CN113593456B - 铁路用移动式多功能电子信号牌及其控制系统和控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明铁路用移动式多功能电子信号牌及其控制系统和控制方法，属于电子信号牌技术领域；所要解决的技术问题为：提供铁路用移动式多功能电子信号牌硬件结构的改进；解决上述技术问题采用的技术方案为：电子信号牌壳体包括固定连接的外主壳与后盖，外主壳的表面设置有LED显示屏，电子信号牌壳体上设置有激光传感器和外置GPS天线；外主壳的内部设置有LED驱动电路板、主控制电路板、定位模块、显示模块，主控制电路板上集成有微处理器，所述微处理器通过导线分别与激光传感器、外置GPS天线、LED驱动电路板、无线通信模块、定位模块、存储模块、电源模块、显示模块相连；外主壳的侧面设置有霍尔传感器；本发明应用于铁路。

Description

铁路用移动式多功能电子信号牌及其控制系统和控制方法

技术领域

本发明铁路用移动式多功能电子信号牌及其控制系统和控制方法，属于铁路用移动式多功能电子信号牌技术领域。

背景技术

目前，国内各局集团对营业线铁路施工中，需要使用移动停车信号牌、作业标、移动减速信号牌等多种电子信号牌。根据施工计划，移动停车信号牌、作业标需要在规定时间放置于XXX线X行XXX公里，施工完毕后，根据列车放行条件（例：开通后第一列45km/h，第二列60km/h，第三列120km/h，其后恢复常速）在规定位置放置不同数值的移动减速信号牌。目前使用的电子信号牌采用金属板和金属杆焊接而成，铁路移动减速信号牌更换数量较多，人工现场更换耗时耗力，增加了施工人员的人身安全隐患，也降低了工作效率。电子信号牌的插设时间和位置由现场人员操作，该方式存在未按时间插、拔电子信号牌、未按规定位置插设的问题，且电子信号牌不具备防倾斜、倾倒功能，若发生倾斜、倾倒也无预警信息，以上问题会导致行车司机无法看到正确的防护信息，从而发生行车安全事故。

根据施工牌目前的使用方式，本发明提出了一种铁路用移动式多功能电子信号牌控制系统，通过技术防范手段代替人力防范手段，实现对人力防范和实体防范在技术手段上的补充和加强，弥补人员防范中的不足，减少上述事故的发生。

发明内容

本发明为了克服现有技术中存在的不足，所要解决的技术问题为：提供一种铁路用移动式多功能电子信号牌硬件结构及其控制方法的改进。

为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：铁路用移动式多功能电子信号牌，主要包括由电子信号牌壳体和立杆形成的金属壳体，所述电子信号牌壳体包括固定连接的外主壳与后盖，所述外主壳的底部设置有立杆，所述外主壳的表面设置有LED显示屏，所述电子信号牌壳体上设置有激光传感器和外置GPS天线；

所述外主壳的内部设置有LED驱动电路板、主控制电路板、定位模块、显示模块，所述主控制电路板上集成有微处理器，所述微处理器通过导线分别与激光传感器、外置GPS天线、LED驱动电路板、无线通信模块、定位模块、存储模块、电源模块、显示模块相连；

所述后盖上设置有电池盒，所述外主壳的侧面设置有霍尔传感器，所述霍尔传感器通过导线与微处理器相连。

还包括套设在电子信号牌壳体上的外罩壳体，所述外罩壳体上设置有磁铁，微处理器通过感应磁铁的远近读取霍尔传感器的状态，判断电子信号牌的类型。

所述外主壳与立杆之间还设置有可拆卸的中间延长杆。

所述微处理器还通过导线与六轴传感器相连，通过采集的 Z轴角度变化趋势判断电子信号牌是否倾斜或倾倒。

所述定位模块具体采用全星座全频高精度定位定向模组，采用螺旋天线衰减和屏蔽多径信号，通过接收地面基准站差分数据链，实现实时载波相位差分定位，RTK采用双备份GNSS系统，实时处理两个测站载波相位观测量的差分方法，将基准站采集的载波相位发给用户接收机，进行求差解算坐标；

定位模块内置全网通4G芯片，通过4G接收基站处理的高精度定位数据，微处理器对高精度定位模块串口输出模式、接收机数据和千寻参数进行配置，定位模块接收到定位数据后，通过串口USART发送到微处理器，微处理器解析后定位现场电子信号牌安装位置，区分电子信号牌在铁路线路的上行、下行或某股道，用以确认是否安插正确。

所述激光传感器的数据输出包括：距离信息、信号强度信息、温度信息，通过激光传感器采集的数据，根据一节车厢长度、行驶速度最大值、传感器采集频率，判断一节车厢是否驶过；

当判定为过车后，采集到门限值以外的值，判断过车之后一分钟内的数据是否有门限范围内的数值，若有则判定车厢缝隙正在过车，若没有则判定为过车结束，实现根据检测过车趟数，自动切换限速值。

铁路用移动式多功能电子信号牌控制系统，包括电子信号牌，还包括上位机和移动端，所述电子信号牌通过无线通信模块将采集的显示牌类型、定位信息、当前限速值、电池电量、GPRS信号、报警数据、过车趟数、电子信号牌类型以及设备状态信息实时传输至上位机和移动端；

所述电子信号牌通过无线通信模块接收移动端下发的插、拔牌计划，通过上位机查看电子信号牌的现场情况。

铁路用移动式多功能电子信号牌的控制方法，包括如下步骤：

S1：上位机添加施工计划；

S2：手机APP进行电子信号牌设置：

现场操作人员在移动端安装电子信号牌APP，首先获取作业计划进行提前预置，结合作业计划进行电子信号牌的分配，对电子信号牌插设时间和插设地点进行预置，并对移动减速信号牌的放行条件进行预置；

