CN109927763A - 轨道交通无线传输信号智能监测及预警系统及其方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开轨道交通无线传输信号智能监测及预警系统及其方法，其包括天馈线检测设备、无线路由器以及后台显示终端，每个天馈线上均接入一个天馈线检测设备，天馈线检测设备通过以太网与配置在轨道旁的无线路由器通讯连接，无线路由器与显示终端以无线的方式通信，显示终端搭载在巡检列车上，巡检列车沿轨道行驶并接收沿途无线路由器发送的检测数据本发明利用巡检列车快速收集所有天馈线的监测数值，相比于人工逐点检测极大地提高了维护效率，避免人工频繁拆装引起的安全隐患。

Description

轨道交通无线传输信号智能监测及预警系统及其方法

技术领域

本发明涉及轨道交通技术领域，尤其涉及轨道交通无线传输信号智能监测及预警系统及其方法。

背景技术

轨道交通无线传输系统的组成元素中，天馈线一直裸露在空气当中，时刻受到空气中各种介质的侵蚀，特别是高架桥段的天馈线，由于没有隧道的遮挡，会受到紫外线、雨水冰雹、强光暴晒以及扬尘风沙等的危害。随着日积月累的侵蚀叠加，相比于其他设备，天馈线的故障率发生率较高。天馈线的损坏使得经过该区域的列车出现无线信号丢失，导致列车失去控制引发事故。

据统计，由天馈线损坏引发的事故大约占列车运行紧急事件的三分之一。如果地铁巡视未发现天馈线故障，列车继续运营，那么通信中断引发列车失去控制等事件现象极有可能发生，这不仅会影响到列车的安全运行，还会给地铁公司带来巨大的经济损失和不利的社会影响。

现阶段地铁的天馈线的检修通常由人工在列车停运时进行隧道检修进行排查。但是一条地铁轨道线上约有1500组天馈线，维保人员需在夜间停止运营至次日开始运营前排查故障，每天只有不到4小时的时间，时间紧，任务重，效率低。

发明内容

本发明的目的在于提供轨道交通无线传输信号智能监测及预警系统及其方法。

本发明采用的技术方案是：

轨道交通无线传输信号智能监测及预警系统，其包括天馈线检测设备、无线路由器以及后台显示终端，每个天馈线上均接入一个天馈线检测设备，天馈线检测设备通过以太网与配置在轨道旁的无线路由器通讯连接，无线路由器与显示终端以无线的方式通信，显示终端搭载在巡检列车上，巡检列车沿轨道行驶并接收沿途无线路由器发送的检测数据；

天馈线检测设备在每日检修时段定时开启连接天馈线并获取所测的天馈线驻波比值，显示终端配备监测程序，显示终端接收经由无线路由器传输的检测数据并显示出每个天馈线的测试数据，同时存入数据库。

进一步地，天馈线检测设备包括耦合器、单片机以及与单片机连接的RF 2.4G模块和以太网通讯模块，单片机通过RF 2.4G模块输出天馈线信号至耦合器的输入端，耦合器的直通端连接天馈线，耦合器输出发射信号和反射信号两路信号，发射信号和反射信号各自通过一检波电路和模数转换电路后接入单片机，单片机接收发射信号和反射信号并计算获得天馈线驻波比。

