一种列车-站台间距测量系统

技术领域

本发明涉及列车监测技术领域，更具体的说是涉及一种列车-站台间距测量系统。

背景技术

列车站台间距检测可使用人工非自动设备测量方式，每次测量需要3到4人测量，通过手动操作激光测距仪等测距设备目测读数进行逐点检测，测量精度低，测量速度慢，耗时多，在高铁天窗期短，检测任务往往无法按时完成，严重影响高铁界限测试时间安排。另外，人工测量读数易出错，目测读数一旦误读，给限界测量带来极大的困扰。

目前，列车和站台间距自动测量的方式主要以间接限界测量为主，也是目前主要的检测方式，通过在铁轨上安置小型轨道检测车或利用大型工务巡检车测量站台界限，需要输入设计车型轮廓与检测轮廓比对，计算设计车型轮廓与站台间距，这种方式极大提高了测量速度，同时也提高了间距测量精度(可达1-2cm)，减少了人员操作，实施简便。但属于一种间接测量方式，未直接获取实际列车与站台间距，实际列车尺寸可能会与设计尺寸略有偏差，不同车次测量数据和真实间距会有一定误差；另外外业测量只能利用天窗时间，数据处理方式为后处理，无法实现全天候、常态化和实时的列车站台间距监测，也无法进行实时预测警报。

因此，如何提供一种能够实现全天候、常态化、实时化列车站台间距测量和及时预警的列车-站台间距测量系统是本领域技术人员亟需解决的问题。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种列车-站台间距测量系统，能够实现全天候、常态化、实时化对列车站台间距测量。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种列车-站台间距测量系统，包括：测距传感器和监控终端；

其中，每个站点的每个站台分别安装一组所述测距传感器，且每组中的各个所述测距传感器间隔、均匀布置在相应站台下部，用于测量对应站台与驶入列车间的间距；

所述监控终端通过有线或无线方式连接各组所述测距传感器，用于对各组所述测距传感器测量的数据进行分析，并对非正常数据发出报警。

进一步的，当所述测距传感器与所述监控终端之间采用有线方式连接时，每个站点配置一个PLC控制器，且各站点的所述PLC控制器均连接至所述监控终端；

每个站点的各组所述测距传感器分别通过ProfiBus-DP现场总线与该站点的所述PLC控制器连接，且各站点的所述PLC控制器通过无线网络与所述监控终端通信连接；

每个站点的所述PLC控制器用于按照预设程序控制各组所述测距传感器的启动状态，并将各组所述测距传感器测量的间距传输至所述监控终端。

进一步的，所述ProfiBus-DP现场总线与对应组中各所述测距传感器间的接线长度不大于100米。

进一步的，所述PLC控制器的各个接线端子均设置有信号隔离装置。

进一步的，当所述测距传感器与所述监控终端之间采用无线方式连接时，每个站点配置一个网关，每个站点的各组所述测距传感器分别通过无线通信模块连接至所述网关，每个站点的所述网关再与所述监控终端通信连接。

进一步的，所述测距传感器为超声波测距传感器。

进一步的，所述监控终端包括：中央控制模块和报警模块；

所述中央控制模块用于实现初始参数预设、数据采集、数据处理、数据存储、历史数据查询、历史趋势曲线生成、实时画面监控、实时趋势曲线、Excel报表生成与打印、报警监控与报警记录查询功能；

所述报警模块通过模拟仪表面板显示、报警点的实际位置显示或数据表格显示三种方式的任意一种或多种显示测距报警数据，在报警时自动弹出报警对话窗，通过报警对话框显示报警时的测距曲线、报警部位和报警值，并给出检查部位和处理措施的提示。

进一步的，所述报警模块还用于根据各组测距传感器所处站台是否属于重点防御部位，将属于重点防御的部位设定为优先报警点，并在优先报警点的列车-站台间距数据出现异常时，将其他运行的功能暂停，只发出针对该优先报警点的警报；在对报警确认后，未处理报警点故障或未在规定时间内处理报警点故障，则重复报警，直至报警点故障解除，则解除报警。