S3：现场操作人员插设移动停车信号牌操作：

电子信号牌用于移动停车信号牌使用时，现场人员将移动停车信号牌结构件套在电子信号牌外侧，现场操作人员打开电源开关，竖起使用，根据现场情况考虑是否使用中间延长杆，以及调节中间延长杆高度使火车驾驶员可以看到移动停车信号牌；

电子信号牌开机后通过霍尔元件感应磁铁位置，自动识别电子信号牌此时牌类型，上电后给上位机发送停车电子信号牌插牌信息，包括插牌时间、牌类型和定位信息，未按移动停车信号牌插牌时间插牌，上位机会有报警提示，同时发送短信到相关操作人员提示报警；

当插牌位置不正确，上位机发出报警提示，同时发送短信到相关操作人员提示报警；

根据六轴传感器采集的陀螺仪三个方向姿态角，检测杆体倾斜，上位机会有报警提示，同时发送短信到相关操作人员提示报警；

S4：现场操作人员拔移动停车信号牌操作：

移动停车信号牌拔牌时间到达时，现场操作人员需先把移动减速信号牌中间延长杆拆卸，将移动停车信号牌结构拆卸，此时，霍尔元件根据磁铁位置更改电子信号牌类型为移动减速信号牌，微处理器发送移动停车信号牌拔牌信息，移动停车信号牌使用结束，关闭电源开关；

未按移动停车信号牌拔牌时间拔牌，上位机会有报警提示，同时发送报警短信到相关操作人员；

S5：现场操作人员插移动减速信号牌操作：

电子信号牌用于移动减速信号牌使用，现场操作人员需打开电源开关，竖起使用，根据现场情况考虑是否使用中间延长杆，以及调节中间延长杆高度使火车驾驶员可以看到移动减速信号牌内容；

电子信号牌开机后给上位机发送停车电子信号牌插牌信息，包括插牌时间、牌类型和定位信息，未按移动减速信号牌插牌时间插牌，上位机会有报警提示，同时发送报警短信到相关操作人员；

插牌位置不正确，上位机会有报警提示，同时发送报警短信到相关操作人员；

电子信号牌根据采集的陀螺仪的原始数据，进行姿态融合解算，检测杆体倾斜、倾倒，上位机会有报警提示，同时发送报警短信到相关操作人员；

S6：根据放行条件设置限速值：

根据过车趟数变更限速值，判断条件有两种，激光传感器和陀螺仪；

S7：根据定位模块判断电子信号牌位置：

使用高精度定位模块时，需采集现场铁路线路高精度定位基础数据，平台接收到电子信号牌发送的高精度经纬度值，上位机通过GIS地图查看到实时位置，判断电子信号牌插设行别；

S8：电子信号牌结束使用：

根据列车放行条件，最后一趟列车经过后，限速值为0km/h即不限速，显示屏为黑屏状态，微处理器发送基本信息和施工牌报警信息给服务器，当移动减速信号牌使用完成需复位时，现场操作人员需先把移动减速信号牌中间延长杆拆卸，关闭电源开关，此时，移动减速信号牌实现复位操作。

还包括S9：电子信号牌实时监控：

上位机负责接收现场电子信号牌的数据、异常报警等功能，并为各个客户端提供数据；

上位机查看电子信号牌是否倾斜、电子信号牌类型等相关基础信息；

客户端通过GIS地图直观显示各个监测点位置、基础信息及报警提示，客户端软件实时接收硬件设备发回的数据，一旦发生报警，地图界面对应监测点显示不同级别的报警图标，同时报警提示框弹出报警信息；

电子信号牌开机后主动上传开机状态，实现对电子信号牌实时监控，开机前五分钟不记录电子信号牌倾斜状态，避免因杆体未插稳出现误报；

若激光传感器检测到过车，电子信号牌根据过车趟数变更显示限速值，通过无线通信模块发送给上位机，上位机通过解析数据显示过车趟数、限速值和设备号等内容；

若主控制电路板上的六轴传感器检测设备杆体出现倾斜倾倒，设备通过无线通信模块发送给上位机，上位机通过解析会弹出相应的报警信息或者解除报警信息；

每次发送报警信息或正常状态信息，都携带设备电量信息，实现对设备电量的实时监控；

电子信号牌通过无线通信模块发送给上位机经纬度，上位机查看到实时定位地图位置，GIS地图界面信息展示。

所述步骤S6中根据放行条件设置限速值的具体判断如下：

陀螺仪判过车开始：采集到三个方向的加速度值判断进入加速度范围，根据现场多次采集数据，且判断以后设定时间内进入加速度门限范围超过设定次数后初步判定为过车；

陀螺仪判过车结束：初步判定为过车后，采集三个方向的加速度值，设定时间内进入加速度门限范围未超过设定次数后初步判定为非过车状态；

激光传感器判过车两个条件：陀螺仪初步判定为过车和电子信号牌为移动减速信号牌，电子信号牌用于移动停车信号牌或者作业标等显示时不判过车趟数，判过车检测陀螺仪先检测加速度值；

激光传感器判过车开始：陀螺仪初步判定为过车后，通过激光传感器检测并采集距离值，电子信号牌判断该距离值是否达到过车门限范围，门限值设有最近距离和最远距离，若采集的数据达到过车两个门限范围之间，电子信号牌采集并统计达到门限范围值的个数，达到设定次数后，判断一节车厢驶过，判定为过车，在采集设定次数中间，若采集中有数值为门限范围外，则重新开始采集数据，判断是否达到设定次数；

