CN107631725A - 一种铁路运输装备姿态监测系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种铁路运输装备姿态监测系统，包括姿态信息监测节点AMU、姿态基准节点ARU和列车监控终端，所述姿态基准节点ARU与姿态信息监测节点AMU无线连接，所述列车监控终端与姿态基准节点ARU无线连接。本发明公开的铁路运输装备姿态监测系统，其可以自动地对铁路运输装备的姿态进行全天候监控，智能判断铁路运输装备的姿态，并及时发出预警，保证监控的及时性和准确性，节约运输的人力成本，保证铁路运输装备的运输安全。
Description
技术领域
本发明涉及铁路交通安全运输技术领域，特别是涉及一种铁路运输装备姿态监测系统。
背景技术
目前，铁路运输作为一种重要的运输方式，和其他运输方式相比较，具有运送能力大、成本低廉、受气候等自然条件影响小、经常性和持续性有保障以及便于安全可靠地实施大规模运输等优势，被广泛地应用于人们的生产和生活中，受到人们的欢迎。
对于铁路运输这种特殊的运输方式，列车在运行过程中，其上放置的装备由于受力形式复杂多样，即使在捆绑加固的情况下，也难以保证装备在运输途中不发生偏移。一旦铁路运输装备发生偏移，将极易对铁路的运行带来重大的影响，同时带来极大的经济损失。因此，有必要采取技术手段对铁路运输装备的姿态进行全天候监控，保证装备的运输安全。
目前，为了对铁路运输装备的姿态进行全天候监控，尤其是押运高价值的铁路运输装备时，通常采用视频监控的方式，这种方式依赖押运工人进行装备姿态的人工判别，夜间及复杂气象条件对其限制较大，并且易受人的生理条件限制，如客观存在人员注意力分散的情况，存在一定的安全隐患，尤其是在运输线路较长，时间较久的情况下，对铁路运输装备的姿态进行全天候监控更显得困难，更加难以保证监控的及时性和准确性。同时，现有视频监控设备还存在传输带宽要求较高、功耗大、列车供电困难等问题。
因此，目前迫切需要开发出一种技术，其可以自动地对铁路运输装备的姿态进行全天候监控，智能判断铁路运输装备的姿态，并及时发出预警，保证监控的及时性和准确性，节约运输的人力成本，保证铁路运输装备的运输安全，显著提升铁路运输管理的信息化水平。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的是提供一种铁路运输装备姿态监测系统，其可以自动地对铁路运输装备的姿态进行全天候监控，智能判断铁路运输装备的姿态，并及时发出预警，保证监控的及时性和准确性，节约运输的人力成本，保证铁路运输装备的运输安全，显著提升铁路运输管理的信息化水平，有利于铁路运输装备姿态监测系统的广泛生产应用，具有重大的生产实践意义。
为此，本发明提供了一种铁路运输装备姿态监测系统，包括：
姿态信息监测节点AMU，安装于所述铁路运输装备的预设需检测部位，用于检测该预设需检测部位上的九轴运动信息，获得所述姿态信息监测节点AMU在铁路运输装备参考坐标系与地理参考坐标系上的相对位置信息，并将该相对位置信息作为姿态信息监测节点AMU在所述预设需检测部位上的姿态信息，然后无线传输给姿态基准节点ARU；
姿态基准节点ARU，与姿态信息监测节点AMU无线连接，所述姿态基准节点ARU安装于列车平车的预设参考位置，用于检测预设参考位置上的九轴运动信息，获得所述姿态基准节点ARU在列车平车参考坐标系与地理参考坐标系上的相对位置信息，并将该相对位置信息作为姿态基准节点ARU在预设参考位置的姿态信息，然后将姿态基准节点ARU在列车平车参考坐标系中的坐标信息与所接收到的所述姿态信息监测节点AMU在所述预设需检测部位上的坐标信息进行对比，计算获得当前铁路运输装备在列车平车上的实时姿态变化信息并无线发送给列车监控终端；
列车监控终端，与姿态基准节点ARU无线连接，用于判断当前铁路运输装备在列车平车上的实时姿态变化信息是否超过预设最大阈值，如果超过，则对应向用户发出预设的安全预警信息；
