专利名称：轨道机车多参数实时防火监控装置的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及轨道机车安防设备，特别涉及一种轨道机车多参数实时防火监控装置。
背景技术：
几年，随着我国高速铁路核心技术的突破，我国铁路得到了飞速的发展，京-津、 沪-宁、沪-杭等高速铁路相继开通运行，标志着我国进入高铁时代，国内列车速度已经达到了 350公里/小时。伴随着铁路的高速发展，安全运行始终是铁路永恒的主题。如何解决高速运行中安全问题，尤其是机车防火安全和及时提供相关运行数据及远程应急处理成为新的课题。 由于缺乏机车实时、多信息分析的防火系统，铁路管理部门每年需要花费大量人力、财力， 用于防火安全及处理相关事故和纠纷。以2008年震惊全国的“4. 28，，山东胶济铁路火车事故为例，北京开往青岛的T195 次旅客列车运行至山东省境内胶济铁路周村至王村间，火车因超速引起火灾和脱轨，造成 71人死亡，416人受伤，直接损失巨大。2010年6月30日12时22分，由青岛开往广州的 T162次客运火车沿胶济铁路行至约350公里处车头起火。120余名消防官兵赶赴现场进行救援，车上1000余名乘客被疏散至安全位置。除了传统的内燃机车容易引发火灾，电力机车和我国自主研发的新型电力机车和谐号和城市轨道地铁交通也常有火灾情况发生。2009年7月沈日上午8时15分左右，由西安开往乌鲁木齐的1043次普快列车行至兰新段，牵引列车的电力机车突然起火，2008年 9月3日上午，和谐3型电力机车HXD3型电力机车(“和谐”电3型)，于行驶京沪线10135 次货运列车途中突然起火。2010年8月25日早8点40左右，北京地铁1号线由西往东进入军博站时，后部机车出现明火点。因此，无论是传统的内燃机车，到新的和谐号和城市轨道交通，火灾隐情的防范和应急处理是安全事故预防的重点部分之一，具有非常大的意义。在这一系列的事故中，我们可以看到轨道交通运营过程中除了企业安全生产认识不到位、责任不到位、隐患排查治理不到位和监督管理不到位的严重问题外，还暴露了轨道交通运营中火灾防范技术保障和应对火灾突发事件技术支持手段的缺乏。目前轨道交通机车没有同类的多参数、实时的防火监控系统，已有的铁路监控设备主要是视频监控，附带一些简单的功能。主要通过两种方案来实现。第一种为PC机上插音视频压缩卡的方式。音视频压缩卡插在PC机的PCI插槽上，压缩好的数据通过PCI接口传给PC主机，然后由PC主机把数据写入硬盘。早期的音视频记录装置都通过这种方式来保存音视频数据。第二种方案为采用现有DVR(硬盘录像机)的主板，并附加一些外部电源优化的设备。这两种方案都是以传统的视频监控为主，没有与火灾检测设备做整合，而且无法向地面中心实时传输数据。传统的烟雾报警主要被动的采集烟雾和温度信息，由于空间上的距离，需要在烟雾和温度到达一定浓度时才能起到效果，等到发现时已是火势比较大了， 无法在火灾初期准确判断，并且在内燃机车这种烟雾和温度比较高的地方有可能失效。
实用新型内容本实用新型要解决的问题是，克服现有技术中的不足，提一种轨道机车多参数实时防火监控装置。为解决技术问题，本实用新型的方案是提供一种轨道机车多参数实时防火监控装置，包括烟雾及温度采集模块、音视频采集模块；该装置有一个主CPU及数据存储模块；主CPU及数据存储模块与多参数分析比较模块、WLAN/3G无线模块、车内通信模块、电源模块、显示及输入模块、烟雾及温度采集模块、音视频采集模块之间分别实现电连接。作为一种改进，所述烟雾及温度采集模块通过导线连接至设置于轨道机车内的烟感设备。作为一种改进，所述音视频采集模块通过导线连接至设置于轨道机车内的摄像头。作为一种改进，所述电源模块是双冗余的电源模块，内置嵌入式UPS。作为一种改进，所述WLAN/3G无线模块和音视频采集模块整合在同一块处理板上。本实用新型的有益效果是本实用新型是一种全新的防火监控装置，通过多种参数、多通道和无线通讯技术对机车的运行情况进行分析，为轨道机车提供准确、实时的火灾预警、检测及报警功能。该装置不仅能用于轨道机车的防火，也可用于对防火要求较高的无人值守机房等地方。
