一种困难条件下长隧道人员机车定位跟踪和应急通信系统的制作方法

1.本发明涉及隧道内机车定位跟踪和应急通信技术领域，更具体地说，本发明涉及一种困难条件下长隧道人员机车定位跟踪和应急通信系统。


背景技术：

2.隧道施工后期，即线上施工阶段对于铁路隧道而言是一个比较特殊的时期，此时的施工条件较为困难，由于前期土建阶段的照明电源已经撤走，后期铺轨、四电安装、联调联试、动检等多种工序的施工期间其实没有稳定可用的电源，且长大隧道内手机信号无法达到，更无北斗和gps等定位卫星信号，因此“无电”、“无信号”、“无卫星”已经成为铁路隧道施工后期的一种较为严重和普遍的现象；
3.对于施工管理单位而言，机车和人员一旦进入长大隧道就等于进入了盲区，其施工进度无法及时了解，施工安全性无法确认，而一旦发生险情，洞内外人员无法在第一时间取得联系，此时的长大隧道成为管理上的“盲区”，必须通过一种技术系统来克服上述困难，解决对隧道内机车和人员的定位跟踪、临近报警和应急通信问题，将管理“盲区”变成可见、可控、可管的安全地带，鉴于此，本发明提出一种困难条件下长隧道人员机车定位跟踪和应急通信系统。


技术实现要素：

4.为了克服现有技术的上述缺陷，本发明的实施例提供一种困难条件下长隧道人员机车定位跟踪和应急通信系统，通过rfid读写器a和rfid读写器b能够用于读取隧道内壁贴附的rfid定位标签的定位数据，并且通过zigbee通信模块a和zigbee通信模块b将手持终端和车载终端的g/4g通信自动转换为洞内zigbee通信，通过洞内的通讯节点设备和通讯网关设备加上洞外3g/4g通信链路实现数据的输送，以解决上述背景技术中提出的问题。
5.为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种困难条件下长隧道人员机车定位跟踪和应急通信系统，包括指挥调度中心、车载终端和手持终端，所述指挥调度中心通过网络与车载终端相互输入和输出，所述指挥调度中心通过网络与手持终端相互输入输出；
6.所述指挥调度中心包括监控终端机、通讯和数据库服务器、显示设备、路由器、交换器和web服务器；
7.所述手持终端包括rfid读写器a和zigbee通信模块a；
8.所述车载终端安装在机车内部，且所述车载终端具体包括rfid读写器b和zigbee通信模块b，且所述车载终端内部设置gnss模块；
9.所述rfid读写器a和rfid读写器b均相连接有rfid定位标签，所述zigbee通信模块a和zigbee通信模块b分别连接有通讯节点设备和通讯网关设备。
10.在一个优选地实施方式中，所述监控终端机和通讯和数据库服务器分别与显示设备、路由器、交换器和web服务器相互输入输出，且路由器与通讯网关设备相连接。
11.在一个优选地实施方式中，所述rfid读写器a和rfid读写器b均与rfid定位标签通
过磁性感应连接，所述zigbee通信模块a和zigbee通信模块b分别与通讯节点设备和通讯网关设备通过网络连接。
12.在一个优选地实施方式中，所述通讯节点设备具体由zigbee主机a、天线a、蓄电池a、机箱a组成，所述通讯网关设备具体由zigbee主机b、天线b、dtu设备、连接线、机箱b、蓄电池b和太阳能供电单元组成。
13.在一个优选地实施方式中，所述监控终端机具体包括总指工程部监控终端、总指安质部监控终端、监理单位监控终端和施工单位监控终端。
14.在一个优选地实施方式中，所述rfid定位标签和通讯节点设备数量均设置为多个，且均安装在隧道的内壁表面，多个rfid定位标签之间等距平行设置，所述通讯网关设备设置在隧道洞口内。
15.在一个优选地实施方式中，所述通讯网关设备根据隧道洞口数量进行设置，每一个隧道洞口数量设置为一个。
16.本发明的技术效果和优点：