激光传感器判过车结束：判定为过车后，采集到门限值以外值，判断以后一分钟内的数据是否有门限范围内的数值，若有则判定车厢缝隙，若没有则判定为过车结束。

本发明相对于现有技术具备的有益效果为：

(1)多功能电子电子信号牌实现一牌多用，一个电子信号牌可作为移动停车信号牌和多个移动减速信号牌使用，减少电子信号牌的携带数量，通过自动切换及显示限速值，减少劳动用工的投入，提高了工作效率。

(2)多功能电子信号牌中可实时获取插设位置，通过平台监控电子信号牌插设位置，若电子信号牌插设的线别、行别和里程中任一参数不符合施工要求，系统发出预警提示，现场操作人员可及时纠正。

(3)化电子信号牌采用高精度定位，精准定位到现场电子信号牌安装位置，区分电子信号牌位置为铁路线路的上行、下行或X股道。

(4)过车检测，根据过车趟数改变电子信号牌LED显示限速值，实现电子信号牌化。

(5)未插、未拔、超范围、倾斜、倾倒报警，达到报警条件时，发送报警信息至平台以及相关手机。

(6)化电子信号牌主机采用ARM低功耗芯片，具有超低功耗，它提高了功耗模式管理上的灵活性，同时降低了应用的总体功耗。此微控制器还能提供多种工作模式，以支持所有的应用，同时满足功耗性能始终接近最佳。

(7)实时性强，系统采用实时上传现场电子信号牌监测数据的方式，插拔牌、电子信号牌倾斜（倾倒）、过车等信息间隔五分钟发送。

(8)现场电子信号牌检测数据完整全面，数据类型包括过车趟数、显示牌类型、定位信息、当前限速值、电池电量、GPRS信号等，为了解现场状况提供了数据基础。

(9)采用模块化结构设计，预留多种数据接口，扩展性强，维护方便。

(10)电池盒结构采用鸡笼式结构，更换简便。

附图说明

下面结合附图对本发明做进一步说明。

图1、图2为本发明的电子信号牌作为移动减速信号牌的正视图和侧视图。

图3、图4为本发明的电子信号牌作为移动停车信号牌的外罩壳体的结构示意图。

图5为本发明电子信号牌的外主壳内部结构示意图。

图6为本发明的电子信号牌的电路结构示意图。

图7为本发明的电子信号牌的主控芯片电路原理图。

图8、图9为本发明的电子信号牌的高精度定位模块电路原理图。

图10为本发明的电子信号牌的LED显示屏电路原理图。

图11为本发明的电子信号牌的霍尔传感器电路原理图。

图12为本发明的电子信号牌的激光雷达电路原理图。

图13、图14为本发明的电子信号牌的无线通信模块电路原理图。

图15为本发明的电子信号牌的六轴传感器电路原理图。

图16为本发明的电子信号牌的存储模块原理图。

图17、图18为本发明的电子信号牌的电源模块电路原理图。

图中：1为外主壳、2为LED显示屏、3为中间延长杆、4为立杆、5为激光传感器、6为外置GPS天线、7为电池盖、8为后盖、9为LED驱动电路板、10为无线通信模块、11为主控制电路板、12为定位模块、13为霍尔传感器、14为GPRS天线插座、15为两个GPS天线插座、16为防水航空插头、17为电源开关、18为激光雷达底座、19为外置GPS天线底座、20为可调降压模块、21为电池、22为磁铁、23为外罩壳体。

具体实施方式

如图1至图18所示，本发明提供的铁路用移动式多功能电子信号牌集成定位、数显、数传、倾倒以及过车监测功能于一体，结合客户端软件和手机APP，实现设备状态监测，实现电子信号牌的化预警，以及适用各类施工作业防护化管理方案。

电子信号牌主要由手机APP、上位机和现场电子信号牌组成，现场电子信号牌负责采集定位数据、监测现场情况，通过移动无线网络接收手机APP下发的计划，通过检测过车趟数改变电子信号牌限速值，实现电子信号牌化，客户可通过上位机软件监控电子信号牌状态。

本发明一款集成定位、数显、数传、倾倒以及过车监测功能于一体的电子信号牌，包括基于ARM Cortex M4微处理器，集显示模块、激光传感器、六轴传感器、霍尔元件、高精度定位模块、无线通信模块、存储模块、供电模块、金属壳体为一体。

壳体包括外主壳、后盖、中间延长杆和立柱，采用全金属设计。金属壳体采用防水、防锈和防反光设计，外主壳上安装LED显示屏，中间采用延长杆（延长杆一是为了方便携带，二是为了高度可调）加立柱快接设计。

显示模块包括LED显示屏和控制卡，显示屏固定在外主壳的表面，室外防水，高亮显示，实时显示限速值，高度还原普通移动减速信号牌图标；LED显示屏采用32*32点阵RGB显示（尺寸：256*256mm）和BX-4K 字库卡，实现单双色屏基于字符编码的高亮显示。控制卡接收显示内容、设置区域等命令，然后解析并处理此命令，（一条命令等于一个数据帧，这个数据帧由帧头、包头、数据、帧尾等组成）。显示屏根据下发的计划和接收到的激光传感器数据，判断是否更新显示屏限速值。

