一种高速铁路环境信息采集、评估和预警装置与方法

摘要

本发明提供一种高速铁路环境信息采集、评估和预警装置，包括控制模块、环境参数信息采集模块、存储模块、视频图像信息采集模块、评估预警模块以及通信模块，控制模块分别与环境参数信息采集模块、存储模块、视频图像信息采集模块、评估预警模块以及通信模块连接，该控制模块作为核心模块用于控制上述模块的功能实现，评估预警模块对采集得到的环境参数信息和视频图像信息进行处理和分析，并可通过通信模块发送环境安全评估信息和预警信息。本发明提供一种高速铁路环境信息采集、评估和预警方法。

说明书

技术领域

本发明涉及高速铁路的环境安全评估和预警技术领域，具体而言涉及一种高速铁路环境 信息采集、评估和预警装置与方法。

背景技术

列车在高速运行过程中，需要判断线路前方是否有横风、雷电、暴雨、积雪以及泥石流、 地震、山体滑坡等环境灾害，以便采取降低车速或者其它措施保障列车的行驶安全。此外， 铁路管理部门也希望能够时刻监控线路的环境现状，获取铁路线路的实时安全信息，根据线 路具体情况，对行驶在存在环境风险线路的列车发出预警信息，合理的控制列车的运行速度， 防范于未然。

目前，日本、德国和法国这些高速铁路发展较早的国家根据自身特点建立了防灾体系， 日本主要致力于对地震灾害的预测与防灾体系建设，德国和法国主要致力于对横风和降雨的 防灾体系建设。

外高速铁路防灾系统的建设都采用中心控制的模式，通常高速铁路线路跨度较大，出于 对数据通信和工程造价方面的考虑，外建立的防灾系统大都针对线路的一些特定地点或者路 段的环境监测，暴露出当前的高速铁路防灾系统虽结构复杂，但是无法进行全线监测，监测 精度低的缺点。同时，现有的防灾系统只是对环境安全数据的观测和采集，然后通过直接与 国外的环境风险阈值对比的方法控制列车的行驶速度，没有建立相应的线路环境安全评估和 预测体系，带有一定的主观性。

发明内容

本发明目的在于提供一种高速铁路环境信息采集、评估和预警装置与方法，基于环境传 感器/视频监测器实现对高速铁路线路周边横向风速、轨道温度、空气湿度、等环境信息及视 频图像信息的采集，通过分析实现对高速铁路线路环境安全评估和预警。

为达成上述目的，本发明所采用的技术方案如下：

一种高速铁路环境信息采集、评估和预警装置，包括控制模块、环境参数信息采集模块、 存储模块、视频图像信息采集模块、评估预警模块以及通信模块，控制模块分别与环境参数 信息采集模块、存储模块、视频图像信息采集模块、评估预警模块以及通信模块连接，该控 制模块作为核心模块用于控制上述模块的功能实现，其中：

环境参数信息采集模块用以对装置所处位置的环境信息进行监测以及空间坐标信息的提 取，并将监测信息和空间坐标信息记录在储存模块中；

视频图像信息采集模块用以对装置所处环境的红外图像信息进行监测，并将监测信息存 储在储存模块中；

存储模块用以存储前述环境参数信息和视频图像信息，并可在控制模块的控制下通过通 信模块传输视频图像信息和环境参数信息；

评估预警模块用以对前述采集得到的环境参数信息和视频图像信息进行评估和预警，即 根据评估结果判定当前线路的环境安全等级，依据线路安全等级得到相应的铁路线路环境应 急措施信息，并可在控制模块的控制下通过通信模块发送环境安全等级评估信息以及铁路线 路环境应急措施信息，从而实现对铁路线路的环境安全评估和预警过程；

通信模块作为装置的对外通信模块，在控制模块的控制下通过无线发射向外界以无线信 号，或者通过移动基站接口以短信的形式传输和广播图像信息、编码信息、短信信息，实现 装置与车站上位机终端、列车驾驶室终端以及乘客手机终端通信。