17.1、通过在车载终端和手持终端内部分别设置rfid读写器a和rfid读写器b、zigbee通信模块a和zigbee通信模块b，其中rfid读写器a和rfid读写器b能够用于读取隧道内壁贴附的rfid定位标签的定位数据，并通过rfid定位标签对机车的运行以及相关作业人员进行定位，并且通过zigbee通信模块a和zigbee通信模块b将手持终端和车载终端的g/4g通信自动转换为洞内zigbee通信，通过洞内的通讯节点设备和通讯网关设备加上洞外3g/4g通信链路实现数据的输送，并将数据向调度中心传送，而从调度中心下发的短报文则通过相反链路传输至车载终端和手持终端，数据接收后进行显示和自动语音播报，从而实现洞内定位以及通讯效果；
18.2、通过在隧道内部设置多个rfid定位标签，其中每两个rfid定位标签之间的距离取决于系统的定位精度并通过扫描时间差，从而自动计算出机车行驶的速度，有效避免机车在隧道内部发生超速现象，同时为了避免通讯网关设备内部的蓄电池无法提供长期供电，通过采用太阳能供电单元给蓄电池充电，并通过连接线与位于隧道外顶部的太阳能板连接，进而能够通过蓄电池为通讯网关进行供电；
19.综上所述，通过采用上述系统中的设备配合，机车在隧道外运行时，使其能够通过外部接收北斗、gps卫星信号，自动获取位置和速度数据，并将数据输送至调度中心处，进行数据传输以及通讯，而机车处于隧道内部时，机车将通信制式从3g/4g通信自动转换为洞内zigbee通信，并通过隧道内部的rfid定位标签、通讯节点设备以及通讯网关设备实现机车的定位、数据输送、通讯以及警示等效果，解决目前长大隧道内“无电”、“无信号”、“无卫星”的实际困难。
附图说明
20.图1为本发明的整体系统图。
21.图2为本发明的指挥调度中心系统图。
22.图3为本发明的手持终端连接系统图。
23.图4为本发明的车载终端连接系统图。
24.图5为本发明的通讯节点设备结构系统图。
25.图6为本发明的通讯网关设备结构系统图。
26.图7为本发明的监控终端机结构系统图。
27.图8为本发明的车载终端与gnss模块连接系统图。
28.图9为本发明的软件功能模块图。
29.附图标记为：1、指挥调度中心；2、车载终端；3、手持终端；4、监控终端机；5、通讯和数据库服务器；6、显示设备；7、路由器；8、交换器；9、web服务器；10、rfid读写器a；11、zigbee通信模块a；12、rfid读写器b；13、zigbee通信模块b；14、gnss模块；15、rfid定位标签；16、通讯节点设备；17、通讯网关设备；18、zigbee主机a；19、天线a；20、蓄电池a；21、机箱a；22、zigbee主机b；23、天线b；24、dtu设备；25、连接线；26、机箱b；27、蓄电池b；28、太阳能供电单元；29、总指工程部监控终端；30、总指安质部监控终端；31、监理单位监控终端；32、施工单位监控终端。
具体实施方式
30.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
31.如附图1-9所示的一种困难条件下长隧道人员机车定位跟踪和应急通信系统，包括指挥调度中心1、车载终端2和手持终端3，指挥调度中心1通过网络与车载终端2相互输入和输出，指挥调度中心1通过网络与手持终端3相互输入输出；
32.指挥调度中心1包括监控终端机4、通讯和数据库服务器5、显示设备6、路由器7、交换器8和web服务器9；
33.手持终端3包括rfid读写器a10和zigbee通信模块a11；
34.车载终端2安装在机车内部，且车载终端2具体包括rfid读写器b12和zigbee通信模块b13，且车载终端2内部设置gnss模块14；
35.rfid读写器a10和rfid读写器b12均相连接有rfid定位标签15，zigbee通信模块a11和zigbee通信模块b13分别连接有通讯节点设备16和通讯网关设备17。