进一步地，每四个天馈线检测设备配备一个无线路由器。

进一步地，无线路由器工作在5GHZ频段，以避免与常用的2.4GHZ频段重复产生干扰，且所述无线路由器未工作时处于低功耗模式。

进一步地，监测程序依据天馈线和无线路由器的编码将每个天馈线的信号数据存入数据库。

进一步地，监测程序对每一路天馈线的驻波比信号分类、存储，并与标准值对比分析，监测程序以每个月为周期绘制每一路天馈线的驻波比信号数值变化曲线。

进一步地，天馈线驻波比检测装置采用三通转接头安装在天馈线

轨道交通无线传输信号智能监测及预警系统的监测方法，其包括以下步骤：

步骤1，天馈线检测设备在每日检修时段定时按设定次数开始采集所在天馈线的信号；

步骤2，天馈线检测设备获取天馈线的信号驻波比，

步骤3，天馈线检测设备将该天馈线的信号驻波比结合天馈线编号作为检测信息发送至无线路由器上；

步骤4，无线路由器接收汇总其对应的天馈线检测设备传输的检测信息并结合本无线路由器的编码形成上传数据发送至显示终端；

步骤5，显示终端从上传数据中分离出每个天馈线的信号数据并输出显示，同时将每个天馈线的信号数据存入数据库。

进一步地，步骤4中显示终端搭载在巡检列车上，巡检列车沿轨道行驶并接收沿途无线路由器发送的上传数据。

本发明采用以上技术方案，通过对轨道交通信号天馈线系统加装检测装置,使天馈线系统具备自检功能,实现了智能检测无线信号传输强度和性能的方法。本发明通过搭载在巡检列车显示终端上的监测应用程序将收集的天馈线自检数据处理分析，可实现在线监测无线信号传输的健康状况，并当传输信号低于列车正常运行所要求的阈值前发出预警，避免列车因信号传输问题引起安全事故。本发明可利用巡检列车快速收集所有天馈线的监测数值，相比于人工逐点检测，极大地提高了维护效率，同时避免了由于人工频繁拆装引起的安全隐患。

附图说明

以下结合附图和具体实施方式对本发明做进一步详细说明；

图1为本发明轨道交通无线传输信号智能监测及预警系统结构示意图；

图2为本发明的天馈线检测设备的结构示意图；

图3为本发明的耦合器的原理示意图。

具体实施方式

无线信号传输性能和信号强度归根结底是天馈线的辐射能力问题，一旦天馈线的驻波比出现异常，那么无线传输性能一定会受到影响，通过对天馈线的驻波比进行监测，可以判断无线信号传输是否正常。

驻波比全称为电压驻波比，简称VSWR(Voltage standing wave ratio)。实际上是驻波的波腹电压与波谷电压幅度的比值，若是VSWR＝1的时候，则表示馈线与天馈线阻抗是完全匹配的，高频能量会通过天馈线完全辐射出去，能量不会反射损耗；若是VSWR无穷大的时候，代表全反射，能量完全未辐射出去。在地铁信号系统内，天馈线安装在地铁通道内，根据驻波比的定义，我在探究中将无线信号传输性能简化为天馈线的驻波比来进行研究。

具体驻波比与反射率对应关系参照表1。

表1驻波比和反射率对应关系

驻波比	1.0	1.1	1.2	1.3	1.5	1.7	1.8	2.0
									反射率	0.00％	0.23％	0.83％	1.70％	4.00％	6.72％	8.16％	11.11％
驻波比	2.5	3.0	4.0	5.0	7.0	10	15	20
									反射率	18.37％	25.00％	36.00％	44.44％	56.25％	66.94％	76.56％	81.86％

驻波比记作VSWR，公式如下：

其中，Vmax是信号电压的最大值，Vmin是信号电压的最小值。

频率极高时，可以通过功率值进行计算。因此，测量前向功率和反向功率来计算VSWR，VSWR与它们(反射功率百分比)的关系如下：

Po：前向功率，进入天馈线系统的功率，即发射功率，

Pr：反向功率，从天馈线系统反射回来的功率，即反射功率。

经过运算，驻波比可以表示为，

由此可见，驻波的出现，使无线信号传输的效率下降。驻波比是反映天馈线辐射能力，即无线信号传输性能的一个重要参数，天馈线的驻波比接近1，可以提高无线信号传输的效率。因此，通过检测天馈线驻波比的异常情况，达到监测无线信号传输性能的目的。

基于上述驻波的论述，本发明首先通过天馈线检测设备采集天馈线驻波比数据，进行计算分析，对无线信号传输实施故障预警。天馈线检测设备安装在天馈线前端，监测应用程序安装于巡检列车上。

如图1所示，本发明公开了轨道交通无线传输信号智能监测及预警系统，其包括依次通信连接的天馈线检测设备、无线路由器以及显示终端，每个天馈线上均接入一个天馈线检测设备，天馈线检测设备通过以太网与配置在轨道旁的无线路由器通讯连接，无线路由器与显示终端无线通讯，显示终端搭载在巡检列车上，巡检列车沿轨道行驶并接收沿途无线路由器发送的上传数据；

天馈线检测设备在每日检修时段定时开启并多次采集所在天馈线的信号以计算获取天馈线的信号驻波比，显示终端上搭载有监测程序和数据库，监测程序接收经由多路无线路由器传输的上传数据，监测程序将上传数据中分离出每个天馈线的信号数据，监测程序输出显示每个天馈线的信号数据同时存入数据库。

进一步地，天馈线驻波比检测装置采用三通转接头安装在天馈线。

进一步地，如图2所示，天馈线检测设备包括耦合器、单片机以及与单片机连接的RF 2.4G模块和以太网通讯模块，单片机通过RF 2.4G模块输出天馈线信号至耦合器的输入端，耦合器的直通端连接天馈线，耦合器输出发射信号和反射信号两路信号，发射信号和反射信号各自通过一检波电路和模数转换电路后接入单片机，单片机接收发射信号和反射信号并计算获得天馈线驻波比。

