一种高铁车站上水作业安全卡控系统的制作方法

本实用新型涉及一种安全卡控系统，具体是一种用于高铁车站列车上水作业的安全卡控系统。

背景技术：

目前高铁车站的上水作业过程存在信息沟通渠道不畅、作业过程安全卡控手段不到位、上水服务质量考核监督无科学依据等问题。这导致一些涉及行车安全的矛盾日显突出。

要解决上面的问题，需要从规范作业流程和强化技术防控手段两方面入手。

在技术设备方面应当针对上水作业过程中的几个关键点，综合设计多重卡控手段，最大程度地降低上水作业过程中的安全风险，以达到有效提升上水服务质量的目的。

具体的，设备改造与升级应当实现：建设上水作业过程卡控系统，能够远程实时监控旅客列车上水作业现场生产运营状况、上水设备运行情况、上水作业过程状态、安全控制上水设备运营管理、提供实时及历史上水作业数据分析报表，以发现上水作业过程中存在的问题。

此外，在管理方面，应当结合优化运行方式建立车站上水质量服务评估系统、上水作业流程标准化系统和上水作业安全生产体系系统，实现车站相关部门对旅客列车上水作的全面安全监控、上水控制、分析和评估，科学、合理地制定车站水作业考核标准和考核体系。

规范的管理是技术设备的设计依据和基础，技术设备是提高管理水平的重要保障。在实现旅客列车上水作业系统的安全、可靠、经济和高效运营的过程中上水作业安全卡控系统的建设至关重要，但是目前这一领域仍存在诸多技术空白。

技术实现要素：

针对现有技术存在的上述不足，本实用新型的目的是：提供一种能够远程实时监控旅客列车上水作业现场生产运营状况、上水设备运行情况、上水作业过程状态(特别是注水口是否拔出、归位)以实现安全控制上水设备运营管理，并且可以提供实时及历史上水作业数据分析报表，以发现上水作业过程中存在问题的高铁车站上水作业安全卡控系统。

为了实现上述目的，本实用新型采用了以下的技术方案。

一种高铁车站上水作业安全卡控系统，其特征在于：它包括现场采集子系统、数据传输子系统和监控管理子系统；

所述监控管理子系统主要由上水系统服务器构成；

所述现场采集子系统主要由上水管理机、上水确认机和上水控制机构成；在每条单排股道上均设置有N台上水控制机，1台上水管理机和2台上水确认机；所述上水控制机用于实现上水作业操作控制和采集上水设备运行状态参数，所述上水控制机通过RS485总线与上水管理机和上水确认机实现通信连接；设置在各条单排股道上的各台上水管理机通过ZigBee通信实现与中心管理机相通信；

所述数据传输子系统用于实现监控管理子系统和现场采集子系统之间的数据交换，所述数据传输子系统主要由GPRS传输模块和3G传输模块构成。

进一步的，所述上水控制机与车站给水站的给水管相连接；与列车上水接头对接的上水控制机的上水接头处设置有位置传感器；上水控制机能对列车进行遥控上水，上水控制机能将上水控制机的关停机信息发送给上水管理机；所述上水确认机上设置有上水结束指示灯。

进一步的，上水控制机内还配置有ZigBee模块，通过所述配置在上水控制机内的ZigBee模块上水控制机能与上水管理机、中心管理机、上水确认机、大屏幕卡控显示终端和PDA手持卡控终端进行组网。大屏幕卡控显示终端和PDA手持卡控终端均设置在站台上。

进一步的，所述上水控制机包括单片机控制器、信号采集输入模块、控制信号输出模块、RS485通信模块和显示模块；信号采集输入模块的信号输出端与单片机控制器的IO相连接，信号采集输入模块的信号输入端与各个传感器的输出端相连接；控制信号输出模块的信号输入端与单片机控制器的IO相连接。

更进一步的，所述信号采集输入模块由多个信号隔离输入电路组成，所述信号隔离输入电路主要由光耦合器构成。

所述控制信号输出模块由多个信号隔离输出电路组成，所述信号隔离输出电路主要由光耦合器与继电器构成，所述光耦合器的输入端是控制信号输出模块的信号输入端，光耦合器的输出端与继电器相连接，继电器输出上水设备的控制信号。

所述上水管理机包括单片机控制器、RS485通信模块和多路LED驱动电路，所述LED驱动电路的输入端与单片机的IO相连接。

相比现有技术，本实用新型具有如下有益效果：

(一)本实用新型在每个上水机安装传感器和信号采集传输模块，通过有线的方式，由各股道管理机汇总上传进行后续的信息加工处理。具体的具有如下有益效果：1、本实用新型可以有效监控每个上水机的各种工作状态，由此可以判断上水作业的状态；2、本实用新型可以通过各上水机作业的开始结束时间作为上水服务质量的考核依据；3、本实用新型在现有上水机基础上进行改造与升级，因而可以与上水机厂家共同研制开发，设备可以保持整体一致，利于施工安装调试；4、今后由于高铁车站上水机寿命期结束，对设备进行更新改造时，本实用新型上水作业安全卡控系统设备可以大部分保留，从长远来看投资有效性高，避免了重复建设的浪费。

