摘 要：高铁防灾系统对于保障行车安全有重要意义，本文对高铁防灾系统的结构进行了分析，并提出了高铁防灾系统传感器在线监测技术研究的解决方案，在此基础上，研究了高铁防灾系统传感器在线监测装置，并介绍了其工作原理和硬件开发。
关键词：高铁；防灾系统；传感器；在线监测；风速计；雨量计；雪深计
中图分类号：U298 文献标识码：A
1 前言
高速铁路自然灾害及异物侵限监测系统，也称作高铁防灾系统，它是铁路信息系统重要组成部分，为高速铁路运营提供可靠的灾害预警及报警信息，是高速铁路列车行车安全的重要保障系统之一。
高铁防灾系统主要是对危及列车运行安全的大风、暴雨、暴雪、地震等自然灾害以及突发异物侵限等进行实时监测，提供经过处理后的灾害预警、限速、停运等信息，为运营调度进行列车运行计划调整，下达相应行车管制、抢险救援、维修管理等命令提供依据，通过信号联锁、列控系统或行车调度命令实现自动或人工控制行车速度，保障高速列车的运行安全。
国外高速铁路发达的国家，如日本、法国、德国、西班牙等，均采用先进的高速铁路防灾技术加强对自然灾害的有效防护，避免多次行车事故和险情。事实证明：高铁防灾系统的作用是突出有效的，为高铁列车的运行提供了坚强有力的安全保障。在高铁防灾系统的应用上我国起步较晚，应用过程中自然灾害对高铁行车影响的次数较少，积累的经验还不够多，防灾系统的自我完善还存在不足。以哈大高铁防灾系统为例，经过现场调研发现，风、雨、雪传感器误报多次，通讯故障多次，影响了高铁列车的正常行车。因此，研究高铁防灾系统的传感器在线监测技术，研制实用的监测装置，实现对高铁防灾系统的传感器工作状态进行在线实时监测，判断分析其运行状况，为系统的运营维护、故障维修提供依据和指导，以保障高铁防灾系统的稳定、可靠运行。开展专项技术研究，是非常必要和迫切的。
2 技术方案
高铁防灾系统传感器在线监测技术及装置的研究，必须在系统结构的分析基础上进行研究方案论证，从而提出合理有效的技术方案。
2.1 结构分析
高铁防灾系统是构架在铁路通信传输网基础之上的安全信息采集和监测系统，采用铁路局中心系统、现场监测设备两级架构，包括铁路局中心系统、现场監测设备及网络通道等。其结构组成如图1所示。
（1）现场监测设备
现场监测设备包括监控单元设备、风速计、雨量计、雪深计（以及地震仪、异物传感器）等，及相应的电源模块、通讯模块等。其中监控单元是现场监测设备的工作核心，它采用模块化结构，同一监控单元可以同时接入多个不同种类监测设备。监控单元实时采集其管辖范围内各类传感器信息，并对采集到的信息进行处理，再将处理后的监测、报警数据传送至铁路局中心系统。
（2）铁路局中心系统
铁路局中心系统包括监控数据处理设备、监控终端等，铁路局中心系统对收集的数据进行分析、处理，生成监测、报警、预警信息及提示，并传送至相关监控终端。
（3）网络通道
监控数据处理设备至现场监控单元之间采用光缆传输系统提供的E-TREE网络通道，各点间均采用双设备双通道互备。
2.2 方案论证
高铁防灾系统传感器在线监测技术及装置的研究方案论证，必须基于正确的需求分析，并建立对高铁防灾系统结构和通讯模式的分析基础上。
（1）需求分析
研究高铁防灾系统传感器在线监测技术及装置，必须基于正确的需求分析基础上。根据2014年对哈大高铁防灾系统的现场调研分析结果表明：监测数据误报的情况多发生在风速采集方面，其次是雨量数据、雪深数据采集方面。其中，大风告警126次，大雨告警17次，大雪告警8次。另外，哈大高铁防灾系统在夏季曾出现过大雪报警，在冬季还曾出现过大雨报警，与实际自然情况明显不符。对以上产生监测数据误报的原因进行探究、分析和定位，就需要对数据传输进行监测，即对风、雨、雪传感器上行通讯信号进行在线实时采集，并经过数据运算、处理、存储，才能发现高铁防灾系统产生误报的原因，有助于维护人员及时排除故障，保障高铁防灾系统的准确性和可靠性。
（2）结构基础
研究高铁防灾系统传感器在线监测技术及装置，必须基于系统的既有结构基础上。前提是必须保证不影响高铁防灾系统的工作性能，既不能影响防灾系统的正常运行，做到在线监测；又不能干扰防灾系统各功能单元之间的数据通讯与传输，做到实时监测，保证高铁防灾系统持续工作的稳定性和可靠性。因此，在图1所示的高铁防灾系统结构中，只要对监控单元与风速计、雨量计、雪深计之间的通讯数据进行监测，就能既满足系统结构的要求，又满足风、雨、雪传感器在线监测的需求，使高铁防灾系统传感器在线监测装置的研究实现具有可行性。
（3）通讯模式
研究高铁防灾系统传感器在线监测技术及装置，必须基于系统的既有通讯模式。高铁防灾系统的监控单元与风、雨、雪传感器的数据通讯是通过监控单元主机实现的，其中：风速计、雨量计采用RS485通讯协议，并通过中间环节的通讯模块实现信号中继和远距离传输，将采集到的数据上传至监控单元主机，通讯方式为查询应答式；雪深计采用RS232通讯协议，通过中间环节的通讯模块转换为RS485信号实现远距离传输，将采集到的数据上传至监控单元主机，通讯方式为定时发送式。因此，高铁防灾系统传感器在线监测装置可以选择监控单元与通讯模块之间作为数据监测接入点，如图2所示，监测装置采用RS485通讯协议，便可以实现对监控单元与风、雨、雪传感器的数据传输进行采集，从而实现在线监测功能。
