单片机9连接；震动检测器11与单片机9连接；电源10为该装置中的电子设备和电子元件供电；摄像头8采用测距式摄像头，安装于轨道的一侧；当红外探测器4探测到轨道上有误入的人或者动物时，单片机9接收到信号后打开相应范围内的摄像头8，摄像头8随即锁定误入物体的位置，并将误入物体的位置信息反馈给单片机9；锥形气囊5是一种可重复使用的气囊，整体形状呈圆锥体，安装于轨道内每个轨枕的侧壁且每个轨枕上等距的安装两个相同的锥形气囊，用于在瞬间充气的过程中将站在轨道内的物体弹至轨道的一侧，在完成一个充气-放气的过程后可恢复原状，仍可再次使用。

有磁流变垫片3安装于钢轨1与轨枕2之间，上表面与钢轨1接触，下表面与轨枕2接触；震动检测器11为现有装置，安装于钢轨1的内侧单片机9根据摄像头8检测到的列车与该轨道智能防事故装置的距离和震动检测器11检测到的轨道震动强度给相应位置的磁流变垫片内的线圈通与震动强度相适应的电能；线圈在阻尼通道内产生相应大小的磁场，活塞头发生相对于工作缸的运动时，磁流变液经过阻尼通道流动，产生的阻尼力限制了活塞头相对缸体的运动，同时吸收能量，达到对轨道减震降噪的效果。

磁流变垫片3内由磁流变吸能器构成，磁流变吸能器由活塞杆、导线、上盖板、波纹管、导向管、活塞、线圈、磁流变液和工作缸组成；磁流变液采用的是一种智能材料，由磁性颗粒、防沉降凝聚添加剂按照一定的比例悬浮于母液中配置而成；在未加磁场的情况下，磁流变液呈现牛顿流体状态，但是在施加磁场的一瞬间，它的黏性和塑性等流变特性会发生急剧性的变化，毫秒级内即可实现牛顿流体到非牛顿流体的转变呈半固态或固态，且这种转变是可逆的，从而产生磁流变现象，当磁流变现象发生时，磁流变液具有吸能的作用；线圈环绕在活塞头上，导线和电源10连接，为线圈供电；活塞杆与活塞连接，活塞与磁流变液同在工作缸内；导向环套在活塞杆上，用于固定活塞运动的方向。

红外探测仪4为现有装置，安装于轨道的一侧；用于监测轨道上是否有误入的人员或者动物，并将实时监测结果反馈给单片机9。

侧翼气囊6为一种可重复使用的气囊，整体形状为长方体状，安装于轨道的两侧，不与钢轨接触，并且是成对存在，即在轨道的同一个位置的两侧均安装有相同的侧翼气囊6，轨道两侧的气囊的作用是保护被弹开的人或动物，避免其被弹开后再受到撞击或者直接砸在其他轨道设施上而受到伤害；锥形气囊5的充气过程和放气过程皆是接近于一瞬间的快速完成的；侧翼气囊6和锥形气囊5的充气过程是同步的，但放气过程是缓慢的，其放气时间以实际情况同过调控气泵来控制。

气泵7采用的是微型气泵并且可完成向气囊瞬间充气和吸气两项工作，安装于轨枕的侧壁；由于一个气泵可向多个气囊充气和吸气，所以气泵不是每个轨枕上都安装，而是隔一定距离安装一个气泵7，其距离能保证气泵7能够正常对相应范围内的锥形气囊5和侧翼气囊6充气和吸气。

单片机9综合摄像头8反馈回来的列车位置信息和误入轨道内的人或动物的位置信息，并通过分析计算出列车头部与轨道内误入物体的距离，当此距离小于一定范围（如200m）时，单片机9将立即控制气泵7开始工作，使气囊完成弹开和保护误入轨道物体的工作，从而避免事故的发生

