CN114475694A - 一种基于网状传感器的铁路异物侵限检测与报警装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种基于网状传感器的铁路异物侵限检测与报警装置，包括依次连接的传感器模块、数据通信模块以及数据处理与报警中心，传感器模块设置在铁路外侧，传感器模块包括立柱、网状结构、导线、保护电阻、地址模块和电源，网状结构受立柱支撑，导线沿网状结构的水平方向分布，导线、保护电阻和电源依次连接，构成回路；地址模块并联在保护电阻的两端，导线为分段式结构，相邻两个导线段之间通过插接件可拆卸连接；数据处理与报警中心通过数据通信模块读取各个传感器模块的输出电平数据，实现铁路异物侵限检测和报警。与现有技术相比，本发明可以实时、准确的对铁路沿线泥石流、滑坡和落石入侵进行实时监测，保障铁路安全运行。
Description
技术领域
本发明涉及铁路异物侵限检测技术领域，尤其是涉及一种基于网状传感器的铁路异物侵限检测与报警装置。
背景技术
异物侵限是铁路中主要突发事件来源之一。因此，对异物侵限进行实时有效的监测和预警，是保障列车运行安全、提高突发事件应急能力、保障铁路高效运行的重要基础。
异物侵限主要表现有两种，其一，泥石流、滑坡、落石等非生命体，由于尺寸，下落速度过快等原因，未能落入高铁沿线修建的排水沟，而侵入界限。其二，野生动物等生命体，因其日常活动，意外翻越、穿越防护网，而侵入界限。界限是为了保证铁路车辆安全行车规定的技术尺寸，任何建筑、设备、设施不能超过界限，否则就是侵限。简单来说，就是列车在行驶过程中不允许碰到线路两侧任何东西。同样的道理，线路旁边任何东西也不能接触到列车外侧任何部位，两者之间有一条彼此不可逾越的“鸿沟”。否则列车很容易会被擦伤或者线路两旁的设备设施会被撞坏。
现有技术主要依靠铁路两端的摄像头人工辨识，来分辨异物侵限和非法侵入，这种方法低效，工程造价巨大。其实时性，对工作人员素质与责任心的要求极高。
发明内容
本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在依靠铁路两端的摄像头人工辨识异物侵限，方法低效，工程造价巨大的缺陷而提供一种基于网状传感器的铁路异物侵限检测与报警装置。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
一种基于网状传感器的铁路异物侵限检测与报警装置，包括依次连接的传感器模块、数据通信模块以及数据处理与报警中心，所述传感器模块设置在铁路外侧，所述传感器模块包括立柱、网状结构、导线、保护电阻、地址模块和电源，所述网状结构受所述立柱支撑，所述导线沿所述网状结构的水平方向分布，所述导线、保护电阻和电源依次连接，构成回路；所述地址模块并联在所述保护电阻的两端，所述地址模块通信连接所述数据通信模块，所述导线为分段式结构，相邻两个导线段之间通过插接件可拆卸连接。
进一步地，当传感器模块中的各个插接件均保持连接时，该传感器模块输出第一电平；当传感器模块中存在插接件断开时，该传感器模块输出零电平；
所述数据处理与报警中心通过所述数据通信模块读取各个传感器模块的输出数据，若存在传感器模块输出零电平，并且持续时间达到预设的第一时间，则判断存在铁路异物侵限，进行报警。
进一步地，所述数据处理与报警中心以预设的时间间隔通过所述数据通信模块读取数据。
进一步地，所述插接件为插销结构。
进一步地，导线中的所述插接件按照混沌序列分布。
进一步地，导线中的所述插接件按照混沌伪随机序列分布，所述混沌伪随机序列采用基于Chebyshev法、Logistic法或耦合映象格子法得到。
进一步地，所述传感器模块的数量为多个，每个所述传感器模块均通信连接所述数据通信模块，多个传感器模块依次分布在铁路外侧。
进一步地，每个所述传感器模块均一一对应地设有传感器地址码，所述传感器模块与数据通信模块的通信数据中设有该传感器地址码。
进一步地，相邻两个立杆之间的间距在8-10m范围以内，所述传感器模块整体的高度在500mm-1000mm范围以内，所述网状结构最低端离地高度在13-17cm范围以内。
进一步地，所述网状结构中各个网格的尺寸不超过50mm，所述导线的截面面积不超过0.5平方毫米。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
(1)本发明设置的传感器模块使用网状结构，在网上布置导线，导线为分段式结构，相邻两端之间采用插接件连接，保证网遭受冲击是能够断开和安装维修方便，网的安装要有一定张力，在受到冲击网损坏的时候，导线或者插接件能够断开；导线通电，当发生泥石流、滑坡时传感器接地、其输出电平为零；当落石冲破网(传感器)，传感器线路断开，其输出电平为零；通过监测该变化实现铁路异物侵限检测与报警；
