高鐵防災系統傳感器在線監測裝置的研究

張明杰　崔高峰　賈繼峰　戈明喆　曹　密（.沈陽鐵路局科學技術研究所，遼寧 沈陽 00；.沈陽鐵路局電務處，遼寧 沈陽 000；.沈陽鐵路局工務處，遼寧 沈陽 000）

生 產 與 安 全 技 術

高鐵防災系統傳感器在線監測裝置的研究

張明杰1崔高峰1賈繼峰1戈明喆2曹密3
（1.沈陽鐵路局科學技術研究所，遼寧 沈陽 110013；2.沈陽鐵路局電務處，遼寧 沈陽 110001；3.沈陽鐵路局工務處，遼寧 沈陽 110001）

高鐵防災系統對于保障行車安全有重要意義，本文對高鐵防災系統的結構進行了分析，并提出了高鐵防災系統傳感器在線監測技術研究的解決方案，在此基礎上，研究了高鐵防災系統傳感器在線監測裝置，并介紹了其工作原理和硬件開發。

高鐵；防災系統；傳感器；在線監測；風速計；雨量計；雪深計

1 前言

高速鐵路自然災害及異物侵限監測系統，也稱作高鐵防災系統，它是鐵路信息系統重要組成部分，為高速鐵路運營提供可靠的災害預警及報警信息，是高速鐵路列車行車安全的重要保障系統之一。

高鐵防災系統主要是對危及列車運行安全的大風、暴雨、暴雪、地震等自然災害以及突發異物侵限等進行實時監測，提供經過處理后的災害預警、限速、停運等信息，為運營調度進行列車運行計劃調整，下達相應行車管制、搶險救援、維修管理等命令提供依據，通過信號聯鎖、列控系統或行車調度命令實現自動或人工控制行車速度，保障高速列車的運行安全。

圖1 高鐵防災系統結構

國外高速鐵路發達的國家，如日本、法國、德國、西班牙等，均采用先進的高速鐵路防災技術加強對自然災害的有效防護，避免多次行車事故和險情。事實證明：高鐵防災系統的作用是突出有效的，為高鐵列車的運行提供了堅強有力的安全保障。在高鐵防災系統的應用上我國起步較晚，應用過程中自然災害對高鐵行車影響的次數較少，積累的經驗還不夠多，防災系統的自我完善還存在不足。以哈大高鐵防災系統為例，經過現場調研發現，風、雨、雪傳感器誤報多次，通訊故障多次，影響了高鐵列車的正常行車。因此，研究高鐵防災系統的傳感器在線監測技術，研制實用的監測裝置，實現對高鐵防災系統的傳感器工作狀態進行在線實時監測，判斷分析其運行狀況，為系統的運營維護、故障維修提供依據和指導，以保障高鐵防災系統的穩定、可靠運行。開展專項技術研究，是非常必要和迫切的。

2 技術方案

高鐵防災系統傳感器在線監測技術及裝置的研究，必須在系統結構的分析基礎上進行研究方案論證，從而提出合理有效的技術方案。

2.1 結構分析

高鐵防災系統是構架在鐵路通信傳輸網基礎之上的安全信息采集和監測系統，采用鐵路局中心系統、現場監測設備兩級架構，包括鐵路局中心系統、現場監測設備及網絡通道等。其結構組成如圖1所示。

（1）現場監測設備

現場監測設備包括監控單元設備、風速計、雨量計、雪深計（以及地震儀、異物傳感器）等，及相應的電源模塊、通訊模塊等。其中監控單元是現場監測設備的工作核心，它采用模塊化結構，同一監控單元可以同時接入多個不同種類監測設備。監控單元實時采集其管轄范圍內各類傳感器信息，并對采集到的信息進行處理，再將處理后的監測、報警數據傳送至鐵路局中心系統。