电源10即为太阳能发电装置和蓄电池，太阳发电装置和蓄电池连接，蓄电池为为该装置中的电子设备和电子元件供电。

请参阅图3，在该装置的系统电路图中，XTAL1，XTAL2，相接的电路为单片机9工作所必须的起震电路。RST相接的是单片机开关，可通过按键控制整个电路的开关。与P0.0相接的是震动检测装置11，传感器采用压电陶瓷片作为振动检测器件，检测出列车的震动量。与P2.5相接的是高压气泵7，由一个MOC3041芯片驱动，弹开误入轨道内的物体。与P1.5相接的是红外探测仪4，分别为红外发射端和红外接收端，判断轨道上是否有动物和人员。与TXD、RXD相接的是摄像头8模块，采用串口通信将采集的信息发送给单片机9，单片机9通过红外探测仪4和摄像头8判断轨道上是否有异物。与P1.6相接的是磁流变垫片3，安装在钢轨1和轨枕2的连接处，吸收列车的震动产生的能量达到减震降噪的效果。单片机9的型号为：AT78C51。

电路说明：该轨道智能防事故装置，在钢轨1与轨枕2的连接处安装了磁流变垫片3，震动检测装置11检测出轨道的震动量，将收集的震动信息传给单片机9。单片机9接收信息处理后将信号传给磁流变垫片3产生磁流变现象，解决轨道减震降噪的问题。红外探测仪4和摄像头8配合使用，检测轨道上是否有人员或者动物，一旦检测到有人员或者动物，单片机9就驱动高压气泵7，通过安装在轨道两旁的气囊弹开物体，到达保护的效果。

上面所述的实施例仅仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的构思和保护范围进行限定，在不脱离本发明构思的前提下，本领域中普通工程技术人员对本发明的技术方案做出的各种变形和改进，均应在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种的轨道智能防事故系统，其特征在于：包括钢轨（1）、轨枕（2）、红外探测仪（4）、锥形气囊（5）、侧翼气囊（6）、气泵（7）、摄像头（8）、单片机（9）、电源（10）、震动检测器（11）；红外探测仪（4）与单片机（9）连接；锥形气囊（5）和侧翼气囊（6）均与气泵（7）连接；摄像头（8）与单片机（9）连接；气泵（7）与单片机（9）连接；震动检测器（11）与单片机（9）连接；电源（10）为该装置中的电子设备和电子元件供电；摄像头（8）采用测距式摄像头，安装于轨道的一侧；当红外探测器（4）探测到轨道上有误入的人或者动物时，单片机（9）接收到信号后打开相应范围内的摄像头（8），摄像头（8）锁定误入物体的位置，并将误入物体的位置信息反馈给单片机（9）；锥形气囊（5）是一种可重复使用的气囊，整体形状呈圆锥体，安装于轨道内每个轨枕的侧壁且每个轨枕上等距的安装两个相同的锥形气囊，用于在瞬间充气的过程中将站在轨道内的物体弹至轨道的一侧，在完成一个充气-放气的过程后可恢复原状，仍可再次使用；有磁流变垫片（3）安装于钢轨（1）与轨枕（2）之间，上表面与钢轨（1）接触，下表面与轨枕（2）接触；震动检测器（11）为现有装置，安装于钢轨（1）的内侧，单片机（9）根据摄像头（8）检测到的列车与该轨道智能防事故装置的距离和震动检测器（11）检测到的轨道震动强度给相应位置的磁流变垫片内的线圈通与震动强度相适应的电能；线圈在阻尼通道内产生相应大小的磁场，活塞头发生相对于工作缸的运动时，磁流变液经过阻尼通道流动，产生的阻尼力限制了活塞头相对缸体的运动，同时吸收能量，达到对轨道减震降噪的效果。

2.根据权利要求1所述的一种的轨道智能防事故系统，其特征在于：磁流变垫片（3）内由磁流变吸能器构成，磁流变吸能器由活塞杆、导线、上盖板、波纹管、导向管、活塞、线圈、磁流变液和工作缸组成；磁流变液采用的是一种智能材料，由磁性颗粒、防沉降凝聚添加剂按照一定的比例悬浮于母液中配置而成；在未加磁场的情况下，磁流变液呈现牛顿流体状态，但是在施加磁场的一瞬间，它的黏性和塑性等流变特性会发生急剧性的变化，毫秒级内即可实现牛顿流体到非牛顿流体的转变呈半固态或固态，且这种转变是可逆的，从而产生磁流变现象，当磁流变现象发生时，磁流变液具有吸能的作用；线圈环绕在活塞头上，导线和电源（10）连接，为线圈供电；活塞杆与活塞连接，活塞与磁流变液同在工作缸内；导向环套在活塞杆上，用于固定活塞运动的方向。

