CN111780896B - 一种地理皮肤 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种地理皮肤，由至少一个预制件构成，铺设于需要检测监控的地理表面，所述的预制件由以控制器模块为核心的基本单元组成；每个基本单元围绕控制器模块周围形成1‑4个压力检测块，每个压力检测块上至少具有一个压力传感器，压力传感器连接信号至控制器模块；每个控制器模块包含一个具有至少2个通道的路由器，每个基本单元的控制器模块通过路由器的一个串行通道和相邻基本单元的控制器模块的路由器的串行通道联接，实现两个控制器模块之间的点到点连接；本产品特别适用于公路铁路涵洞口泥石流等落石的监测，可以做到类似人体皮肤一样感知外来物的情况，无盲区无死角地进行监控，大大减少事故和保养排故的工作量。

Description

一种地理皮肤

技术领域

本申请涉及一种检测铁路轨道表面或者公路表面有落石等泥石流灾害以及其它影响行车安全的因素的地理皮肤。

背景技术

公路涵洞口及铁路轨道涵洞口，经常受到泥石流等影响，出现落石等严重危害行车安全的因素，目前最主要的技术是利用摄像头以及雷达来进行监测，但这种监测系统极容易受到恶劣天气的影响，特别是大雾和大雨等气候环境下，目前的监测系统无法很好地工作，另外，塑料袋等物体出现在目前监测系统里时，有时候出现难以分辨的情况，给排故工作带来很大的工作量，特别是铁路的涵洞口及一些边坡，往往是地面交通难以到达的位置，所以，现有系统下，给行车安全带来极大的隐患；另外，目前的系统很难察觉例如公路道路表面结冰等危险情况，也难以给行车给予必要的警告。

基于以上情况，开发一个类似人体皮肤那样的产品，感受铁路轨道表面的情况，是业界一直追求的最高目标。

中国201811612824.9号专利公开了一种铁路轨道异物的检测装置及方法，，该检测装置包括视频采集模块、图像融合模块、提取模块、初始分类器、大尺度目标分类器、小尺度目标分类器、输出模块。本发明结合可见光和红外光对异物进行检测，当光线良好时采用可见光摄像机为主、红外摄像机为辅的模式，反之自动切换到红外摄像机为主、可见光为辅，对可见光图像与红外图像进行融合，再利用多分类器集成对融合图像进行识别和分类，进而提高轨道异物检测的准确性和可靠性。但在实际商业应用时，该系统无法在非常恶劣的天气环境下工作。

中国201620421046.5号专利公开了一种铁路沿线崩塌落石监测报警系统，该报警系统包括通信设备、计轴装置、光栅振动传感器、视频采集装置、报警装置、数据处理装置、监控服务器和监控终端。本实用新型利用传感器、铁路信号等成熟技术，在现有光栅铁路沿线崩塌落石监测报警系统基础上设置计轴装置，通过高可靠性计轴装置监测铁路沿线崩塌落石区域列车占用情况，可以准确检测列车车辆，排除列车车辆运行引起的误报警，降低仅基于光纤光栅振动传感器的铁路沿线崩塌落石监测报警系统误报率，有效提升系统的可用性。该系统同样会受到恶劣天气的影响，而且系统比较复杂，投入大，依靠多系统也无法完成各种事故症候的准确判断。

由于铁路，特别是高速铁路的大力发展，铁路涵洞的数量越来越多，而且排故工作量由于高架铁路的状况而越来越严重。

多年来有很多公司和研究部门试图利用视频、红外、激光、震动光纤等技术来实现异物的检测与报警，但是实际应用中效果并不乐观。因为上述这些技术在实现过程中都会存在干扰和限制，比如说：震动光纤受干扰较严重；激光检测受地形条件限制较大；视频技术在雾天、雨天会失效，而且视频技术只能分辨出物体的大小，而不能分辨出物体的大体种类，会造成很多误报现象。因此到目前为止，铁路路面等领域的异物检测仍然是一个难点。