进一步的实施例中，所述控制模块采用单片机实现，所述环境参数采集模块采用传感器 实现，所述视频图像信息采集模块采用视频拍摄装置实现，存储模块采用存储介质实现，评 估预警模块以程序的形式存储在控制模块的单片机内并可有单片机进行调用执行。

进一步的实施例中，所述环境参数采集模块包括用于检测横向风速的风速传感器，用于 检测轨道温度的温度传感器，用于检测轨道湿度的湿度传感器，用于检测雷电密度的雷电监 测器，用于检测积雪深度的积雪深度传感器，以及用于检测地震波动的地震振动器。

进一步的实施例中，所述视频图像信息采集模块包括用于拍摄视频的视频拍摄器、用于 红外图像采集的图片拍摄器、用于检测红外对象的红外感应器，其中，当红外感应器感应到 有红外对象入侵线路时，启动图片拍摄器，采集红外图片信息。

进一步的实施例中，还包括一与控制模块连接的计算机处理装置，该计算机处理装置包 括接口单元、操作面板和指示单元，其中：

控制模块通过接口单元提供的USB接口与计算机处理装置连接，实现计算机处理装置与 控制模块之间的通信；

操作面板用以对所述控制模块发送操作指令，包括数据清理、重新启动以及对前述环境 参数信息采集模块和视频图像信息采集模块的调试；

指示单元用以监控上述环境参数信息采集模块、存储模块、视频图像信息采集模块、评 估预警模块以及通信模块的工作状况，并表征给用户。

进一步的实施例中，所述计算机处理装置为一触控式平板计算机。

进一步的实施例中，所述评估预警模块对环境参数信息和视频图像信息的处理和分析包 括以下过程：

步骤S01：获取环境参数信息监测模块和视频图像信息采集模块采集的装置所处环境的 相关信息；

步骤S02：控制模块根据当前时钟时间提取最新得到的环境参数信息和视频图像信息；

步骤S03：控制模块将获取的数据信息进行AD转换；

步骤S04：控制模块调用评估预警模块对预处理过后的环境参数和视频图像信息进行分 析，具体操作为：环境参数分析是计算已有环境参数的平均值与新获取的环境参数的波动区 间，视频图像信息分析是通过轨道边缘图像检测方法判定轨道内部是否存在异物；

步骤S05：控制模块读取国家公布的铁路环境安全风险阈值数据；

步骤S06：控制模块将铁路环境安全风险阈值数据与前述步骤S04得出的环境参数波动 区间值进行比对；

步骤S07：如果线路环境安全信息未超过风险阈值，则返回步骤S02，重新读取环境参数 信息和视频图像信息，如果线路环境安全信息超过风险阈值，则进行步骤S08；

步骤S08：获取装置在当前时钟时间的空间坐标信息，对受影响的线路进行定位；

步骤S09：定位后，控制模块启动预警指令，调用评估和预警模块中的预警过程；

步骤S10：根据预警指令进行应急响应；

步骤S11：根据相应的环境安全评估得出的线路环境安全等级结果查找相应的铁路线路 应急备案措施，应急措施包括通知列车降速、停止运行、疏散乘客到达安全地点；

步骤S12：将应急措施文本信息通过移动通信接口或者无线发射模块发送；

步骤S13：检测应急措施文本信息是否发送成功：如果是，则进入步骤32，如果否，重 新启动通信模块发送应急措施文本信息；

步骤S14：退出预警。

进一步的实施例中，所述应急响应的实现包括以下步骤：

步骤S101：对环境参数信息进行分析，判定是否是由于环境参数的变化引起造成线路的 危险状况，前述环境参数包括地震、轨道温度、轨道湿度、雷击、积雪、横风；

步骤S102：对视频图像信息进行分析，判定是否是由于山体滑坡、泥石流入侵、线路水 毁、异物入侵或者工人天窗作业造成线路存在风险；

步骤S103：根据风险源判定结果，进入应急管理措施备案池中搜寻相应的应急措施，前 述风险源来源于地震、轨道温度、轨道湿度、雷击、积雪、横风，以及山体滑坡、泥石流入 侵、线路水毁、异物入侵、工人天窗作业中的一种或多种。