本发明传感器网络为核心，充分利用其灵敏、实时处理能力和硬件经济性高等特点，将信息采集、处理的算力从服务器远程端转移到现场边缘端，增强了铁路监控的实时性；
(2)本发明采用总线制的数据通信模块，进行异物侵限的定位，在经济性比较高的同时，能够精准的传递发生异物侵限的位置信息；
(3)本发明对于传感器网络的尺寸及绝缘层的布局进行严格把控，极大程度的减少了误判的可能性，具有很高的准确度，能够满足铁路沿线数据处理的需要；
(4)本发明能够有效解决目前铁路行业对异物侵限监测的难点和痛点，解放劳动力，保障铁路运行安全；
(5)本发明造价低廉，每米造价不超过50元，极大降低工程成本。
附图说明
图1为本发明实施例中提供的一种基于网状传感器的铁路异物侵限检测与报警装置的传感器模块结构示意图；
图2为图1中的A区域放大图；
图3为本发明实施例中提供的一种基于网状传感器的铁路异物侵限检测与报警装置的数据处理流程图；
图4为本发明实施例中提供的一种数据通信模块和数据处理与报警中心的网拓扑结构示意图；
图5为本发明实施例中提供的一种传感器模块的插销结构示意图；
图中，1、传感器模块，11、立柱，12、网状结构，13、导线，14、保护电阻，15、地址模块，16、电源，17、插接件，2、数据通信模块，3、数据处理与报警中心。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。
因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
需要说明的是，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本申请的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
此外，术语“水平”、“竖直”等术语并不表示要求部件绝对水平或悬垂，而是可以稍微倾斜。如“水平”仅仅是指其方向相对“竖直”而言更加水平，并不是表示该结构一定要完全水平，而是可以稍微倾斜。
实施例1
如图1所示，本实施例提供一种基于网状传感器的铁路异物侵限检测与报警装置，包括依次连接的传感器模块1、数据通信模块2以及数据处理与报警中心3，传感器模块1设置在铁路外侧，传感器模块1包括立柱11、网状结构12、导线13、保护电阻14、地址模块15和电源16，网状结构12受立柱11支撑，导线13沿网状结构12的水平方向分布，导线13、保护电阻14和电源16依次连接，构成回路；地址模块15并联在保护电阻14的两端，地址模块15通信连接数据通信模块2，导线13为分段式结构，相邻两个导线段之间通过插接件17可拆卸连接。
传感器模块1的数量为多个，每个传感器模块1均通信连接数据通信模块2，多个传感器模块1依次分布在铁路外侧。如图2所示，导线13分为线芯131和绝缘层132，每个导线段的两端线芯131裸露，用于连接插接件17。
每个传感器模块1均一一对应地设有传感器地址码，传感器模块1与数据通信模块2的通信数据中设有该传感器地址码，有利于实现故障定位。
如图3所示，当传感器模块1中的各个插接件17均保持连接时，该传感器模块1输出第一电平；当传感器模块1中存在插接件17断开时，该传感器模块1输出零电平；
数据处理与报警中心3通过数据通信模块2读取各个传感器模块1的输出数据，若存在传感器模块1输出零电平，并且持续时间达到预设的第一时间，则判断存在铁路异物侵限，进行报警。
作为一种优选的实施方式，检测数据设置容错机制，数据处理与报警中心3以预设的时间间隔通过数据通信模块2读取数据。
作为一种优选的实施方式，导线13中的插接件17按照混沌序列分布，由混沌迭代产生序列称为混沌序列。
作为一种优选的实施方式，导线13中的插接件17按照混沌伪随机序列分布，混沌随机序列是混沌迭代产生的序列经过量化和判决得到的。可以采用基于Chebyshev法、Logistic法、耦合映象格子法等获取直接扩频和跳频系统的混沌伪随机序列族。利用该算法进行有效工作部位的选取具有较强的随机性和良好的相关性。
优选地，相邻两个立杆之间的间距在8-10m范围以内，传感器模块1整体的高度在500mm-1000mm范围以内，网状结构12最低端离地高度在13-17cm范围以内。
网状结构12中各个网格的尺寸不超过50mm，导线13的截面面积不超过0.5平方毫米。
将上述优选的实施方式进行任意组合，可以得到更优的实施方式，下面对一种最优的实施方式进行具体描述。
一、传感器模块