基于以上情况，开发一个类似人体皮肤那样的产品，感受铁路轨道表面的情况以及公路表面的情况，特别是泥石流等落石情况，并且需要做到像人体皮肤近似地无盲区地感受危险情况，而且能够在成本和可靠性控制上满足行业工程的需要，是业界一直追求的最高目标。

发明内容

本发明的目的是提供一个地理皮肤，它不但可以感知道路上出现的安全隐患状况，特别是泥石流等灾害性事故，而且还要做到整个工作面的全覆盖，产品需要有工程大量应用的低成本及可组合性及方便任意的延展和拓展。

本发明的地理皮肤，由控制器单元组成，依据工程上的情况，合理铺设于需要检测的地理表面，包括涵洞口内外及有些容易形成泥石流等落石的陡峭边坡下的铁路轨道内侧和二外侧边，也可以是类似地段的公路路面上和一些急转弯的需要告警的路段，还可以是机场跑道上；

现有成熟技术的电容数字转换电路(CDC)，例如DAI7142、ADI7147，采用Δ-∑调制方式通过多次对被测电容进行充放电并于参考电容比较的方法(参见：US Patent Number：5,134,401)直接将被测电容值转换成数字值，可以将对电容的测量灵敏度提高到1ff级别，容易满足测量系统在安全距离下对电容测量灵敏度的要求，特别是，这些芯片的设计具有多个通道，使得电路设计简单方便，从而有效降低成本和安装难度。

随着电子芯片技术的不断发展，带CPU的控制器单元的集成度越来越高，对于需要检测微小电容变化的场合，一般采取电容数字转换电路CDC，已经有把CDC与控制器MCU集成为一个芯片的产品市售，例如CYPRESS的PSoC 4100S Plus系列芯片。

另外，每个控制器能够连接外部传感器的通道是有限的，包括芯片接口构成的通道口数量上的限制以及与传感器信号连接上距离的限制，对于本发明的工程应用，必须寻找既控制成本又检测可靠的方案，基于这样的考虑，我们主要在二方面进行工作，一方面是为了达到无盲区无死角的监测，采用各控制器模块间点对点路由联接的设计，另一方面，需要考虑工业化制造和工程化安装，采用基本单元构成的设计，类似于预制件的方案，事实上，这二方面的要求是相互影响的。

本发明的地理皮肤，由至少一个预制件构成，铺设于需要检测监控的地理表面，所述的预制件由1-N个以控制器模块为核心的基本单元组成；每个基本单元围绕控制器模块周围形成1-4个压力检测块，每压力检测块上至少具有一个压力传感器，压力传感器连接信号至控制器模块；每个控制器模块包含一个具有至少2个通道的路由器，每个基本单元的控制器模块通过路由器的一个串行通道和相邻基本单元的控制器模块的路由器的串行通道联接，实现两个控制器模块之间的点到点连接；每个基本单元上具有至少一个电容电极，所述控制器带有电容数字转换电路，电容电极连接至电容数字转换电路，所述电容数字转换电路包括电容激励信号电路，所述电容激励信号电路产生高频方波激励信号，并检测所述电容电极感应异物接近后的自电容和/或互电容；每个预制件设置至少一个接口模块或者与外置的接口模块连接的接口，该接口模块具有电源和串行通讯连接。