36.如附图2所示，监控终端机4和通讯和数据库服务器5分别与显示设备6、路由器7、交换器8和web服务器9相互输入输出，且路由器7与通讯网关设备17相连接，以便于能够方便工作人员对数据进行传输并通过显示设备6进行显示，进而能够查看机车运行的速度以及具体方位，并及时做好相应措施。
37.如附图3、4所示，rfid读写器a10和rfid读写器b12均与rfid定位标签15相连接，rfid读写器a10和rfid读写器b12均与rfid定位标签15通过磁性感应连接，zigbee通信模块a11和zigbee通信模块b13分别与通讯节点设备16和通讯网关设备17通过网络连，以便于通过rfid读写器a10和rfid读写器b12用于读取隧道内壁贴附的rfid定位标签15的定位数据，而zigbee通讯模块a11和zigbee通讯模块b13可与隧道内固定安装的通讯节点设备16和通讯网关设备17进行通信握手实现入网、脱网，信息转发等。
38.如附图5、6所示，通讯节点设备16具体由zigbee主机a18、天线a19、蓄电池a20、机箱a21组成，通讯网关设备17具体由zigbee主机b22、天线b23、dtu设备24、连接线25、机箱
b26、蓄电池b27和太阳能供电单元28组，以便于通过蓄电池a20和蓄电池b27能够对设备提供电量，并保持设备的正常运行，同时太阳能供电单元28组能够给蓄电池b27充电，通过连接线25与位于隧道外顶部的太阳能板连接。
39.如附图7所示，监控终端机4具体包括总指工程部监控终端29、总指安质部监控终端30、监理单位监控终端31和施工单位监控终端32，以便于使总指工程部、总指安质部、监理单位和施工单位能够实现接收并查看到机车运行速度，以及定位，进而便于做好相对通讯并采用措施。
40.如附图3、4所示，rfid定位标签15和通讯节点设备16数量均设置为多个，且均安装在隧道的内壁表面，多个rfid定位标签15之间等距平行设置，通讯网关设备17设置在隧道洞口内，以便于通过rfid定位标签15能够读取到标签存储的隧道定位数据，并且多个rfid定位标签15之间的距离能够决定机车的定位精准度，通过通讯节点设备16能够与其邻近的其他zigbee路由设备进行通信握手和短报文数据收发，并对来自该隧道网关设备的zigbee协调器设备的广播指令做出反馈，进行设备复位、返回电压数值等，进而能够实现隧道内部的通讯效果，确保隧道内部保持通讯的可靠性，通讯网关设备17可以与在其通信链路范围的其他zigbee router路由设备进行双向数据传输，包括业务短报文信息和广播指令的收发和上传等。
41.如附图3、4所示，通讯网关设备17根据隧道洞口数量进行设置，每一个隧道洞口数量设置为一个，以便于当机车从其中以隧道进入到另一个隧道时，能够对机车的数据进行传输和收发，能够及时了解机车进洞过程中的运行速度。
42.本发明工作原理：本发明在具体使用时，结合说明书附图1-9所示，首先系统软件部分包括监控端软件和移动端软件两类，监控端软件运行于调度中心服务器，用于接收和显示来自移动端上传的定位数据、通信短报文信息，同时可向移动端发送调度命令短报文，移动端软件运行在车载终端2和手持终端3上，用于控制移动终端的定位、通信模块，实现定位数据、通信数据上传，并可接收和显示来自调度中心的调度命令报文；
43.手持终端3配发给现场作业人员，一个作业班组至少配备一台，手持终端3上安装运行移动端手持版软件，车载终端2安装机车上，其上安装运行移动端车载机软件；
