专利名称：铁路列车超视距和曲线观测系统的制作方法
技术领域：
本发明是一种用于铁路(包括地铁与城市轨道交通线路)列车运行时保障行车安全的超视距与曲线观测与监控系统。其主要功能与任务是为列车驾驶员提供线路前方目视距离之外(包括弯道、隧道、夜间、雨、雪、雾天气等所有恶劣状况下的非目视距离)的观测能力、特别是列车最大安全制动距离之外的超视距观测能力。从而确保列车能够在遭遇危险之前及时减速及制动刹车，将列车停止在危险区域之外，最大程度保障列车的运行安全。
同时，本系统还能够为铁路的调度中心和车站，提供对线路和运行中列车的视频实时监控功能。以及其它相应的视频服务功能。
本发明属于铁路(包括地铁与城市轨道交通)安全技术与信息技术领域。
背景技术：
在现有的铁路安全技术体系中，列车的行驶安全是由驾驶员的目视观测与应急反应能力来保障的。
现代铁路技术的发展趋势是客运列车的速度越来越高；货运列车的载重量越来越大。随着铁路列车运行速度的提高与牵引载重量的增大，特别是现代高速列车的速度已经达到每小时数百公里的级别，货运列车达到万吨以上的载重规模。在这样的高速度和大载重下，列车的惯性动能很大，安全制动所需距离很长。而驾驶员的目视观测距离和应急反应能力是一种人体生理能力，并不能通过技术手段相应提高，当线路上发生危及列车安全的危险因素时，这样的超长刹车距离留给驾驶员的应急反应处置时间非常短，常常超出了驾驶员的生理极限反应能力之外，这就为事故的最终发生埋下了极大的隐患。
当列车在夜间和雨、雪、大雾天气行驶时，由于视线受到更多的阻碍，留给驾驶员的反应处置时间更短，致使事故概率进一步上升。
在山区铁路，由于光线只能直线传播，驾驶员的目视视距更是受到极大的局限，短视距构成山区铁路的重大安全隐患，这也是限制山区铁路速度提高的主要障碍因素之一。
随着铁路列车运行速度的提升，这些因素导致列车的行驶安全保障难度显著增加。由于铁路列车是大运载量的交通工具，一旦发生事故，人员伤亡与财产损失极为惨重。因此，安全保障是铁路部门的一项重点工作，也是铁路技术攻关的主要内容之一。
由于铁路事故的危险因素如洪水、泥石流、大风雨、雪、雾、塌方、行人和车辆违规进入铁路等很多来自铁路外，具有突发性与不可预期性特征，在现有的铁路安全保障体系内，还没有有效的办法来进行预防。铁路部门只能做到尽量减少铁路系统内部事故因素。对于铁路外的事故因素，目前还只能采用人工线路巡逻进行检查防范，发现事故因素时人工报警或拦阻列车等方式。这显然是比较落后的方式。常常无法避免重大事故的发生。
发明技术内容3，1综述本发明是一种通过在铁路线路上密集布置摄像装置，对线路全程进行分段无缝视频连续摄像，然后通过有线—无线高速通讯装置，将线路上任何区段的视频实时图像画面全部传输给列车驾驶室内的视频接收机，显示在显示屏上，供驾驶员超前观测前方线路目视距离之外任何位置状况的新型监控与通信技术系统。
3.2，技术原理本发明系统是视频监控技术与高速有线---无线数据通信技术(即通常称谓的“3G”移动通信技术)相结合，并应用于铁路安全领域的专业化(网络)技术。其技术原理是基于利用“3G”移动通信技术能够进行高速和大容量数据传输的功能，实现线路全部视频实时图像信号在线路与列车之间的实时传输，通过提供这些线路实时视频图像画面供驾驶员超前观测，达到保障列车运行安全的目标。
这里所称的超视距观测和曲线观测，是指驾驶员可以通过本发明系统，观测到行驶线路上前方任何位置的最新视频画面。包括目视视距之外和不能直接观测的线路曲线位置的画面。
所显示的前方线路图像画面，根据观测需要，可以由系统设定自动翻屏连续显示列车前方设定距离的线路画面，也可以由驾驶员根据观测需要而手动选定前方线路需要进行观测的位置的画面(如前方车站内的画面)。例如，当列车在起点站即将出发时，驾驶员可以调阅到线路前方任何位置、包括终点站的最新视频图像画而到显示屏上进行观测。