依据本发明待解决的技术问题，考虑工程上安装的便利性，比较好的方案是把多个基本单元组合成一个预制件，每个预制件形成至少一个纵向的基本单元串列，例如一行或者二行或者三行基本单元串列，纵向基本单元串列为连续排布的基本单元连接而成；每个基本单元构成以控制器模块为核心的单元，采用基本单元这种方式，会起到标准化的作用，减低产品造价，提高产品成品率，也方便维修；每个基本单元围绕控制器模块周围形成1-4个压力检测块，特别是4个压力检测块，每块上至少具有一个压力传感器，压力传感器连接信号至控制器模块，现有技术的各种压力传感器，包括并不限于电容式、电阻式、压电式都可以采用；每个检测单元上具有至少一个电容电极，最好是4个压力检测块上均有电容电极，因为电容电极虽然非常低成本但相对而言容易受到环境的干扰，这样的布置使得每个电容到控制器上带着的电容数字转换电路最近，减少干扰，电容电极连接至电容数字转换电路，所述电容数字转换电路包括电容激励信号电路，所述电容激励信号电路产生高频方波激励信号，并检测所述电容电极感应异物接近后的自电容和/或互电容，利用压力检测传感器和电容电极复合来检测每个单元，特别是，在工程上，没有可能实现作业面的全覆盖，一方面工程安装就不现实，另一方面象铁轨的存在就使得这个想法不可能实现，电容电极就可以发挥电场无处不在的优势，真正做到无盲区全覆盖；每个控制器模块包含一个具有至少2个通道的路由器，每个基本单元的控制器通过路由器的一个串行通道和相邻基本单元的控制器模块的路由器的串行通道联接，实现两个控制器模块之间的点到点连接，这种连接方式，无总线冲突的问题，也无须总线仲裁协议，并且具有足够的驱动能力而且功耗极低同时软件硬件都简单，工程可以按照需要任意拓展，为了节省路由节点减少路由距离，最好采用4个通道的路由器，特别是预制件形成二行或者三行检测单元串列时，4个路由通道可以使各控制器单元连接成一个网格化连接；每个预制件设置至少一个接口模块或者与外置的接口模块连接的接口，该接口模块具有电源和串行通讯连接，对于电源而言，随着电子技术的发展，求得低功耗长寿命的低电压芯片越来越多地使用，而对于大规模应用的本产品，有可能需要考虑系统高电压供电，采用接口模块的电源电路适配到芯片电压，这样系统供电合理，另外，本产品的压力传感器和/或电容电极检测到故障因素后，也通过接口模块的串行通讯以有线或者无线的方式与管理系统连接；对于电容式压力传感器，一般是把电容电极安置在一个形变层上来实现的，此时，利用分时检测等技术手段，可以把作为压力传感器的电容电极又作为探测物体的电容电极复用；对于泥石流等灾害，以落石为例，有可能落在上面提到的某个基本单元上，也可能落在二个检测单元之间，还可能落在二个预制件的相邻安装的检测单元之间，本发明均可以全覆盖无盲区地检测到。

控制器复合路由通道的集成芯片已经出现，甚至出现了模拟人体大脑立体神经连接结构的6通道路由接口的控制器芯片，即上下左右前后构成立体网络，对于我们的技术方案，每个控制器2个通道的路由接口就可以进行相互连接，但在芯片成本相差不大的情况下，选择4通道路由接口的控制器会使得监测时最佳信号传输途径的最短路由节点比较容易实现，也提高路由反应时间。这方面的技术，可以参考我们公司的技术合作伙伴SteveFurber发表在IEEE-Journals&Magazines Volume 62，Issue 12，Dec.2013上的″Overviewof the SpiNNaker System architecture″文章。

对于落石而言，压力的监测是最主要的，本发明不但可以监测压力出现在那个位置，即位置对应的路由地址的某个基本单元监测到，而且还可以了解落石滚动的路径，同样，对于出现在地理皮肤表面的动物，例如一条狗，可以监测到它行走的路径。

在工程上，希望监测压力外，还希望可以监测物体的材质，本公司多年来一直开发的电容传感器就可以配合发挥其优异的检测性能，利用这些电极本身检测外来物体的自电容，或者利用每块上各电极间或者各块的相邻电极间甚至不同控制器的相邻电极来检测外来物体形成的互电容的变化，用以判断各种接触或者非接触物体的材质和体积。电容传感器的设置不但检测到了地理皮肤安装的表面，还可以检测到未铺设或者无法铺设(例如铁轨上)位置的外来物体，也使得无需全部无缝铺设本发明的地理皮肤，因为在工程上，真正的无缝铺设是非常困难而且难以达到的。

本发明的产品主要用于但不限于监测铁路路基、轨道表面和公路路面的环境变化，包括：落石、泥石流、塌陷、结冰、积雪、动物、行人、车辆等，事实上，该产品在本公司最早研发时，是以地表皮肤开展的，后来实验后发现不限于地表，涵洞的侧壁甚至洞顶，均因其性价比优异而带来应用价值。

