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面向高速铁路的安全隐患自动警报系统设计与实现随着我国高速铁路网的不断发展，高铁已经成为人们日常出行的重要选择，不仅速度快，舒适又安全。
而在高铁运行过程中，面临着各种安全隐患，如车站和车辆的技术问题、设备故障、人员管理等，这些隐患都可能会威胁到高铁的运营安全。
针对上述问题，本文提出一种面向高速铁路的安全隐患自动警报系统。
该系统利用先进的智能设备和运算算法，实现同时监控铁路线路、车站、车辆和人员等多方面的安全问题，并快速反馈给指定的责任人员。
下面将从系统设计原则、功能模块和实现技术等方面详细介绍这一系统。
一、系统设计原则1、安全原则：自动警报系统的首要任务是确保高铁运行的安全，因此系统的设计和实现必须从安全方面考虑，除了具备预防事故的警告性作用外，还需能够对事故进行及时处理。
2、智能化原则：自动警报系统需要全面监控铁路基础设施和车站、车辆、人员等多方面的信息，因此系统必须是具有智能化的设计和实现，能够主动预警和快速响应。
3、可靠性原则：高铁运营的过程中不能存在任何事故，因此系统的可靠性尤为重要。
系统必须保证稳定运行，并且对于系统出现问题时，需要对运维人员及时反馈。
二、系统功能模块1、监控模块：该模块集成多个智能监控设备，包括摄像机、传感器等，实现对高铁线路、车站、车辆和人员等多方面的实时监控。
监测到问题时，可以通过图像识别和语音播报等方式快速响应。
2、预警模块：该模块是通过对各项数据进行分析和处理，以生成警报信息的方式，用于提醒相关人员很快要发生的不安全情况。
预警模块可依据门限值、算法分析、智能模型等多种方式实现早期预测。
例如，在铁路道岔上安装温度传感器，通过接口调用方式将传感器温度数据及时上传到云端，检测到数据异常时，预警系统会通过邮件或短信等方式提醒相关人员，让其得以早期维护处理。
3、指挥调度模块：该模块负责系统的指令下达，以及响应处理，并将处理结果进行反馈。
针对紧急情况下，指挥调度模块还可以接受外部报警，并依据预先设定的指令对应进行预警、处理并汇报。
CTCSCTCS是(Chinese Train Control System)的英文缩写，中文意为中国列车运行控制系统。
CTCS系统有两个子系统，即车载子系统和地面子系统。
CTCS根据功能要求和设配置划分应用等级，分为0~4级。
1. CTCS概述TDCS是铁路调度指挥信息管理系统，主要完成调度指挥信息的记录、分析、车次号校核、自动报点、正晚点统计、运行图自动绘制、调度命令及计划的下达、行车日志自动生成等功能，换句话说就是原来行车调度员和车站值班员需要用笔记下的东西现在都可以由TDCS自动完成。
中国铁路调度指挥系统参考欧洲ETCS规范，中国逐步形成了自己的CTCS（Chinese Train Control System）标准体系。
如何吸收ETCS规范并结合中国国情更好地再创新，是值得深入研究的课题。
铁路是国民经济的大动脉，是中国社会和经济发展的先行产业，是社会的基础设施，铁路运输部门又是国民经济中的一个重要部门，它肩负着国民经济各种物资运输的重任，对中国社会主义建设事业的发展有着举足轻重的作用。
为了满足国民对铁路运输的要求，进入二十一世纪以后，铁路部门致力于高速铁路和客运专线的建设，并取得了骄人的成绩。
为了适应中国高速铁路、客运专线的迅速发展和保证铁路运输安全的需要，铁道部有关部门研制成功了“CTCS系统”（即：铁路列车控制系统，是Chinese Train Control System的缩写“CTCS”）2. 产生背景由于早期欧洲铁路的列车运行控制系统种类繁多，且各国信号制式复杂、互不兼容，为有效解决各种列车控制系统之间的兼容性问题，保证高速列车在欧洲铁路网内跨线、跨国互通运行，1982年12月欧洲运输部长会议做出决定，就欧洲大陆铁路互联互通中的技术问题寻找解决方案。
2001年欧盟通过立法形式确定ETCS（European Train Control System）为强制性技术规范。
ETCS的主要目标是互通互用、安全高效、降低成本、扩展市场，在规范的设计上融入了欧洲各主要列控系统的功能，制定了比较丰富的互联互通接口。