通过传感器模块来识别，读取和采集来完成信息获取，用于实时采集铁路沿线落石和泥石流、滑坡发生造成数据变化。该传感器模块使用网状结构，网高度500mm-1000mm左右，长度30m-100m左右，在网上布置导线，导线大部分绝缘，同时导线为分段式结构，相邻两段之间采用插接件，保证网遭受冲击是能够断开和安装维修方便，网的安装要有一定张力，在受到冲击网损坏的时候，导线或者插接件能够断开。该传感器由外部提供安全电压(12v-36v)，核心部分：当发生泥石流、滑坡时传感器接地。其输出电平为零；当落石冲破网(传感器)，传感器线路断开，其输出电平为零。
具体工作原理如下：没有发生异物侵限状况的时候，传感器导线两端加设12V-36V的电压，所以传感器网络输出为高电平。当落石，重物，野生动物等会危及行车安全的异物侵入界限，传感器网或者插接件断开，输出电平为零；泥石流、滑坡堆积，会将传感器掩埋，造成传感器接地，输出电平为零。
1.1、传感器模块施工问题
传感器是比较长的网状结构，每隔8-10m设置立杆，要保证网状展开，同时要有合适的张力，保证网状结构受到外力时断开或者能阻止异物通过。网状结构颜色要鲜艳，让动物能够识别，避开。传感器高度宜设置在500mm-1000mm，防止石块反弹越过或是野生动物翻过传感器网，造成系统误判或错判。网状结构最低层离地一般高度为15cm左右。一些小的动物通过不会导致误报警。
1.2、传感器模块电压
传感器模块电压选择为交流电压12V-36V，属于安全电压，降低对工作人员的安全隐患。同时，施加该电压后，野生动物等生命体触碰到传感器后，会因触电产生痛感，对其有一定的驱赶作用。
1.3、传感器模块网格尺寸
传感器模块网格尺寸的选择一般不超过50mm见方，网格上固定导线的截面面积不超过0.5平方毫米，其拉力强度远低于网状结构，目的受到较大外力时候能够断开且有一定强度。裸露导线不宜过长，防止雨天与大地导通产生误报，防止异物飘落在传感器上与大地导通产生误报。如果裸露部分正好与网状结构接触要把接触到的网状结构剪掉，防止雨天与网状结构导通，产生误报警。本传感器仅考虑只有当会危及行车安全的异物侵限发生时，才会触发装置进行报警。
1.4、传感器模块的插接件设置
传感器模块的插接件设置可以利用混沌分布进行随机选择。利用已有两种方法任一种产生随机序列,其一，是混沌序列，由混沌迭代产生序列称为混沌序列；其二，混沌伪随机序列，混沌随机序列是混沌迭代产生的序列经过量化和判决得到的。可以采用基于Chebyshev法、Logistic法、耦合映象格子法等获取直接扩频和跳频系统的混沌伪随机序列族。利用该算法进行有效工作部位的选取具有较强的随机性和良好的相关性。
传感器模块的插接件，因线路过长可设置插销连接，如图5，方便施工和维修。
1.5、传感器模块的整体网络拓扑结构设计
传感器模块的整体网络拓扑结构设计如图4，例如采用100个网络单元为一组，若每个传感器单元网长为100m，总计铁路沿线距离约3km-10km，具体情况根据现场维修站的分布状况来选择。多组传感器网络的信号利用多个上位机控制，最终汇总至最高级别综合控制中心，可实现多级报警，就近处理。例如郑州局辖区内，洛阳段出现报警信息，洛阳段维修站接到报警，及时处理，郑州局的综合调度中心也可以收到相关信息。
二、数据通信模块
数据通信模块完成应用各个子模块信息的控制和信息汇集及上传。在接入时需要确保数据传输的质量、速度、稳定性，准确将发生泥石流、滑坡或者落石的位置，传输给数据处理与报警中心。将铁路容易出现泥石流、滑坡和落石的沿线划分若干个段，每个段设置一个传感器。本传感器采用的是连续布置，每一个传感器都有一个唯一的地址码，其地理位置与每一个传感器地址码是一对一关系，整个通信网络采用总线制。发生泥石流、滑坡或者落石破坏传感器，其输出电平为零，触发数据通信模块，数据处理与报警中心以一定时间间隔，通过数据总线，读取数据通信模块的状态。无论是传感器报警还是系统故障，都将得到报警处理信号。
对于每次读取的信号，可设置一个容错机制，约0.5s左右读取一次电平信息，连续读取三次，若三次均为报警信号则输出执行报警命令，否则无法触发系统报警。对于系统故障的检测，与发生侵限行为的报警检测类似，可设置一定时间内，若数据处理平台接收不到电平信号，则判断故障发生，触发系统输出报警指令。即，无论是传感器报警还是系统故障，都将得到报警处理信号。
如若，希望系统能够在出现局部故障时，仍不影响该区域子网的正常工作，可在该模块中设置RFID子模块，实现信息的无线传输。该子模块一般具有应答器和读写器等设备，每个应答器都具有唯一的电子编码，读写器可读取并传递地址信息，进而实现侵限区域的精准定位。在有线数据通信子模块正常工作时，RFID子模块处于休眠状态。
