高速鐵路信號中繼站智能巡檢系統(tǒng)

高亮，孫翠玲，張志成

（中國鐵路北京局集團(tuán)有限公司 唐山電務(wù)段，河北 唐山 063000）

高速鐵路信號中繼站設(shè)備巡檢每月1次[1]，需要維護(hù)人員到現(xiàn)場通過感官來完成，針對無人值守信號中繼站的設(shè)備巡檢存在交通不便、維護(hù)成本高、交通安全隱患大、實時性差等問題，提出利用網(wǎng)絡(luò)化、智能化、信息化、大數(shù)據(jù)和先進(jìn)的管理手段代替?zhèn)鹘y(tǒng)人工巡檢，研發(fā)智能化巡檢系統(tǒng)完成無人值守信號中繼站的自動巡檢和大數(shù)據(jù)分析工作，代替和減少人工巡檢，以達(dá)到降低維護(hù)成本、提高勞動效率、減少交通安全隱患和對故障進(jìn)行有效防范的目的。

1 智能巡檢系統(tǒng)設(shè)計原則

智能巡檢系統(tǒng)要實現(xiàn)替代人工巡檢的功能，并需滿足高速鐵路對安全性、可靠性、創(chuàng)新性、維護(hù)便利性等多方面要求，應(yīng)遵循以下原則進(jìn)行設(shè)計：

（1）執(zhí)行國家或相關(guān)部門技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。系統(tǒng)應(yīng)遵循GB/T 8567《軟件工程國家標(biāo)準(zhǔn)》、GB 50194—1993《建設(shè)工程施工現(xiàn)場供用電安全規(guī)范》、GB 50174—1993《電子計算機(jī)機(jī)房設(shè)計規(guī)范》、GB/T 368—2001《入侵報警系統(tǒng)技術(shù)要求》等標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范進(jìn)行設(shè)計和實施。

（2）安全性原則。巡檢系統(tǒng)不與既有信號設(shè)備接口，不影響既有設(shè)備正常工作[2]。巡檢系統(tǒng)在任何不良狀態(tài)下，不能影響被監(jiān)測設(shè)備的安全運行，巡檢系統(tǒng)能夠穩(wěn)定、可靠運行并在被監(jiān)測設(shè)備存在異常時提供報警信息。

（3）實用性原則。智能巡檢系統(tǒng)能夠替代日常的人工巡檢，系統(tǒng)具備遠(yuǎn)程下達(dá)巡檢計劃和實時人工啟動機(jī)器人功能，安裝在現(xiàn)場的機(jī)器人按照計劃定時進(jìn)行信號設(shè)備巡檢和環(huán)境狀態(tài)監(jiān)控，發(fā)現(xiàn)異常時通過圖像特征識別和大數(shù)據(jù)比對，在遠(yuǎn)程終端進(jìn)行報警提示、異常設(shè)備視頻圖像的傳送。系統(tǒng)還應(yīng)具有人員、異物入侵及溫濕度超限等報警功能，為信號機(jī)房無人巡檢和壓縮故障時間提供平臺。

（4）網(wǎng)絡(luò)化原則。系統(tǒng)所采用的技術(shù)、規(guī)范、標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)符合當(dāng)今巡檢機(jī)器人的發(fā)展方向，具備網(wǎng)絡(luò)化、模塊化、大數(shù)據(jù)分析、可擴(kuò)展升級的特點。對于監(jiān)控系統(tǒng)的非核心部分，考慮使用成熟技術(shù)，以提高系統(tǒng)的可靠性和安全性。