其中，所述铁路运输装备参考坐标系包括铁路运输装备水平向右的X轴、水平向前的Y轴和垂直于水平面向上的Z轴；所述列车平车参考坐标系包括列车平车水平向右的X轴、水平向前的Y轴和垂直于水平面向上的Z轴；所述地理参考坐标系以水平面为基准，由垂直于水平面向上的Z轴、磁北极方向的Y轴和水平向东方向的X轴组成。
其中，所述姿态基准节点ARU在预设参考位置的姿态信息与所述姿态信息监测节点AMU在所述预设需检测部位上的姿态信息进行对比，具体对比操作为：
将所述姿态基准节点ARU在预设参考位置的姿态信息中包括的X轴、Y轴、Z轴位置及俯仰角、偏转角和横滚角这六个空间自由度信息，和所述姿态信息监测节点AMU在所述预设需检测部位上的姿态信息中包括的X轴、Y轴、Z轴位置及俯仰角、偏转角和横滚角这六个空间自由度信息，分别对应进行相减运算，从而获得当前铁路运输装备在列车平车上的实时姿态变化信息。
其中，所述铁路运输装备的预设需检测部位具体为所述铁路运输装备的重心位置或易活动部位；
所述姿态基准节点ARU安装于位于所述列车平车底板上。
其中，所述姿态信息监测节点AMU与姿态基准节点ARU之间通过紫蜂协议或家庭物联网通讯协定技术协议进行无线通讯；
所述姿态基准节点ARU与列车监控终端之间通过Sub-GHz协议进行无线通信。
其中，所述姿态信息监测节点AMU包括：
第一九轴运动传感器，用于检测所述铁路运输装备在该预设需检测部位上的九轴运动信息，然后传输给第一数据处理单元；
第一电能收集传感器，用于采集预设种类的能量，并转化为电能存在到可蓄能的第一电源模块中；
第一电源模块，与第一电能收集传感器相连接，用于存储所述第一电能收集传感器转化的电能，并为所述姿态信息监测节点AMU提供工作用电；
第一数据处理单元，分别与第一九轴运动传感器、第一电源模块相连接，用于根据所述第一九轴运动传感器发来的九轴运动信息，获得所述姿态信息监测节点AMU在铁路运输装备参考坐标系与地理参考坐标系上的相对位置信息，并将该相对位置信息作为姿态信息监测节点AMU在所述预设需检测部位上的姿态信息，然后无线传输给姿态基准节点ARU。
其中，所述姿态基准节点ARU包括：
第二九轴运动传感器，用于检测所述铁路运输平车在该预设需检测部位上的九轴运动信息，然后无线传输给列车监控终端；
第二电能收集传感器，用于采集预设种类的能量，并转化为电能存在到可蓄能的第二电源模块中；
第二电源模块，与第二电能收集传感器相连接，用于存储所述第二电能收集传感器转化的电能，并为所述姿态基准节点ARU提供工作用电；
第二数据处理单元，分别与第二九轴运动传感器、第二电源模块相连接，用于根据所述第二九轴运动传感器发来的九轴运动信息，获得所述姿态基准节点ARU在列车平车参考坐标系与地理参考坐标系上的相对位置信息，并将该相对位置信息作为姿态基准节点ARU在预设参考位置的姿态信息，然后与所接收到的所述姿态信息监测节点AMU在所述预设需检测部位上的姿态信息进行对比操作，获得当前铁路运输装备在列车平车上的实时姿态变化信息，并无线发送给列车监控终端。
其中，所述列车监控终端包括：
嵌入式终端设备，与姿态信息基准节点ARU相连接，用于分别判断当前铁路运输装备在列车平车上的相对位置，即当前铁路运输装备在列车平车上的实时姿态信息中包含的X轴、Y轴、Z轴位置及俯仰角、偏转角和横滚角信息是否超过预设最大阈值，如果超过，则判断铁路运输装备存在安全隐患，阈值对应向显示设备发送预设的安全预警信息；
显示设备，与嵌入式终端设备相连接，用于显示当前铁路运输装备在列车平车上的实时姿态信息，以及将嵌入式终端设备发送的预设的安全预警信息显示给用户；
远程通信设备，与嵌入式终端设备相连接，用于将当前铁路运输装备在列车平车上的实时姿态信息上传至云服务器进行数据存储。
其中，所述嵌入式终端设备和显示设备上分别设置有HDMI接口，所述嵌入式终端设备和显示设备通过HDMI连接线相连接。
由以上本发明提供的技术方案可见，与现有技术相比较，本发明提出了一种铁路运输装备姿态监测系统，其通过嵌入式系统及物联网技术，通过采集处理在运的装备姿态信息，进行数据融合、智能判断、预警，可以自动地对铁路运输装备的姿态进行全天候监控，智能判断铁路运输装备的姿态，并及时发出预警，保证监控的及时性和准确性，节约运输的人力成本，保证铁路运输装备的运输安全，显著提升铁路运输管理的信息化水平，有利于铁路运输装备姿态监测系统的广泛生产应用，具有重大的生产实践意义。