图1为本实用新型中防火监控装置的总体架构图；图2为视频采集模块流程图；图3为高温烟感软件工作流程图；图4为明火识别软件算法流程图；图5为预警实现流程图；图6为异常断电自动监测保护的电源系统软件流程图；图7为WLAN/3G板卡设计原理图；图8为主CPU工作流程图。
具体实施方式
以下结合附图，对本实用新型的实现方式进行详细表述。本实用新型主要通过以下两个技术方面来实现1、采用多参数实时监测分析技术，构建了多通道数据采集与双备份冗余合成的结构体系，开发了机车防火数据实时监测与综合监管分析系统，包括设计开发了基于数据通道方式的温度、烟雾浓度等参数实时采集模块，基于视音频通道方式的车内明火图像实时采集模块，通道状态分析与异常切换模块。通过智能算法，对明火和烟雾信息进行智能分析，融合了烟雾、明火、温度三个数据来达到防火的目的，往往能在火灾的初期得到准确的判断，提高火灾报警的精度。2、设计了基于WLAN/3G无线数据传输技术和网络速率自适应技术的机车与地面实时数据通信系统，解决了地面在线监控机车实时状态的问题。当机车进站或进机务段时， 通过WLAN自动与地面分析系统建立数据交换连接，免去一般车载设备产品必须将数据存储模块取下来之后才能进行数据读取的弊端。通过3G模块可向地面发送实时的数据和图像信息，为火灾事故发生时组织快速有效的救援行动提供条件。(1)系统架构设计轨道交通机车安全运行多参数防火监控系统，是利用先进的计算机、网络通信、物联网数据采集技术以及视音频编码等多项技术开发的一套专用机车安全防火运行系统，其总体架构如图1所示。轨道机车多参数实时防火监控装置，有一个主CPU及数据存储模块，与多参数分析比较模块、WLAN/3G无线模块、车内通信模块、电源模块、显示及输入模块、烟雾及温度采集模块、音视频采集模块之间分别实现电连接。(2)系统主要功能模块采集子系统该子系统主要负责机车内相关火灾隐患信息的数据采集，主要包括以下几个功能模块(a)音视频采集模块该模块主要由摄像头和数据采集板组成，通过监控摄像头对所要监控的设备间及相关火灾隐患点的图像和音频进行实时数据采集，将采集到的音视频数据压缩存储在数据存储设备上，音视频数据采集采用H. 264标准。同时提供多参数分析子系统进行实时分析处理；(b)烟雾及温度采集模块主要由高温烟感设备和数据采集板组成，通过高温烟感设备对设备间和相关火灾隐患点的烟雾浓度、温度数据进行实时数据采集，将采集到的数据进行存储，同时提供给多参数分析子系统进行实时分析处理。多参数分析比较模块该模块采用多参数分析处理机制，主要负责对采集子系统提供的数据进行实时分析处理。该模块通过内嵌DSP中的智能算法对图像进行分析，可以判断烟雾和明火信息。同时，通过温度、烟雾采集模块的数据，可以对机车内烟雾和温度进行分析；通过图像分析的得到的数据和温度、烟雾采集模块数据分析比较，提供告警信息，提高了预警的准确性，同时对火灾现场实时状况做到了清晰的判断，对火灾后处理提供了可靠的保障。传输子系统提供车内火灾预警信息的实时传输和远程信息的实时传输功能，该系统设计采用了多通道的设计理念，提高了系统的可靠性和稳定性。(a)车内通信模块车内通信模块主要包括通信的标准选择和电器接口标准选择。在通信标准方面使用MODBUS通信标准，485总线作为通信载体，双向的数据通信，带 CRC数据校验，杜绝误报漏报等情况发生。在电器接口方面采用了铁路标准的航空头接口设计，同时为了避免操作错误，对不同类别的通信线缆进行了单独的设计，电源、温度、烟雾、 视频、通信等采用了 4 9芯不同的接口设计，提高了设备的易用性。