一种铁路机车整备作业安全辅助管控系统的制作方法

本实用新型涉及机车整备作业安全技术领域，尤其涉及一种铁路机车整备作业安全辅助管控系统。

背景技术：

铁路机务段的机车整备作业是铁路运输过程中涉及运输安全的重要步骤。整备作业中需要使用各种仪器、工具、材料，在作业完成后，如有仪器、工具、材料遗留在车顶工作现场，会造成接触网短路；遗留在车体、车底工作现场，会造成机车柴油机、发电机、走行部分等运转部分发生故障，给铁路运营带来安全隐患甚至威胁到人身安全。目前，还没有一个铁路机车整备作业安全辅助管控系统能够在管理工具的同时，还能给外部系统提供信息，来保障机车整备作业安全的系统。

其次，现今的智能工具箱的无线射频识别通过对被识别物体和读取模块相对固定的方式来进行，即要求在智能工具箱中刻制有工具摆放位置的模型来固定工具摆放位置，使其与读取模块一一对应，容易造成因工具摆放位置错误造成系统误判的情况，并且，目前的智能工具箱不能实现同一时间识别多个标签，不能实现工具数量的随意变更，不够智能化。

技术实现要素：

本实用新型的目的是通过以下技术方案来实现的：一种铁路机车整备作业安全辅助管控系统，系统包括：至少一个用于识别带有RFID标签的工具的智能工具箱、和管理智能工具箱的智能工具柜。

智能工具箱包括箱体和第一内部电路，箱子的RFID标签设置于外部壳体，第一内部电路包括：第一总控模块、第一多标签读取模块、第一标签识别模块；第一多标签读取模块读取位于智能工具箱内部的工具的RFID标签信息，输出至第一标签识别模块，第一标签识别模块的输出端与第一总控模块连接。

智能工具柜包括柜体、嵌入式触摸屏一体机和第二内部电路，第二内部电路包括：第二总控模块、第二多标签读取模块、第二标签识别模块和外部通信模块；第二多标签读取模块读取位于柜体内部的智能工具箱上的RFID标签信息，输出至第二标签识别模块，第二标签识别模块的输出端与第二总控模块连接。

智能工具箱的第一总控模块与智能工具柜的第二总控模块通过第一继电器实现电路的导通，通过充电插座中的两根导线实现工具在位信息的传递。

智能工具柜第二总控模块与嵌入式触摸屏一体机双向连接，嵌入式触摸屏一体机输出端与外部通信模块连接，用于向外部系统发送机车整备作业安全信息，能够实现通过外部系统控制铁路机车整备作业过程中的安全；例如，本实用新型能够通过外部通信模块向其他外部系统发送机车整备作业安全完成的信息，工作人员获得此信息后可以允许接触网上电工作。

具体地，第一总控模块和第二总控模块，采用ARDUINOUNO控制板，以 ATmega328作为控制芯片。

具体地，多标签读取模块包括第一多标签读取模块和第二多标签读取模块；多标签读取模块具有多标签ID读取的防冲突功能，为防止同时读取多标签时的冲突，使多个标签的ID可一次性被一个读取模块识别，读取模块和标签之间通过标签的唯一标识符UID来进行防冲突循环处理，采用的防冲突算法为16时隙方式和单时隙方式，因此，多标签读取模块能够读取在0.1-0.5m范围的所有标签，即使相隔很近甚至有部分重叠的标签，即可识别所有放入智能工具箱内任意摆放的带标签的工具，并将识别到的标签信息发送给标签识别模块进行数据处理；多标签读取模块采用的是一款基于ISO15693协议射频识别技术的RFID 标签读写器，是专门针对桌面小批量电子标签识别而设计定制的一款一体化读写器，其工作原理与HX9190U-IE相同，工作频率为13.56MHZ，发射功率是350mW，输出功率1.5W，最大功耗是1W，通过12V直流电压供电。

具体地，标签识别模块对多标签读取模块传输的标签信息进行信号处理再传输到总控模块，包括第一标签识别模块和第二标签识别模块；第一标签识别模块的D2-D3引脚与第一多标签读取模块的TTL引脚连接，第二标签识别模块的D2-D3引脚与第二多标签读取模块的TTL引脚连接。

具体地，系统还包括电源模块，第一电源模块是可充电锂电池组，输出电压12V，为第一总控模块、第一多标签读取模块和第一标签识别模块供电；第二电源模块是外部电源，通过整流器输出12V电压为第二总控模块、第二多标签读取模块、第二标签识别模块供电。