此外，本发明提供的铁路运输装备姿态监测系统还具有传输带宽要求低、用电少和低功耗的优点，可以更好地符合列车上的客观条件，进一步显著提升了系统的实际运用能力，可以获得良好的实际应用效果。
附图说明
图1为本发明提供的一种铁路运输装备姿态监测系统的结构框图；
图2为本发明提供的一种铁路运输装备姿态监测系统具体实施例的结构框图；
图3为本发明提供的一种铁路运输装备姿态监测系统的具体应用场景示意图。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面结合附图和实施方式对本发明作进一步的详细说明。
本发明提供了一种铁路运输装备姿态监测系统，用于对铁路运输装备的姿态进行全天候监控。需要说明的是，铁路运输装备的姿态是指装备与列车之间的相对姿态，两者姿态均以载体参考坐标系与地理参考坐标系的相对位置来确定。载体参考坐标系包括装备或者列车平车水平向右的X轴、水平向前的Y轴、垂直于水平面向上的Z轴。地理参考坐标系，以水平面为基准，由垂直于水平面向上的Z轴、磁北极方向的Y轴和水平向东方向的X轴组成。一般情况下，地理参考坐标系恒定不变。在本发明中，表述装备的姿态常用空间六个自由度表述，具体由X轴、Y轴、Z轴位置及一组姿态角(俯仰角、偏转角和横滚角)来表示，具体实现上，可以通过九轴运动传感器获取X轴、Y轴、Z轴等三轴的加速度、三轴姿态角速率及三轴方向角，共计九个运动参量，再通过对九个运行参量进行数据融合，获得空间的六个自由度。本发明可以通过姿态数据的变化，判断当前装备运动情况是否存在安全隐患。
其中，所述九个运动参量通过基于卡尔曼滤波的组合姿态估计的数据融合算法方案计算得到，具体可以为：采用现有技术人员公知的四元数姿态解算算法，利用三轴加速度计的测量值计算俯仰角和横滚角，利用磁强计(如三轴磁感应传感器)测量值计算偏转角，根据三轴陀螺仪计算的姿态角作为卡尔曼滤波器的预测值，将磁强计和加速度计计算出的姿态角作为测量值，通过卡尔曼滤波实现多传感器的信息融合，确保姿态角估计的准确性(具体见下文)。
参见图1、图3，本发明提供的一种铁路运输装备姿态监测系统，具体包括姿态信息监测节点(Attitude Reference Unit，AMU)100、姿态基准节点(Attitude Monitor Unit，ARU)200和列车监控终端300，其中：
姿态信息监测节点AMU 100，安装于所述铁路运输装备400(如一辆汽车)的预设需检测部位，用于检测该预设需检测部位上的九轴运动信息，获得所述姿态信息监测节点AMU100在铁路运输装备参考坐标系与地理参考坐标系的相对位置信息，即该姿态信息监测节点AMU 100在所述预设需检测部位上的姿态信息，然后无线传输给姿态基准节点ARU200；
其中，所述姿态信息监测节点AMU 100所预设需检测部位上的姿态信息即是该部位的参考坐标系与地理参考坐标系上的相对位置，包括X轴、Y轴、Z轴位置及俯仰角、偏转角和横滚角这六个空间自由度信息。通过对加速度计测量值积分，得到X、Y、Z轴的位移，利用加速度计确定俯仰角和横滚角，表示加速度计各轴方向上的重力分量，则俯仰角横滚角 表示三轴磁强计各轴的分量，则偏转角得到加速度计信号和磁强计信号计算的姿态角；再利用三轴陀螺仪信号测量获得的姿态角(包括俯仰角、偏转角和横滚角)来作为Kalman滤波器的预测值，估计过程状态噪声协方差，将磁力计和加速度计计算出的姿态角作为测量值，结合陀螺仪误差估计测量噪声协方差矩阵，实现多传感器信息的融合，提高数据准确性。
需要说明的是，Kalman滤波算法是根据前一次的系统最优值计算出当前估计值和协方差，根据协方差大小计算Kalman增益，最后依据当前估计值和测量值计算最优值和协方差：
状态量预估计的最优值的计算公式为：