44.手持终端3和移动终端内分别设置有rfid读写器a10、zigbee通信模块a11、rfid读写器b12和zigbee通信模块b13，其中rfid读写器a10和rfid读写器b12用于读取隧道内壁贴附的rfid定位标签15的定位数据，而zigbee模块a和zigbee模块b被设置为zigbee router路由模式，可与隧道内固定安装的通讯节点设备16和通讯网络设备进行通信握手实现入网、脱网，信息转发等；
45.系统在运行时，车载终端2在隧道外通过内置的gnss模块14接收北斗和gps卫星信号，获取机车位置和速度等数据，机车定位、速度都将通过洞外3g/4g网络上传至云端，并进一步传输至调度中心，当机车驶入隧道后，车载终端2软件自动切换为隧道内模式，车载终端2自动开启车载的rfid读写器b12，开始读取隧道内壁的rfid标签并获取定位数据，显示在移动终端屏幕上，同时将通信制式从3g/4g通信自动转换为洞内zigbee通信，此时的定位数据通过洞内zigbee通讯和洞外3g/4g通信链路向调度中心传送，而从调度中心下发的短报文则通过相反链路传输至车载终端2，终端接收后进行显示和自动语音播报，手持终端3的工作流程与车载终端2类似，只是由于采用了与车载终端2不同、功耗更小的内置rfid阅
读器，因此采用的设备驱动程序不同；
46.进一步的，当处于隧道外环境时，驾驶员通过车载终端2，或者施工人员通过手持终端3输入的短报文信息将通过洞外3g/4g网络上传至云端，并进一步传输至调度中心，调度中心收到后自动以语音形式播报内容，并提醒调度员查看，而调度员通过监控终端计算机输入的短报文信息则通过相反的通信链路向移动终端发送，移动终端接收后以语音自动播报内容；
47.进入隧道内环境后，短报文数据通过洞内zigbee通讯和洞外3g/4g通信链路在移动终端和调度中心之间双向传送；
48.进一步的，当机车与机车、机车与人员靠近至超过警戒距离时，相互靠近的两台车载终端2、或者车载终端2与手持终端3都将收到机车临近报警信息，提醒驾驶员提示减速、鸣笛，同时提醒线上施工人员下道避让，移动终端接收到报警信息后将采用警笛鸣响和语音自动播报信息内容的方式提醒用户查看，同时，该报警信息也向调度中心发送，使调度员也能在第一时间了解到警情的处理情况；
49.进一步的，超速报警功能专门为车载终端2设计，分为隧道外和隧道内两种情况，当机车处于隧道外环境时，车载终端2通过接收北斗、gps卫星信号，自动获取位置和速度数据；而在进入隧道内后，车载终端2通过扫描相邻的两个rfid标签获取两标签间的距离和扫描时间差，并自动计算行驶速度。
50.无论洞内或洞外，当速度超过预设的警戒值时，车载终端2自动产生一条超速报警信息，以语音播报形式提醒驾驶员查看，同时向调度中心传送；
51.总之，机车在隧道外运行时，能够通过外部接收北斗、gps卫星信号，自动获取位置和速度数据，并将数据输送至调度中心处，进行数据传输以及通讯，而机车处于隧道内部时，机车将通信制式从3g/4g通信自动转换为洞内zigbee通信，并通过隧道内部的rfid定位标签15、通讯节点设备16以及通讯网关设备17实现机车的定位、数据输送、通讯以及警示等效果，解决目前长大隧道内“无电”、“无信号”、“无卫星”的实际困难。
52.最后应说明的几点是：首先，在本技术的描述中，需要说明的是，除非另有规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，可以是机械连接或电连接，也可以是两个元件内部的连通，可以是直接相连，“上”、“下”、“左”、“右”等仅用于表示相对位置关系，当被描述对象的绝对位置改变，则相对位置关系可能发生改变；
53.其次：本发明公开实施例附图中，只涉及到与本公开实施例涉及到的结构，其他结构可参考通常设计，在不冲突情况下，本发明同一实施例及不同实施例可以相互组合；
54.最后：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。