由于摄像头以连续摄像方式对线路进行摄像，并传输到接收机内，本发明系统的上述功能，使得线路全程上的任何位置对驾驶员来说，都成为透明可见的。他可以通过调阅摄像头编号的方式，观测到线路上任何位置的最新图像画面。从视觉原理上看，就相当于本发明系统任意延伸了驾驶员眼睛的可观测距离。同时为他提供了曲线视物的观测功能。
这里所称的显示画面自动设定与手动选定，是指本发明系统可以为驾驶员的超前观测同时提供两种功能模式；一种是定距自动设定模式，一种是按需选定模式，定距自动设定是指为驾驶员始终显示前方设定距离的线路画面，例如设列车的极限最大制动距离为2000m，驾驶员进行减速制动的生理反应延迟距离为500m，列车制动系统的反应延迟距离也为500m，驾驶员的最短目视距离为10m(指最恶劣观测环境，如夜间、暴风雨、大雪、浓雾、弯曲隧道等环境)，则可以设定显示距离始终为机车前方3000m。列车行进过程中，在机车前面这一距离的线路图像画面，将以自动连续翻屏的形式，显示在显示屏上供驾驶员观测。这样在列车行进中，驾驶员就能够始终超前观测到列车前方3000m距离外的线路状况，当线路上有任何危险因素时，驾驶员在3000m外就可以提前观测到，从而为驾驶员留出充裕的反应处置时间实施减速、制动操作。
自动定距显示的超前距离，可以由驾驶员根据自身列车的速度、载重量、线路坡度，弯道半径等因素，依据刹车制动的相应技术标准来设定，显示控制则可以由交给机车里程计负责。控制显示的摄像头号码(也就是显示该摄像头摄取的线路图像画面)的基准信号，即是里程计的行驶里程数加上设定的超前显示距离数，其公式为Q＝X m+(3000m)这里Q是摄像头的号码，代表它监控的线路位置(也就是显示在显示屏上的线路位置)与起点站的距离，X表示列车已经驶过的距离(规定起点站为X＝0)。由于摄像头的设置是按一定距离间隔设置的，里程计也以同样的间距设置连续两个显示控制信号的输出，例如摄像头按每隔100m设置，则里程计就设置为每当列车行驶过100m距离时，就发出1个显示递换信号，将显示屏上的图像画面变换为下一个摄像头的线路图像画面。依此递推。
而按需选定模式则是驾驶员根据观测需要，在键盘上输入相应的摄像头号码(类同于输入电话号码)，即可直接调阅相对应的线路画面到显示屏上进行观测(这一调阅模式，与股市交易中通过输入股票代码调阅相应的股票走势图类似。工作原理也相同)。例如当列车要驶过某个车站时，他可以提前调阅车站内其它线路上的车辆停放状况、道岔进路、站台状况、信号灯等的图像画面进行观察。避免信号错误导致撞车事故。
通过采用多画面显示器，上述两种显示功能可以同步实现，供驾驶员观测。
这里所称的视频摄像，包括了能够在夜间和雨、雪、雾恶劣天气下进行摄像的红外摄像功能这里所称的线路全程分段无缝摄像，是指一条线路由N个基本摄像头全程覆盖，其中第0号摄像头表示起点，而第N号摄像头表示终点。每个摄像头负责对长度为“N分之一”的线路长度区间进行摄像。两个相邻摄像头之间，所覆盖的被摄像的线路视频图像画面联接处有一定的重合量，这样，驾驶员、以及车站和调度中心的监控员，从视频图像画面上按摄像头的编号号码顺序观测，无论是自动定距显示模式，或是手动选定显示模式，整条线路是连续可观测的。不存在视频断点盲区。
对于车站，还应在站内的各条分支线路上及道岔处布置相应的辅助摄像头。供驾驶员超前调阅观测到前方车站内线路上的车辆停放状况，以及本列车通过线路的进路道岔、信号灯的显示等状况。
3.3总体结构下面介绍系统的总体结构整套系统由(编号0---N)摄像头序列组件1、传输电缆(光缆)2、分布式通讯交换机3、调度指挥中心通讯交换主机4、无线发射基站序列5(编号0---P)、无线视频接收机6(包括接收天线6A、操作键盘6B)、视频显示器7、平交道口可视警报装置8共同组成。