其中，表示基于k-1次对k次的预估计，表示k-1次的最优值，A表示k-1次到k次的状态转移矩阵，B(k)是输入控制向量的增益矩阵，U(k)是输入控制向量。
预估计最优值协方差P(k|k-1)的计算公式为：
P(k|k-1)＝AP(k-1|k-1)AT+Q(k)；其中，Q(k)表示输入噪声的协方差。
Kalman的增益矩阵计算公式为：
K(k)＝P(k|k-1)HT[HP(k|k-1)HT+R(k)]-1；其中，R(k)为观测噪声的协方差。
更新估计的公式为：
P(k|k)＝(I-K(k)H)P(k|k-1)；
其中，Z(k)表示k次的测量值，I为单位矩阵。
姿态基准节点ARU200，与姿态信息监测节点AMU 100无线连接，所述姿态基准节点ARU200安装于列车平车500的预设参考位置，用于检测预设参考位置上的九轴运动信息，获得所述姿态基准节点ARU200在列车平车参考坐标系与地理参考坐标系上的相对位置信息，并将该相对位置信息作为姿态基准节点ARU200在预设参考位置的姿态信息，然后与所接收到的所述姿态信息监测节点AMU 100在所述预设需检测部位上的姿态信息进行对比，计算获得当前铁路运输装备400在列车平车500上的实时姿态变化信息(即获得当前铁路运输装备400在列车平车500上的相对位置变化信息)，并无线发送给列车监控终端300；
其中，所述铁路运输装备参考坐标系包括铁路运输装备水平向右的X轴、水平向前的Y轴和垂直于水平面向上的Z轴；所述列车平车参考坐标系包括列车平车水平向右的X轴、水平向前的Y轴和垂直于水平面向上的Z轴；所述地理参考坐标系以水平面为基准，由垂直于水平面向上的Z轴、磁北极方向的Y轴和水平向东方向的X轴组成。
在本发明中，所述姿态基准节点ARU200在预设参考位置的姿态信息与所述姿态信息监测节点AMU 100在所述预设需检测部位上的姿态信息进行对比，具体对比操作为：
将所述姿态基准节点ARU200在预设参考位置的姿态信息中包括的X轴、Y轴、Z轴位置及俯仰角、偏转角和横滚角这六个空间自由度信息，和所述姿态信息监测节点AMU 100在所述预设需检测部位上的姿态信息中包括的X轴、Y轴、Z轴位置及俯仰角、偏转角和横滚角这六个空间自由度信息，分别对应进行相减运算，从而获得当前铁路运输装备在列车平车上的实时姿态变化信息。当六个自由度对应相减的差值发生变化时，即在该自由度上两者之间相对位置发生了改变。
列车监控终端300，与姿态基准节点ARU200无线连接，用于判断当前铁路运输装备在列车平车上的实时姿态变化信息(即相对位置变化信息)是否超过(即大于)预设最大阈值，从而判断铁路运输装备是否存在安全隐患，如果超过(具体为X轴、Y轴、Z轴位置及俯仰角、偏转角和横滚角这六个空间自由度中任意一个空间自由度超过预设的最大阈值)，则判断铁路运输装备存在安全隐患，对应向用户发出预设的安全预警信息(如减速、停车等预警信息)，以供押运人员等用户参考。
需要说明的是，所述当前铁路运输装备在列车平车上的实时姿态变化信息，具体为铁路运输装备在列车平车上的X轴、Y轴、Z轴位置及俯仰角、偏转角和横滚角这六个空间自由度信息的变化信息，即变化值。
具体实现上，所述预设最大阈值是指预设的铁路运输装备在列车平车上的X轴、Y轴、Z轴位置及俯仰角、偏转角和横滚角这六个空间自由度信息的变化最大值，这六个空间自由度信息分别具有对应的预设最大阈值。所述预设最大阈值可以根据本发明铁路运算装备姿态监测系统用户的需要进行设置，也可以是根据铁路的路面质量等运行条件预先设置。
具体实现上，所述列车监控终端300可以通过比对铁路运输装备与相应的列车平车底板的位置以及装备的活动部位是否发生位移等，与铁路运输安全标准进行比较，确定该装备是否存在安全隐患，若存在安全隐患，则进行相应级别的预警信息(如停车、减速等)。具体为：最大偏移(即位移)不得超过系统用户预设的机车车辆限界和特定区段装载的限制。最大偏移不能超过各区段的限界，在发生正常振动范围(该范围为加固器材进行捆绑加固时的预留的范围)以外的偏移时，应进行报警，提醒押运人员装备捆绑出现问题。)