高精度定位模块是指全星座全频高精度定位定向模组，本发明采用螺旋天线衰减和屏蔽多径信号，通过接收地面基准站差分数据链，实现实时载波相位差分定位(RTK)，RTK采用双备份GNSS系统，实时处理两个测站载波相位观测量的差分方法，将基准站采集的载波相位发给用户接收机，进行求差解算坐标。载波相位差分可使定位精度达到厘米级，为载体提供动态厘米级，静态毫米级的高精度位置信息。定位模块内置全网通4G芯片，通过4G接收基站处理的高精度定位数据。ARM Cortex M4微处理器对高精度定位模块串口输出模式、接收机数据和千寻参数进行配置。高精度定位模块接收到高精度定位数据后，通过串口USART发送到ARM Cortex M4微处理器，微处理器解析后发送到上位机，精准定位现场电子信号牌安装位置，可区分电子信号牌在铁路线路的上行、下行或某股道，用以确认是否安插正确。

无线通信模块包括无线传输单元、控制单元，采用的控制芯片型号为ME909S-821aTD-LTE。无线通信模块与上位机双向数据通信，负责数据的采集、控制和远程数据传输。ARMCortex M4微处理器分析处理手机APP下发的计划和远程设置的报警参数等，通过无线通信模块，上位机可以获取限速值、过车趟数和电子信号牌倾斜/倒状态。

激光传感器采用IP65防护级室外器件，具有高防水、低功耗、高帧率、高环境光抗性，型号为：TF02-Pro，量程为：0m-40m。TF02-Pro 有两种数据输出格式，标准数据输出格式和字符串数据格式，两种格式可通过指令代码相互切换。本产品使用标准数据输出格式，数据输出包括：包含距离信息（Distance）、信号强度信息（Strength，默认输出值会在 0-65535 之间。当测距档位一定时，测距越远，信号 强度越低；目标物反射率越低，信号强度越低。）和温度 （Temp，表征芯片内部温度值。摄氏度 = Temp / 8 - 256）。通过传感器采集大量数据，根据一节车厢长度25米，和行驶速度最大120km/h ，采集频率约50ms，基本可以判断一节车厢驶过，判定为过车。判定为过车后，采集到门限值以外值，判断以后一分钟内的数据是否有门限范围内的数值，若有则判定车厢缝隙（正在过车），若没有则判定为过车结束。实现根据检测过车趟数，自动切换限速值。

六轴传感器由三轴陀螺仪和三轴加速度计组成，型号为ICM20608，陀螺仪分辨率为 16 位，量程为：±250°、±500°、±1000°与±2000°/sec 。加速度计分辨率为 16 位，量程为：±2g、±4g、±8g 和±16g 。ARM Cortex M4微处理器初始化 ICM20608 以及 MPL 库后，驱动 ICM20608，读取其原始数据，并利用其 MPL 库实现姿态解算，根据Z轴角度变化判断施工牌是否倾斜或倾倒，检测过车时带动设备震动，陀螺仪在垂直地面方向和水平方向会出现不同程度的震动，通过捕捉不同幅度震动带来陀螺仪各个方向的加速度值波动，辅助判断是否有过车。

霍尔元件采用单极性、带动态偏置补偿系统的霍尔传感器、施密特触发器和一个开漏极输出驱动，稳定斩波技术降低了偏置电压带来的温漂和不稳定性。型号为：YS282。霍尔元件根据感应磁铁的远近可以输出高低电平，磁铁S极靠近，输出低电平，S极远离，输出高电平。电子信号牌外壳安装多个霍尔元件和高强度磁铁，磁铁位置代表电子信号牌种类，根据触发霍尔元件的位置判断施工牌的类型。

电源模块采用低温锂电池，低温锂电池体积小，容量大，重量相对较轻，电压值为7.4V，30AH，工作温度范围为-40℃～80℃，电池实现可拆卸和不拆卸两种充电方式，电池与电路主控板通过电源开关连接，开关导通，主控板上电，正常工作。电路中使用低功耗、高效率DC-DC芯片，增加电池使用时间。

化电子信号牌主机采用ARM Cortex M4微处理器低功耗芯片，具有超低功耗，它提高了功耗模式管理上的灵活性，同时降低了应用的总体功耗。为了能最大限度地使用电池并/或降低其成本，处理器工作模式可以选择切换，使功耗性能始终接近最佳。

存储模块，使用芯片为：W25Q128，工作电压范围2.7V-3.6V，电流消耗低至4mA的有源和1uA的掉电，使用标准串行接口QSPI，串行数据I/O0(DI)，I/O1(D0)，I/O2(/WP)和I/O3(/保持)。设计写保护引脚和程序写保护，支持字节、页（256字节）编写，扇区（4k字节）擦除等功能，电子信号牌中，生成一条数据（报警数据或正常数据）、手机APP下发计划和远程下发的电子信号牌倾斜倾倒参数，存入Flash，实现数据保存以避免设备断电造成数据丢失。

外主壳内部分布电路板，供电电池嵌于后盖里，为电路板和显示屏供电。

结合附图对产品进一步描述。

如图1、2所示：一种多功能铁路化电子信号牌基于ARM Cortex M4微处理器，集显示模块、激光传感器、霍尔元件、六轴传感器、定位模块、无线通信模块、存储模块、电源模块、金属壳体为一体。

如图1、2所示：金属壳体由外主壳、后盖、延长杆和立柱组成，外主壳内部装有LED驱动电路板、主控制电路板、高精度定位模块、可调降压模块，背部后盖上安装有电池盒，采用鸡笼式结构，内部嵌有电池，电池拆卸更换方便。