2.3 解决方案
为了满足高铁防灾系统现场监测与维护的实际应用需求，高铁防灾系统传感器在线监测装置解决方案的提出，应满足该装置具有以下三个功能：在线监测、故障检测、模拟测试。同时，监测装置应具有远程数据无线传输功能。
（1）在线监测
高铁防灾系统传感器在线监测装置既要实时监测监控单元主机发出的对风、雨传感器的查询命令，又要实时监测风、雨、雪传感器的应答命令，实现双向监测。监测装置对采集到的监测数据进行运算、处理和分析，实时显示监测结果，并进行数据存储，还可以通过无线通信网络系统进行数据远程传输。对高铁防灾系统传感器的在线监测，是该监测装置的主要功能。
（2）故障检测
高铁防灾系统传感器在线监测装置可以模拟监控单元主机进行工作，即在脱机状态下对风、雨传感器模拟发出查询命令，接收风、雨、雪传感器的应答命令，对收到的数据进行运算、处理和分析，实时显示监测结果，并进行数据存储，可以对传感器进行故障检测，判断传感器工作是否正常。
（3）模拟测试
高铁防灾系统传感器在线监测装置可以模拟风、雨、雪传感器进行工作，即把模拟风、雨、雪数据发送至监控单元主机，监控单元主机可以将数据继续上传至铁路局中心系统，测试监控终端的报警、预警功能是否正常。
3 工作原理
高铁防灾系统传感器在线监测装置的工作原理图，如图3所示。其中：I为高铁防灾系统的现场监控单元主机与风、雨、雪传感器的结构关系；II为高铁防灾系统传感器在线监测装置的结构原理。
高铁防灾系统传感器在线监测装置主要包括主控单元、运算处理单元、信号隔离单元、接口单元、数据存储单元、电源单元、人机交互单元、显示单元、远程数据传输单元、上位机远程监测系统，并选择GSM无线通信系统作为远程数据传输平台。
主控单元是监测装置的核心工作单元，在硬件设计上选择嵌入式计算机系统，使得硬件开发简单易行。主控单元主要负责传感器数据采集、数据发送、数据运算控制、信号生成、人机交互操作、屏幕信息显示、远程数据传输与控制。
运算处理单元在主控单元控制下进行数据解析和运算，包括对采集到的数据和生成的模拟信号进行运算处理。
信号隔离单元主要对采集和发送的信号进行光电隔离，防止产生通讯干扰，影响高铁防灾系统正常工作。
接口单元为信号隔离单元、运算处理单元、数据存储单元、远程数据传输单元提供相应的数据接口。
数据存储单元在主控單元控制下进行数据存储，包括对采集到的数据和生成的模拟信号进行数据存储，采用SD安全数码卡，具有大容量、高性能、读写速度快、安全方便等优点。
电源单元为监测装置提供电源供给，电源电路具有不仅具有滤波功能，还提供外部供电的过压和过流保护功能。
人机交互单元在主控单元控制下实现人机交互操作，实现监测装置的各种参数设置，以及在线监测、故障检测、模拟测试的交互功能。
显示单元在主控单元控制下实时显示各种监测、检测和测试信息。
远程数据传输单元可以将实时监测信息通过无线通信系统上传至上位机远程监测系统，实现远程数据传输。
上位机远程监测系统可以接收监测装置的实时监测信息，进行远程数据监测，并可以通过发送操作命令，实现对监测装置的远程控制，方便监测装置的应用和管理。
无线通信系统采用GSM数据通信网络作为远程数据传输的平台，具有覆盖率高、通信质量高、费用低、简单易行等优点。
4 硬件开发
高铁防灾系统传感器在线监测装置的设计开发，充分考虑到了现场实际应用的实用性、简便性和可靠性，采用了便携式硬件系统设计，提高硬件集成度，增强工作稳定性，保证高速运算和处理性能。
监测装置的电路硬件设计基于模块化原则，以嵌入式系统为核心的，该系统具有丰富的硬件资源，采用ARM9系列单片机作为核心处理器，标称工作频率为400MHz，具有封闭性好、安全性好、系统成熟、较为稳定等优点。同时，监测装置配置了128M的Flash存储器与64M的SDRAM存储器，保证了足够快的存储速度；并选用了7寸TFT触摸显示屏，视觉效果良好，触摸操作方便实用。监测装置主界面如图4所示。
监测装置采用ARM9单片机，可以较方便地植入WINCE操作系统，并实现Microsoft Visual studio 2008语言编程，开发界面友好，较容易实现。
结语
本文通过对高铁防灾系统的结构进行分析，并对高铁防灾系统传感器在线监测技术的方案进行了论证，在此基础上，研究了高铁防灾系统传感器在线监测装置，并在严寒地区的哈大高铁防灾系统上实际应用。该监测装置经过长时间应用验证，证明其监测结果准确，可以有效记录、定位传感器故障情况，不仅有助于维护人员及时发现故障，维修人员据此还可以迅速排除故障，为高铁防灾系统的稳定和可靠运行提供了技术支持。
由于高铁防灾系统在我国建成运行的时间尚短，相关研究仍然是一个长期的探索过程。因此，对于高铁防灾系统的传感器在线监测技术研究还需要持续跟踪调研，以实现对防灾系统的不断补充和完善，以充分发挥高铁防灾系统的减灾和防灾作用，为高速铁路列车的运行提供安全保障。
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