3.根据权利要求1所述的一种的轨道智能防事故系统，其特征在于：红外探测器（4）为现有装置，安装于轨道的一侧；用于监测轨道上是否有误入的人员或者动物，并将实时监测结果反馈给单片机（9）。

4.根据权利要求1所述的一种的轨道智能防事故系统，其特征在于：侧翼气囊（6）为一种可重复使用的气囊，整体形状为长方体状，安装于轨道的两侧，不与钢轨接触，并且是成对存在，即在轨道的同一个位置的两侧均安装有相同的侧翼气囊（6），轨道两侧的气囊的作用是保护被弹开的人或动物，避免其被弹开后再受到撞击或者直接砸在其他轨道设施上而受到伤害；锥形气囊（5）的充气过程和放气过程皆是接近于一瞬间的快速完成的；侧翼气囊（6）和锥形气囊（5）的充气过程是同步的，但放气过程是缓慢的，其放气时间以实际情况通过调控气泵来控制。

5.根据权利要求1所述的一种的轨道智能防事故系统及控制方法，其特征在于：气泵（7）采用的是微型气泵并且可完成向气囊瞬间充气和吸气两项工作，安装于轨枕的侧壁；由于一个气泵可向多个气囊充气和吸气，所以气泵不是每个轨枕上都安装，而是隔一定距离安装一个气泵（7），其距离能保证气泵（7）能够正常对相应范围内的锥形气囊（5）和侧翼气囊（6）充气和吸气。

6.根据权利要求1所述的一种的轨道智能防事故系统，其特征在于：单片机（9）综合摄像头（8）反馈回来的列车位置信息和误入轨道内的人或动物的位置信息，并通过分析计算出列车头部与轨道内误入物体的距离，当此距离小于一定范围（如200m）时，单片机（9）将立即控制气泵（7）开始工作，使气囊完成弹开和保护误入轨道物体的工作，从而避免事故的发生

根据权利要求1所述的一种的轨道智能防事故系统，其特征在于：单片机（9）的型号为：AT78C51。

7.根据权利要求1所述的一种的轨道智能防事故系统，其特征在于：电源（10）即为太阳能发电装置和蓄电池，太阳发电装置和蓄电池连接，蓄电池为该装置中的电子设备和电子元件供电。

8.根据权利要求1所述的一种的轨道智能防事故系统的控制方法，其特征在于：

包括如下步骤：

步骤1.轨道沿线的安装的摄像头在列车发出后开始工作，单片机不间断接收摄像头反馈回来的车头位置信息；

步骤2.红外探测仪是不间断工作，实时监测轨道上是否有误入的人或动物，如果检测到有误入的物体，红外探测仪即将信号反馈给单片机；

步骤3.单片机接收到红外探测仪反馈的信号后，控制摄像头开始工作，摄像头锁定目标，并测出误入物体与摄像头的距离，随后将目标距离信息反馈给单片机；

步骤4.单片机综合摄像头反馈回来的位置信息，如果误入物体所在轨道即将有列车通过时，单片机通过分析计算出误入物体与列车头部的距离，当此距离小于一定范围时，单片机立即控制误入物体所在范围的气泵开始工作；

步骤5.受单片机控制的气泵对误入物体具体所在位置处的锥形气囊和侧翼气囊瞬间完成充气，锥形气囊在充气的那一瞬间将误入物体弹至所在轨道的两侧，侧翼气囊接住被弹开的物体；

步骤6.锥形气囊将误入物体弹开后，气泵立即对其进行吸气，放完气的锥形气囊边吸附在轨道上，不影响列车正常行驶；侧翼气囊在接住被弹开物体后存在一个缓冲期，其放气过程是缓慢的；

步骤7.当列车通过，人为将误入物体驱离，之后将工作后的气囊全部恢复原位，即可在下次事故中继续使用。