如图3、4所示：移动停车信号牌使用时套在电子信号牌，外壳设有磁铁位置，且设计校准移动停车信号牌插入方向，使霍尔元件快速准确感应磁铁位置，做出判断。

如图8、9所示：电路设计高精度定位模块，通过电子开关确定高进度定位通信引脚连接微处理器ARM Cortex M4串口4，高精度定位模块需7.4V电压供电，通过PA4引脚输入高低电平控制是否把输入电压7.4V供电给高精度定位模块。高精度定位模块固定在外主壳内部，实现定位现场显示牌安装位置，以及区分设备位置为上行、下行或X股道，来确认是否安插在线路上正确位置。

如图10所示：显示模块采用LED显示屏，安装位于外主壳表面，电路中7.4V电压通过降压模块XL4016E1（可调降压模块安装在外主壳内部，用来调节电池和LED显示屏之间的电压差）实现显示屏5V供电，通过串口1实现通信，实时显示限速值。

如图11所示：霍尔传感器1引脚接入3.3V电源电压，2引脚接地，3引脚连接微处理器ARM Cortex M4 的PE0/PE1//PE2/PE3/PE4，霍尔传感器嵌在外主壳侧面圆孔内，通过感应磁铁的远近读取霍尔传感器3引脚的高低电平，判断电子信号牌的类型。

如图12所示：激光雷达安装激光雷达底座上，激光雷达底座安装在中间延长杆或立杆的侧面，面朝火车铁轨。激光雷达需电路中5V供电，通信引脚连接ARM Cortex M4 的低功耗串口通信引脚，程序中通过算法处理接收到激光雷达数据，实现根据检测过车趟数，自动切换限速值。

如图13、14所示：无线通信模块包括无线传输单元、控制单元，负责对数据的采集、控制和远程数据传输，无线通信模块5V供电，连接ARM Cortex M4 的串口2通信引脚，实现接收和发送数据，且引出模块数据指示灯，查看指示灯状态即可知道通信状态，实现了对电子信号牌状态的实时监控。

如图15所示：六轴传感器通过IIC3实现与ARM Cortex M4通信，采集 Z轴角度，通过算法计算角度变化趋势判断施工牌是否倾斜或倾倒。

如图16所示：QSPI接口来驱动W25Q128这个SPI FLASH芯片，QSPI即Quad SPI，是一种专用的通讯接口，连接单、双或四（条数据线）SPI FLASH，串行数据I/O0(DI)连接PE13，串行I/O1(D0)连接PE11，串行I/O2(/WP)连接PE12和串行I/O3(/保持)连接PE15，片选信号(CS)连接PE10,时钟(CLK)连接PE14，存储器存储容量为128Mb，程序中通过QSPI初始化、QSPI 发送命令、QSPI读数据、QSPI 写数据实现Flash通信、读写，实现数据（报警数据或正常数据）、手机APP下发施工计划和远程下发的电子信号牌倾斜倾倒参数，存入Flash，避免异常断电丢失。

如图17、18所示：电路电源设计，电池输入7.4V电源，通过低功耗DC-DC降压芯片输出5V，用于无线模块、激光雷达供电和转为3.3V供电，5V转为3.3V采用低功耗LDO稳压器。

外置GPS天线安装在外置GPS天线底座上，底座上装有强性磁铁，可吸附在侧面的任何金属位置，保证方向竖直向上。

电子信号牌的控制方法，具体步骤如下：

电子信号牌管理系统主要由手机APP、上位机和电子信号牌组成，现场电子信号牌负责采集定位数据、监测电子信号牌自身状态，通过移动无线信号接收手机APP下发插、拔牌计划，通过检测过车趟数改变电子信号牌限速值，实现电子信号牌化，客户可通过上位机软件及手机APP查看电子信号牌现场电子信号牌状态。

手机APP通过服务器下发计划，现场电子信号牌实时采集检测过车传感器的信号，采集的数据经分析、处理后通过移动网络发送给平台，系统根据作业计划将预警信息发送给负责人。

电子信号牌采用实时上传监测数据的方式。插拔牌、电子信号牌倾斜（倾倒）、过车等信息，间隔五分钟发送一条，满足铁路对电子信号牌监测的需要。

现场电子信号牌检测的数据完整全面,包括过车趟数、显示牌类型、定位信息、当前限速值、电池电量、GPRS信号等，为了解现场状况提供了数据基础。

1)电子信号牌使用基本流程：

1. 上位机添加施工计划；在插设前半小时发出“插牌提醒”信息，插设时间到达时，若还未插牌，则发出“未插”报警信息；到达拔牌时间时，则发出“拔牌提醒”信息，若还未拔牌，则发出“未拔”报警信息。

2. 手机APP进行电子信号牌设置：

现场操作人员在手机安装电子信号牌APP，首先获取作业计划进行提前预置，结合作业计划进行电子信号牌的分配，对电子信号牌插设时间和插设地点进行预置，并对移动减速信号牌的放行条件进行预置。

3. 现场操作人员插设移动停车信号牌操作：

电子信号牌用于移动停车信号牌使用时，现场人员将移动停车信号牌结构件套在电子信号牌外侧，现场操作人员打开电源开关17，竖起使用，根据现场情况考虑是否使用中间延长杆3，以及调节中间延长杆高度使火车驾驶员可以看到移动停车信号牌，从而提醒来车，避免车辆驶入施工区段。电子信号牌开机后通过霍尔元件感应磁铁位置，自动识别电子信号牌此时牌类型，上电后给上位机发送停车电子信号牌插牌信息，包括插牌时间、牌类型和定位信息，未按移动停车信号牌插牌时间插牌，上位机会有报警提示，同时发送短信到相关操作人员提示报警。插牌位置不正确，上位机会有报警提示，同时发送短信到相关操作人员提示报警。根据采集陀螺仪三个方向姿态角，检测杆体倾斜，若倾斜角度达到20°时，发出“倾斜”报警信息；若倾斜角度达到35°时，则发出“倾倒”报警信息，上位机会有报警提示，同时发送短信到相关操作人员提示报警。