(b)WLAN/3G无线模块该模块主要负责车内系统和远程地面指挥系统间的传输、 通信。通过铁路系统的WLAN/3G网络，将机车内的图像、烟雾浓度、温度等相关信息传输到地面指挥系统。同时该模块设计采用了自适应的速率调整机制，通过内嵌DSP模块的智能分析软件，测试网络质量，根据不同的传输带宽进行传输信息码流的自适应调整，提高了传输系统的稳定性。电源模块对整个系统的设备(包括本机架设备、外接设备)供电，具有宽广的电源适应性和实时的主备电源切换功能，确保整个系统在机车内部复杂的供电环境下正常稳定地工作。主CPU及数据存储模块是整套装置的大脑，其主要负责音视频数据和烟雾、温度报警数据的存储及各个数据模块间的数据传输，一个主CPU可以接1-2个硬盘，工作系统可根据需要配制成单模块、双模块负荷分担、双模块主从备份、双模块全实时备份等各种储存模式。数据采集外设数据采集外设主要包括摄像头及封装支架、液晶显示器(含键盘控制板)、拾音器、高温烟感、电缆等。(3)系统主要功能模块的工作流程烟雾及温度采集模块使用MODBUS通信标准，485总线作为通信载体，最多能连接1 个烟雾报警终端。 具备声光显示报警功能，当某个烟感报警时，监控主机相对应的LED显示红色，并附带声音报警。预留与机车TAX箱接口，可进行机车时间里程的读取。预留存储功能，可将报警事件信息存储，已被时候调用。预留串口输出，用户可通过电脑读取监控主机内报警数据。采用工业级总线设计，线路和监控主机烟雾报警具有光电隔离，满足电磁兼容的要求。具备复位按钮，可人工进行报警复位。音视频采集模块一块音视频采集模块负责8到16路(可根据需要进行配置)的视频图像采集和压缩，并传输给主CPU模块。其工作流程如图2所示。烟感设备本实施例中选用高温数字烟感，它跟传统的烟感报警器比有以下特点耐高温，工作温度为-10 120°c，产品使用的芯片，电源属于机车级别(符合国家铁路标准)，电阻， 电容，线路板都按照该级别标准做了挑选，外壳使用耐高温材料，引出线使用耐高温硅胶线等。使用MODBUS通信标准，485总线作为通信载体，双向的数据通信，带CRC数据校验，杜绝误报，漏报等情况发生。可按查询方式返回烟感状态，主机可随时知道各个烟感状态。采用 4线总线布线方式，2根电源线，2根信号线，使用屏蔽双绞线最远无中继距离可达1000M，一个报警主机最多可挂载1 个数字烟感。预留烟感敏感度调节功能，可通过烟感传感器上面的旋钮调节，也可通过报警主机输入调节(需要报警主机支持)。烟感带有测试及静音模式，测试模式可以模拟报警信号发出报警，静音模式适用于排烟及灭火过程中消除烦人的报警声。静音模式可通过烟感传感器上按钮或者报警主机设置。采用防暴电容，杜绝意外； 接口防雷，防浪涌设计，最高耐压可达观；防虫式光学迷宫设计；机壳采用耐高温屏蔽材料设计；二重指令码确认，防止误报误发；ADC均值处理，防止短时外界干扰。其工作流程如图 3所示。多参数分析比较模块为了达到高准确性要求，传统的单一数据采集来源无法达到99. 9%的要求，因此，在系统设计时采用了烟雾、温度传感和视频分析两种不同的分析机制，即多参数实时监测分析技术，通过DSP算法对音视频通道采集的图像和音频信息进行分析，提供明火和烟雾告警信息，与另一通道采集的烟雾、温度信息进行对比，以提高系统的准确性要求；同时视频图像的分析还能够提供乘务员现场火灾的实时程度，提高了判断的准确性。(1)视频智能分析作为高可靠性要求的一个重要保障-视频分析是系统的核心功能之一，明火信息通过视频图像的智能分析进行采集，图像的智能分析采用嵌入式DSP 软件算法，其明火识别软件算法实现的流程如图4所示。(2)多参数分析在视频分析处理过程中，系统自动和高温烟感采集的数据进行比较，通过系统的不同信息源的判断，给出报警信息，提高了系统的准确率，根据测试，系统的准确性可达到99. 9%的设计要求。预警实现流程如图5所示.