进一步的，所述中央控制模块根据预设的初始参数控制相应组测距传感器的启动状态，其中，预设的初始参数包括：各测距传感器距离相应站台间距常数、线路运行时刻表和对应列车车型、测量频率、检测模式和距离阈值；各测距传感器距离相应站台间距常数用于对测距传感器的实际测量结果进行修正；测量频率为测距传感器的采样频率；检测模式包括两种，一种为列车进站前预设时间段启动相应所述测距传感器，并在列车出站后停止测量，另一种为持续检测；距离阈值为各站点下的各站台与不同车型列车间的安全距离。

进一步的，所述中央控制模块进行数据处理时，对测量的列车-站台间距测量值进行静态稳定值筛选、粗差剔除、测距值计算和预警值计算；

其中，静态稳定值筛选针对给出的线路运行时刻表筛选出测距数据；

对于粗差剔除，预先设定不同车型列车与相应站台间的安全距离，将筛选出的测距数据中超出安全距离预设值的数据剔除；

对于测距值计算，将采用粗差剔除后的测距数据的平均值，作为实际测距值，并将该实际测距值与预设的距离阈值作差，若差值小于0，则给出报警信息；并根据用户需求，对实际测距值进行时间序列统计，计算实际测距值的变化率和变化趋势，监测各列车与相应站台间距的变化情况。

经由上述的技术方案可知，与现有技术相比，本发明公开提供了一种列车-站台间距测量系统，集成了有线方案和无线方案两种系统，将测距传感器安装在站台下部，充分结合列车运行时刻信息，按需测量，节省电能和存储空间，且检测结果为真实运行列车与站台间距的数据，不依赖设计车型轮廓，测量精度(0.5mm)明显优于常规限界测量手段(1-2cm)，可有效监测站台与车体距离，为高铁列车安全运行提供有效数据支撑，提高检测效率与精度，不影响列车运行，不受列车天窗时间限制，实现全天候、常态化、实时化列车站台间距测量和及时预警，保证列车正常的运营与乘客的安全。同时，本发明还可提供安全预警功能对非正常数据进行实时预警。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。

图1为本发明提供的测距传感器的安装示意图，其中，100为列车，200为站台，300为测距传感器；

图2为本发明提供的有线方式下列车-站台间距测量系统的结构示意图；

图3为本发明提供的无线方式下列车-站台间距测量系统的结构示意图。

具体实施方式

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，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做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。

如图1所示，本发明实施例公开了一种列车-站台间距测量系统，包括：测距传感器和监控终端；

其中，每个站点的每个站台分别安装一组测距传感器，且每组中的各个测距传感器间隔、均匀布置在相应站台下部，用于测量对应站台与驶入列车间的间距；

监控终端通过有线或无线方式连接各组测距传感器，用于对各组测距传感器测量的数据进行分析，并对非正常数据发出报警。这里的非常正参数数据主要是指检测距离数值与安全状态下列车与站台间距有明显偏差的检测数据。对于警告和故障级别报警的划分，可以结合检测数据的异常特性，如数据较大波动性突变或接收异常可判断为故障级别。

本发明整体设计了有线方案、无线方案两种，由于列车站台的特殊性，对于新建设站台，采用有线方案，可以在施工建设阶段可以预埋测距传感器、电线等。对于已建成站台可以采用无线方案，无线设备占用空间更小，易于安装，不用进行过大的工程改造。相对来说，有线方案采用分布式架构，可容纳100万点综合监控系统平台，便于系统扩容，可灵活扩展，统一管理各子系统；无线方案采用对等网状网组网，唤醒后的组网速度快，所有节点都是对等节点，节点扩展容量大、配置维护都比较简单。

针对改建或可施工车站，可将有线方案和无线方案结合；针对不便施工站台，采用无线方案；针对可施工站台，采用有线方案，有线方案和无线方案获取的站台与列车距离测量数据可分别采用无线传输和有线传输方案同步传输到监控终端，对测量数据汇总集成处理。检测数据精度和处理过程及结果不受无线或有线方式限制。