2 系統(tǒng)總體方案

目前，智能巡檢系統(tǒng)的巡檢機(jī)器人按導(dǎo)航方式分類，主要分為激光導(dǎo)航、磁導(dǎo)航、吊軌等方式，中繼站箱式機(jī)房信號設(shè)備的安全性和特殊性對導(dǎo)航方式確定至關(guān)重要。激光導(dǎo)航容易受外界干擾、存在偏離規(guī)定路徑的隱患，非正常狀態(tài)下存在撞擊信號設(shè)備、導(dǎo)致行車事故的風(fēng)險；吊軌機(jī)器人對屋頂結(jié)構(gòu)有特殊要求，若不達(dá)標(biāo)則易引發(fā)漏水、墜落，影響既有信號設(shè)備；磁導(dǎo)航具有安全穩(wěn)定、不易受干擾、行走路線柵格固定[3]、擴(kuò)展靈活的特點，缺點是巡檢點位固定、通用性不好，每個機(jī)房數(shù)據(jù)需單獨設(shè)定，更考驗軟件的研發(fā)能力和硬件精度。結(jié)合中繼站信號設(shè)備安全性的要求，通過充分的論證，決定采用安全性能高、技術(shù)成熟穩(wěn)定的磁導(dǎo)航和無線射頻識別（RFID）傳感定位技術(shù)[4]。

對于電源供給方面，考慮到無人值守和接觸式充電可能存在電火花、接觸電阻變化等帶來的消防隱患，機(jī)器人采用非接觸式充電方式，消除了充電時接觸火花和大電流帶來的火災(zāi)隱患，進(jìn)一步增強(qiáng)了系統(tǒng)的整體安全性。

因智能巡檢機(jī)器人不能同時完成中繼站環(huán)境監(jiān)測（溫濕度、煙霧報警、水漬）、電纜入口和箱門外物入侵監(jiān)測（不明人員、老鼠等）功能，因此系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計，將環(huán)境監(jiān)測、外物入侵監(jiān)測單獨作為子模塊進(jìn)行設(shè)計，采用無線網(wǎng)絡(luò)與系統(tǒng)服務(wù)器進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，簡化了軟、硬件系統(tǒng)的研發(fā)和實施難度。

3 系統(tǒng)功能與實現(xiàn)

信號中繼站智能巡檢系統(tǒng)主要由巡檢機(jī)器人子系統(tǒng)、防入侵安防子系統(tǒng)、環(huán)境檢測子系統(tǒng)和中央服務(wù)器4 個子系統(tǒng)組成（見圖1）[5]。

圖1 智能巡檢系統(tǒng)組成

3.1 巡檢機(jī)器人子系統(tǒng)

巡檢機(jī)器人子系統(tǒng)是系統(tǒng)的核心，安裝預(yù)先設(shè)定的走形軌跡和RFID 定位以進(jìn)行巡檢、定位攝像，將數(shù)據(jù)通過無線局域網(wǎng)（Wi-Fi）通信方式傳輸給服務(wù)器，服務(wù)器與原始圖像進(jìn)行對比后進(jìn)行判定和報警。子系統(tǒng)主要組成部分包括：智能巡檢機(jī)器人、接口通信層、功能服務(wù)層和應(yīng)用層（見圖2）。接口通信層主要是通過無線網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，實現(xiàn)與中央服務(wù)器的信息、指令、自檢狀態(tài)信息的交互，系統(tǒng)預(yù)留與集中監(jiān)測接口條件，滿足集中監(jiān)測是信號維護(hù)人員統(tǒng)一監(jiān)控平臺的要求[6]；功能服務(wù)層圍繞作業(yè)內(nèi)容，為應(yīng)用層提供數(shù)據(jù)支撐；應(yīng)用層提供可操作的人機(jī)界面，完成各項管理、數(shù)據(jù)查詢、遠(yuǎn)程控制等功能。

子系統(tǒng)硬件部分由巡檢機(jī)器人、升降機(jī)構(gòu)以及安裝于升降機(jī)構(gòu)頂部的高清云臺攝像機(jī)組成。巡檢機(jī)器人主要組成包括：巡檢機(jī)器人驅(qū)動系統(tǒng)、巡檢機(jī)器人自動充電系統(tǒng)、巡檢機(jī)器人無線網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)、巡檢機(jī)器人路徑跟蹤與精確定位系統(tǒng)、巡檢管理系統(tǒng)。巡檢機(jī)器人見圖3。

