本文介绍了一种可满足不同需求的组合式铁路货物列车动态综合监测系统，可分别实现货车装载超限、超偏载、车门破封、车号识别、视频监控等多项监测，并可根据现场实际需求按模块组合形成系列货车安全监测装置。基于这一设计理念开发的综合监测系统在实际应用中取得了较好的效果，有效的保证了铁路运输生产的安全。
   在轨道交通运输中，货车装载安全始终是运输生产安全的重要课题。近年来已开发了多种货运安全监测装置，改变了过去单纯依靠人工制度静态管理的模式，有效保障了铁路运输生产的安全。这些装置大都功能单一,或功能虽全但系统冗余较多，造价过高，难以满足现场需求。
   组合式铁路货物列车动态综合监测系统主要是针对近年来铁路运输中因货物装载超限，超偏载等安全隐患造成列车在运行中颠覆、侵入限界，撞毁行车设施及造成重大人身伤亡事故等进行开发的。是一种组合式铁路货物列车动态综合监测系统，可分别实现货车装载超限、超偏载、车门破封、车号识别、视频监控等多项监测功能，并可根据现场实际需求按模块组合形成系列货车安全监测装置。在信息的处理和管理方面，此系统可以实现列车运行中货物装载状况的网络远程监测，车辆图象的实时抓拍、通过列车的整列录像和回放，并可取得包括车次、车号、车型、出厂日期在内的货车车辆的完整信息，实现视频远程监控和货运安全状况数据库的访问。本系统的投入使用将有效遏制由货车装载安全不良引发的行车事故，确保行车安全，预防偷盗，提高货检工作科学化、自动化水平，具有显著的经济效益和社会效益。

  系统结构介绍
   系统在功能上主要考虑实现多功能综合监测，并可根据实际需求进行组合。在结构上应安装简便，不跨越股道，可适应电气化线路作业，能满足现场恶劣的使用条件；在性能方面主要实现信息远程传输，现场无人值守；在造价上主要考虑投资低、简单实用，性能价格比高。
   系统硬件结构主要由两大部分组成：一是现场数据采集部分，二是后台服务器的信息处理发布部分。现场设备采用模块化结构，包括基本设备部分及可选设备部分，可根据实际安全监测需要选择组合。基本部分包括网络通信设备、车辆测速计轴装置、自动照明装置、视频监控装置、现场数据采集处理系统。可选部分包括激光传感器和光幕组成的超限检测门、动态轮重称重装置、电子施封锁检测装置、车号自动识别装置。后台包括网络通信设备、交换机、服务器、客户机。
现场系统硬件框图(见图一)。

图一  现场系统硬件框图

超限检测模块
   通过对国内外现有的检测模式的认真调研比较分析，经过充分论证，本系统采用了组合式激光检测和光幕分别处理不同位置的超限检测和车门开闭，达到了检测精度高，响应速度快的效果。
   光幕实际是多组对射式遮挡位置检测，采用同步扫描检测方式，用于监测顶部及中部两侧超限，其主要特点是定位精度高，可抗恶劣天气。
   漫反射检测模式主要用于检测上部超限，该方式是一种不需反射镜而利用被照射物体反射光检测的方式，即无超限发生时，传感器收不到反射信号，当发生超限情况时，传感器受到物体的反射信号报警。
   车门开闭检测采用了具有背景屏蔽功能的漫反射激光传传感器，可通过软硬件结合的方式自动判别货车车门是否被打开。
探测器位置示意图见图二。

图二  超限检测传感器设置示意图

动态轮重称重装置
    铁路货车重量的计量方式主要有4种：轮计量、轴计量、转向架计量和整车计量。由于需要计算货车的超偏载状况，必须对每个轮重进行计量。当然，如果同时对所有轮重进行计量，可以获得较高的整车称量精度，考虑到此系统主要用于超偏载报警，不属于商业计量设备，因此采用了对通过的货车轮重逐个计量，再根据《JJG(铁道)129-2004铁道货车超偏载检测装置》对整车的超偏载情况进行计算，发出超偏载报警信息，并抓拍相关的视频图像，以便操作人员核实、确认。在软件处理中，系统必须区分机车和货车，并正确分断车辆，以免发出错误的超偏载报警信息。采用动态轮重称重方式虽然使得系统精度有所降低，但大大降低了系统造价和维护成本，提高了系统可靠性和实用性。
   称重系统采用了无基坑复合式不断轨轨道称量装置，无基坑复合式不断轨轨道称量装置的基础可以采用框架结构的简易秤体，也可以采用传感器基座预埋及焊接方式，无须开挖和浇捣混凝土基坑，使系统基础的稳定性得到改善和保证。能在确保行车安全和正常行车与生产作业下，利用行车、作业、检修的间隙来实施安装调试。 复合式不断轨轨道称量传感器采用了轴销式和轨垫式传感器的组合，以适应不同车速的称量精度需求，使有效称量区域、有效采样区域的采样波形得到充分拓展和改良。 传感器的抗冲击振动次数≥1000万次，传感器和刚性框架结构间具有防水浸泡、防冰冻等措施，确保系统能在冰冻或雨季时的正常工作。 系统具有先进的防雷组合和平衡电桥等保护装置。