在一个具体实施例中，如图2所示，当测距传感器与监控终端之间采用有线方式连接时，每个站点配置一个PLC控制器，且各站点的PLC控制器均连接至监控终端；

每个站点的各组测距传感器分别通过ProfiBus-DP现场总线与该站点的PLC控制器连接，且各站点的PLC控制器通过无线网络与监控终端通信连接；

每个站点的PLC控制器用于按照预设程序控制各组测距传感器的启动状态，并将各组测距传感器测量的间距传输至监控终端。

其中，PLC控制器采用西门子S7-1200系列紧凑型、模块化的PLC，可完成简单逻辑控制、高级逻辑控制、HMI和网络通信等任务，简单逻辑是指工业领域的一般逻辑控制，控制目标一般为开关量，不需要做精密的数据处理；高级逻辑控制一般用于数据采集和数据处理；网络通信应用于设备传输距离远、分布零散的场合、将零散的设备采集点分组、分块，便于控制的组态和拓扑，也利于现场施工、接线等等优点。

PLC逻辑程序及组态采用TIA编程软件开发，TIA编程软件是一个用于SIMATIC可编程逻辑控制器的组态和编程的标准软件包。TIA标准软件包中提供一系列的应用工具，如：SIMATIC管理器、符号编辑器、硬件诊断、编程语言、硬件组态、网络组态等。TIA编程软件可以对硬件和网络实现组态，具有简单、直观、便于修改等特点。该软件提供了在线和离线编程的功能，可以对PLC线上载或下载。利用TIA可以方便地创建一个自动化解决方案。

PLC控制器还可对各个设备进行远程操作或自动定时操作，从而通过任务流合理调度持续集成任务，充分利用软硬件资源，发挥最大效用。

具体而言，ProfiBus-DP现场总线与对应组中各测距传感器间的接线长度不大于100米。

本发明实施例通过ProfiBus-DP总线形式拓扑，Profibus-DP现场总线把PLC控制器和现场I/O(测距传感器)设备连接在一起，组成现场主从控制结构的PLC控制系统。分布式现场总线结构使现场布线和接线工作的强度大大降低，同时电缆长度的减少也在一定程度上降低了线路发热和干扰。高速Profibus-DP现场总线(传输速度最高达1500kbps)使数据的实时性大大提高，Profibus-DP现场总线很强的抗干扰性能保证了传输数据的可靠性。保证每个从站到距离检测传感器的接线长度不大于100米，进而保证信号传输的高精度、抗干扰能力。

具体而言，有线方案中，测距传感器为超声波测距传感器，因传输距离较长，所以采用4-20mA传输信号，此信号形式具有传输距离远，抗干扰能力强等特点。4～20mADC信号(接地或不接地)，最大输入阻抗为250Ω，系统可提供4～20mA二线制变送器的直流24V电源。对于4～20mA的外供电的模拟量输入信号，如电动执行器阀位反馈、电气量(如电流、电压、有功功率、无功功率、频率、功率因数)4-20mA模拟量输入等。

本发明实施例的有线方案具有以下优点：远距离传输，保证模拟量传输的信号精度；可靠性、易维护性，系统采用服务器、运行状态监控等功能，充分保证系统稳定、持续运行；数据的处理，实时显示，曲线棒图等多样可视化途径；高速的数据存储和检索性能，提供快捷的分析工具，操作人员可以方便地完成数据查询、数据输入、制定报表等工作；具有强大的报警管理功能,可以方便查询报警和事件；数据的操作和处理具有权限限制功能，可根据使用者的权限分级供其使用；分布式架构，可轻松容纳100万点综合监控系统平台，便于以后系统扩容；灵活的扩展性，可维护性，统一管理，诊断和部署各子系统，使系统方案具有最大性价比。

在一个实施例中，PLC控制器的各个接线端子均设置有信号隔离装置。

每个接线端子占用一个数据采集通道，每个数据采集通道都设有通道过流保护，提高设备系统的可靠性。传输电缆使用高品质屏蔽电缆，可进一步减少干扰。

在其他实施例中，当测距传感器与监控终端之间采用无线方式连接时，每个站点配置一个网关，每个站点的各组测距传感器分别通过无线通信模块连接至网关，每个站点的网关再与监控终端通信连接。

无线方案具有以下优点：提供PintoPin兼容丰富的Xbee系列无线模块，提供各种距离和功耗级别的选择，最大限度克服因为通信距离不够遇到的各种挑战；可提供插拔的模块和可视化的专业无线调试工具，方便工程现场的调试和安装；可提供的完整开发套件，可以节省开发成本与时间；采用了对等网状网组网，唤醒后的组网特别快，距离可以通过中继最多跳12跳，可以支持最远600米距离；所有节点都是对等节点，节点扩展容量大、配置维护都比较简单。