本发明的另一方面还提出一种基于上述装置实现的高速铁路环境信息采集、评估和预警 方法，包括以下步骤：

步骤S01：利用环境参数信息监测模块和视频图像信息采集模块采集装置所处环境的相 关信息；

步骤S02：控制模块根据当前时钟时间提取最新得到的环境参数信息和视频图像信息；

步骤S03：控制模块将获取的数据信息进行AD转换；

步骤S04：控制模块调用评估预警模块对预处理过后的环境参数和视频图像信息进行分 析，具体操作为：环境参数分析是计算已有环境参数的平均值与新获取的环境参数的波动区 间，视频图像信息分析是通过轨道边缘图像检测方法判定轨道内部是否存在异物；

步骤S05：控制模块读取国家公布的铁路环境安全风险阈值数据；

步骤S06：控制模块将铁路环境安全风险阈值数据与前述步骤S04得出的环境参数波动 区间值进行比对；

步骤S07：如果线路环境安全信息未超过风险阈值，则返回步骤S02，重新读取环境参数 信息和视频图像信息，如果线路环境安全信息超过风险阈值，则进行步骤S08；

步骤S08：获取装置在当前时钟时间的空间坐标信息，对受影响的线路进行定位；

步骤S09：定位后，控制模块启动预警指令，调用评估和预警模块中的预警过程；

步骤S10：根据预警指令进行应急响应；

步骤S11：根据相应的环境安全评估得出的线路环境安全等级结果查找相应的铁路线路 应急备案措施，应急措施包括通知列车降速、停止运行、疏散乘客到达安全地点；

步骤S12：将应急措施文本信息通过移动通信接口或者无线发射模块发送；

步骤S13：检测应急措施文本信息是否发送成功：如果是，则进入步骤32，如果否，重 新启动通信模块发送应急措施文本信息；

步骤S14：退出预警。

进一步的实施例中，所述应急响应的实现包括以下步骤：

步骤S101：对环境参数信息进行分析，判定是否是由于环境参数的变化引起造成线路的 危险状况，前述环境参数包括地震、轨道温度、轨道湿度、雷击、积雪、横风；

步骤S102：对视频图像信息进行分析，判定是否是由于山体滑坡、泥石流入侵、线路水 毁、异物入侵或者工人天窗作业造成线路存在风险；

步骤S103：根据风险源判定结果，进入应急管理措施备案池中搜寻相应的应急措施，前 述风险源来源于地震、轨道温度、轨道湿度、雷击、积雪、横风，以及山体滑坡、泥石流入 侵、线路水毁、异物入侵、工人天窗作业中的一种或多种。

由以上本发明的技术方案可知，本发明的有益效果在于：

(1)安全方便、维护简易。本发明以风速传感器、轨道温度传感器、湿度传感器等环境 信息监测器获取环境数据，利用微型单片机作为控制中心，分析所处环境的安全状况，利用 无线发射模块发生预警信息，整个装置实现了高速铁路环境信息采集和评估系统的便携式开 发，具有安装方便的特点。同时，由于整个装置可采取分散式的布设，也降低了维护的难度。

(2)提高监测的精度。本发明采取的是高速铁路环境安全信息采集、信息分析以及信息 发送的便携式集成设计，每一个实施例都是作为一个独立的系统形式存在，因此可以方便的 布设在铁路沿线隧道、河流、山谷以及其它一些具有风险的地点，可以根据铁路线路具体情 况选择布设精度，提高了铁路安全监控的精度。