(二)本实用新型在高铁车站股道安装固定式的上水作业确认机，接受后台推送的该股道上水实时更新的上水计划，避免了上水计划变更信息沟通不畅导致的安全隐患。

附图说明

图1为本实用新型上水作业过程卡控系统功能结构示意图；

图2为本实用新型的上水作业过程卡控系统采集层结构图；

图3为本实用新型采集层的传感器参数采集结构图；

图4为本实用新型传输层通信结构示意图；

图5为本实用新型上水控制机信号隔离输入电路结构示意图；

图6为本实用新型上水控制机信号隔离输出电路结构示意图；

图7为本实用新型上水作业安全卡控系统拓扑结构示意图；

图8为本实用新型本实用新型上水作业卡控流程示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本实用新型作进一步详细说明。

一、系统整体功能需求分析

实现旅客列车上水作业系统的安全、可靠、经济和高效运营，达到以“互联网+”的方式管理旅客列车上水服务是一个系统工程，既需要提升技术装备水平，也需要改善管理模式，涉及到人员、设备能耗等方方面面，当然，本实用新型所解决的是如何改善设备状况，建设高效的上水作业安全卡控系统，该系统所应具备的功能特点分析如表1所示：

表1、高铁车站上水作业安全卡控系统功能需求分析表

二、系统整体结构

如图1所示，上水作业过程卡控系统主要由现场采集层子系统、数据传输层子系统和监控管理层子系统组成。

监控管理子系统用于完成整个系统的各种运行参数的监视，并发送相应控制命令，它主要由上水系统服务器和相应数据库构成。

如图2所示，现场采集子系统主要由上水管理机、上水确认机和上水控制机构成；在每条单排股道上均设置有N台上水控制机，1台上水管理机和2台上水确认机(其中N为大于2的自然数)；上水控制机用于实现上水作业操作控制和采集上水设备运行状态参数，上水控制机通过RS485总线与上水管理机和上水确认机实现通信连接；每台上水控制机配置有相关传感器进行相关参数的采集,采集的参数统一封装成相应的数据协议帧传送至ZigBee总线,以供上水确认机,股道管理机与中心管理机处理。

此外，上水控制机作为系统的最小采集单元，每一台上水控制机配置有相关的ZigBee模块与股道管理机，中心管理机，上水确认机，大屏卡控显示终端(站台),PDA手持卡控终端进行组网。

其中，中心管理机能够实时获取每条股道上水控制机采集的参数信息，并且汇总通过GPRS或3G网络上传至上水系统总服务器，进行相关数据的持久化存储，以及提供相应的接口对外发布，此种组网方式无需远距离布线，施工简单可靠。

数据传输子系统用于实现监控管理子系统和现场采集子系统之间的数据交换，所述数据传输子系统主要由GPRS传输模块和3G传输模块构成。

具体的，各子系统所实现的功能与工作要点如表2所示：

表2、各子系统所实现的功能与工作要点分析表

三、系统各子系统具体设计要点

1、采集层设计要点分析

现场采集子系统主要由上水管理机、上水确认机和上水控制机构成，它们的数量和设置位置在前文已经阐述，这里主要阐述的是它们的电路设计要点已经数据交换方式。

上水控制机包括单片机控制器、信号采集输入模块、控制信号输出模块、RS485通信模块和显示模块；信号采集输入模块的信号输出端与单片机控制器的IO相连接，信号采集输入模块的信号输入端与各个传感器的输出端相连接；控制信号输出模块的信号输入端与单片机控制器的IO相连接。

信号采集输入模块由多个信号隔离输入电路组成，如图5所示，信号隔离输入电路主要由光耦合器构成。

控制信号输出模块由多个信号隔离输出电路组成，如图6所示，信号隔离输出电路主要由光耦合器与继电器构成，所述光耦合器的输入端是控制信号输出模块的信号输入端，光耦合器的输出端与继电器相连接，继电器输出上水设备的控制信号。

具体的，传感器采集参数结构如图3所示，系统采集层参数如表3所示，表3主要给出了采集层中各主要设备所采用的传感器类型，各个传感器所采集的参数，以及各传感器的硬件通讯接口方式。表4进一步给出了系统采集层通迅传输参数情况。