无线方案中，采用低功耗无线超声波测距仪，无线测距仪主要完成控制超声波探头准确测量、蓄电池电压检测、无线通讯三大功能。无线测距仪主要芯片使用如下：MCU采用MSP430；无线通信模块采用最新的DigiMesh3.0Pro型；切断电源，采用MOS管或固态继电器。

具体而言，本发明对多款测距传感器进行了测试选取。并且对传感器的绝对测距精度进行验证。选取了松下、sick、基恩士、巴鲁夫三款激光测距传感器进行通讯与精度测试，各传感器参数如表1。数据稳定性上，松下测距传感器优于基恩士和sick。数据精度上，经软件校正后，sick与松下精度相当。基恩士精度差的原因可能是由于量程较大，适用面广，但精度有所下降。巴鲁夫超声波传感器无线方案与有线方案数据测试显示，精度和性能都比较稳定。

表1测距传感器参数表

本发明还利用机械测距滑台对上述测距传感器进行精度测试，具体测试结果如下表所示：

表2松下传感器测距偏差(平均偏差0.1mm)

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表3SICK激光传感器测距偏差

基恩士传感测距范围0-300mm，但测量精度不稳定。

表4巴鲁夫超声波传感器测试

对巴鲁夫超声波传感器测试。分别设置基准距离，输出巴鲁夫超声波传感器测量距离，稳定性和精度都表现良好。

对松下、sick、基恩士、巴鲁夫测距传感器进行通讯与精度测试。数据稳定性上，巴鲁夫传感器优于松下测距传感器、优于基恩士和sick。数据精度上，各传感器精度相当。基恩士精度差的原因可能是由于量程较大，适用面广，但精度有所下降。巴鲁夫超声波传感器数据测试显示，精度和性能都比较稳定。由于激光传感器都存在光斑，所以本发明实施例采用巴鲁夫超声波传感器，能够检测0-200mm距离变化范围的高铁列车-站台间距，测量精度能达到毫米级。

采用无线方式时，需要综合考虑探头、无线模块的接口和实际功耗情况。系统功耗主要考虑以下几点：

①系统耗电：集成系统模块耗电存在以下几个方面：传感器探头测量工作时耗电；24V转3.3为无线模块供电，转压过程中的损耗；无线通信模块休眠时的耗电；锂电池自放电，消耗电量；

②测距传感器功耗：所选的超声波测距传感器的供电电压为24V电压，工作电流40mA,若采用24V10A*h锂电池供电，则理论上连续工作时间最大为10A*h/40mA＝250h，每次测量3分钟，一个小时可以测量20次，共可以测5000次的数据，假设平均每天测50次，那么理论上给测距传感器供电可以满足充一次电可以用100天；可根据实际监测需求扩大锂电池容量。

③无线通讯模块功耗：转压过程中必然存在损耗，有可能达到正常状态下供电量的10倍；无线通讯模块休眠状态的耗电量为μA级别,但是需要24小时处于好点耗电状态，无线模块按照30μA计算，10A*h/(30μA*10)＝33333h，近似于1000天。理论上加上无线通讯模块能够满足3个月工作要求；

④锂电池自放电。

在一个具体实施例中，监控终端包括：中央控制模块和报警模块；

中央控制模块用于实现初始参数预设、数据采集、数据处理、数据存储、历史数据查询、历史趋势曲线生成、实时画面监控、实时趋势曲线、Excel报表生成与打印、报警监控与报警记录查询功能。中央控制模块可实现实时采集、显示运行工况和有关数据，画面逼真，动感强；灵活调整工艺参数，人机界面友好，容易掌握；完善的数据库功能，方便查询历史数据、追溯报警状态；标准通讯网络接口(工业以太网)，便于接入设备网。

报警模块通过模拟仪表面板显示、报警点的实际位置显示或数据表格显示三种方式的任意一种或多种显示测距报警数据，在报警时自动弹出报警对话窗，通过报警对话框显示报警时的测距曲线、报警部位和报警值，并给出检查部位和处理措施的提示。