4. 现场操作人员拔移动停车信号牌操作：

移动停车信号牌拔牌时间到达时，现场操作人员需先把移动减速信号牌中间延长杆拆卸，将移动停车信号牌结构拆卸，此时，霍尔元件根据磁铁位置更改电子信号牌类型为移动减速信号牌，主机发送移动停车信号牌拔牌信息，移动停车信号牌使用结束，关闭电源17。未按移动停车信号牌拔牌时间拔牌，上位机会有报警提示，同时发送报警短信到相关操作人员。

5. 现场操作人员插移动减速信号牌操作：

电子信号牌用于移动减速信号牌使用，现场操作人员需打开电源开关17，竖起使用，根据现场情况考虑是否使用中间延长杆3，以及调节中间延长杆高度使火车驾驶员可以看到移动减速信号牌内容，从而提醒来车，驶入施工区段减速慢行。电子信号牌开机后给上位机发送移动减速信号牌插牌信息，包括插牌时间、牌类型和定位信息，未按移动减速信号牌插牌时间插牌，上位机会有报警提示，同时发送报警短信到相关操作人员。插牌位置不正确，上位机会有报警提示，同时发送报警短信到相关操作人员。电子信号牌根据采集的陀螺仪ICM20608 的原始数据，进行姿态融合解算，ICM20608 的嵌入式运动处理库 （MPL），可将传感器原始数据直接转换成四元数输出，得到四元数之后计算出欧拉角，航向角（yaw）、横滚角（roll）和仰俯角（pitch）。得到当前四轴的姿态，检测杆体倾斜、倾倒，上位机会有报警提示，同时发送报警短信到相关操作人员。

6. 根据放行条件设置限速值：

根据过车趟数变更限速值，判断条件有两种，激光传感器和陀螺仪；

陀螺仪判过车开始：采集到三个方向的加速度值判断进入加速度范围，（三个方向加速度范围：aacx-- -1200、-950；aacy-- -16600、-16430；aacz-- 900、400，根据现场多次采集数据、测试所得），且判断以后5s内进入加速度门限范围超过35次后初步判定为过车。

陀螺仪判过车结束：初步判定为过车后，采集三个方向的加速度值，5s内进入加速度门限范围未超过35次（采集频率约为50ms）后初步判定为非过车状态。（火车接近电子信号牌，陀螺仪已有明显震动，加速度值进入门限范围，火车远离一段距离后，陀螺仪震动变缓，加速度值掉出门限范围外）

激光传感器判过车两个条件：陀螺仪初步判定为过车和电子信号牌为移动减速信号牌，电子信号牌用于移动停车信号牌或者作业标等显示时不判过车趟数，判过车检测陀螺仪先检测加速度值，可以避免人为干扰带来的误判。

激光传感器判过车开始：陀螺仪初步判定为过车后，通过激光传感器检测并采集距离值，电子信号牌判断该距离值是否达到过车门限范围，门限值设有最近距离和最远距离，若采集的数据达到过车两个门限范围之间，电子信号牌采集并统计达到门限范围值的个数，达到10次（根据一节车厢长度25米，和行驶速度最大120km/h ，采集频率约50ms）后，基本可以判断一节车厢驶过，判定为过车，在采集10次中间，若采集中有数值为门限范围外，则重新开始采集数据，判断是否达到10次。

激光传感器判过车结束：判定为过车后，采集到门限值以外值，判断以后一分钟内的数据是否有门限范围内的数值，若有则判定车厢缝隙（正在过车），若没有则判定为过车结束。

7. 根据高精度定位判断电子信号牌位置：

使用高精度定位时，需采集现场铁路线路高精度定位基础数据，平台接收到电子信号牌发送的高精度经纬度值，上位机可以通过GIS地图查看到实时位置，定位精度达到厘米级即可准确判断电子信号牌插设行别。

8. 电子信号牌结束使用：

根据列车放行条件，最后一趟列车经过后，限速值为0km/h即不限速，显示屏为黑屏状态，主板发送基本信息和施工牌报警信息给服务器。当移动减速信号牌使用完成需复位时，现场操作人员需先把移动减速信号牌中间延长杆拆卸，关闭电源开关17，此时，移动减速信号牌实现复位操作。

2)电子信号牌实时监控：

平台负责接收现场电子信号牌的数据、异常报警等功能，并为各个客户端提供数据。

客户端软件可以查看电子信号牌是否倾斜、电子信号牌类型等相关基础信息。平台采用B/S架构，根据需求弹性增加的服务冗余、文件传输、地图服务等功能，合理划分程序结构，重新开发了软件框架，采用“软总线”模式，可以依据需求挂载不同的服务模块，实现不同的功能。

客户端通过GIS地图直观显示各个监测点位置、基础信息及报警提示。客户端软件实时接收硬件设备发回的数据，一旦发生报警，地图界面对应监测点显示不同级别的报警图标，同时报警提示框弹出报警信息。