具体地，第一电源模块还包括自动省电单元，自动省电单元包括第二继电器，第二继电器线圈设于第一电源模块负极与第一总控模块的POW-ON引脚之间，第二继电器触点组设于第一点与第二点之间，其中第一点为第一标签多读取模块/第一标签识别模块与第一电源模块连接的公共连接点，第二点为第一总控模块与第一电源模块之间的任意一点。当第一总控模块接收到光线检测模块发送的信息后，第一总控模块使第二继电器闭合，从而使第一多标签识别模块和第一多标签读取模块上电，5秒后第二继电器再次断开，达到省电的目的。

具体地，智能工具箱包括箱盖检测模块，箱盖检测模块的输出端与第一总控模块ST引脚连接，包括光敏传感器和第一触点式开关，光敏传感器与第一总控模块输入端连接，第一触点式开关与第一总控模块输入端连接；光敏传感器用于检测智能工具箱内可见光强度，固定于箱盖内侧，感光元件朝向箱内；第一触点式开关设于箱体和智能工具箱盖子闭合时接触的位置，通过物理方式检测智能工具箱盖子的状态；智能工具柜包括第二触点式开关，第二触点式开关与第二总控模块输入端连接，设于柜体和智能工具柜柜门关闭时接触的位置，通过物理方式检测智能工具柜柜门的状态。

具体地，系统还包括报警模块，第一报警模块设于智能工具箱外部，包括至少一个蜂鸣器和/或LED灯，第一报警模块输入端与第一总控模块连接；第二报警模块设于智能工具柜外部，包括至少一个蜂鸣器和/或LED灯，第二报警模块输入端与第二总控模块连接；智能工具箱和/或智能工具柜正面安装有绿、蓝、红三种LED灯，可以不同的闪烁组合表示不同的信号。如绿灯亮表示工具都在智能工具箱内(智能工具箱都在智能工具柜内)；蓝灯亮表示有其他未注册工具在智能工具箱内(智能工具柜中有其他未注册的智能工具箱)；红灯亮表示智能工具箱中缺少工具(智能工具柜中缺少智能工具箱)；红灯和蓝灯同时亮表示智能工具箱内缺少工具且有其他未注册工具(智能工具柜内缺少智能工具箱且有其他未注册智能工具箱)；智能工具箱上的三灯同时全亮表示标签进入注册状态；三灯同时闪烁表示智能工具箱(智能工具柜)门处于打开状态；三灯全部熄灭表示系统发生故障，需要人为处置。在缺少工具或者有其他未注册工具在智能工具箱内(缺少或有其他未注册智能工具箱在智能工具柜内)时，蜂鸣器会同时发出警报声。

具体地，智能工具箱还包括离线注册模块，离线注册模块输出端与第一总控模块I/O引脚连接，包括拨码开关和确认开关，具有自动注册功能，如专利申请号为201310353841.6的发明专利申请文件中充分公开的技术内容，可以在不需要计算机连接的状态下，对工具上的标签进行识别重新编码，同时将其存储到第一总控模块指定的内存区域，从而完成被监控工具标签的离线注册绑定工作，即对智能工具箱内更换的工具标签进行离线注册。

具体地，系统包括身份认证模块和柜门解锁模块，柜门解锁模块输入端与第二总控模块UNLOCK引脚连接；身份认证模块是IC卡，工作人员持IC卡在嵌入式触摸屏一体机上进行数据通信(身份认证)，通过身份认证后，第二总控模块使柜门解锁模块开始工作，打开智能工具柜对应的柜门，领取智能工具箱进行机车作业的整备工作。

具体地，智能工具箱包括至少一个工具，工具包括但不限于扳手、螺丝刀、榔头、测力计、秒表、直尺、水平尺、抹布、渗漏检查剂等，工具上都安装有唯一ID的高频无线射频标签；智能工具柜包括至少一个智能工具箱。

具体地，外部通信模块可以是有线通信或无线通信的一种。

具体地，在本系统无法读取标签信息时，或者智能工具箱/智能工具柜发生故障时，本系统会按照“故障导向安全”的原则(当信号设备发生故障时，应以特殊的方式做出反应并导向安全)，通过触摸屏一体机发出警示，要求人工处置。