   动态轮重称重模块有独立的数据处理系统，可通过以太网接口与主服务器交换信息。

电子施封锁无线监控装置

   多年来铁路货车用施封锁均为机械钢质施封锁。虽然锁具结构简单、成本较低，但施封、破封、保管、登记等均为手工作业，差错率高，作业效率低下。 所记载的标识只有局别、施封站（或专用线）和封号，无法提供诸如施封时间、施封人等信息。一旦中途破封或丢失，无法记录破封时间，不利于货运事故的分析和公安破案。根据货运部门的需求所开发的新型电子施封锁采用RFID技术进行无线读出的数字化电子锁具， RFID射频识别是一种非接触式的自动识别技术，它通过射频信号自动识别目标对象并获取相关数据，识别工作无须人工干预，可工作于各种恶劣环境。RFID技术可识别高速运动物体并可同时识别多个标签，操作快捷方便。 利用该技术开发的铁路货车专用电子施封锁对动态监控货车车门破封防盗有重要作用。采用特殊结构的电子施封锁固定于车门外侧，以便于固定式或手持式无线读锁器读取施封信息。施封锁采用微型电池供电，具有智能电源管理，寿命可达半年。施封锁监测模块通过2.4G平板天线发出查询信息，当货物列车通过时读取电子施封锁信息，并直接传送至上位服务器，与车号识别装置配合，确定该货车的完整信息。

车号自动识别装置

   又称为ATIS（automatic train identification system），ATIS系统主要由两部分构成。一是货车/机车车号电子标签。安装在机车、货车底部的中梁上，由微带天线、虚拟电源、反射调制器、编码器、微处理器和存储器组成。每个电子标签相当于每辆车的“身份证”。二是地面识别系统(AEI)。由安装在轨道间的地面天线、车轮传感器及安装在探测机房的RF微波射频装置、读出计算机(单片机)等组成。主要功能是对运行的列车及车辆进行准确的识别。此系统中设置的ATIS是独立的工作的，其开关机信号由系统根据现场计轴传感器提供，车号由主控设备自动读取并以广播方式发送，专门设计了虚拟串口数据交换方式，使得服务器可以通过以太网直接读取车号信息。

现场数据采集处理系统

   为了提高系统的响应速度、处理能力和可靠性，实时处理现场各种检测控制对象信息，在现场设置了以单片机+视频服务器为核心的数据处理系统。系统具有以下特殊处理功能：
* 计轴脉冲接收和预处理
* 超限检测和超限处理
* 视频处理
* 动态抓拍延迟处理
* 故障传感器自检和屏蔽处理
* 系统状态自检和复位控制
* 通信协议管理
* 现场控制

   为了采集实时超限图像信息，项目采用对通过列车４通道全程录像和抓拍超限图像相结合的方式，其中，两路检测车门，两路监测车辆顶部和侧部。摄像头采用的1/3英寸CCD，清晰度可达400线以上，速率可达25帧/秒。并可采集存储单帧画面。对检测点的影像信息通过H.264硬压缩实现视频采集，可在基本保存图形质量的前提下大大减少数据流量和存储空间。

   为了提高工作可靠性，防止各种干扰和雷电侵袭，监测系统采用了外部通道全隔离技术：对所有检测传感器和计轴传感器均采用光电隔离模块，对电源采用防雷组合和防雷隔离变压器。

网络通信技术

   系统通信分为两层，服务器与现场设备的通信根据现场实际情况采用无线通信或有线通信，当监测现场距离远、铺设光缆成本较高时，采用802.11b/g/a无线局域网技术，利用微波定向天线及无线网桥实现数据远传，使用带宽可达20MHZ，选用2.4G/5.8G微波定向天线，其传输距离可达20千米，以确保数据传输的高速、稳定，基本可满足４路已压缩视频的实时传输。当系统现场距离较近、允许铺设光缆时，系统采用光纤通信模式。

监控服务器采用网桥等方式直接接入局级广域网，以便实现系统的远程监控。

系统管理及应用软件

   管理软件分为现场数据采集处理系统及服务器数据库管理系统二部分。现场部分主要是数据采集及实时处理；服务器部分运行后台应用程序与现场保持实时通信，同时提供WEB网站HTTP服务及数据库查询服务。

现场系统软件功能模块框图如下见图三

服务器端系统模块框图见图四

图四 货物列车安全监测信息处理系统模块框图

   远端查询现场的情况，可通过WEB服务器浏览货物列车信息。网站实现了以下功能：分类查询——查询者可以根据日期范围及报警内容进行查询，找到某段时间内的相关数据。数据信息按时间逆序排列。分页查询——每天通过货物安全监测系统的列车数据量庞大，因此即使采用了分类查询，查询者看到的记录还是比较繁杂，为了页面简洁，采用分页显示技术，每页显示20条数据。
系统使用推广前景
   该系统经过多年的研究改进，已取得了较好的推广面和使用效果。由于现场监测采用了模块化结构，可根据需求进行配置，因此本系统的应用相当灵活，一般来说，基本配置在系统应用中是必需的，而可选设备则可根据实际检测需要取舍，这样可以衍生出多型货车安全监测系统。目前，我们在南昌局管内的四条钢厂专用线采用基本配置加上ATIS和超偏载监测装置实现了具有视频监控功能和车号识别功能的超偏载动态监控系统，有效卡控了钢厂出厂货车装载的不安全因素。
此外，采用基本配置加上ATIS和货车超限监测装置实现了具有视频监控功能和车号识别功能的货车超限动态监控系统，目前已在南昌局管内萍乡、鹰潭、九江等多个车站投入使用，取得了良好效果。  ■