CTCSCTCS是(Chinese Train Control System)的英文缩写，中文意为中国列车运行控制系统。
CTCS系统有两个子系统，即车载子系统和地面子系统。
CTCS根据功能要求和设配置划分应用等级，分为0~4级。
1. CTCS概述TDCS是铁路调度指挥信息管理系统，主要完成调度指挥信息的记录、分析、车次号校核、自动报点、正晚点统计、运行图自动绘制、调度命令及计划的下达、行车日志自动生成等功能，换句话说就是原来行车调度员和车站值班员需要用笔记下的东西现在都可以由TDCS自动完成。
中国铁路调度指挥系统参考欧洲ETCS规，中国逐步形成了自己的CTCS（Chinese Train Control System）标准体系。
如何吸收ETCS规并结合中国国情更好地再创新，是值得深入研究的课题。
铁路是国民经济的大动脉，是中国社会和经济发展的先行产业，是社会的基础设施，铁路运输部门又是国民经济中的一个重要部门，它肩负着国民经济各种物资运输的重任，对中国社会主义建设事业的发展有着举足轻重的作用。
为了满足国民对铁路运输的要求，进入二十一世纪以后，铁路部门致力于高速铁路和客运专线的建设，并取得了骄人的成绩。
为了适应中国高速铁路、客运专线的迅速发展和保证铁路运输安全的需要，铁道部有关部门研制成功了“CTCS系统”（即：铁路列车控制系统，是Chinese Train Control System的缩写“CTCS”）2. 产生背景由于早期欧洲铁路的列车运行控制系统种类繁多，且各国信号制式复杂、互不兼容，为有效解决各种列车控制系统之间的兼容性问题，保证高速列车在欧洲铁路网跨线、跨国互通运行，1982年12月欧洲运输部长会议做出决定，就欧洲大陆铁路互联互通中的技术问题寻找解决方案。
2001年欧盟通过立法形式确定ETCS（European Train Control System）为强制性技术规。
ETCS的主要目标是互通互用、安全高效、降低成本、扩展市场，在规的设计上融入了欧洲各主要列控系统的功能，制定了比较丰富的互联互通接口。
CTC和TDCS系统简介CTC和TDCS系统属于计算机网络范畴，系统维护可比照计算机联锁系统维护要求和1.0.19条内容进行。
除系统维修外，重点掌握以下内容和功能，有利于系统的维护和安全运行。
1．CTC和CTCS直接涉及行车安全，必须自成体系，单独组网，独立运行，严禁与其他系统直接联网。
联网时应采取物理隔离方式，与其他信息系统连接，采用专用的接口及协议，并在严格可控的条件下进行数据交换。
系统应设有防火墙、入侵监测、病毒防护、身份认证等安全设施。
网络中各网络节点应采用统一的时钟并自动校核。
系统还应具备双套冗余，局部故障不得影响整个系统。
系统设备故障时，不影响车站联锁设备和区间闭塞设备的正常工作，不应导致车站联锁设备和区间闭塞设备的错误动作。
系统必须具备自检、诊断、报警、存储再现等功能，且各类信息保存时间应大于15天。
2．CTC、TDCS系统设备应能实时调度员和其他有关人员提供所辖区段内车站、区间信号设备状态和列车运行情况的表示信息。
CTC、TDCS设备各种显示屏（表示盘）上所显示的图形符合，应与车站、区间联锁设备所表示的含义和状态相符。
系统应能完成运输计划、调度命令的下达，车次号自动追踪、传递与修改，运行图自动描绘及有关运输指挥管理图、表等内容的显示、存储和打印等功能。
3．CTC、TDCS系统应实时显示轨道电路占用与空闲、区间占用与空闲、信号开放与关闭、道岔位置等状态，系统信息变化的响应时间应不大于4S。
TDCS 系统应为CTC系统提供平台和接口。
4．CTC设备应保证调度员能对所辖区段内的行车、调车作业进行集中控制，能下放或收回车站对行车、调车作业的控制权。
5．CTC系统应遵循以下技术原则。
1）系统用各种方式对车站信号设备进行控制时，联锁关系应由车站联锁设备保证。
系统实现各种功能时，应保证车站、区间信号设备既有联锁关系的完整性。
2）系统在办理列车、调车进路时，应受到车站（场）相应联锁关系、照查条件的限制和有关行车特殊要求的约束。