(3)降低防灾系统造价。经模拟试验，本发明的一个实施例造价在700元左右，京沪线 全长1435公里，按照每隔500米的密度监控，共需花费458.88万元可实现对京沪全线的环 境安全监控，传统的高速铁路环境监测系统，例如京沪线的环境监测系统的招标价格在2000 万元左右，与之相比，本发明采取的便携式高速铁路环境安全监测系统可以大大降低系统建 设的造价，节约资源。

(4)简化防灾系统结构。利用本发明的信息采集、评估和预警装置都具备对环境信息处 理、安全评估和预警的功能，不需要将原始数据集中到中心数据库处理，降低系统服务器的 压力，简化系统构造。

附图说明

图1为本发明一实施例高速铁路环境信息采集、评估和预警装置的结构原理图。

图2为本发明另一实施例高速铁路环境信息采集、评估和预警装置的结构原理图。

图3为图1实施例中高速铁路环境信息采集、评估和预警装置的实现流程示意图。

图4为图3中应急响应的实现流程示意图。

具体实施方式

为了更了解本发明的技术内容，特举具体实施例并配合所附图式说明如下。

图1所示为本发明一实施例高速铁路环境信息采集、评估和预警装置的结构原理图，其 中，一种高速铁路环境信息采集、评估和预警装置100，包括环境参数信息采集模块1、视频 图像信息采集模块2、控制模块3、存储模块4、评估预警模块5以及通信模块6，控制模块 3分别与环境参数信息采集模块1、存储模块4、视频图像信息采集模块2、评估预警模块5 以及通信模块6连接，该控制模块3作为核心模块用于控制上述模块的功能实现。

如图1所示，控制模块3作为监测预警装置的核心模块，一方面用以控制和连接通信模 块6、环境参数信息采集模块1、视频图像信息采集模块2、存储模块4、评估算法模块5， 另一方面用以和外界计算机等其它设备连接，以实现装置和其它设备之间的通信。

环境参数信息采集模块1用以对装置100所处位置的环境信息进行监测以及空间坐标信 息的提取，环境参数信息采集模块1在控制模块3的控制下工作，并将监测信息和空间坐标 信息记录在储存模块4中。

作为优选的实施方式，所述环境参数采集模块包括用于检测横向风速的风速传感器，用 于检测轨道温度的温度传感器，用于检测轨道湿度的湿度传感器，用于检测雷电密度的雷电 监测器，用于检测积雪深度的积雪深度传感器，以及用于检测地震波动的地震振动器。

视频图像信息采集模块2用以对装置所处环境的红外图像信息进行监测，视频图像信息 采集模块2在控制模块3的控制下工作，并将监测信息存储在储存模块中。当然，在控制模 块3的控制下，视频图像信息采集模块2还可以通过通信模块直接发送视频图像信息。

作为优选的实施方式，视频图像信息采集模块2包括用于拍摄视频的视频拍摄器、用于 红外图像采集的图片拍摄器、用于检测红外对象的红外感应器，其中，当红外感应器感应到 有红外对象(例如人)入侵线路时，启动图片拍摄器，采集红外图片信息。

存储模块用以存储前述环境参数信息和视频图像信息，并可在控制模块的控制下通过通 信模块传输视频图像信息和环境参数信息；当然，控制模块4可以通过接口读取存储模块4 中数据。

评估预警模块用以对前述采集得到的环境参数信息和视频图像信息进行评估和预警，根 据评估结果判定当前线路的环境安全等级，依据线路安全等级得到相应的铁路线路环境应急 措施信息，并可在控制模块的控制下通过通信模块发送环境安全等级评估信息以及铁路线路 环境应急措施信息，从而实现对铁路线路的环境安全评估和预警过程。

通信模块作为监测预警装置中的对外通信模块，在控制模块的控制下通过无线发射向外 界以无线信号，或者通过移动基站接口以短信的形式传输和广播图像信息、编码信息、短信 信息，实现装置与车站上位机终端、列车驾驶室终端以及乘客手机终端通信。