巡檢機(jī)器人通過圖像識別技術(shù)實現(xiàn)信號指示燈狀態(tài)監(jiān)測分析[7]，將檢測結(jié)果形成高清圖片，并智能轉(zhuǎn)換成數(shù)據(jù)記錄，上傳到服務(wù)器。機(jī)器人在巡檢過程中，當(dāng)發(fā)現(xiàn)分析比對結(jié)果異常時會在終端生成報警信息，通知信號維護(hù)和分析人員。升降機(jī)構(gòu)采用直流無刷電機(jī)作為動力驅(qū)動，輸入電壓為DC 24 V，采用編程邏輯控制器（PLC）實現(xiàn)對機(jī)器人運動控制及信號的處理。同時結(jié)合RFID 閉環(huán)反饋，實現(xiàn)位置的精確定位。機(jī)器人內(nèi)部CPU 對電池、RFID 管理及電機(jī)驅(qū)動均通過RS485 通信總線實現(xiàn)，其工作原理見圖4。

圖2 巡檢機(jī)器人子系統(tǒng)組成

圖3 巡檢機(jī)器人

圖4 巡檢機(jī)器人工作原理

巡檢機(jī)器人子系統(tǒng)能夠完成以下主要功能：

（1）系統(tǒng)自檢。巡檢機(jī)器人開機(jī)啟動后自動檢測軟、硬件及網(wǎng)絡(luò)連接狀態(tài)，均正常后方處于待機(jī)狀態(tài)。接收巡檢任務(wù)動作前，程序自動檢測電池電量、所處位置、伸縮桿定位高度，均正常后開始自動巡檢工作，防止因程序執(zhí)行、傳感器偏差導(dǎo)致的誤報警。

（2）自動巡檢。巡檢機(jī)器人按照預(yù)先設(shè)定的巡檢內(nèi)容、時間、周期、線路進(jìn)行自主啟動和完成巡檢任務(wù)，生成巡檢報表。自動導(dǎo)航定位誤差不大于±10 mm，運行最大速度不小于1 m/s。行走過程中遇溝槽、下落臺階等情況時，能及時停止運行并報警，并具備爬坡能力，最大爬坡能力不小于3°。

（3）手動巡檢。利用操作和分析終端可切換為手動巡檢模式，在此模式下可任意選擇需要檢查的機(jī)柜和檢測點，并可手動控制云臺攝像機(jī)的視角。

（4）存儲、回放。具備10 d 巡檢記錄、視頻回放功能，能夠?qū)?shù)據(jù)進(jìn)行轉(zhuǎn)存。

（5）自動避障：巡檢機(jī)器人采用定點、定徑路走行方式，并有自主避障功能。在自主行走過程中正面遇到障礙物（高150 mm×寬100 mm）能及時停止，障礙物移除后能恢復(fù)行走。自動導(dǎo)航重復(fù)定位誤差不大于±10 mm，在1 m/s 運動速度下,制動距離不大于0.5 m。

（6）自動充電。當(dāng)智能巡檢機(jī)器人電量低于設(shè)定的閾值時，車載控制系統(tǒng)能夠使智能巡檢機(jī)器人自動返回充電位，進(jìn)行非接觸式充電。

（7）電源管理?？煞乐狗墙佑|式充電系統(tǒng)長時間不間斷工作造成的火災(zāi)安全隱患。自動巡檢狀態(tài)下電池電量小于30%時（閾值可自行設(shè)定）能夠啟動報警，并自動返回充電樁，完成自主充電。

（8）照明管理。為提高巡檢質(zhì)量和視頻傳輸效果，系統(tǒng)在巡檢時自動開啟室內(nèi)照明電源，巡檢結(jié)束后自動關(guān)閉照明電源，實現(xiàn)日常的節(jié)能環(huán)保。

（9）云臺自由旋轉(zhuǎn)。云臺旋轉(zhuǎn)的垂直范圍為0°～ +90°，水平范圍為+175°～ -175°。升降桿根據(jù)室內(nèi)信號設(shè)備與地面高度進(jìn)行配置，升降高度是2 150 mm，最高不超過2 250 mm。

3.2 防入侵安防子系統(tǒng)