火车站信号自动语音播报系统的设计2018-09-18 10:17:44 作者：鲍润华来源:现代电子技术关键字：铁路信号控制系统信号采集语音播报在现代工业控制过程中，广泛应用了工作状态和故障状态报警装置，通常它以声、光形式提醒操作者及时处理出现的问题。
随着新技术的发展，人们又开始将语音技术应用到这一领域。
它以更直观、易懂、更方便、准确的形式向操作者提供有关信息，使操作者能够更准确、快速地处理系统问题。
美国ISD公司生产的ISD系列智能语音存储芯片音质好，长期断电语音信号不丢失，非常适合于电子产品的开发应用。
笔者成功应用ISD4004和AT89C51单片机设计了火车站信号自动语音播报系统，通过对火车站铁路线的上行和下行控制、车辆调度、系统主副电源的启用等多路信号进行检测并采集，根据安全隐患的防范要求，由单片机控制查询安全警示语音信息并播报，实现安全操作提示及报警。
系统在火车站信号室控制台上安装使用，运行稳定，信号播报准确，取得了很好的效果。
1 硬件电路设计系统硬件电路设计原理框图见图1，由微控制器AT89C51、ISD4004语音电路、音频功率放大电路、可编程并行接口8255、光电隔离、电平转换、信号输入接口、系统时钟、复位及键盘等单元电路组成。
1．1 ISD4004的特性ISD4004 系列语音存储芯片采用CMOS技术，内含振荡器、防混淆滤波器、平滑滤波器、音频放大器、自动静噪及高密度多电平闪烁存贮陈列，内置微控制器串行通信接口。
芯片所有操作必须由微控制器控制，操作命令可通过串行通信接口(SPI或Microwire>送人。
外部的音源信号在芯片内采用多电平直接模拟量存储技术，信息可进行多段处理，每个采样值直接存贮在片内闪烁存贮器中，因此能够非常真实、自然地再现语音、音乐、音调和效果声。
存于片内闪烁存贮器中的信息，可在断电情况下保存100年。
芯片工作电压为 3 V，工作电流为25～30 mA，维持电流1μA，不耗电，单片录放时间8～16 min，可反复录音10万次。
2005年7月第41卷 第7期 铁道通信信号RA IL WA Y SIGNALL IN G &COMMUN ICA TION J uly 12005Vol 141 No 17 西安交通大学信息机电研究所,710049 西安 3研究生 33副教授 基金项目:郑州铁路局科委 收稿日期:2005201203列车自动报点系统电子地图设计张 林3 梁 晋33摘要:针对基于移动卫星通信的列车自动报点系统,提出了一种电子地图设计方案。
电子地图为报点系统提供一个监控平台,实现列车跟踪定位、地理信息查询、数据信息回放和运行轨迹描绘等功能。
整个设计以Map x 为基础,结合Map Info 工具,完成了地理数据结构设计和图层结构设计,解决了系统运行速度和实时要求高等问题,最后给出了设计实现。
关键词:电子地图 监控 GISAbstract :A design scheme about elect ronic map applied in railway Elect ronic Map for Automatic Train Po sition Reporting System based on mobile satellite telecommunication ,was int roduced.The electro nic map provided a monitoring platform for t he system and has main f unctions of t racking t rain ,querying information ,re 2showing t racks ,describing t racks ,etc.The design was based on Map x and combined wit h Map Info tools ,acco mplishing geograp hic data struct ure design and map layer design and p roviding solution to high t rain operation speed and real 2time demand.Finally ,it s design and implementatio n were discussed.K ey w ords :Elect ronic map ,Monitoring ,Geograp hic Information System 电子地图是一种新型的地形信息产品,是GIS 的重要组成部分,主要用来完成图形显示和地理信息存储。