其中；摄像头序列组件1(编号0-N)安装在从起点到终点的线路沿线的牵引电杆上(某些特殊位置、以及非电力牵引线路也可另外架设安装杆)。分布式通讯交换机3安装在沿线的指定车站内(多座车站的交换机分别用3a、3b、3c、……、表示)。通讯交换主机4则安装在线路的运行调度中心内。序列无线发射基站5(编号0---P)安装在线路沿线的指定位置，构成连续阵列，其发射的信号要能够被列车在线路上的任何行驶位置接收到，不能留下盲区。无线视频接收机和视频显示器安装在机车驾驶室内。
3.4详细技术结构下面结合附图进一步介绍发明的详细技术结构
图1是本发明系统的摄像头的安装结构2是本发明系统的固定部分的网络与流程结构图，包括了从摄像头的视频信号摄取到传输给交换机处理，再传输给无线基站的流程图3是本发明系统的无线基站发射信号给列车接收机的示意4是本发明系统的接收机与显示屏在机车驾驶室的安装结构5是系统在车站线路和道岔位置设置的辅助摄像头的结构6是本发明系统在铁路与公路平交道口的可视警报装置的结构与功能示意图由图1可见摄像头安装在线路沿线的电杆上。对某些特殊位置，也可另外架设安装杆安装。无线发射基站也安装在线路沿线的安装杆上。
由图2可见线路的画面由摄像头摄取后，经过视频信号处理电路处理，然后传输给车站的交换机，车站交换机将接收到的视频信号再经过处理后，分为三路，第一路信号A直接进入本车站的监控装置并显示在监控屏幕上，供车站对本辖区的线路状况和列车运行状况进行监控。第二路信号B传输给无线发射基站，再由基站发射给列车接收机，显示在驾驶室的显示屏幕上，供驾驶员观测用。第三路信号C则上传给调度中心交换机，并显示在调度中心的屏幕上，供调度中心作全线路监控用。
由图3可见序列无线发射基站被安装在线路沿线的适当位置，要求其发射的无线电讯号能够被列车可靠接收到，相邻两座无线基站的讯号有效覆盖区域，其辐射边沿应重叠，不能留下讯号盲区。
由图4可见接收机安装在机车驾驶室内的适当部位，而控制键盘安装在机车操纵台上。显示屏则安装在操纵台的上方，驾驶室玻璃窗的下方。并呈一定的倾角。这样驾驶员抬头可以通过玻璃窗进行目视观测，而低头则可以在显示屏上进行超视距观测和选定观测。非常方便由图5可见在铁路与公路的平交道口，安装有本发明系统的可视警报装置8，用于对公路车辆和行人进行可视告警。这一装置其实就是接收机在平交道口的固定应用。它的功能与安装在机车上的接收机基本上相同，只不过显示屏是户外大尺寸的，与车站交换机是有线连接，信号也是由电缆有线传输的。而显示模式则是逆向超视距方式，即以该警报装置为观测原点，显示控制软件是依照来车方向的线路摄像头倒计数顺序，依次显示列车向该道口的逼近过程的方式进行显示，除了以可视方式直观显示列车向道口的逼近过程外，还可以用数码跳变方式直观同步显示列车的速度、离道口的距离、到达道口的倒计时时间等内容、并同时辅以声、光告警。
由图6可见，辅助摄像头是安装在车站内的线路和道岔的上方，以可调俯视方式进行摄像。
3.5可实现的功能本发明系统可以实现下述功能；A，为列车驾驶员提供超视距观测功能和曲线观测功能在本系统中，由于整条线路的全部图像画面均以连续摄像方式被传输到列车接收机内，驾驶员对线路的观测就再也不受目视距离的限制。驾驶员可以通过自动设定或手动选择任何摄像头的图像画面进行显示的方式，观测到从起点到终点的全部线路上任何一个位置的实时视频最新图像画面，这就实现了为驾驶员提供超视距观测的功能。