表3、系统采集层参数列表

表4、系统采集层通迅传输参数列表

2、系统传输层设计要点分析

所述数据传输子系统用于实现监控管理子系统和现场采集子系统之间的数据交换，所述数据传输子系统主要由GPRS传输模块和3G传输模块构成。其通讯结构如图4所示。系统传输层通迅传输参数列表如表5所示。

表5系统传输层通迅传输参数列表

四、上水作业主要过程以及系统采集层主要设备工作流程

如图7和图8所示，上水作业主要过程涉及到系统的各个部分，特别是系统采集层。

(一)上水控制机

1.上水工拉管并将上水管接头与列车注水嘴对接。控制机向管理机定时发送上水接头位置采集信息。管理机上代表所有正在上水控制机的指示灯全部显示红色。

2.遥控或上水机控制面板开启水阀上水。

3.上水完毕，遥控或控制面板上按钮发送关水信号，将水管快速脱落。

4.遥控发送卷管信号或控制面板按下卷管键，水管回收至机体内。行程开关制锁键开启，控制机内单片机IO口向管理机发送信号，管理机接收信号后指示灯显示绿色，表示水管成功脱落并回卷上水机内。

5.上水工确认上水接头回收情况。通过观察管理机上信号指示灯可确定上水接头是否回收。

6.上水管理机将收集到的上水接头回收信息传输到上水确认机或上水作业站台警示系统。

若采用人工脱管，且上水机无卷管功能，则在上水管快速接头上加装位置采集器，当上水作业完成，上水接头与注水嘴分离，则上水接头位置发生改变，采集器将位置信号传输至上水管理机。管理机接收信号，管理机上代表刚刚完成上水作业的控制机指示灯显示绿色，表示水管成功脱落。

此外，本实用新型还对上水控制机做出了如下改造：最新设计的防拉管型上水接头，若列车开动，上水接头未与注水嘴分离，列车行使过程的拉力能将两者迅速分离，最大限度确保列车安全运行。上水接头位置信息采集器以及上水信息传输模块能采集到上水接头的位置信息并传输至上水管理机，上水管理机内的控制显示模块收到信息指示灯由红变绿，上水工能直观的判断水管已成功脱落，保障上水作业安全稳定运行。

(二)上水管理机

上水管理机内的无线实时传输模块与无线网络传输模块能收集到信息处理与传输模块发送的水管脱落回收信息和上水接头位置信息采集器发送的上水接头位置信息，经过处理后控制显示模块指示灯变成绿色，表示水管接头与列车注水嘴成功分离，确保列车行驶安全。

1、管理机内的无线实时传输模块收集水管脱落回收信息或水管接头位置采集信息并进行处理，管理机上控制显示模块的显示灯由红色变成绿色，代表水管成功脱落。

2、管理机内的无线网络传输模块将处理过的水管脱落信息传输至上水确认机及上水作业站台警示系统。

(三)上水确认机

上水作业确认机是上水机实时监控的有益补充，其作用一是作为系统的冗余备份，当股道停电或上水管理机失效时作为补充；二是规范上水作业流程，强化上水工班长的责任主体意识。

工作流程：

1、开始作业时，搬动对应站台的旋钮至开始状态，系统自动通过无线网获取当前股道的上水计划。

2、上水工班组长核对车次无误，开始作业。

3、作业结束后，上水工班组长确认所有注水管已拔下归位，旋钮置于完毕状态，此时上水完毕状态信息发送至对应站台的接收装置(站台上水警示装置)。

以上为本实用新型系统采集层主要设备基本工作流程，下文将明重点阐述本实用新型所为解决其技术问题“远程实时监控旅客列车上水作业现场生产运营状况、上水设备运行情况、上水作业过程状态(特别是注水口是否拔出、归位)以实现安全控制上水设备运营管理，并且可以提供实时及历史上水作业数据分析报表，以发现上水作业过程中存在问题”所采用的主要技术手段以及工作过程要点，以下围绕现有技术存在的三方面具体技术问题进行阐述。

A、上水作业过程如何能得到有效的监控，上水服务质量如何能得到有效的监督。

例如，目前在现有技术中，上水作业过程的安全卡控采用人盯人方式，手段单一，效率低，出错概率大。具体的，上水作业过程中需要由上水班组长人工确认上水作业是否完毕(重点需要确认各注水口是否拔出、归位)。由于光线原因导致目测不清，或则因人而异存在的责任心缺失、疲倦懈怠等客观存在的现实，这种方式必然存在一定的出错概率。上水班组长确认所有上水管拔出后，通过对讲机与站台值班员(广播室)确认上水作业完毕。由于语音方式确认是一种瞬时状态信息，容易受到对讲频道拥堵，语音不清、高强度工作状态下的疏忽等外部因素干扰。此外，目前高铁在用的上水机不具备计量和数据传输功能，对上水服务质量的监督考核流于形式。