如图3所示，本发明采用的耦合器的原理示意图，通过耦合器测量信号发射功率和反射功率，耦合器是一种无源射频器件，可以耦合主传输路径中的一小部分能量。为了提高测量精度，本发明选用的耦合器耦合精度高，频率特性好，驻波小，以实现驻波比在线监测系统高精度测量。

本发明可优选STM32F407单片机，其未高速嵌入式存储器，提供3个12位ADC，具有高性能、低电压、低功耗的特点，工作稳定，能适应地铁隧道的使用条件，其输入输出资源丰富，可编程接口，宽工作电压范围、封装小、性价比高、有利于后续扩展，是高精度、高可靠性准确测量应用的理想选择，广泛应用于工业控制等领域。

检波电路输出的包络信号是模拟量，需要进行模数转换。具体到本发明的实施方式中，模数转换电路可以是独立的电路也可以直接利用STM32F407单片机进行12位模数转换，无需附加电路。转换完后，单片机根据函数公式计算数据进行初步处理。

具体地，为了增加模块通信的实时性、便携性、通用性，天馈线检测设备通过以太网通讯模块与无线路由器通信，本发明优选LAN8720A低功耗10/100M以太网芯片，实现网络通信。

进一步地，每四个天馈线检测设备配备一个无线路由器。

进一步地，天馈线检测设备与监测应用程序的信号传输通过无线路由器完成，为了不影响正常的工作状态，无线路由器工作在5GHz频段，避免与现有的2.4GHz频段重复。

具体的，这种无线路由器建立的专有网络，每个路由器连接四台天馈线检测装置，再与列车建立通讯后将数据发送给监测应用程序，路由器在未通讯时可以工作在低功耗模式，不会干扰周围其它设备。

由于安装在巡检列车上的监测应用程序接收到的是多路信号，因此需要将各个数据分离出来，依据天馈线和路由器的编码存入数据库。根据这些存储数据，可以进行数据查询、趋势分析等计算，最后，监测应用程序可绘制趋势曲线，如有问题会告警通知工作人员，及时介入处理。

进一步地，以笔记本电脑用作显示终端，监测应用程序安装在巡检列车的笔记本电脑上，监测程序依据天馈线和无线路由器的编码将每个天馈线的信号数据存入数据库。

进一步地，监测程序对每一路天馈线的驻波比信号分类、存储，并与标准值对比分析，监测程序以每个月为周期绘制每一路天馈线的驻波比信号数值变化曲线。上传数据处理流程如下：

(1)监测程序使用C#编写，收到天馈线驻波比数据。

(2)将各路天馈线的数据分类存储，保存至数据库。

(3)根据每天的测试数据均值，以日期为横轴，驻波比为纵轴，绘制月驻波比曲线图。

(4)当日数据自检，如果有异常，及时报警。

进一步地，本发明还公开了轨道交通无线传输信号智能监测及预警系统的监测方法，其包括以下步骤：

步骤1，天馈线检测设备在每日检修时段定时按设定次数开始采集所在天馈线的信号；

步骤2，天馈线检测设备获取天馈线的信号驻波比，

步骤3，天馈线检测设备将该天馈线的信号驻波比结合天馈线编号作为检测信息发送至无线路由器上；

步骤4，无线路由器接收汇总其对应的天馈线检测设备传输的检测信息并结合本无线路由器的编码形成上传数据发送至显示终端；

步骤5，显示终端从上传数据中分离出每个天馈线的信号数据并输出显示，同时将每个天馈线的信号数据存入数据库。

进一步地，步骤4中显示终端搭载在巡检列车上，巡检列车沿轨道行驶并接收沿途无线路由器发送的上传数据。

本发明技术效果验证：

为了验证本发明的技术效果，采用天馈线的类比实验进行验证。类比实验选用的器材为长20厘米、直径5毫米的天馈线，其中一条完好无损，另一条有破损，并分别使用完好无损的天馈线和有破损的天馈线测试，将天馈线驻波比检测装置采用三通转接头安装在天馈线系统中，采集天馈线的驻波比数据，发送并存储分析后发现：