特别是，本发明系统可以为驾驶员提供曲线观测的功能，驾驶员对线路的观测也不再受目视视线只能直线观测的限制，在弯道上，他也可以通过本系统观测到前方不能直接目视观测的线路状况，例如在山区弯曲线路上，在山的这边，他就可以观测到山那边的线路状况。在弯曲隧道线路上，在进入隧道之前，他不但可以观测到隧道内的线路状况，还可以观测到隧道出口那边的线路状况。即驾驶员获得了前所未有的曲线视物观测功能。对山区铁路来说，这一功能对列车安全保障的意义十分重大。
超视距观测功能和曲线可视观测功能从此使线路全程任何位置对驾驶员来说，都是透明可观测的。这二项功能是本发明系统的主要功能与应用。
B，车站对所辖区间线路的状况与列车运行状况视频实时图像监测功能这一功能是本发明系统的底层基本功能。也是系统位居第二重要性的应用。其任务是对本车站所辖线路区间的线路状况进行实时监控观测，在线路正常状态下进行运行监控。当辖区线路内发生可能导致事故的危险因素如洪水、泥石流、大风雨、塌方、落石、树木与电杆倒塌、电缆断裂、行人和车辆违规进入铁路限界、铁路轨道、桥梁、隧道故障等时，该功能能够第一时间观测到，采取措施进行抢险排除。大的危险因素，则可以根据管辖权限，在进行抢险排除的同时在第一时间以视频直观方式进行上报。
该功能还可以与线路所在地的地方政府的安全应急救援指挥中心联网，当发生大的事故因素、或发生列车脱轨、火灾与毒化事故、即发性事故、恐怖袭击等重大灾难事故时，能够以第一时间向地方政府安全应急救援中心提供事故地点的实时视频图像画面，为抢险救灾赢取最宝贵的针对性决策指挥时间，以及对抢险人员与抢险救灾物资准确调度的时间。
C，铁路调度中心对线路全程的线路状况和列车运行的视频实时图像监测功能这一功能是本发明系统的次级服务功能。与功能2相比，它的任务主要是用于全局性的监控，而且重点在应用于生产性的调度监控功能上，如列车运行图的临时调整，机车、车辆的可视调度。当发生重、特大事故时，也承担铁路系统内的抢险救灾可视调度指挥。
D，在平交道口对公路车辆和行人进行列车到达的提前实时图像视频警示功能这一功能是本发明系统的延伸服务功能，它是通过在平交道口设置大屏幕视频显示器和警报器，与本系统联接，直接向公路车辆和行人提前显示列车的运行状况。当列车到达道口之前的设定危险距离(如5000m)时，则向车辆和行人发出禁止通行的声、光警报。这样，车辆和行人不但能够听到和看到警报，还能够直观地看见行驶中的列车与道口的距离，以及逼近道口的速度、到达道口的准确时刻(以倒计时方式显示)、可以直观地感受到抢越道口的危险程度，从而避免抢越道口的危险行为。防止道口事故的发生。
3.6工作过程下面以一个案例形式，介绍发明系统的基本工作过程基本参数设线路全长为1000km；列车最高行驶速度为360km/h；最长制动距离为2km；驾驶员反应延迟时间的换算距离设为0.5km；列车制动装置的反应延迟时间的换算距离也设为0.5km。极限安全制动距离即设定为3km。
现在设列车即将从起点站出发，驾驶员操作程序如下1，首先将里程计清零；
2，用手动调阅方式依次调阅00001-00029号摄像头的图像画面、结合目视观测，确定该始发段落线路状况良好；3，定距自动显示模式设定在3km，即自动显示的线路图像画面从00030号摄像头开始；4，列车出发，当列车驶过第1个100m时，里程计发出第1个控制触发信号，将显示画面变换为第00031号摄像头的线路图像画面；5，列车驶过第2个100m时，里程计发出第2个控制触发信号，将显示画面变换为第00032号摄像头的线路图像画面；以下依此类推，……；6，列车行进过程中，要经过途中车站时，驾驶员在到达车站入口之前规定距离(例如可规定为3--10km)，即可用手动调阅方式调阅前方车站内的相关辅助摄像头所监控的各条线路状况、站内车辆停放状况、道岔与进路状况、进路信号的状态、站台状况等进行超前观测，以避免车站信号错误、站台异常等造成事故。