作为可选的实施例，通信模块包括无线发射单元和3G通信接口单元，分别实现无线发射 数据和通过移动通信基站发射信息。

车站上位机终端或者列车驾驶室上位机终端还可通过无线网络向监测预警装置的通信模 块6发送指令编码，通信模块6将指令编码传输到控制模块3中，控制模块3根据指令命令 控制视频图像采集模块拍摄或者传输图像信息，或者根据命令控制其他模块工作。

本实施例中，所述控制模块采用单片机实现，所述环境参数采集模块采用传感器实现， 所述视频图像信息采集模块采用视频拍摄装置实现，存储模块采用存储介质实现，例如SD卡、 TF卡、MMC卡等，评估预警模块以程序的形式存储在控制模块的单片机内并可有单片机进行 调用执行。

本实施例的装置100可以放置在便携式的壳体内部单独使用，其优点是可以随时携带、 安置在不同的线路使用。

如图2所示为本发明另一实施例高速铁路环境信息采集、评估和预警装置的结构原理图， 其中，本实施例的装置200中包括上述图1实施例所述的各部件、组件或其他组合(本实施 例中，与图1实施例功能、形状、位置均相同的部分采用同一标号)，本实施例的装置200还 包括一与控制模块连接的微型计算机处理装置10，该计算机处理装置10包括接口单元14、 操作面板15和指示单元16。

控制模块3通过接口单元14提供的USB接口与计算机处理装置10连接，实现计算机处 理装置10与控制模块3之间的通信。

操作面板15用以对所述控制模块发送操作指令，包括数据清理、重新启动以及对前述环 境参数信息采集模块和视频图像信息采集模块的调试。

优选地，操作面板15以触控式显示屏实现。

指示单元16用以监控环境参数信息采集模块1、存储模块4、视频图像信息采集模块2、 评估预警模块5以及通信模块6的工作状况，例如环境参数信息传感器是否工作正常，视频 图像信息采集器是否正拍摄图片，通信模块信息传输是否正常等，并表征给用户，例如可通 过指示灯或者文本框的形式显示工作状态。

作为可选的实施方式，计算机处理装置10为一触控式平板计算机。

参照图3、图4所示，本实施例中，前述评估预警模块5对所采集到的环境参数信息和 视频图像信息的处理和分析包括以下过程：

步骤S01：获取环境参数信息监测模块和视频图像信息采集模块采集的装置所处环境的 相关信息；

步骤S02：控制模块根据当前时钟时间提取最新得到的环境参数信息和视频图像信息；

步骤S03：控制模块将获取的数据信息进行AD转换；

步骤S04：控制模块调用评估预警模块对预处理过后的环境参数和视频图像信息进行分 析，具体操作为：环境参数分析是计算已有环境参数的平均值与新获取的环境参数的波动区 间，视频图像信息分析是通过轨道边缘图像检测方法判定轨道内部是否存在异物；