需要说明的是，铁路运输安全标准只是对货物运输的限界进行规定，具体阈值的设定，由本发明的系统用户来根据实际情况需要进行设置。
在本发明中，所述姿态信息监测节点AMU 100安装于铁路运输装备400的预设需检测部位，具体为所述铁路运输装备上具有相对运动的部位，例如可以为所述铁路运输装备的顶部中心部位，如图3所示。
在本发明中，所述姿态基准节点ARU 200安装于列车平车的预设参考位置，例如可以为安装于位于所述铁路运输装备400正下方的所述列车平车500底板中心位置，如图3所示。
在本发明中，所述姿态信息监测节点AMU 100与姿态基准节点ARU200之间通过紫蜂协议或家庭物联网通讯协定技术协议(Zigbee/Thread)进行无线通讯，Zigbee/Thread通信作为近距离无线通信方式，具有传输带宽要求低、功耗低的特点。
在本发明中，所述姿态基准节点ARU200与列车监控终端300之间通过Sub-GHz(1GHz)协议进行无线通信，具体实现上，所述姿态基准节点ARU200和列车监控终端300上分别安装有Sub-GHz芯片，用于进行相互之间的Sub-GHz通信。所述Sub-GHz芯片，具体实现上，例如可以为Silicon Labs公司的Si4467和德州仪器TI公司的CC1120等。
在本发明中，参见图2，所述姿态信息监测节点AMU 100包括第一九轴运动传感器101、第一电能收集传感器102、第一电源模块103和第一数据处理单元104，其中：
第一九轴运动传感器101，用于检测所述铁路运输装备在该预设需检测部位上的九轴运动信息(具体包括三轴加速度、三轴姿态角速率、三轴方向角度数据)，然后传输给第一数据处理单元104；
第一电能收集传感器102，用于采集预设种类的能量，并转化为电能存在到可蓄能的第一电源模块103中，从而提高整个监测系统的持续供电能力，以获得良好的实际应用效果，克服了货运列车无法供电，传统视频监测装置功耗高、无法实际应用的局限；
第一电源模块103，与第一电能收集传感器102相连接，用于存储所述第一电能收集传感器102转化的电能，并为所述姿态信息监测节点AMU100提供工作用电；
第一数据处理单元104，分别与第一九轴运动传感器101、第一电源模块103相连接，用于根据所述第一九轴运动传感器101发来的九轴运动信息，获得所述姿态信息监测节点AMU 100在铁路运输装备参考坐标系与地理参考坐标系上的相对位置信息，并将该相对位置信息作为姿态信息监测节点AMU 100在所述预设需检测部位上的姿态信息(该姿态信息具体包括姿态信息监测节点AMU 100位于预设需检测部位时，在铁路运输装备参考坐标系下的X轴、Y轴、Z轴位置及俯仰角、偏转角和横滚角这六个空间自由度信息)，然后无线传输给姿态基准节点ARU200；
具体实现上，所述第一九轴运动传感器101包括三轴加速传感器、三轴陀螺仪、三轴磁感应传感器，例如可以为：意法半导体公司的LSM9DS1传感器、InvenSense公司的MPU9X50系列传感器等。对于第一九轴运动传感器101，其通过三轴加速度计的测得俯仰角和横滚角，通过磁强计测得偏转角，根据三轴陀螺仪计算的姿态角，通过卡尔曼滤波实现多传感器的信息融合，确保姿态角估计的准确性。
具体实现上，所述第一电能收集传感器102可以通过硅板等，将太阳能、振动的动能等可收集的预设种类能量转化为电能，例如可以为：凌力尔特公司的LTC3588能量采集芯片等。
在本发明中，参见图2，所述姿态基准节点ARU 200包括第二九轴运动传感器201、第二电能收集传感器202、第二电源模块203和第二数据处理单元204，其中：
第二九轴运动传感器201，用于检测所述铁路运输装备在该预设需检测部位上的九轴运动信息(具体包括三轴加速度、三轴姿态角速率、三轴方向角度数据)，然后无线传输给列车监控终端300；
第二电能收集传感器202，用于采集预设种类的能量，并转化为电能存在到可蓄能的第二电源模块203中，从而提高整个监测系统的持续供电能力，以获得良好的实际应用效果，克服了货运列车无法供电，传统视频监测装置功耗高、无法实际应用的局限；