7，列车行驶到达终点站，显示屏最后自动显示第10000号摄像头的终点站画面。发明系统为本趟列车的超视距与曲线观测服务结束。
发明技术的优点本系统的主要任务与功能的基本重大意义是在铁路安全保障能力的空前提升上。本发明技术的优点是可以突破性的提高铁路列车的运行安全性。大幅度降低事故、特别是重大、特大事故的发生率。使线路危险因素引致的铁路事故降低到(接近)零的水平由于本发明系统能够为列车驾驶员提供目视视距之外的前方线路的实时图像供观测，也同时提供了直视视距之外的曲线观测功能。线路全程的状况对驾驶员来说，都是透明可见的，相当于任意延长了驾驶员的可观测距离。当前方线路存在任何危险时，驾驶员均能够在列车的最长安全制动刹车距离之外提前观测到，就能够从容不迫地采取减速制动刹车等安全措施，使列车停留在与危险点的安全距离之外，保证列车不接触危险。从而确保了列车在任何线路危险情况下的安全运行。
采用本发明系统以后，列车的运行安全将不再受到驾驶员目视观测距离的限制(包括夜间、暴风雨、大雪、浓雾、弯曲隧道、山区小半径弯道等最恶劣的观测环境所形成的影响与限制)，也不再受到列车速度与牵引载重量的任何限制，除了因列车自身的机械故障或驾驶员错误操作引致的列车脱轨事故、以及无时间差的突然遭遇型的事故(如滚石击中列车)外，任何其它的线路危险，如线路行车信号错误与缺失、列车碰撞、追尾、线路塌方、隧道内与隧道口异常、洪水、泥石流、轨道损坏、桥梁损坏与断裂、线路异物侵入(风雨天气引致的树木倒伏，落石、山体与铁路护坡塌方、电杆倒塌等)、公路车辆与行人违规侵入铁路、交叉道口意外等可能引致事故的危险因素，由于驾驶员均能够在安全制动刹车距离之前提前观测到，从而在遭遇危险之前有足够的时间采取避险措施，因此可以完全避免事故的发生。
本发明系统还具备自监控功能，当任何因素导致摄像头或电缆损坏时，该摄像头的监测画面将在车站监控屏幕上消失或出现异常，辖区车站立即就能知道该线路位置发生了意外，可及时进行处理。而列车驾驶员也能够从该摄像头的视频图像画面的消失或异常中提前发现危险，采取相应措施。
当本发明系统用于地铁与城轨交通时，除了防止线路事故的优点外，更有特别突出的防止车站事故的重大优点采用本发明系统后，由于驾驶员能够提前观测到前方车站的实时图像，因此就能够提前采取避险措施。像韩国大邱地铁那种车站着火后，满载列车还冲入着火的车站，结果造成数百人伤亡的特大惨祸，如果有本发明系统供驾驶员提前观测到前方车站的异常状况，显然是完全可以避免的。
地铁(城轨交通)由于客流的特点与铁路不同，存在非常大的上、下班高峰客流，在高峰时段，车站客流量非常大，人流拥挤不堪，是地铁(城轨交通)事故的主要发生地点，由于车站事故在地铁(城轨交通)事故中占了很大比例，本发明的这一优点对提高地铁(城轨交通)运行的安全性有特殊的效用。
在系统工作正常的前提下，有时间差的线路危险因素将从此不再危及列车安全。今后的列车危险主要来自下列少量低概率因素；1，列车自身事故如脱轨、火灾、爆炸等2，与行进中的列车无空间差、直接击中列车的危险因素，如列车开进中落石、塌方突然发生，直接击中列车。或公路车辆从上方掉落，直接击中列车。
3，恐怖活动即使发生这些类型的事故，本发明系统也能在抢险救援中发挥重大作用，首先是车站安全监控员和调度中心能够在第一时间发现事故，并立即确定事故地点的准确位置和事故现场的损害直观表象程度。其次是能够以可视信息方式迅速报警与组织抢险，第三是在抢险救援过程中，能够以可视方式进行现场监测和指挥调度，加快抢险救援的速度。
实施方式本发明的实施方案与移动通信的实施方式是类似的。实际上，本发明就是一种特殊的铁路(地铁和城轨交通)安全保障专用的有线---无线视频移动通信与行车安全监控系统。