防入侵安防子系統(tǒng)通過安裝在中繼站（機(jī)房）的紅外攝像機(jī)、網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)，對線纜入口、機(jī)房門口進(jìn)行實時監(jiān)控，外物（不明人員、老鼠等）入侵監(jiān)測范圍后，通過紅外攝像機(jī)將相關(guān)影像、報警信息傳送至服務(wù)器。

3.3 環(huán)境監(jiān)測子系統(tǒng)

環(huán)境監(jiān)測子系統(tǒng)通過安裝于機(jī)房的各種傳感器可以進(jìn)行溫濕度、水漬、煙霧報警等方面的實時監(jiān)測。硬件方面由監(jiān)控主機(jī)、溫濕度傳感器、漏水檢測器、煙霧報警器等組成，實現(xiàn)對中繼站（機(jī)房）溫濕度、水漬、煙感的實時監(jiān)測和報警[8]。

3.4 中央服務(wù)器

3.4.1 硬件組成

中央服務(wù)器使用3 臺工控機(jī)實現(xiàn)圖像采集處理、環(huán)境監(jiān)控和機(jī)器人數(shù)據(jù)比對、運算功能，系統(tǒng)間采用瀏覽器/服務(wù)器（B/S）架構(gòu)。

3.4.2 軟件主要功能

中央服務(wù)器主要有基礎(chǔ)管理、巡檢管理、監(jiān)控管理、數(shù)據(jù)分析、歷史報告等功能。

（1）基礎(chǔ)管理。新增、刪除、修改、查詢系統(tǒng)用戶信息，包括用戶名、用戶登錄密碼等。

（2）巡檢管理。新增、刪除、修改、查詢巡檢設(shè)備信息，包括設(shè)備編號、設(shè)備名稱、設(shè)備坐標(biāo)、設(shè)備高度等。另外，還包括巡檢計劃管理、巡檢任務(wù)管理、遠(yuǎn)程控制管理和手動點檢等功能。①巡檢計劃管理：當(dāng)前巡檢計劃查看功能，包含巡檢地點、巡檢周期、執(zhí)行狀態(tài)等信息；用戶可新建巡檢計劃，選定巡檢地點、巡檢周期、是否手動點檢等。巡檢計劃可隨時下發(fā)、取消，執(zhí)行中的計劃將按照指定的周期定時生成巡檢任務(wù)。②巡檢任務(wù)管理：巡檢任務(wù)的查詢功能，包含當(dāng)前和歷史任務(wù)的時間、巡檢內(nèi)容、巡檢結(jié)果等。③遠(yuǎn)程控制：在系統(tǒng)客戶端手動新建巡檢任務(wù)，選定巡檢地點、時間等信息后巡檢機(jī)器人移動平臺（AGV）將立即執(zhí)行該任務(wù)。

（3）監(jiān)控管理。①實時監(jiān)控：系統(tǒng)可實時監(jiān)控AGV、安防信息和中繼站環(huán)境狀態(tài)。AGV 信息監(jiān)控包括查看AGV 狀態(tài)和AGV 視頻狀態(tài)，用戶可遠(yuǎn)程和AGV 進(jìn)行通話；安防信息監(jiān)控包括查看紅外監(jiān)控狀態(tài)和查看視頻監(jiān)控狀態(tài)；機(jī)房傳感器信息監(jiān)控包括查看機(jī)房溫濕度、煙霧傳感器、水漬傳感器等信息。②報警管理：報警的項目包含溫濕度報警、煙霧報警、水漬報警、異物入侵報警、巡檢異常報警等。報警條件需設(shè)置溫濕度、煙霧、水漬傳感器報警參數(shù)。管理員賬戶也可以在服務(wù)器終端對已發(fā)生的報警進(jìn)行屏蔽，屏蔽之后該條報警將不顯示。

（4）數(shù)據(jù)分析。①巡檢報告：查詢指定條件范圍內(nèi)的巡檢任務(wù)和巡檢結(jié)果，生成巡檢報告；根據(jù)巡檢報告異常的時間對指定巡檢視頻進(jìn)行回放。②安防報告：查詢指定條件范圍內(nèi)的安防入侵記錄，生成安防報告；根據(jù)安防報告異常入侵的時間對指定監(jiān)控視頻進(jìn)行回放。③環(huán)境報告：查詢指定條件范圍內(nèi)的溫濕度、煙霧水漬報警記錄，生成環(huán)境報告。