本实用新型所采用的解决方案是：在每个上水机安装传感器和信号采集传输模块，通过有线的方式，由各股道管理机汇总上传进行后续的信息加工处理。

具体而言是在上水控制机的上水接头处安装位置传感器，并且上水控制器内部的信息处理模块和信息传输模块(单片机和RS485通信模块)能够遥控发送关停机、收管信息，当上水管理机同时接收到以上两种信息，则可以判断水管已脱落，并发送水管脱落确认信息给上水确认机；而上水确认机接收到上水脱落确认信息后通过其内部单片机控制驱动相应指示灯亮。

此方案的优势：1、可以有效监控每个上水机的各种工作状态，由此可以判断上水作业的状态；2、可以通过各上水机作业的开始结束时间作为上水服务质量的考核依据；3、与上水机厂家共同研制开发，设备可以保持整体一致，利于施工安装调试，同时可以明晰日后设备的用管修责任划分；4、今后高铁3个大站上水机寿命期结束进行更新改造时，本次改造的部分设备可以立旧，从长远来看投资不会浪费。此方案不利因素在于高铁车站目前在用的上水机均为早期产品，不具备上述功能，需要大面积进行更新改造，当前改造费用较高，但是从长远来考虑，上述改造是大势所趋，在将来的运营中也能逐渐体现出巨大作用。

此外，本实用新型还可以采用以下两种备选或者辅助手段：

(1)在上水机内部独立安装射频感应设备，在注水口接头处安装抗金属标签，当管头置回上水机机箱内时，感应读取信号，即可判明注水管已脱落归位。此方案通信方式采用物联网技术进行无线通信，并且需要供电或者上水机厂家提供电源。此方案优势在于设备安装简单，费用较第一方案低。劣势在于需要协调供电部门以及设备厂家支持；并且日后设备的的主体责任划分不清晰，不利于日后设备的维修维护。

(2)在每个股道安装固定式的上水作业确认机，由上水班组长人工进行作业状态的确认，即人工设定开始作业-结束作业状态。此方案采用独立设备，自带电池供电，无线传输信号，实施简单，费用低。劣势在于不能监控单台上水机的工作状态，仍然存在人为因素的干扰，不能彻底解决问题，自能局部缓解当前突出的矛盾。

B、上水计划的变更信息如何有效通知上水班组

目前在现有技术中，上水计划变更信息沟通不畅，存在安全隐患:原因:高铁车次密，上水作业间隔时间短、强度大，一个班组下道后可能数小时持续作业(广南的现状)。根据目前有关规定，上道作业人员不能携带PDA移动信息设备，上水计划的变更只能通过对讲机通知，在这种沟通方式下，出现差错是大概率事件。

针对该技术问题，本实用新型所采用的技术手段是在高铁车站股道安装固定式的上水作业确认机，接受后台推送的该股道实时更新的上水计划(根据实际情况选择通信方式，倾向于采用物联网技术的无线通信方式)。

此外也可以采用以下备选以及辅助方案:上水班组长配备防水耐摔型智能手表，上水计划的变更通过手机震动提醒上水班长进行查看，信息简单明了，交互次数少。(注：选择可在强阳光下可视，一次充电可用7天的智能手表)

C、上水作业结束的确认如何有效地反馈到发车确认环节。

目前主要高铁车站均已实施客运安全生产指挥系统。如果各上水管的姿态信息能有效得到采集传输，理论上接入安全生产指挥系统，通过客运员PDA显示上水作业状态，不存在障碍。但是鉴于目前各站的实际使用情况，在车站站台固定安装“上水作业警示装置”仍然有必要

针对该技术问题，本实用新型所采用的技术手段是在每个站台的两端(旅客下站扶梯上方的LED显示牌)，站台中部的静态标识牌上安装合适的警示装置(小LED显示牌或警示灯)，清晰直观，便于站台客运员掌握。

在解决上述技术问题中，本实用新型还作出了以下详细规划与设计：(1)采用与上水机厂家合作方式，对现有上水机进行改造，加装部分传感器，以及信号采集传输模块，并更换上水管理机，实现对各上水机的实时监控。(2)上水机状态数据经汇总加工后接入客运安全生产指挥系统。在各站台安装上水作业警示装置，作为客运PDA的补充。(3)在每个股道的中部(对应站台客运员立岗处)安装固定式的上水作业确认机，作为在股道停电或股道作业管理机故障时的冗余备份，同时也起到规范上水作业，落实责任主体，进一步强化过程卡控的可靠性。(4)更换新型防拉管上水接头，作为所有的卡控手段都失效情况下的最后防护手段，降低列车带管离站的概率。

最后说明的是，以上实施例仅用以说明本实用新型的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本实用新型进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本实用新型的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本实用新型技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本实用新型的权利要求范围当中。