与现有技术相比，本实用新型有益效果是：

(1)智能工具箱和智能工具柜配合使用，可以向外部系统发送机车整备作业安全信息，对铁路机车整备作业中使用工具的系统化管理起到积极作用；

(2)具有同时识别多个无序的、在一定范围的多个标签的功能，智能工具箱内不需要刻模，工具可随意摆放，可随时调整智能工具箱内工具的数量；

(3)具有离线注册功能，可以在作业现场对工具进行重新注册；

(4)实现了智能工具柜与智能工具箱绑定，智能工具箱与工具绑定，保证了工具不遗留在作业现场的同时，智能工具箱整体也不会遗留在作业现场。

附图说明

下面结合附图对本实用新型的具体实施方式作进一步详细的说明。

图1为本实用新型实施例1的智能工具箱系统框图；

图2为本实用新型实施例1的智能工具柜系统框图；

图3为本实用新型实施例1的智能工具箱和智能工具柜连接的系统框图；

图4为本实用新型实施例1的智能工具箱详细电路原理图；

图5为本实用新型实施例1的智能工具柜详细电路原理图；

具体实施方式

为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面结合附图进一步详细描述本实用新型的技术方案，应当理解，此处所描述的实施例仅用于说明和解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。

在实施例1中，一种铁路机车整备作业安全辅助管控系统，系统包括：至少一个用于识别带有RFID标签的工具的智能工具箱、和管理智能工具箱的智能工具柜。

如图1所示，智能工具箱包括箱体和第一内部电路，箱子的RFID标签设置于外部壳体，第一内部电路包括：第一总控模块、第一多标签读取模块、第一标签识别模块；第一多标签读取模块读取位于智能工具箱内部的工具的RFID标签信息，输出至第一标签识别模块，第一标签识别模块的输出端与第一总控模块连接。

如图2所示，智能工具柜包括柜体和第二内部电路，第二内部电路包括：第二总控模块、第二多标签读取模块、第二标签识别模块、嵌入式触摸屏一体机和外部通信模块；第二多标签读取模块读取位于柜体内部的智能工具箱上的 RFID标签信息，输出至第二标签识别模块，第二标签识别模块的输出端与第二总控模块连接。

如图3所示，智能工具箱的第一总控模块的D13引脚与第一继电器 (A1-01K82)的线圈相连，智能工具柜的第二总控模块的D13引脚与第一继电器(A1-01K82)的触点组相连，实现第一总控模块通过控制继电器线圈的通断从而控制第二总控模块触发电路的导通，进而通过充电插座中的两根导线实现工具在位信息的传递。

智能工具柜第二总控模块与嵌入式触摸屏一体机双向连接，嵌入式触摸屏一体机输出端与外部通信模块连接，用于向外部系统发送机车整备作业安全信息。

在本实施例中，工作人员在机车整备作业中，将智能工具箱内部的工具拿出进行整备工作后放回智能工具箱，智能工具箱检测工具在位状态。智能工具箱放回智能工具柜后，智能工具柜对智能工具箱及智能工具箱中的工具进行管理，智能工具柜检测到所有工具及智能工具箱准确归还后，通过外部通信模块向外部系统发送机车整备作业安全信息。

其中，智能工具箱的内部电路工作原理如图4所示，作业人员在完成整备作业工作将工具放入智能工具箱，关闭智能工具箱盖子，第一多标签读取模块 (A1-01K11)开始多标签的读取工作，第一多标签读取模块(A1-01K11)读取智能工具箱内所有工具的标签信息，并将检测的数据信息经第一标签识别模块 (A1-01K31)传输到第一总控模块(A1-01K51)。5秒钟后停止向第一标签读取模块(A1-01K11)、第一标签识别模块(A1-01K31)供电。

智能工具柜的内部电路工作原理如图5所示，工作人员将智能工具箱归还至智能工具柜，关闭智能工具柜柜门，第二多标签读取模块(A2-01K11)读取智能工具箱上的标签信息，并将检测的数据信息经第二标签识别模块 (A2-01K21)传输到第二总控模块(A2-01K41)。同时，智能工具箱的第一总控模块的D13引脚与继电器(A1-01K82)的线圈相连，智能工具柜的第二总控模块的D13引脚与继电器(A1-01K82)的触点组相连，将智能工具箱中工具在位状态发送到第二总控模块中，若所有工具及智能工具箱准确归还，智能工具柜经嵌入式触摸屏一体机、外部通信模块向外部系统发出机车整备作业安全信息。