(1)完好的天馈线发送测试数据后，所产生的驻波比信号稳定持续在1.5以下。

(2)有破损的天馈线发送测试数据后，所产生的驻波比信号明显大于1.5。

通过实验可知：

(1)通过采集天馈线的驻波比数据，计算后得到驻波比均值。

(2)驻波比的明显下降可以判断天馈线传输性能是否正常，驻波比越小，天馈线系统传输性能越好。

为了验证效果，实验过程中通过矢量网络分析仪测量天馈线的驻波比作为参照组。同时采用本发明的轨道交通无线信号传输智能监测及预警系统测量的天馈线驻波比进行对比，用以判断该系统的准确度，以上频率均为2400MHz。表2为用矢量网络分析仪测试3个天馈线，与本发明测试的驻波比值记录；天馈线1采用矢量网络分析仪测试5次，驻波比平均值为1.214，该系统测试5次，驻波比平均值为1.194；天馈线2驻波比平均值为1.204，该系统驻波比平均值为1.22；天馈线3驻波比平均值为1.216，该系统驻波比平均值为1.204。

表2测量试验数据

通过以上实验验证，对比驻波比平均值后，发现本发明和矢量网络分析仪的测量结果误差小，测试稳定。

本发明采用以上技术方案，通过对轨道交通信号天馈线系统加装检测装置,使天馈线系统具备自检功能,实现了智能检测无线信号传输强度和性能的方法。本发明其包括天馈线检测设备、无线路由器以及后台显示终端，每个天馈线上均接入一个天馈线检测设备，天馈线检测设备通过以太网与配置在轨道旁的无线路由器通讯连接，无线路由器与显示终端以无线的方式通信，显示终端搭载在巡检列车上，巡检列车沿轨道行驶并接收沿途无线路由器发送的检测数据。本发明可利用巡检列车快速收集所有天馈线的监测数值，相比于人工逐点检测，极大地提高了维护效率，同时避免了由于人工频繁拆装引起的安全隐患。

Claims (9)

1.轨道交通无线传输信号智能监测及预警系统，其特征在于：其包括天馈线检测设备、无线路由器以及后台显示终端，每个天馈线上均接入一个天馈线检测设备，天馈线检测设备通过以太网与配置在轨道旁的无线路由器通讯连接，无线路由器与显示终端以无线的方式通信，显示终端搭载在巡检列车上，巡检列车沿轨道行驶并接收沿途无线路由器发送的检测数据；

天馈线检测设备在每日检修时段定时开启连接天馈线并获取所测的天馈线驻波比值，显示终端配备监测程序，显示终端接收经由无线路由器传输的检测数据并显示出每个天馈线的测试数据，同时存入数据库。

2.根据权利要求1所述的轨道交通无线传输信号智能监测及预警系统，其特征在于：天馈线检测设备包括耦合器、单片机以及与单片机连接的RF 2.4G模块和以太网通讯模块，单片机通过RF 2.4G模块输出天馈线信号至耦合器的输入端，耦合器的直通端连接天馈线，耦合器输出发射信号和反射信号两路信号，发射信号和反射信号各自通过一检波电路和模数转换电路后接入单片机，单片机接收发射信号和反射信号并计算获得天馈线驻波比。

3.根据权利要求1所述的轨道交通无线传输信号智能监测及预警系统，其特征在于：每四个天馈线检测设备配备一个无线路由器。

4.根据权利要求1所述的轨道交通无线传输信号智能监测及预警系统，其特征在于：无线路由器工作在5GHZ频段。

5.根据权利要求1所述的轨道交通无线传输信号智能监测及预警系统，其特征在于：监测程序依据天馈线和无线路由器的编码将每个天馈线的信号数据存入数据库。

6.根据权利要求1所述的轨道交通无线传输信号智能监测及预警系统，其特征在于：监测程序对每一路天馈线的驻波比信号分类、存储，并与标准值对比分析，监测程序以每个月为周期绘制每一路天馈线的驻波比数值变化曲线。

7.权利要求1-6任一所述的轨道交通无线传输信号智能监测及预警系统的监测方法，其特征在于：监测方法包括以下步骤：

步骤1，天馈线检测设备在每日检修时段定时按设定次数开始采集所在天馈线的信号；

步骤2，天馈线检测设备获取天馈线的信号驻波比，

步骤3，天馈线检测设备将该天馈线的信号驻波比结合天馈线编号作为检测信息发送至无线路由器上；

步骤4，无线路由器接收汇总其对应的天馈线检测设备传输的检测信息并结合本无线路由器的编码形成上传数据发送至显示终端；

步骤5，显示终端从上传数据中分离出每个天馈线的信号数据并输出显示，同时将每个天馈线的信号数据存入数据库。

8.根据权利要求7所述的轨道交通无线传输信号智能监测及预警系统的监测方法，其特征在于：步骤2中设定次数为20次。

9.根据权利要求7所述的轨道交通无线传输信号智能监测及预警系统的监测方法，其特征在于：步骤4中显示终端搭载在巡检列车上，巡检列车沿轨道行驶并接收沿途无线路由器发送的上传数据。