相对于传统的地图学方法,电子地图在信息存储能力和显示精度方面有明显提高。
另外,电子地图还能分析地理信息,实现快速查询,增强显示效果。
因此,作为一种新型的地图管理方式,电子地图已经伴随着GIS 应用到各个领域。
基于移动卫星通信平台的列车自动报点系统(以下简称报点系统),就是电子地图在铁路调度监控方面的一个具体应用。
该系统在机车上安装移动通信卫星终端,通过地球静止同步卫星实现机车与地面调度所之间的双向通信,将机车的运行信息远距离动态地传输到调度所或其他地面机构,从而达到对机车的监控。
1 报点系统简介报点系统硬件由车载系统和地面系统组成。
其核心技术是采用静止同步卫星的移动卫星通信技术,实现运行机车与地面的远距离双向通信。
车载系统由移动卫星通信终端单元、车载控制单元、显示单元、扩展单元和无线通信模块等组成。
它主要利用GPS 技术获得地理坐标,用以实现列车的定位和跟踪。
地面系统由卫星主站和铁路调度所组成。
全国铁路只需建设一个卫星主站,铁路各调度所通过铁路系统内部全国计算机网络与卫星主站进行通信。
报点系统数据通信结构图如图1所示。
图1 报点系统数据通信结构图报点系统软件主要由卫星通信模块、数据库管理模块和调度台控制模块组成。
调度台控制模块主要用于列车的调度和监控,包括电子地图和列车运行图的显示。
开发工具主要为Delp hi6,Map x410,SQL Sever2000数据库,电子地图制作工具为Map Info615。
—94—2 电子地图分析电子地图分析主要包括功能分析和数据结构分析。
功能分析主要是针对报点系统的实时性以及用户需要,确定报点系统电子地图应具有的功能;数据结构分析主要指地图对象的数据结构。
211 功能分析电子地图是调度员对列车进行监控和调度的重要依据,也是信息查询和分析的重要工具。
通过电子地图,调度员可以了解到某些车是否准点、停站多长时间、出了什么故障以及一些基本信息等。
其主要功能如下。
11列车定位与显示。
列车定位指应用导航设备确定列车位置,电子地图可以利用GPS 接收机实现这个功能。
GPS 通过接收机不断发回列车的经纬度坐标,再经过处理就可以确定当前列车的位置。
在地图上看到的列车,是其经纬度在地图上的投影。
另外,基于铁路系统的特殊性,还需要另外一种定位方式———公里标定位,即根据当前列车的公里标定位。
21列车报点。
列车状态包括:临时停车、停靠车站、列车跟踪、车站通过、车站离开、网管定位、调车、行车、中途开车和上电等。
车载系统随时发回列车状态,由地图显示出来。
31地图基本操作,例如放大、缩小、漫游等。
因为地图采用矢量数据,因此很容易实现这些基本功能。
41信息查询。
这主要是一个地址匹配问题,即把地址转换为经纬度,或把经纬度转换为地址。
电子地图以经纬度存储,但是用户只关心目标的名称,因此要进行适当转换。
报点系统的信息查询主要包括:①列车查询,用户能够查询列车当前在地图上的位置,或者根据地图上的列车查询列车速度等基本信息;②信号机查询,用户可以根据信号机编号或公里标查找信号机在地图上的位置。
另外还有车站位置查询,车站附近或用户指定范围内的列车查询等。
51测距操作。
这里指不但能测量任意两点之间的直线距离,也能测量两点之间铁路距离,铁路距离由公里标计算得出。
61列车运行轨迹描绘。
根据用户选择的列车,在地图上描绘当天列车行驶的轨迹。
71列车运行信息回放。
可以对列车的运行信息进行回放,主要用于列车运行情况分析。
81鹰眼功能。
212 数据结构分析地理数据包括空间数据和属性数据。
空间数据反映了事物地理空间位置的信息;属性数据反映了事物的其他属性信息。
与一般的信息系统一样,电子地图属性数据的储存、管理、处理,可以采用关系型数据库管理系统。
电子地图空间数据的储存采用矢量空间数据模型,这种模型是基于GIS 平台Map Info ,只需将现有电子地图的数据转换成相应的GIS 平台下的数据,再利用GIS 平台进行数据拓扑化即可。