（2）鐵路局中心系統

鐵路局中心系統包括監控數據處理設備、監控終端等，鐵路局中心系統對收集的數據進行分析、處理，生成監測、報警、預警信息及提示，并傳送至相關監控終端。

（3）網絡通道

監控數據處理設備至現場監控單元之間采用光纜傳輸系統提供的E-TREE網絡通道，各點間均采用雙設備雙通道互備。

2.2 方案論證

高鐵防災系統傳感器在線監測技術及裝置的研究方案論證，必須基于正確的需求分析，并建立對高鐵防災系統結構和通訊模式的分析基礎上。

（1）需求分析

研究高鐵防災系統傳感器在線監測技術及裝置，必須基于正確的需求分析基礎上。根據2014年對哈大高鐵防災系統的現場調研分析結果表明：監測數據誤報的情況多發生在風速采集方面，其次是雨量數據、雪深數據采集方面。其中，大風告警126次，大雨告警17次，大雪告警8次。另外，哈大高鐵防災系統在夏季曾出現過大雪報警，在冬季還曾出現過大雨報警，與實際自然情況明顯不符。對以上產生監測數據誤報的原因進行探究、分析和定位，就需要對數據傳輸進行監測，即對風、雨、雪傳感器上行通訊信號進行在線實時采集，并經過數據運算、處理、存儲，才能發現高鐵防災系統產生誤報的原因，有助于維護人員及時排除故障，保障高鐵防災系統的準確性和可靠性。

圖2 監測裝置的數據監測接入點

圖3 監測裝置工作原理圖

（2）結構基礎

研究高鐵防災系統傳感器在線監測技術及裝置，必須基于系統的既有結構基礎上。前提是必須保證不影響高鐵防災系統的工作性能，既不能影響防災系統的正常運行，做到在線監測；又不能干擾防災系統各功能單元之間的數據通訊與傳輸，做到實時監測，保證高鐵防災系統持續工作的穩定性和可靠性。因此，在圖1所示的高鐵防災系統結構中，只要對監控單元與風速計、雨量計、雪深計之間的通訊數據進行監測，就能既滿足系統結構的要求，又滿足風、雨、雪傳感器在線監測的需求，使高鐵防災系統傳感器在線監測裝置的研究實現具有可行性。

（3）通訊模式

研究高鐵防災系統傳感器在線監測技術及裝置，必須基于系統的既有通訊模式。高鐵防災系統的監控單元與風、雨、雪傳感器的數據通訊是通過監控單元主機實現的，其中：風速計、雨量計采用RS485通訊協議，并通過中間環節的通訊模塊實現信號中繼和遠距離傳輸，將采集到的數據上傳至監控單元主機，通訊方式為查詢應答式；雪深計采用RS232通訊協議，通過中間環節的通訊模塊轉換為RS485信號實現遠距離傳輸，將采集到的數據上傳至監控單元主機，通訊方式為定時發送式。因此，高鐵防災系統傳感器在線監測裝置可以選擇監控單元與通訊模塊之間作為數據監測接入點，如圖2所示，監測裝置采用RS485通訊協議，便可以實現對監控單元與風、雨、雪傳感器的數據傳輸進行采集，從而實現在線監測功能。

2.3 解決方案

為了滿足高鐵防災系統現場監測與維護的實際應用需求，高鐵防災系統傳感器在線監測裝置解決方案的提出，應滿足該裝置具有以下三個功能：在線監測、故障檢測、模擬測試。同時，監測裝置應具有遠程數據無線傳輸功能。

（1）在線監測

高鐵防災系統傳感器在線監測裝置既要實時監測監控單元主機發出的對風、雨傳感器的查詢命令，又要實時監測風、雨、雪傳感器的應答命令，實現雙向監測。監測裝置對采集到的監測數據進行運算、處理和分析，實時顯示監測結果，并進行數據存儲，還可以通過無線通信網絡系統進行數據遠程傳輸。對高鐵防災系統傳感器的在線監測，是該監測裝置的主要功能。

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（2）故障檢測

高鐵防災系統傳感器在線監測裝置可以模擬監控單元主機進行工作，即在脫機狀態下對風、雨傳感器模擬發出查詢命令，接收風、雨、雪傳感器的應答命令，對收到的數據進行運算、處理和分析，實時顯示監測結果，并進行數據存儲，可以對傳感器進行故障檢測，判斷傳感器工作是否正常。

（3）模擬測試

高鐵防災系統傳感器在線監測裝置可以模擬風、雨、雪傳感器進行工作，即把模擬風、雨、雪數據發送至監控單元主機，監控單元主機可以將數據繼續上傳至鐵路局中心系統，測試監控終端的報警、預警功能是否正常。