本发明的实施方式是1，确定实施对象线路的总里程长度、线路状况、最大坡度、最小弯道半径、列车最高运行速度，列车最长制动距离，根据这些数据和运行安全要求确定基本摄像头的总数量。
2，根据线路长度与摄像头总数量之比确定每个摄像头的监控区间长度；3，在监控区间内的相应位置安装摄像头，摄像头应是包括了红外摄像功能，有一定变焦调节范围的组合摄像头。
4，在车站内各条支线上方、站台上方，道岔上方，以及其它需要位置安装辅助摄像头5，在调度中心安装通讯交换主机、在线路上系统设计指定的其它监控车站安装局域交换机；6，在线路上的设计位置安装无线发射基站；7，安装连接电缆(光缆)，并将摄像头、通讯交换主机、局域交换机、无线发射基站按设计方案通过电缆(光缆)进行连接，形成系统的视频通讯固定网络部分；8，在机车驾驶室内安装系统的接收机和显示器。形成系统的视频通讯移动终端部分；9，进行系统的技术参数调试；调试完毕后进行试运行；根据试运行数据进行检验评估，并形成系统的运行技术标准和操作规范。
至此，实施完毕。
权利要求
1，一种用于铁路、地铁和轨道交通安全保障的列车超视距和曲线观测系统，由布置在线路上，并按顺序进行了编号的序列摄像头、信号传输电缆和光缆、安装在车站内的通讯交换机、安装在调度中心的通讯交换主机、安装在线路沿线的无线发射基站、安装在列车机车驾驶室内的无线接收机和显示屏共同组成，其特征是摄像头对线路全程进行按顺序分配了号码的分段摄像，所摄取的全部线路图像画面信号由电缆和光缆传输到车站通讯交换机，通讯交换机对信号进行处理后，传输给无线发射基站，由无线基站发射给列车接收机，再由接收机处理后将图像画面显示在显示屏上，供驾驶员观测。
2，根据权利要求1的系统的接收机，其特征是在列车行驶过程中，在列车驾驶员目视距离之外的列车前方线路的图像画面，能够以预先设定的显示程序进行连续调阅，以自动连续显示方式显示在显示屏上，供驾驶员进行超前观测。
3，根据权利要求1的系统，其特征是列车前方线路任何位置的图像画面，驾驶员均能够以直接输入摄像头编号的方式，调阅到显示屏上进行观测。
4，根据权利要求1、权利要求2、权利要求3的系统，其特征是显示屏具备多画面显示功能，可以通过分区显示方式同时显示多个画面，使列车前方线路的图像画面的自动连续显示和按需选择显示，可以在显示屏上同时实现。
5，根据权利要求1的系统，其特征是摄像头是包括了适应正常光线、微弱光线、红外夜视三种摄像功能器件的组合摄像头。
6，根据权利要求1的系统，其特征是系统的摄像头还可以设置在车站站台、车站内的分支线路、道岔、信号灯等位置上，摄取这些位置的视频图像画面，传输给列车接收机并显示在显示屏上，供驾驶员超前观测。
7，根据权利要求1的系统，其特征是系统可以向设置在铁路与公路平交道口的警报装置的视频显示器传送列车行驶的视频图像画面，以提前的可视实时视频图像方式向公路车辆和行人告知列车与平交道口的距离、行驶速度、到达道口的时间等信息和发出相关警报。
8，根据权利要求1的系统，其特征是安装在车站内的通讯交换机可以与当地政府的公共安全应急指挥中心通讯交换机联网，向后者传输线路的实时视频图像画面。
全文摘要
本发明是一种用于铁路(包括地铁与城市轨道交通线路)列车运行时保障行车安全的超视距与曲线观测与监控系统。其主要功能与任务是为列车驾驶员提供线路前方目视距离之外(包括夜间、雨、雪、雾天气、弯道与弯曲隧道等所有恶劣状况下的非目视距离)的观测能力、特别是列车最大安全制动距离之外的超视距观测能力。从而确保列车能够在遭遇危险之前及时减速及制动刹车，将列车停止在危险区域之外，最大程度保障列车的运行安全。
文档编号B61L25/00GK101020466SQ200610020270
公开日2007年8月22日 申请日期2006年2月13日 优先权日2006年2月13日
发明者申朗 申请人:申朗