报警形式分两级声光报警，二级报警比一级报警声音急促，声音在50分贝以上。

在其他实施例中，报警模块还用于根据各组测距传感器所处站台是否属于重点防御部位，将属于重点防御的部位设定为优先报警点，并在优先报警点的列车-站台间距数据出现异常时，将其他运行的功能暂停，只发出针对该优先报警点的警报；在对报警确认后，未处理报警点故障或未在规定时间内处理报警点故障，则重复报警，直至报警点故障解除，则解除报警。

中央控制模块根据预设的初始参数控制相应组测距传感器的启动状态，其中，预设的初始参数包括：各测距传感器距离相应站台间距常数、线路运行时刻表和对应列车车型、测量频率、检测模式和距离阈值；各测距传感器距离相应站台间距常数用于对测距传感器的实际测量结果进行修正；测量频率为测距传感器的采样频率；检测模式包括两种，一种为列车进站前预设时间段(比如进站前30s)启动相应测距传感器，并在列车出站后停止测量，另一种为持续检测；距离阈值为各站点下的各站台与不同车型列车间的安全距离。

在一个具体实施例中，中央控制模块进行数据处理时，对测量的列车-站台间距测量值进行静态稳定值筛选、粗差剔除、测距值计算和预警值计算；

其中，静态稳定值筛选针对给出的线路运行时刻表筛选出测距数据；

对于粗差剔除，预先设定不同车型列车与相应站台间的安全距离，将筛选出的测距数据中超出安全距离预设值的数据剔除；

对于测距值计算，将采用粗差剔除后的测距数据的平均值，作为实际测距值，并将该实际测距值与预设的距离阈值作差，若差值小于0，则给出报警信息；并根据用户需求，对实际测距值进行时间序列统计，计算实际测距值的变化率和变化趋势，监测各列车与相应站台间距的变化情况。

具体而言，由于实际列车车型以及现场施工轨道等条件存在差异，导致实际列车与站台间距并不是一个统一的数值，那么为了后续数据粗差剔除、监测预警更为准确合理，将设计车型宽度作为预设值，那么后续监测结果可以对应到车型，即针对同一个车型会统计出一个相对稳定的安全距离(作为数据处理的)，对于超出安全距离过大的异常飞点，可直接剔除，以免对数据造成干扰。

剔除飞点基础上，结合列车与站台测量间距平均值进行数据粗差剔除。列车经过站台时，巴鲁夫超声波传感器向车体发射超声波并接受反射回来的超声波信号，计算传感器与车体之间的距离值，在传感器采集数据的过程中由于现场环境等因素会产生一些粗差，影响后续的分析决策，在处理时需进行粗差剔除。

本发明通过间距与其平均值的偏差与标准差比较的方式剔除粗差，首先，以一个测站为单位，计算该站所有的传感器位置站台到车体的距离d

d

其中，d

标准差σ为：

规定当|d

报警和决策直接受具体项目和应用场景而有所差异，用户可根据实际需求进行个性化设置，可根据项目需求设置监测频率，设置超出平均间距的限差(默认采用标准差2倍)，设置预警值(监测距离超出具体某个数值给出预警信息)以及决策方案(包括预警信息的输出形式，是文字抑或声音报警，是否停止列车运行或停止某一时段列车运行等)。另外，为了防止数据的丢失并提高其传输得效率，在数据传输的过程中需要对数据进行加密与压缩处理。

本发明实施例借助列车时刻表，从节能角度进行优化。由于高速铁路列车运营时刻相对固定且一般都能提前获取，可参考列车运营时刻信息，并随着列车时刻调整而进行调整，在列车预定进站时刻前30s(可以更短，可以通过多天连续观测确认列车到点误差进行设定)开启距离测量，随着列车驶进车站，测距传感器不断获取列车和站台距离，通过停车时刻与距离测量数据的稳定(通过标准差衡量)确定列车停止后，再进行30s测距，以最终稳定测量数据作为列车与站台间距。最终测距结果结合列车时刻表对应到具体列车时刻、车次、车号、车厢，并对数据按车长度里程编号，对监测数据进行时间序列分析，关注列车站台间距变化，一旦出现变化异常，及时预警。监测系统通过网络定期进行时间校准，结合列车时刻表，按需测量，充分的降低耗电量和存储空间的消耗。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。