本发明采用路由网络结构实现地理皮肤基本单元之间的通讯，每个基本单元都有一个控制器模块(可以是一个芯片)，每个控制器包含一个路由器(路由器可以集成在芯片中)，每个路由器至少有2个串行通道(4个通道是优选方案)，每个基本单元的控制器通过路由器的一个串行通道和相邻基本单元的控制器串联，与串行总线网络结构相比，路由网络结构有以下优点：第一、每个控制器仅与相邻控制器进行点对点连接，传输距离短，有效避免长线传输的干扰和多点传输的大功率驱动及总线冲突问题；第二、每一个控制器模块的路由器都具有中继作用，可以实现几十乃至上百万节点的大型网络，可以满足长距离或大范围的铁路或公路地理皮肤应用要求。

本产品不受天气和地形影响，不受光线影响，几乎不会受到任何干扰。能够有效的检测出异物的体积、压力和大体类型，通过对体积、压力和类型信息的综合分析，能够准确、有效的确定异物的危险系数，并根据危险系数给出不同级别的报警信息。在实际应用中，以″地理皮肤″为主，以视频或其它技术为辅，实施铁路的异物检测，最大程度上提高检测效果。地理皮肤″可以说是目前唯一一种能够彻底解决铁路异物检测的技术方案，实现了铁路异物检测的重大突破。

配合铁路部门已经投入了的对视觉技术，加上本技术方案的综合应用，对轨道内外异物情况进行数据采集，甚至配以AI智能的分析、检测，检测出可能会对列车造成行车安全的异物，并将警情信息上报给调度部门、养护部门和列车驾驶室，以便相关人员第一时间作出响应，减少或避免安全事故的发生。此外，相关工作人员还可以主动调取相关监测点的摄像头视频信息，主动巡查各监测点的安全情况。

附图说明

图1为包含一个检测块的基本单元；

图2为包含四个检测块的基本单元；

图3检测块互电容检测原理示意；

图3-1为方便描述对图3中引用到的相关位置重新标号的图；

图4检测块自电容检测原理示意；

图5基本单元控制模块原理框图；

图6终端接口原理框图；

图7终端单元示意图；

图8基本单元单行排列(因为基本单元内部结构完全一样故只对其中一个单元内部进行了标识)的示意图；

图9基本单元多行排列的示意图；

图10电器连接单点、两端、多点连接示意图；

图11电器连接网状连接示意图；

图12地理皮肤预制件内部基本单元布置及接线示意图；

图13基本单元结构的分解爆炸示意图；

图14为3行7列预制件结构图；

图15预制件实际布置示意图；

具体实施方式

为使本申请的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下文中将结合附图对本申请的实施例进行详细说明。

参见图8，本发明的地理皮肤预制件900由至少一个包含压力检测块的基本单元100，和至少一个接口模块800组成。参见图1，图2基本模块包含至少一个控制器模块120和一个压力检测块140优选为4个。参见图3，图3-1，图4压力检测模块顶层为绝缘保护层142，第2层是电极层用以检测外部接触或非接触物质材质。第三层为弹性层143，弹性层内部为压力传感器R1，当弹性层143受到压力变形后即可检测到压力从而判断出物体位于传感器上方。第4层为电极层144与第2层141电极层形成互电容C1，通过电容C1变化可以检测到所受压力大小从而判断物体位于极板上方。底层为硬质盖板145用以对整个压力检测模块提供支撑。每个压力检测块至少有一个检测外部压力的压力传感器R1，C1压力传感器可以采用包括但不限于电容式、电阻式、压电式等压力传感方式。每个压力检测模块140至少有一个用于检测外部接触或非接触物质材质的电极，图3中标号141，为方便说明图3-1中标号为141A，141B表示位于不同位置的检测电极，该电极141A可以与相邻电极141B，形成互电容C2(相邻电极可以位于同一个基本单元内，也可以位于不同基本单元内)，或与接触或接近该电极141的外部物体(岩石)形成自电容C3。利用检测所述互电容或自电容的变化识别接触或接近所述电极的外部物体的材质(例如：岩石、泥土、塑料、动物、雨雪、结冰等)；参见图5每个基本单元有一个控制模块120，控制模块120包含有MCU(标号121)和一个路由器(122)(路由器可以与MCU集成在同一芯片中)，每个路由器至少有2个串行通道124(4个通道是优选方案)，基本单元100的串行路由通道可以与预制件900内部和外部的相邻基本单元通过接插件或导线直接连接实现两个控制器之间的点到点连接。基本单元的控制模块120还可以包含容数字转换CDC电路123(CDC也可以与MCU集成在同一芯片里)，CDC电路包括电容激励信号电路，电容激励信号电路产生高频方波激励信号，用于检测基本单元各个电极141的电容量，同时可检测所述电容电极感应异物接近后的自电容和/或互电容的变化，以判断识别接触或接近所述电极的外部物体的材质(例如：岩石、泥土、塑料、动物、雨雪、结冰等)；参见图6，地理皮肤预制件包含的接口电路800包括外部接口803，外部通讯801，电源模块802，外部接口803负责接入外部电源，外部通讯801外部通讯模块8-1负责电子地理皮肤与外部监控系统的通讯连接，所述的通讯连接可以是有线连接也可以是无线连接。电源模块802负责将外部供电电源(一般＞＝12v)转化成稳定的内部基本单元100使用的工作电源电压(一般低于5v)通过线缆给各个基本单元100供电。