第二电源模块203，与第二电能收集传感器202相连接，用于存储所述第二电能收集传感器202转化的电能，并为所述姿态基准节点ARU 200提供工作用电；
第二数据处理单元204，分别与第二九轴运动传感器201、第二电源模块203相连接，用于根据所述第二九轴运动传感器201发来的九轴运动信息，获得所述姿态基准节点ARU200在列车平车参考坐标系与地理参考坐标系上的相对位置信息，并将该相对位置信息作为姿态基准节点ARU200在预设参考位置的姿态信息(该姿态信息具体包括姿态基准节点ARU200位于预设参考位置时，在列车平车参考坐标系与地理参考坐标系上的相对位置信息，具体包括X轴、Y轴、Z轴位置及俯仰角、偏转角和横滚角这六个空间自由度信息)，然后与所接收到的所述姿态信息监测节点AMU100在所述预设需检测部位上的姿态信息(该姿态信息包括X轴、Y轴、Z轴位置及俯仰角、偏转角和横滚角这六个空间自由度信息)进行对比操作，计算获得当前铁路运输装备400在列车平车500上的实时姿态变化信息(即获得当前铁路运输装备400在列车平车500上的相对位置变化信息)，并无线发送给列车监控终端300。所述铁路运输装备在列车平车上的实时姿态变化信息，具体为铁路运输装备在列车平车上的X轴、Y轴、Z轴位置及俯仰角、偏转角和横滚角这六个空间自由度信息的变化信息，即变化值。
如前文所述，对于第二数据处理单元204，其将所述姿态基准节点ARU200在预设参考位置的姿态信息与所述姿态信息监测节点AMU 100在所述预设需检测部位上的姿态信息进行对比，具体对比操作为：
将所述姿态基准节点ARU200在预设参考位置的姿态信息中包括的X轴、Y轴、Z轴位置及俯仰角、偏转角和横滚角这六个空间自由度信息，和所述姿态信息监测节点AMU 100在所述预设需检测部位上的姿态信息中包括的X轴、Y轴、Z轴位置及俯仰角、偏转角和横滚角这六个空间自由度信息，分别对应进行相减运算，从而获得当前铁路运输装备在列车平车上的实时姿态变化信息。当六个自由度对应相减的差值发生变化时，即在该自由度上两者之间相对位置发生了改变。
具体实现上，所述第二九轴运动传感器201包括三轴加速传感器、三轴陀螺仪、三轴磁感应传感器，例如可以为：意法半导体公司的LSM9DS1传感器、InvenSense公司的MPU9X50系列传感器等。对于第二九轴运动传感器201，其通过三轴加速度计的测得俯仰角和横滚角，通过磁强计测得偏转角，利用三轴陀螺仪信号测量获得姿态角(包括俯仰角、偏转角和横滚角)。具体实现上，同样，所述第二电能收集传感器202可以通过硅板等，将太阳能、振动的动能等可收集的预设种类能量转化为电能，例如可以为：凌力尔特公司的LTC3588能量采集芯片等。
需要说明的是，对于本发明，为了充分发挥铁路运输装备的监测无线传感器网络低功耗的特点，所述姿态基准节点ARU 200与姿态信息监测节点AMU 100之间的网络连接结构为分簇型网络结构，其中姿态基准节点ARU 200为簇首节点，姿态基准节点ARU 200与姿态信息监测节点AMU 100传输给列车监控终端300的时间同步。这样设计，具体多种优良的效果，首先，可以确保能够将不同节点收集的数据按时序进行融合，提高监测信息质量；其次，可以通过数据的时间相关性剔除冗余的信息，减少通信量，并作为睡眠唤醒的节能机制、节点的协作传输以及安全协议的基础，优化网络性能或弥补传感器节点硬件功能方面的不足；最后，通过基于卡尔曼滤波的组合姿态估计的数据融合算法得到平车的实时姿态，并将获得的平车参考坐标系进行装备参考系对比，计算当前装备处于平车上的相对位置，最终获得监控所需的装备姿态。
在本发明中，具体实现上，所述列车监控终端300包括高性能的嵌入式终端设备301、显示设备302和远程通信设备303，所述列车监控终端300具有北斗卫星定位、北斗卫星通信和移动网络远程通信、1GHz通信/紫蜂协议/家庭物联网通讯协定技术/蓝牙/无线保真(Sub-GHz/Zigbee/Thread/Bluetooth/WiFi)近距离无线通信等功能，可以完成装备姿态信息的传输、处理、本地显示及云端传输功能。