根据功能要求,车站和信号机属性数据应该包括名称、经纬度、公里标。
列车属性数据应包括车次号、机车号、卫星设备编号、当前时间、速度、状态等。
由于列车是动态的,具有实时性,数据量也很大,可以考虑将空间数据和属性数据分开管理,属性数据用一般关系数据库管理,两者之间用对象之间的惟一对象标识符联系,以实现系统通过空间数据查询属性数据。
3 电子地图设计311 电子地图图层结构在应用程序中,合理地安排好每一层在地图中的顺序是至关重要的。
例如有2个图层,一层为点,另一层为区域,则应将点层放到区域层的上方,否则区域会将点覆盖。
另外,在进行地图选择操作时,根据要求调整图层的顺序也是十分重要的。
Map x 中的选择工具总是从可选择图层中的最上层开始,如果在地图上的同一位置存在多个位于不同层的地图对象,其结果是很难精确地选择到目标对象。
因此,最好将被选择图层提到最上层显示。
报点系统电子地图图层结构设计如图2所示。
为了方便对上行线、下行线列车分别管理,列车层又可分为2层,一为上行,另一为下行。
不同的图层可以将列车及列车标注设置为不同的样式。
信号机层和铁路线层的设计也同列车层。
另外,合理布置图层的显示比例也很重要,可以避免比例大时信号机、列车、城市等叠加在一起,影响速度及美观。
因此,可将城市(车站所在地)分为3级,3级为主要城市,2级为中型城市,1级为小型城市,随着图层显示比例的减小,这些城市层依次显示。
全国行政区层、铁路线层、城市层、信号机层都是静态图层,可用Map Info 工具添加、修改。
列车—5— 铁道通信信号 2005年第41卷第7期图2 电子地图图层结构设计层和轨迹层是临时图层,编辑操作由程序控制。
312 电子地图图层制作所有图层都采用同一坐标系W GS284。
全国行政区图可以根据现有的矢量地图,通过Map Info 工具转换而成。
对铁路线层,由于系统对铁路线的精度要求较高,而现有的铁路线矢量地图和实际的铁路线有一定的误差,因此需要通过GPS技术自制铁路线。
即由调度台启动对某一列车的实时跟踪,通过配置参数,命令车载系统每4s记录一次列车的公里标和经纬度,1min向调度台发送一次信息,调度台通过校正分析,可以根据这些经纬度在W GS284坐标系下描绘出所需的铁路线,同时也得到铁路线点的大致公里标。
城市、信号机层也可以通过这种方法制作。
当然,也可以考虑在地图上增加山川、河流、地形等,将整个大自然都描绘出来,但缺点是速度太慢。
所以,只有在不考虑速度的情况下,才可以添加这些图层。
在图层制作结束后,将静态图层叠加就可以形成报点系统所需的原始地图。
Map x中载入的地图是在其自带的图层管理工具Geoset Manager中创建的GST文件,该文件实质上包含了一个图层组,可以修改每个图层的显示比例、叠加顺序、标注样式和属性等。
列车层和轨迹层,除了无需保存外,在操作上和静态图层没什么区别。
它们在程序运行过程中由系统动态生成,在程序结束时释放。
这里要注意的一点是,在进行图层匹配时,所有的图层必须使用一致的投影方式才能精确匹配。
如果图层没有采用W GS284坐标系下的经纬度,必须进行坐标转换才能在地图上精确投影。
313 电子地图控制与实现程序设计人员可以根据Map x工具中的Fea2 t ure对象来访问图层中的对象空间。
Map x主要的Feat ure对象有点、线、区域和文本,利用这些属性可以进行对象操作。
报点系统所有的列车运行信息都存储于后台数据库中。
当铁路线程序查询到有新消息时,就通知电子地图将最新的列车信息显示在地图上。
需要查询列车时,可以先在地图上查找对象标识符,然后根据对象标识符找到对象名称(一般为车次号或机车号),最后根据对象名称就可以在后台数据库中找到相应的列车属性数据。
信号机和城市的查询与列车的查询方法一样,但也可以利用Map x的数据绑定技术进行查询。
列车轨迹描绘和列车运行信息回放所需要的数据,也可以根据回放时间在数据库中查询。
4 总结电子地图的设计方案,利用现有的GPS、GIS 技术和操作平台,结合实际,为铁路部门提供了更可靠的基础信息,为运输管理信息系统(TM IS)、列车调度指挥系统(TDCS)等提供了非常便利的条件。