参照图7，图8，图9地理皮肤预制件900内的基本单元100排列的排列可以是如图8所示单行也可以是如图9所示多行。如图7所示基本单元100之间的通讯采用路由网络结构实现基本单元100之间的通讯，每个基本单元100的控制模块120(图中只标注了一个基本单元控制模块的标号其它基本单元控制模块均用ECU表示出)通过路由器的2到4个串行通道和相邻基本单元的控制器串联，与串行总线网络结构相比，路由网络结构有以下优点：第一、每个控制器仅与相邻控制器进行点对点连接，传输距离短，有效避免长线传输的干扰和多点传输的大功率驱动及总线冲突问题；第二、每一个控制器的路由器都具有中继作用，可以实现几十乃至上百万节点的大型网络，可以满足长距离或大范围的铁路或公路地理皮肤应用要求。

预制件900之间的拼接包括结构拼接和电气拼接两部分，结构拼接可以是无缝拼接，也可以是有缝拼接，结构拼接的方式可以采用粘接、卡接、铆接、螺栓连接、外部辅助固定等任意方式；如图10，图11电器拼接可以是单点连接图10；也可以是多点网状连接图11，电气连接可以采用接插件或电缆直接连接的方式。

本发明的监控地面情况用的地理皮肤，整体上采用预制件的方式，在预制件内，又标准化为检测单元组成，在实际应用铺装后，各预制件之间的空隙也受到监控，同时为其它协同工作的设备，例如视频设备，例如电源及信号传输的电缆，提供安装位子。

实施例

本发明的一个实施例是用于检测高铁路基上直径大于20cm落石的电子地理皮肤，如图12所示，采用3行7列基本单元100和通讯模块800，形成电子地理皮肤预制件900，预制件900外形为长126cm、宽60cm的矩形。其中每个基本单元外形为20＊18cm的长方形。如图13基本单元100四周围和内部有玻璃钢材料形成的中空网格形框架146，中空框架内部用于布置控制模块120和电源及通讯线缆110，框架的宽度为3cm，高度为1cm，每个单元的控制模块120位于框架中心十字交叉处，框架有一个统一的玻璃钢材料的刚性底板145，底板厚度为5mm，每个基本单元100由4个对称的长方形电容式压力检测块140组成，所述刚性底板上对应每一个压力检测块设置一个与压力检测块面积相等的平面电极141，每个压力检测块最上层是边长为8cm的正方形玻璃钢小方块142，玻璃钢小方块142的厚度为5mm，玻璃钢小方块142的内表面设置有与小方块面积相等的平面电极141，在所述玻璃钢小方块142和底板145之间设置有面积等于长方块的厚度为7mm的可压缩橡胶层143。如图14，将通讯线缆110布置在各个连通的基本单元100的中空框架内部，通讯模块120布置在各个基本单元100中间行两边顶端的中空框架内部(标号300指向的位置)将刚性底板145安装在中空框架146上，形成地理皮肤预制件。