其中，嵌入式终端设备301，与姿态信息监测节点AMU 100相连接，用于分别判断当前铁路运输装备在列车平车上的实时姿态信息中包含的X轴、Y轴、Z轴位置及俯仰角、偏转角和横滚角这六个空间自由度信息是否超过(大于)预设最大阈值，从而判断铁路运输装备是否存在安全隐患，如果超过，则判断铁路运输装备存在安全隐患，对应向显示设备302发送预设的安全预警信息(如减速、停车等预警信息)。
显示设备302，与嵌入式终端设备301相连接，用于显示当前铁路运输装备在列车平车上的实时姿态信息，以及将嵌入式终端设备301发送的预设的安全预警信息(如减速、停车等预警信息)显示给用户，以供押运人员等用户参考。
远程通信设备303，与嵌入式终端设备301相连接，用于将当前铁路运输装备在列车平车上的实时姿态信息上传至云服务器进行数据存储。
具体实现上，嵌入式终端设备301具体可以包括多个中央处理器CPU，用于完成所述列车监控终端300对铁路运输装备姿态信息的传输、处理、本地显示及云端传输等各种功能。
具体实现上，所述嵌入式终端设备和显示设备上分别设置有HDMI接口，所述嵌入式终端设备和显示设备通过HDMI连接线相连接。
具体实现上，所述列车监控终端300还可以通过嵌入式终端设备上安装的北斗定位芯片，结合北斗卫星通信，通过电子地图在显示设备上显示列车运行轨迹。此外，铁路运输装备的姿态及预警信息，也可通过三维方式来立体展示装备的姿态，即将装备立体模型数据以及平车立体模型数据在GIS平台下显示；另外，本发明提供的列车监控终端300还能够保存历史数据，可以通过北斗卫星通信及移动远程通信方式，将数据传输至云服务器，供进一步的处理、分析。
综上所述，与现有技术相比较，本发明提供的一种铁路运输装备姿态监测系统，其可以自动地对铁路运输装备的姿态进行全天候监控，智能判断铁路运输装备的姿态，并及时发出预警，保证监控的及时性和准确性，节约运输的人力成本，保证铁路运输装备的运输安全，显著提升铁路运输管理的信息化水平，有利于铁路运输装备姿态监测系统的广泛生产应用，具有重大的生产实践意义。
此外，本发明提供的铁路运输装备姿态监测系统还具有传输带宽要求低、用电少和低功耗的优点，可以更好地符合列车上的客观条件，进一步显著提升了系统的实际运用能力，可以获得良好的实际应用效果。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (8)
1.一种铁路运输装备姿态监测系统，其特征在于，包括：
姿态信息监测节点AMU，安装于所述铁路运输装备的预设需检测部位，用于检测该预设需检测部位上的九轴运动信息，获得所述姿态信息监测节点AMU在铁路运输装备参考坐标系与地理参考坐标系上的相对位置信息，并将该相对位置信息作为姿态信息监测节点AMU在所述预设需检测部位上的姿态信息，然后无线传输给姿态基准节点ARU；
姿态基准节点ARU，与姿态信息监测节点AMU无线连接，所述姿态基准节点ARU安装于列车平车的预设参考位置，用于检测预设参考位置上的九轴运动信息，获得所述姿态基准节点ARU在列车平车参考坐标系与地理参考坐标系上的相对位置信息，并将该相对位置信息作为姿态基准节点ARU在预设参考位置的姿态信息，然后将姿态基准节点ARU在列车平车参考坐标系中的坐标信息与所接收到的所述姿态信息监测节点AMU在所述预设需检测部位上的坐标信息进行对比，计算获得当前铁路运输装备在列车平车上的实时姿态变化信息并无线发送给列车监控终端；
列车监控终端，与姿态基准节点ARU无线连接，用于判断当前铁路运输装备在列车平车上的实时姿态变化信息是否超过预设最大阈值，如果超过，则对应向用户发出预设的安全预警信息；
其中，所述铁路运输装备参考坐标系包括铁路运输装备水平向右的X轴、水平向前的Y轴和垂直于水平面向上的Z轴；所述列车平车参考坐标系包括列车平车水平向右的X轴、水平向前的Y轴和垂直于水平面向上的Z轴；所述地理参考坐标系以水平面为基准，由垂直于水平面向上的Z轴、磁北极方向的Y轴和水平向东方向的X轴组成。