圖4 監測裝置主界面

3 工作原理

高鐵防災系統傳感器在線監測裝置的工作原理圖，如圖3所示。其中：I為高鐵防災系統的現場監控單元主機與風、雨、雪傳感器的結構關系；II為高鐵防災系統傳感器在線監測裝置的結構原理。

高鐵防災系統傳感器在線監測裝置主要包括主控單元、運算處理單元、信號隔離單元、接口單元、數據存儲單元、電源單元、人機交互單元、顯示單元、遠程數據傳輸單元、上位機遠程監測系統，并選擇GSM無線通信系統作為遠程數據傳輸平臺。

主控單元是監測裝置的核心工作單元，在硬件設計上選擇嵌入式計算機系統，使得硬件開發簡單易行。主控單元主要負責傳感器數據采集、數據發送、數據運算控制、信號生成、人機交互操作、屏幕信息顯示、遠程數據傳輸與控制。

信號隔離單元主要對采集和發送的信號進行光電隔離，防止產生通訊干擾，影響高鐵防災系統正常工作。

接口單元為信號隔離單元、運算處理單元、數據存儲單元、遠程數據傳輸單元提供相應的數據接口。

數據存儲單元在主控單元控制下進行數據存儲，包括對采集到的數據和生成的模擬信號進行數據存儲，采用SD安全數碼卡，具有大容量、高性能、讀寫速度快、安全方便等優點。

電源單元為監測裝置提供電源供給，電源電路具有不僅具有濾波功能，還提供外部供電的過壓和過流保護功能。

人機交互單元在主控單元控制下實現人機交互操作，實現監測裝置的各種參數設置，以及在線監測、故障檢測、模擬測試的交互功能。

顯示單元在主控單元控制下實時顯示各種監測、檢測和測試信息。

遠程數據傳輸單元可以將實時監測信息通過無線通信系統上傳至上位機遠程監測系統，實現遠程數據傳輸。

上位機遠程監測系統可以接收監測裝置的實時監測信息，進行遠程數據監測，并可以通過發送操作命令，實現對監測裝置的遠程控制，方便監測裝置的應用和管理。

無線通信系統采用GSM數據通信網絡作為遠程數據傳輸的平臺，具有覆蓋率高、通信質量高、費用低、簡單易行等優點。

4 硬件開發

高鐵防災系統傳感器在線監測裝置的設計開發，充分考慮到了現場實際應用的實用性、簡便性和可靠性，采用了便攜式硬件系統設計，提高硬件集成度，增強工作穩定性，保證高速運算和處理性能。

監測裝置的電路硬件設計基于模塊化原則，以嵌入式系統為核心的，該系統具有豐富的硬件資源，采用ARM9系列單片機作為核心處理器，標稱工作頻率為400MHz，具有封閉性好、安全性好、系統成熟、較為穩定等優點。同時，監測裝置配置了128M的Flash存儲器與64M 的SDRAM存儲器，保證了足夠快的存儲速度；并選用了7寸TFT觸摸顯示屏，視覺效果良好，觸摸操作方便實用。監測裝置主界面如圖4所示。

監測裝置采用ARM9單片機，可以較方便地植入WINCE操作系統，并實現Microsoft Visual studio 2008語言編程，開發界面友好，較容易實現。

結語

本文通過對高鐵防災系統的結構進行分析，并對高鐵防災系統傳感器在線監測技術的方案進行了論證，在此基礎上，研究了高鐵防災系統傳感器在線監測裝置，并在嚴寒地區的哈大高鐵防災系統上實際應用。該監測裝置經過長時間應用驗證，證明其監測結果準確，可以有效記錄、定位傳感器故障情況，不僅有助于維護人員及時發現故障，維修人員據此還可以迅速排除故障，為高鐵防災系統的穩定和可靠運行提供了技術支持。

由于高鐵防災系統在我國建成運行的時間尚短，相關研究仍然是一個長期的探索過程。因此，對于高鐵防災系統的傳感器在線監測技術研究還需要持續跟蹤調研，以實現對防災系統的不斷補充和完善，以充分發揮高鐵防災系統的減災和防災作用，為高速鐵路列車的運行提供安全保障。

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