如图3、图3-1所示，所述小方块142内表面的电极141和对应的底板上的电极144形成平行板电容C1，当小方块外表面受到外部物体(如落石)的压力时，电容C1的两个电极之间的间距会发生变化，导致C1电容量的变化，该变化与外部压力成单调函数关系，因此可以依据电容C1的变化量计算出外部压力的大小；所述小方块142内表面的电极141A与相邻小方块142内表面141B的电极之间形成平面电容C2，当有外部物体接近或接触到C2对应的两个小方块142时会改变C2的介电常数，理论上任何材质物体的介电常数不同，因此依据C2的变化可以判断接近或接触的物体的材质。

如图12，13，14，15所示本实施例的预制件，在中间行的两端的基本单元的中空网格行框架146内部标号300所指位置分别设置一个接口模块800，中间行的接口模块800和基本单元100采用4通道路由通讯方式，两边行采用1通道路由通讯方式。本实施例的预制件100拼接采用间距为10cm的有缝拼接方式，预制件之间用通讯电缆600采用串行接龙网络结构。本实施例的预制件既可以条状布置在铁轨之间也可以带状布置在铁轨两侧。

尽管上述已经阐述了本发明的具体实施方式，但本领域普通技术人员，在不脱离本发明精神和原理的情况下，可以对其进行变换，本发明的保护范围是由其权利要求书及其等同物限定的。

Claims (9)

1.一种地理皮肤，由至少一个预制件构成，铺设于需要检测监控的地理表面，所述的预制件由以控制器模块为核心的基本单元组成；每个基本单元围绕控制器模块周围形成1-4个压力检测块，每压力检测块上至少具有一个压力传感器，压力传感器连接信号至控制器模块；每个控制器模块包含一个具有至少2个通道的路由器，每个基本单元的控制器模块通过路由器的一个串行通道和相邻基本单元的控制器模块的路由器的串行通道联接，实现两个控制器模块之间的点到点连接；每个基本单元上具有至少二个电容电极，所述控制器模块带有电容数字转换电路，电容电极连接至电容数字转换电路，所述电容数字转换电路包括电容激励信号电路，所述电容激励信号电路产生高频方波激励信号，并检测所述电容电极感应异物接近后的自电容和互电容；每个预制件设置至少一个接口模块或者与外置的接口模块连接的接口，该接口模块具有电源和串行通讯连接；通过测量上述电容电极的自电容和互电容和基本单元上压力传感器的压力来测量监测的异物；所述自电容，通过单元内电容电极测量而得；所述互电容，通过测量包括位于基本单元内电极间的，或者各基本单元电极间的，或者各预制件间相邻电极间的电容电极而得；所述预制件条带上形成至少一个纵向的基本单元串列，所述的每个控制器模块的路由器具有2-4个串行通道，各控制器模块形成网格连接。

2.根据权利要求1所述的地理皮肤，其特征在于，所述的压力传感器为电容式、电阻式或压电式。

3.根据权利要求1或2所述的地理皮肤，其特征在于，所述电容电极安装在一层形变层上作为压力传感器。

4.根据权利要求1所述的地理皮肤，其特征在于，每个检测单元的控制器周围形成4个压力检测块，每个压力检测块上具有电容电极。

5.根据权利要求1所述的地理皮肤，其特征在于所述的预制件上排列一行或者二行或者三行纵向的基本单元串列。

6.根据权利要求5所述的地理皮肤，其特征在于，所述预制件条带上形成二行或者三行纵向的基本单元串列，所述的每个控制器模块的路由器具有4个串行通道，各控制器模块形成网格连接。

7.根据权利要求1所述的地理皮肤，其特征在于，所述接口模块对应的控制器模块上的串行通讯接口通过有线或者无线方式与管理系统联接。

8.根据权利要求1所述的地理皮肤，其特征在于，各基本单元的压力传感器及控制器模块安装在一个中空框架内。

9.根据权利要求1所述的地理皮肤，其特征在于，接口模块包括外部接口，电源模块，外部通讯模块。

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