（5）歷史報告。查詢指定條件范圍內(nèi)的歷史巡檢結(jié)果，生成歷史巡檢報告；根據(jù)歷史巡檢報告異常的時間對指定巡檢視頻進(jìn)行回放。

4 系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)安全

系統(tǒng)采用無線局域網(wǎng)Wi-Fi 作為通信載體，為防止惡意用戶竊聽和干擾信息，對系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)安全采取以下防護(hù)措施：

（1）無線局域網(wǎng)與機(jī)器人采用AIRMAX 技術(shù)進(jìn)行通信并且相互鎖定MAC 地址，普通Wi-Fi 設(shè)備無法接入，從而保證兩者創(chuàng)建唯一連接而不受其他設(shè)備干擾[9]。

（2）無線局域網(wǎng)與機(jī)器人內(nèi)部使用IP 地址和MAC 地址，防止其他無線設(shè)備的接入。一方面無線接入點通過配置MAC 地址過濾、IP 和MAC 地址進(jìn)行綁定，可有效限制非法用戶接入。另一方面，實行流量控制，不同用戶的帶寬可進(jìn)行人工管理，保證機(jī)器人數(shù)據(jù)通信有足夠的帶寬，從而保證系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸?shù)臅惩ā?/p>

（3）在無線局域網(wǎng)后臺基站端，除了隱藏基站端SSID 外還采用WPA/WPA2 加密方式進(jìn)行加密。WPA/WPA2 是新一代無線網(wǎng)絡(luò)安全認(rèn)證協(xié)議，可大大提高無線網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)保護(hù)和接入控制的增強(qiáng)安全性級別，解決了WEP 加密不能解決的問題。

（4）為進(jìn)一步保證機(jī)器人無線網(wǎng)絡(luò)安全，還對機(jī)器人通信數(shù)據(jù)進(jìn)行加密。在機(jī)器人與后臺進(jìn)行通信時，通信數(shù)據(jù)采用授權(quán)密碼驗證，數(shù)據(jù)采用AES 加密方式，防止非法對機(jī)器人或后臺數(shù)據(jù)進(jìn)行訪問，確保數(shù)據(jù)不被竊取。

5 現(xiàn)場測試

對無人值守信號中繼站智能巡檢系統(tǒng)的各項功能進(jìn)行現(xiàn)場測試，分為硬件安裝、軟件調(diào)試和功能驗證3 個步驟。硬件安裝選取在2 m×3 m×9 m 箱式機(jī)房中[10]，現(xiàn)場安裝服務(wù)器機(jī)柜1 套、智能巡檢機(jī)器人1 臺、磁導(dǎo)航24 m、安防攝像機(jī)1 臺、紅外防鼠攝像機(jī)2 臺、水漬傳感器4 套、煙感傳感器2 套、溫濕度傳感器2 套、中繼站照明控制系統(tǒng)1 套、非接觸式充電樁1 套、遠(yuǎn)程查詢終端1 套。系統(tǒng)硬件安裝在高速鐵路天窗點內(nèi)進(jìn)行，每日4 h 作業(yè)大約需4 個天窗時間[11]；軟件調(diào)試大約需3 個天窗時間，整體系統(tǒng)安裝和調(diào)試共需1 周。調(diào)試完畢后對相關(guān)功能、安全防護(hù)等進(jìn)行了測試，重點包括系統(tǒng)自檢、巡檢功能及報警實現(xiàn)、自動避障和網(wǎng)絡(luò)安全等項目。

6 結(jié)束語

目前智能巡檢系統(tǒng)已在無人值守信號中繼站進(jìn)行了安裝和測試，系統(tǒng)運行正常，各項功能可以初步滿足替代人工巡檢的要求。該系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)化運用與管理必將大大降低信號設(shè)備維護(hù)成本、提高勞動效率、減少交通安全隱患，同時提升高速鐵路信號監(jiān)測自動化技術(shù)水平，為高鐵安全運營發(fā)揮重要的技術(shù)保障作用。