步骤S05：控制模块读取国家公布的铁路环境安全风险阈值数据；

步骤S06：控制模块将铁路环境安全风险阈值数据与前述步骤S04得出的环境参数波动 区间值进行比对；

步骤S07：如果线路环境安全信息未超过风险阈值，则返回步骤S02，重新读取环境参数 信息和视频图像信息，如果线路环境安全信息超过风险阈值，则进行步骤S08；

步骤S08：获取装置在当前时钟时间的空间坐标信息，对受影响的线路进行定位；

步骤S09：定位后，控制模块启动预警指令，调用评估和预警模块中的预警过程；

步骤S10：根据预警指令进行应急响应；

步骤S11：根据相应的环境安全评估得出的线路环境安全等级结果查找相应的铁路线路 应急备案措施，应急措施包括通知列车降速、停止运行、疏散乘客到达安全地点；

步骤S12：将应急措施文本信息通过移动通信接口或者无线发射模块发送；

步骤S13：检测应急措施文本信息是否发送成功：如果是，则进入步骤32，如果否，重 新启动通信模块发送应急措施文本信息；

步骤S14：退出预警。

作为可选的实施方式，前述应急响应的实现包括以下步骤：

步骤S101：对环境参数信息进行分析，判定是否是由于环境参数的变化引起造成线路的 危险状况，前述环境参数包括地震、轨道温度、轨道湿度、雷击、积雪、横风；

步骤S102：对视频图像信息进行分析，判定是否是由于山体滑坡、泥石流入侵、线路水 毁、异物入侵或者工人天窗作业造成线路存在风险；

步骤S103：根据风险源判定结果，进入应急管理措施备案池中搜寻相应的应急措施，前 述风险源来源于地震、轨道温度、轨道湿度、雷击、积雪、横风，以及山体滑坡、泥石流入 侵、线路水毁、异物入侵、工人天窗作业中的一种或多种。

本发明的另一实施例还提出一种基于上述高速铁路环境信息采集、评估和预警装置实现 的高速铁路环境信息采集、评估和预警方法，包括以下步骤：

步骤S01：利用环境参数信息监测模块和视频图像信息采集模块采集装置所处环境的相 关信息；

步骤S02：控制模块根据当前时钟时间提取最新得到的环境参数信息和视频图像信息；

步骤S03：控制模块将获取的数据信息进行AD转换；

步骤S04：控制模块调用评估预警模块对预处理过后的环境参数和视频图像信息进行分 析，具体操作为：环境参数分析是计算已有环境参数的平均值与新获取的环境参数的波动区 间，视频图像信息分析是通过轨道边缘图像检测方法判定轨道内部是否存在异物；

步骤S05：控制模块读取国家公布的铁路环境安全风险阈值数据；

步骤S06：控制模块将铁路环境安全风险阈值数据与前述步骤S04得出的环境参数波动 区间值进行比对；

步骤S07：如果线路环境安全信息未超过风险阈值，则返回步骤S02，重新读取环境参数 信息和视频图像信息，如果线路环境安全信息超过风险阈值，则进行步骤S08；

步骤S08：获取装置在当前时钟时间的空间坐标信息，对受影响的线路进行定位；

步骤S09：定位后，控制模块启动预警指令，调用评估和预警模块中的预警过程；

步骤S10：根据预警指令进行应急响应；

步骤S11：根据相应的环境安全评估得出的线路环境安全等级结果查找相应的铁路线路 应急备案措施，应急措施包括通知列车降速、停止运行、疏散乘客到达安全地点；

步骤S12：将应急措施文本信息通过移动通信接口或者无线发射模块发送；

步骤S13：检测应急措施文本信息是否发送成功：如果是，则进入步骤32，如果否，重 新启动通信模块发送应急措施文本信息；

步骤S14：退出预警。

作为优选，如前所述，所述应急响应的实现包括以下步骤：

步骤S101：对环境参数信息进行分析，判定是否是由于环境参数的变化引起造成线路的 危险状况，前述环境参数包括地震、轨道温度、轨道湿度、雷击、积雪、横风；

步骤S102：对视频图像信息进行分析，判定是否是由于山体滑坡、泥石流入侵、线路水 毁、异物入侵或者工人天窗作业造成线路存在风险；

步骤S103：根据风险源判定结果，进入应急管理措施备案池中搜寻相应的应急措施，前 述风险源来源于地震、轨道温度、轨道湿度、雷击、积雪、横风，以及山体滑坡、泥石流入 侵、线路水毁、异物入侵、工人天窗作业中的一种或多种。

本发明所提出的技术方案从高速铁路环境安全预警技术出发，结合当前高速铁路环境防 灾系统体系结构复杂、监测精度低的特点，提出了高速铁路环境信息采集、评估和预警系统 的便携式集成开发，车站管理人员、列车司机通过通信模块获取本监测预警装置发送的高速 铁路线路的环境安全评估、预警信息以及红外图片，进而实现对高速铁路线路环境信息的远 程采集、评估和预警功能。

虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然其并非用以限定本发明。本发明所属技术领域 中具有通常知识者，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作各种的更动与润饰。因此，本 发明的保护范围当视权利要求书所界定者为准。