第一总控模块和第二总控模块，采用ARDUINOUNO控制板，以ATmega328作为控制芯片。

多标签读取模块包括第一多标签读取模块和第二多标签读取模块；多标签读取模块具有多标签ID读取的防冲突功能，为防止同时读取多标签时的冲突，使多个标签的ID可一次性被一个读取模块识别，读取模块和标签之间通过标签的唯一标识符UID来进行防冲突循环处理，采用的防冲突算法为16时隙方式和单时隙方式，因此，多标签读取模块能够读取在0.1-0.5m范围的的所有标签，即使相隔很近甚至有部分重叠的标签，即可识别所有放入智能工具箱内任意摆放的带标签的工具，并将识别到的标签信息发送给标签识别模块进行数据处理；多标签读取模块采用的是一款基于ISO15693协议射频识别技术的RFID标签读写器，是专门针对桌面小批量电子标签识别而设计定制的一款一体化读写器，其工作原理与HX9190U-IE相同，工作频率为13.56MHZ，发射功率是350mW，输出功率1.5W，最大功耗是1W，通过12V直流电压供电。

标签识别模块包括第一标签识别模块和第二标签识别模块；标签识别模块的输入端与多标签读取模块的输出端连接，对多标签读取模块传输的标签信息进行信号处理再传输到总控模块。

系统还包括电源模块，第一电源模块是可充电锂电池组，输出电压12V，为第一总控模块、第一多标签读取模块和第一标签识别模块供电；第二电源模块是外部电源，通过整流器输出12V电压为第二总控模块、第二多标签读取模块、第二标签识别模块供电。

第一电源模块还包括自动省电单元，自动省电单元包括第二继电器，第二继电器线圈设于第一电源模块负极与第一总控模块的引脚输出端之间，第二继电器触点组设于第一点与第二点之间，其中第一点为第一标签多读取模块/第一标签识别模块与第一电源模块连接的公共连接点，第二点为第一总控模块与第一电源模块之间的任意一点。当第一总控模块接收到箱盖检测模块发送的信息后，第一总控模块使第二继电器闭合，从而使第一多标签识别模块和第一多标签读取模块上电，5秒后第二继电器再次断开，达到省电的目的。

智能工具箱包括箱盖检测模块，箱盖检测模块的输出端与第一总控模块ST 引脚连接，包括光敏传感器和第一触点式开关，光敏传感器与第一总控模块输入端连接，第一触点式开关与第一总控模块输入端连接；光敏传感器用于检测智能工具箱内可见光强度，固定于箱盖内侧，感光元件朝向箱内；第一触点式开关设于箱体和智能工具箱盖子闭合时接触的位置，通过物理方式检测智能工具箱盖子的状态；智能工具柜包括第二触点式开关，第二触点式开关与第二总控模块输入端连接，设于柜体和智能工具柜柜门关闭时接触的位置，通过物理方式检测智能工具柜柜门的状态。

系统还包括报警模块，第一报警模块设于智能工具箱外部，包括至少一个蜂鸣器和/或LED灯，第一报警模块输入端与第一总控模块连接；第二报警模块设于智能工具柜外部，包括至少一个蜂鸣器和/或LED灯，第二报警模块输入端与第二总控模块连接；智能工具箱或智能工具柜正面安装有绿、蓝、红三种LED 灯，可以不同的闪烁组合表示不同的信号。如绿灯亮表示工具都在智能工具箱内(智能工具箱都在智能工具柜内)；蓝灯亮表示有其他未注册工具在智能工具箱内(智能工具柜中有其他未注册的智能工具箱)；红灯亮表示智能工具箱中缺少工具(智能工具柜中缺少智能工具箱)；红灯和蓝灯同时亮表示智能工具箱内缺少工具且有其他未注册工具(红灯和蓝灯同时亮表示智能工具柜内缺少智能工具箱且有其他未注册智能工具箱)；智能工具箱上的三灯同时全亮表示标签进入注册状态；三灯同时闪烁表示智能工具箱(智能工具柜)门处于打开状态；三灯全部熄灭表示系统发生故障，需要人为处置。在缺少工具或者有其他未注册工具在智能工具箱内(缺少或有其他未注册智能工具箱在智能工具柜内)时，蜂鸣器会同时发出警报声。

智能工具箱还包括离线注册模块，其输出端与第一总控模块连接，包括拨码开关和确认开关，具有自动注册功能，如专利申请号为201310353841.6的发明专利申请文件中充分公开的技术内容，可以在不需要计算机连接的状态下，对工具上的标签进行识别重新编码，同时将其存储到第一总控模块指定的内存区域，从而完成被监控工具标签的离线注册绑定工作，即对智能工具箱内更换的工具标签进行离线注册。

智能工具柜的内部电路设有身份认证模块和柜门解锁模块，柜门解锁模块输入端与第二总控模块连接；身份认证模块是IC卡，工作人员持IC卡在嵌入式触摸屏一体机上进行数据通信(身份认证)，通过身份认证后，第二总控模块使柜门解锁模块开始工作，打开智能工具柜对应的柜门，领取智能工具箱进行机车作业的整备工作。