2.如权利要求1所述的铁路运输装备姿态监测系统，其特征在于，所述姿态基准节点ARU在预设参考位置的姿态信息与所述姿态信息监测节点AMU在所述预设需检测部位上的姿态信息进行对比，具体对比操作为：
将所述姿态基准节点ARU在预设参考位置的姿态信息中包括的X轴、Y轴、Z轴位置及俯仰角、偏转角和横滚角这六个空间自由度信息，和所述姿态信息监测节点AMU在所述预设需检测部位上的姿态信息中包括的X轴、Y轴、Z轴位置及俯仰角、偏转角和横滚角这六个空间自由度信息，分别对应进行相减运算，从而获得当前铁路运输装备在列车平车上的实时姿态变化信息。
3.如权利要求1所述的铁路运输装备姿态监测系统，其特征在于，所述铁路运输装备的预设需检测部位具体为所述铁路运输装备的重心位置或易活动部位；
所述姿态基准节点ARU安装于位于所述列车平车底板上。
4.如权利要求1所述的铁路运输装备姿态监测系统，其特征在于，所述姿态信息监测节点AMU与姿态基准节点ARU之间通过紫蜂协议或家庭物联网通讯协定技术协议进行无线通讯；
所述姿态基准节点ARU与列车监控终端之间通过Sub-GHz协议进行无线通信。
5.如权利要求1至4中任一项所述的铁路运输装备姿态监测系统，其特征在于，所述姿态信息监测节点AMU包括：
第一九轴运动传感器，用于检测所述铁路运输装备在该预设需检测部位上的九轴运动信息，然后传输给第一数据处理单元；
第一电能收集传感器，用于采集预设种类的能量，并转化为电能存在到可蓄能的第一电源模块中；
第一电源模块，与第一电能收集传感器相连接，用于存储所述第一电能收集传感器转化的电能，并为所述姿态信息监测节点AMU提供工作用电；
第一数据处理单元，分别与第一九轴运动传感器、第一电源模块相连接，用于根据所述第一九轴运动传感器发来的九轴运动信息，获得所述姿态信息监测节点AMU在铁路运输装备参考坐标系与地理参考坐标系上的相对位置信息，并将该相对位置信息作为姿态信息监测节点AMU在所述预设需检测部位上的姿态信息，然后无线传输给姿态基准节点ARU。
6.如权利要求5所述的铁路运输装备姿态监测系统，其特征在于，所述姿态基准节点ARU包括：
第二九轴运动传感器，用于检测所述铁路运输平车在该预设需检测部位上的九轴运动信息，然后无线传输给列车监控终端；
第二电能收集传感器，用于采集预设种类的能量，并转化为电能存在到可蓄能的第二电源模块中；
第二电源模块，与第二电能收集传感器相连接，用于存储所述第二电能收集传感器转化的电能，并为所述姿态基准节点ARU提供工作用电；
第二数据处理单元，分别与第二九轴运动传感器、第二电源模块相连接，用于根据所述第二九轴运动传感器发来的九轴运动信息，获得所述姿态基准节点ARU在列车平车参考坐标系与地理参考坐标系上的相对位置信息，并将该相对位置信息作为姿态基准节点ARU在预设参考位置的姿态信息，然后与所接收到的所述姿态信息监测节点AMU在所述预设需检测部位上的姿态信息进行对比操作，获得当前铁路运输装备在列车平车上的实时姿态变化信息，并无线发送给列车监控终端。
7.如权利要求1或6所述的铁路运输装备姿态监测系统，其特征在于，所述列车监控终端包括：
嵌入式终端设备，与姿态信息基准节点ARU相连接，用于分别判断当前铁路运输装备在列车平车上的实时姿态信息中包含的X轴、Y轴、Z轴位置及俯仰角、偏转角和横滚角信息是否超过预设最大阈值，如果超过，则判断铁路运输装备存在安全隐患，对应向显示设备发送预设的安全预警信息；
显示设备，与嵌入式终端设备相连接，用于显示当前铁路运输装备在列车平车上的实时姿态信息，以及将嵌入式终端设备发送的预设的安全预警信息显示给用户；
远程通信设备，与嵌入式终端设备相连接，用于将当前铁路运输装备在列车平车上的实时姿态信息上传至云服务器进行数据存储。
8.如权利要求7所述的铁路运输装备姿态监测系统，其特征在于，所述嵌入式终端设备和显示设备上分别设置有HDMI接口，所述嵌入式终端设备和显示设备通过HDMI连接线相连接。
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