三、数据处理与报警中心
数据处理与报警中心读取到报警信号后，间隔数秒后若报警信号仍然持续，要根据天气和传感器的地理位置判断是否有发生泥石流、滑坡、落石的可能，然后做出判断。当入侵行为报警，控制中心根据实际情况做出相应的列车运行决策和人工清除决策，保证列车安全运行。
如图4所示，数据处理与报警中心可设置多个区域报警处理中心、报警处理中心和列车运行控制中心，各个传感器模块和数据通信模块分区域将信息传输至就近的区域报警处理中心。各个区域报警处理中心将数据传输至报警处理中心，由报警处理中心对数据进行收集、记录、分析、处理、提取、再处理，存储、管理等，然后再将得出的结论数据，反馈给各个区域报警处理中心，而各个区域报警处理中心则根据这些数据，来及时执行报警行为，最终以更快的速度实现预警功能。即，报警处理中心读取到报警信号后判断，对入侵行为做出报警。列车运行控制中心根据实际情况做出相应的决策。
本方案可以实时、准确的对铁路沿线泥石流、滑坡和落石入侵进行实时监测，符合铁路部门实际需要，能有效保障铁路安全运行。
以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术人员无需创造性劳动就可以根据本发明的构思做出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。
Claims (10)
1.一种基于网状传感器的铁路异物侵限检测与报警装置，其特征在于，包括依次连接的传感器模块(1)、数据通信模块(2)以及数据处理与报警中心(3)，所述传感器模块(1)设置在铁路外侧，所述传感器模块(1)包括立柱(11)、网状结构(12)、导线(13)、保护电阻(14)、地址模块(15)和电源(16)，所述网状结构(12)受所述立柱(11)支撑，所述导线(13)沿所述网状结构(12)的水平方向分布，所述导线(13)、保护电阻(14)和电源(16)依次连接，构成回路；所述地址模块(15)并联在所述保护电阻(14)的两端，所述地址模块(15)通信连接所述数据通信模块(2)，所述导线(13)为分段式结构，相邻两个导线(13)段之间通过插接件(17)可拆卸连接。
2.根据权利要求1所述的一种基于网状传感器的铁路异物侵限检测与报警装置，其特征在于，当传感器模块(1)中的各个插接件(17)均保持连接时，该传感器模块(1)输出第一电平；当传感器模块(1)中存在插接件(17)断开时，该传感器模块(1)输出零电平；
所述数据处理与报警中心(3)通过所述数据通信模块(2)读取各个传感器模块(1)的输出数据，若存在传感器模块(1)输出零电平，并且持续时间达到预设的第一时间，则判断存在铁路异物侵限，进行报警。
3.根据权利要求1所述的一种基于网状传感器的铁路异物侵限检测与报警装置，其特征在于，所述数据处理与报警中心(3)以预设的时间间隔通过所述数据通信模块(2)读取数据。
4.根据权利要求1所述的一种基于网状传感器的铁路异物侵限检测与报警装置，其特征在于，所述插接件(17)为插销结构。
5.根据权利要求1所述的一种基于网状传感器的铁路异物侵限检测与报警装置，其特征在于，导线(13)中的所述插接件(17)按照混沌序列分布。
6.根据权利要求1所述的一种基于网状传感器的铁路异物侵限检测与报警装置，其特征在于，导线(13)中的所述插接件(17)按照混沌伪随机序列分布，所述混沌伪随机序列采用基于Chebyshev法、Logistic法或耦合映象格子法得到。
7.根据权利要求1所述的一种基于网状传感器的铁路异物侵限检测与报警装置，其特征在于，所述传感器模块(1)的数量为多个，每个所述传感器模块(1)均通信连接所述数据通信模块(2)，多个传感器模块(1)依次分布在铁路外侧。
8.根据权利要求1所述的一种基于网状传感器的铁路异物侵限检测与报警装置，其特征在于，每个所述传感器模块(1)均一一对应地设有传感器地址码，所述传感器模块(1)与数据通信模块(2)的通信数据中设有该传感器地址码。
9.根据权利要求1所述的一种基于网状传感器的铁路异物侵限检测与报警装置，其特征在于，相邻两个立杆之间的间距在8-10m范围以内，所述传感器模块(1)整体的高度在500mm-1000mm范围以内，所述网状结构(12)最低端离地高度在13-17cm范围以内。
10.根据权利要求1所述的一种基于网状传感器的铁路异物侵限检测与报警装置，其特征在于，所述网状结构(12)中各个网格的尺寸不超过50mm，所述导线(13)的截面面积不超过0.5平方毫米。
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