智能工具箱包括至少一个工具，工具包括但不限于扳手、螺丝刀、榔头、测力计、秒表、直尺、水平尺、抹布、渗漏检查剂等，工具上都安装有唯一ID 的高频无线射频标签；智能工具柜包括至少一个智能工具箱。

外部通信模块可以是有线通信和无线通信的一种。

在本系统无法读取标签信息时，或者智能工具箱/智能工具柜发生故障时，本系统会按照“故障导向安全”的原则，通过触摸屏一体机发出警示，要求人工处置。

如图4和图5所示，本系统的具体工作原理如下：

在开始铁路机车整备作业前，工作人员持IC卡(A2-01K72)进行注册，嵌入式触摸屏一体机对IC卡信息进行认证，若认证无误，嵌入式触摸屏一体机向第二总控模块(A2-01K41)传输身份认证无误的信号，第二总控模块(A2-01K41) 接收到嵌入式触摸屏一体机发送到信号后，控制柜门解锁模块(A2-01K71)打开柜门，作业人员领取智能工具箱。若认证有误，智能工具柜柜门无法打开，工作人员将无法拿到智能工具箱。作业人员在完成整备作业工作后，将工具放入智能工具箱，关闭智能工具箱盖子，光敏传感器单元和/或第一触点式开关检测到智能工具箱盖子闭合的信息，并将此信息传输到第一总控模块(A1-01K51)，第一总控模块(A1-01K51)发出控制信号使第一多标签读取模块(A1-01K11) 上电5秒开始多标签的读取工作。第一多标签读取模块(A1-01K11)读取智能工具箱内所有工具的标签信息，并将检测的数据信息经第一标签识别模块 (A1-01K31)进行解析，并传输到第一总控模块(A1-01K51)，第一总控模块 (A1-01K51)解析此数据信息，控制第一报警模块开始工作。若工具都准确归还，绿色LED警示灯(A1-01H52)点亮；若智能工具箱内的工具不齐全，红色LED警示灯(A1-01H62)点亮，蜂鸣器(A1-01H41)发出报警声；若智能工具箱内有非注册的工具，蓝色LED警示灯(A1-01H61)点亮，蜂鸣器(A1-01H41) 发出报警声；若智能工具箱内的工具缺少且有非注册的工具，红色LED警示灯 (A1-01H62)、蓝色LED警示灯(A1-01H61)同时点亮，且蜂鸣器(A1-01H41) 发出报警声。

工作人员若需要对工具重新注册，可通过离线注册模块(A1-01K71)来完成，离线注册模块包括拨码开关和确认开关，工作人员可通过拨码开关对安装在智能工具箱和工具上的标签进行重新编码并通过确认开关将新的编码信息存储到第一总控模块的内存区，实现离线注册。

工作人员将智能工具箱归还至智能工具柜，接上充电电源，关闭柜门，第二触点式开关检测到智能工具柜柜门关闭的信息传输到第二总控模块 (A2-01K41)，第二总控模块(A2-01K41)发送控制信息使第二多标签读取模块(A2-01K11)上电开始工作，第二多标签读取模块同时读取智能工具箱上的标签信息，并将检测的数据信息经第二标签识别模块(A2-01K21)传输到第二总控模块(A2-01K41)。同时，智能工具箱的第一总控模块的D13引脚、电源负级与第一继电器(A1-01K82)的线圈两端连接，智能工具柜的第二总控模块的D13引脚、第二总控模块5V输出端引脚与第一继电器(A1-01K82)的触点组两端连接，实现第一总控模块通过控制继电器线圈的通断从而控制第二总控模块触发电路的通断；第一总控模块通过第一继电器两个触点组信号在智能工具箱放入工具柜充电时的充电插座中的两根导线输出智能工具箱中工具的在位信息到第二总控模块。

第二总控模块(A2-01K41)通过智能工具箱在位、智能工具箱中工具在位信息，控制第二报警模块工作，发出相应的报警信息，同时嵌入式触摸屏一体机会在屏幕发出相应的报警提示，嵌入式触摸屏一体机通过外部通信模块向外部系统发出不安全信号；若智能工具箱和智能工具箱内的工具都正确归还，嵌入式触摸屏一体机通过外部通信模块向外部系统发出机车整备作业安全信息，对铁路机车整备作业中使用工具的系统化管理起到积极作用。

以上具体实施方式是对本实用新型的详细说明，不能认定本实用新型的具体实施方式只局限于这些说明，对于本实用新型所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型构思的前提下，还可以做出若干简单推演和替代，都应当视为属于本实用新型的保护范围。