通过多通道、多参数的数据采集、比较，可以大幅度提高系统的预警准确性和防火系统的可靠性，实现了防火系统的综合监管分析，多通道、多参数的系统设计思路，打破了传统系统的设计理念，提高了系统的可靠性和实用性。特别需要指出的是，本实用新型中所述的多参数分析比较模块是一个内置于嵌入式DSP的软件功能模块。其具体的实现方式可以有很多种，本领域技术人员在了解本实用新型设计思路及该模块功能描述之后，完全可以根据其掌握的基本技能实现该功能模块的编程与运行，不存在无法理解或无法再现的可能性。电源模块电力机车由27000V的牵引电对机车进行供电，高压经过变压器等一些列降压措施，减低到IlOV对电器系统进行供电。然而由于变压器等一系列降压设备对瞬间脉冲和瞬态浪涌不能完全过滤，所以Iiov电压会经常伴随着大于1800V的直接瞬态电压和大于正常输入电压3倍以上的浪涌电压。当电车升弓时，会出现电源的波动范围在DC 77V 137V之间。通过采用VICOR的双冗余的电源模块，增加了抗浪涌抗尖峰电路，同时设计内置嵌入式UPS，重点考虑了系统在浪涌时的充放电处理。因而使电源具有以下几点性能具备耐瞬态尖峰电压2000V以上功能；具备抗正常输入电压3. 5倍以上浪涌的功能； 具备内置UPS功能。与之配套的异常断电自动监测保护的电源系统软件工作流程如图6所WLAN/3G无线模块主要用于机车内的图像和数据进行实时的传输，系统设计重点解决图像的传输，在设计上将WLAN/3G无线模块和音视频采集模块整合在同一块处理板上，通过板卡上的处理器对要进行传输的图像进行处理，提高了系统的稳定性。WLAN/3G板卡设计原理图如图7所示。主CPU及数据存储模块其中的主CPU负责控制整个系统，协调各个模块间的数据传输；其中的数据存储设备负责存储音视频监控数据和烟感温度的报警信息。主CPU工作流程如图8所示。
权利要求1.轨道机车多参数实时防火监控装置，包括烟雾及温度采集模块、音视频采集模块，其特征在于，该装置有一个主CPU及数据存储模块；主CPU及数据存储模块与多参数分析比较模块、WLAN/3G无线模块、车内通信模块、电源模块、显示及输入模块、烟雾及温度采集模块、 音视频采集模块之间分别实现电连接。
2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述烟雾及温度采集模块通过导线连接至设置于轨道机车内的烟感设备。
3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述音视频采集模块通过导线连接至设置于轨道机车内的摄像头。
4.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述电源模块是双冗余的电源模块，内置嵌入式UPS。
5.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述WLAN/3G无线模块和音视频采集模块整合在同一块处理板上。
专利摘要本实用新型涉及轨道机车安防设备，旨在提供一种轨道机车多参数实时防火监控装置。该装置包括烟雾及温度采集模块、音视频采集模块、主CPU及数据存储模；主CPU及数据存储模块与多参数分析比较模块、WLAN/3G无线模块、车内通信模块、电源模块、显示及输入模块、烟雾及温度采集模块、音视频采集模块之间分别实现电连接。本实用新型是一种全新的防火监控装置，通过多种参数、多通道和无线通讯技术对机车的运行情况进行分析，为轨道机车提供准确、实时的火灾预警、检测及报警功能。该装置不仅能用于轨道机车的防火，也可用于对防火要求较高的无人值守机房等地方。
文档编号B61K13/04GK202093640SQ20112015974
公开日2011年12月28日 申请日期2011年5月18日 优先权日2011年5月18日
发明者郑军 申请人:杭州智群科技有限公司