电子信号牌开机后主动上传开机状态，实现对电子信号牌实时监控，开机前五分钟不记录电子信号牌倾斜状态，避免因杆体未插稳出现误报。若激光传感器5检测到过车，电子信号牌根据过车趟数变更显示限速值，通过无线通信模块10发送给上位机，上位机通过解析数据显示过车趟数、限速值和设备号等内容；若主控制电路板11六轴传感器检测设备杆体出现倾斜倾倒，设备通过无线通信模块10发送给上位机，上位机通过解析会弹出相应的报警信息或者解除报警信息。每次发送报警信息或正常状态信息，都携带设备电量信息，实现对设备电量的实时监控。电子信号牌实现高精度定位，通过无线通信模块10发送给上位机经纬度，上位机可以查看到实时定位地图位置，GIS地图界面信息展示。

关于本发明具体结构需要说明的是，本发明采用的各部件模块相互之间的连接关系是确定的、可实现的，除实施例中特殊说明的以外，其特定的连接关系可以带来相应的技术效果，并基于不依赖相应软件程序执行的前提下，解决本发明提出的技术问题，本发明中出现的部件、模块、具体元器件的型号、连接方式除具体说明的以外，均属于本领域技术人员在申请日前可以获取到的已公开专利、已公开的期刊论文、或公知常识等现有技术，无需赘述，使得本案提供的技术方案是清楚、完整、可实现的，并能根据该技术手段重现或获得相应的实体产品。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (7)

1.铁路用移动式多功能电子信号牌，主要包括由电子信号牌壳体和立杆（4）形成的金属壳体，其特征在于：所述电子信号牌壳体包括固定连接的外主壳（1）与后盖（8），所述外主壳（1）的底部设置有立杆（4），所述外主壳（1）的表面设置有LED显示屏（2），所述电子信号牌壳体上设置有激光传感器（5）和外置GPS天线（6）；

所述外主壳（1）的内部设置有LED驱动电路板（9）、主控制电路板（11）、定位模块（12）、显示模块，所述主控制电路板（11）上集成有微处理器，所述微处理器通过导线分别与激光传感器（5）、外置GPS天线（6）、LED驱动电路板（9）、无线通信模块（10）、定位模块（12）、存储模块、电源模块、显示模块相连；

所述后盖（8）上设置有电池盒，所述外主壳（1）的侧面设置有霍尔传感器（13），所述霍尔传感器（13）通过导线与微处理器相连；

还包括套设在电子信号牌壳体上的外罩壳体（23），所述外罩壳体（23）上设置有磁铁（22），微处理器通过感应磁铁的远近读取霍尔传感器（13）的状态，判断电子信号牌的类型；

所述激光传感器（5）的数据输出包括：距离信息、信号强度信息、温度信息， 通过激光传感器采集的数据，根据一节车厢长度、行驶速度最大值、传感器采集频率，判断一节车厢是否驶过；

当判定为过车后，采集到门限值以外的值，判断过车之后一分钟内的数据是否有门限范围内的数值，若有则判定车厢缝隙正在过车，若没有则判定为过车结束，实现根据检测过车趟数，自动切换限速值。

2.根据权利要求1所述的铁路用移动式多功能电子信号牌，其特征在于：所述外主壳（1）与立杆（4）之间还设置有可拆卸的中间延长杆（3）。

3.根据权利要求1所述的铁路用移动式多功能电子信号牌，其特征在于：所述微处理器还通过导线与六轴传感器相连，通过采集的 Z轴角度变化趋势判断电子信号牌是否倾斜或倾倒。

4.根据权利要求1所述的铁路用移动式多功能电子信号牌，其特征在于：所述定位模块（12）具体采用全星座全频高精度定位定向模组，采用螺旋天线衰减和屏蔽多径信号，通过接收地面基准站差分数据链，实现实时载波相位差分定位，RTK采用双备份GNSS系统，实时处理两个测站载波相位观测量的差分方法，将基准站采集的载波相位发给用户接收机，进行求差解算坐标；

定位模块内置全网通4G芯片，通过4G接收基站处理的高精度定位数据，微处理器对高精度定位模块串口输出模式、接收机数据和千寻参数进行配置，定位模块接收到定位数据后，通过串口USART发送到微处理器，微处理器解析后定位现场电子信号牌安装位置，区分电子信号牌在铁路线路的上行、下行或某股道，用以确认是否安插正确。

5.铁路用移动式多功能电子信号牌控制系统，其特征在于：包括如权利要求1-4任一项所述的电子信号牌，还包括上位机和移动端，所述电子信号牌通过无线通信模块（10）将采集的显示牌类型、定位信息、当前限速值、电池电量、GPRS信号、报警数据、过车趟数、电子信号牌类型以及设备状态信息实时传输至上位机和移动端；

所述电子信号牌通过无线通信模块（10）接收移动端下发的插、拔牌计划，通过上位机查看电子信号牌的现场情况。

6.铁路用移动式多功能电子信号牌的控制方法，其特征在于：包括如下步骤：

S1：上位机添加施工计划；

S2：手机APP进行电子信号牌设置：

现场操作人员在移动端安装电子信号牌APP，首先获取作业计划进行提前预置，结合作业计划进行电子信号牌的分配，对电子信号牌插设时间和插设地点进行预置，并对移动减速信号牌的放行条件进行预置；

S3：现场操作人员插设移动停车信号牌操作：

电子信号牌用于移动停车信号牌使用时，现场人员将移动停车信号牌结构件套在电子信号牌外侧，现场操作人员打开电源开关（17），竖起使用，根据现场情况考虑是否使用中间延长杆（3），以及调节中间延长杆高度使火车驾驶员可以看到移动停车信号牌；

电子信号牌开机后通过霍尔元件感应磁铁位置，自动识别电子信号牌此时牌类型，上电后给上位机发送停车电子信号牌插牌信息，包括插牌时间、牌类型和定位信息，未按移动停车信号牌插牌时间插牌，上位机会有报警提示，同时发送短信到相关操作人员提示报警；

当插牌位置不正确，上位机发出报警提示，同时发送短信到相关操作人员提示报警；

根据六轴传感器采集的陀螺仪三个方向姿态角，检测杆体倾斜，上位机会有报警提示，同时发送短信到相关操作人员提示报警；

S4：现场操作人员拔移动停车信号牌操作：

移动停车信号牌拔牌时间到达时，现场操作人员需先把移动减速信号牌中间延长杆拆卸，将移动停车信号牌结构拆卸，此时，霍尔元件根据磁铁位置更改电子信号牌类型为移动减速信号牌，微处理器发送移动停车信号牌拔牌信息，移动停车信号牌使用结束，关闭电源开关（17）；

未按移动停车信号牌拔牌时间拔牌，上位机会有报警提示，同时发送报警短信到相关操作人员；

S5：现场操作人员插移动减速信号牌操作：

电子信号牌用于移动减速信号牌使用，现场操作人员需打开电源开关（17），竖起使用，根据现场情况考虑是否使用中间延长杆（3），以及调节中间延长杆高度使火车驾驶员可以看到移动减速信号牌内容；

电子信号牌开机后给上位机发送移动减速信号牌插牌信息，包括插牌时间、牌类型和定位信息，未按移动减速信号牌插牌时间插牌，上位机会有报警提示，同时发送报警短信到相关操作人员；

插牌位置不正确，上位机会有报警提示，同时发送报警短信到相关操作人员；

电子信号牌根据采集的陀螺仪的原始数据，进行姿态融合解算，检测杆体倾斜、倾倒，上位机会有报警提示，同时发送报警短信到相关操作人员；

S6：根据放行条件设置限速值：

根据过车趟数变更限速值，判断条件有两种，激光传感器和陀螺仪；

S7：根据定位模块判断电子信号牌位置：

使用高精度定位模块时，需采集现场铁路线路高精度定位基础数据，平台接收到电子信号牌发送的高精度经纬度值，上位机通过GIS地图查看到实时位置，判断电子信号牌插设行别；

S8：电子信号牌结束使用：

根据列车放行条件，最后一趟列车经过后，限速值为0km/h即不限速，显示屏为黑屏状态，微处理器发送基本信息和施工牌报警信息给服务器，当移动减速信号牌使用完成需复位时，现场操作人员需先把移动减速信号牌中间延长杆拆卸，关闭电源开关（17），此时，移动减速信号牌实现复位操作；

所述步骤S6中根据放行条件设置限速值的具体判断如下：

陀螺仪判过车开始：采集到三个方向的加速度值判断进入加速度范围，根据现场多次采集数据，且判断以后设定时间内进入加速度门限范围超过设定次数后初步判定为过车；

陀螺仪判过车结束：初步判定为过车后，采集三个方向的加速度值，设定时间内进入加速度门限范围未超过设定次数后初步判定为非过车状态；

激光传感器判过车两个条件：陀螺仪初步判定为过车和电子信号牌为移动减速信号牌，电子信号牌用于移动停车信号牌或者作业标显示时不判过车趟数，判过车检测陀螺仪先检测加速度值；

激光传感器判过车开始：陀螺仪初步判定为过车后，通过激光传感器检测并采集距离值，电子信号牌判断该距离值是否达到过车门限范围，门限值设有最近距离和最远距离，若采集的数据达到过车两个门限范围之间，电子信号牌采集并统计达到门限范围值的个数，达到设定次数后，判断一节车厢驶过，判定为过车，在采集设定次数中间，若采集中有数值为门限范围外，则重新开始采集数据，判断是否达到设定次数；

激光传感器判过车结束：判定为过车后，采集到门限值以外值，判断以后一分钟内的数据是否有门限范围内的数值，若有则判定车厢缝隙，若没有则判定为过车结束。

7.根据权利要求6所述的铁路用移动式多功能电子信号牌的控制方法，其特征在于：还包括S9：电子信号牌实时监控：

上位机负责接收现场电子信号牌的数据、异常报警功能，并为各个客户端提供数据；

上位机查看电子信号牌是否倾斜、电子信号牌类型相关基础信息；

客户端通过GIS地图直观显示各个监测点位置、基础信息及报警提示，客户端软件实时接收硬件设备发回的数据，一旦发生报警，地图界面对应监测点显示不同级别的报警图标，同时报警提示框弹出报警信息；

电子信号牌开机后主动上传开机状态，实现对电子信号牌实时监控，开机前五分钟不记录电子信号牌倾斜状态，避免因杆体未插稳出现误报；

若激光传感器（5）检测到过车，电子信号牌根据过车趟数变更显示限速值，通过无线通信模块（10）发送给上位机，上位机通过解析数据显示过车趟数、限速值和设备号内容；

若主控制电路板（11）上的六轴传感器检测设备杆体出现倾斜倾倒，设备通过无线通信模块（10）发送给上位机，上位机通过解析会弹出相应的报警信息或者解除报警信息；

每次发送报警信息或正常状态信息，都携带设备电量信息，实现对设备电量的实时监控；

电子信号牌通过无线通信模块（10）发送给上位机经纬度，上位机查看到实时定位地图位置，GIS地图界面信息展示。

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