随着经济的发展和人民生活水平的提高，轨道交通发展越来越快，车辆向载重 吨位更大、乘客容量更多、车速更高和技术更现代化的方向发展，通车里程建设也 呈迅猛增长的今天，对各站点和每辆客车的乘客流量的监测、及时发现沿线客流瓶 颈，优化车辆调度、及时疏散乘客，以及对客、货列车的运行安全也日益提出了更 高的要求。
当前由于对于城市轨道交通客流研究还没有充分重视，还没有真正建立适合我 国国情的和有效的基于轨道交通的客流量自动监控体系，更缺乏从点到线的乘客流 量的实时自动采集技术的支撑，由于轨道交通线路之间换乘和交叉频繁，环线各站 之间相互影响较为严重，单从监控一个站或一条环线的进出站检票和出行流量，不 能真正实时采集到合理的真实的车辆调度依据数据，从各站或站台上获取的宏观客 流信息，不但获取监测数据难度大，其可信度也不高，造成客流量波动较大或客流 高峰时段的车辆调度和乘客疏散，不能及时采取适当的车辆调度或应急方案，当客 流逐渐或突然增长时，会逐步或马上发生客流拥堵现象，当客流显著减少时会造成 运力浪费和不必要的经济效益损失。因此，研发车载式乘客运能实时监控和预警系 统十分必要和迫切。
车辆底盘机械故障、轨道异常和钢轨故障原因所引起的事故是目前轨道交通安 全问题中的主要问题之一，目前关于列车运行常用的安全监测手段，大多还仅局限 于对车轮轴承温度、车速、车轴工作状态、水箱液位、供发电电源、空调状态等相 关参数的监测和预警手段，加以停靠车站的人工检测手段，远未达到时代对列车安 全运行的智能化和现代化监控和预警的要求；目前中国铁路实行的车辆计划预防修 理制度，所造成的经济损失和人力物力浪费也相当惊人，轨道交通车辆将逐步实施 先进的状态维修制度，可大大节约维修成本，是车辆检修的发展方向。要想把预防 修理制度转变成按车辆技术状态修理的制度，必须有相应的技术手段提供支撑，车 辆部件运行状态进行实时监控和预警，我国轨道交通车辆的特点是数量多、车型杂， 运行负荷大、使用效率高，运用条件参差不齐，如不及时对车辆进行检查维修，必 将危及行车安全，因此，研发车载式车辆运行状态监控和预警系统十分必要和迫切。
目前广泛应用的轨道交通安全监控和预警领域中，针对车辆脱轨的安全评判、 事故预防和事故调查等方面，还没有切实可行的产品和技术。列车脱轨问题也是困 扰铁路运输100多年的世界性难题，被称为铁路“癌症”。每年因车辆上的关键机 械传动部件损坏产生的重大事故、列车脱轨等安全事故而造成巨大的人员和经济损 失，迫切需要研发相应的车辆运行状态和交通安全智能监控及其自动预警装置。另 外，在列车车载式可实用的路况监控、驾驶员状态及其操作监控技术的应用还几乎 是空白。
综上所述，研发或系统集成具有综合监控和预警功能的车载式轨道交通客车运 能及运行安全智能监控和预警系统更显得迫切和必要，本实用新型的成功实施，为 维护交通运输正常的运行秩序、保证交通参与者的生命财产安全和保证运输设备和 货物的完整性，可提供实用的、多功能的、可靠的、低成本的、智能化的技术保证， 他不但具备强大的智能数据处理、事故和故障隐患专家诊断、监控和预警、主动控 制和应急处理等功能的技术产品，还可为事故的及时应急处理和控制提供一个全新 的可行的技术方案，为研究各种车辆事故的机理、评判准则、预防措施和事故调查 提供强有力的技术支撑。
发明内容
为实现上述目的，本实用新型采用如下技术方案：
一种车载式轨道交通客流运能及运行安全智能监控和预警系统，其特征在于， 它由包含客流运能/场景图像信息智能传感器、械振动/噪声信息智能传感器、轮轨 状态和车辆底盘图像信息智能传感器及路况图像信息智能传感器中的至少一种或 一组带数据通讯接口的车辆运行状态获取智能传感装置、至少一套用于把车辆运行 状态获取智能传感装置进行组网、与各个车辆运行状态获取智能传感装置进行数据 和信息通讯，并能进行数据存储及数据融合、分析和处理，完成系统功能设定和操 作、预警信息发布和控制、与路基或地面设备进行信息通讯或下载的列车监控和预 警控制器构成，各个车辆运行状态获取智能传感装置、列车监控和预警控制器之间 均由相互匹配的有线网络/通讯总线或无线网络/通讯总线联接。
如上所述的车载式轨道交通客流运能及运行安全智能监控和预警系统，其特征 在于，所述的车辆运行状态获取智能传感装置之一种为用来获取车厢内部乘客饱和 度或拥挤度、定量地采集和分析车厢门口处乘客上下车情况或车窗外乘客因车辆超 员滞留在站台上的情况、监控车厢内外有关场景信息、用来完成车辆运行过程中的 异常事件的智能分析和监控及图像信息记录的客流运能/场景图像信息智能传感 器，它由基于普通黑白、彩色图像或红外图像获取传感部件/总成制成的图像传感 单元、用来对图像信号进行信号处理、数据采集处理、图像信息智能分析、安全事 件监测、人群/客流密度数据提取、图像比对、视频监控、图像的边沿检测与抽取、 图像/轮廓的识别和跟踪、图像压缩、数据识别和提取、背景信息学习、数据比对、 运算和分析、形成监控和预警结果、信息记录和存储并完成数据管理工作的基于微 处理器的图像信息智能处理单元、用于监控和预警结果输出、设置操作、控制信号 输入和输出、数据通讯及图像信号传输的输入/输出单元和为上述各单元供电的电 源电路单元四部分组成，图像信息智能处理单元中还设有信息和数据存储组件、与 图像传感单元输出的图像输出信号相匹配的并能按不同技术指标完成相应信号处 理和数据采集的信号处理通路或接口电路，数据存储组件的读/写控制和数据线对 应地与微处理器的控制端口和数据端口线相连，图像传感单元中的图像信号输出 分别连接到与之对相应的图像信息智能处理单元中的信号处理通路或接口电路的 输入端，信号处理通路或接口电路的输出端分别与图像信息智能处理单元中的微处 理器的相应的图像数据输入端口相连，图像信息智能处理单元中的微处理器的其它 数据输入/输出端口或数据线分别与输入/输出单元的相应信号或数据线相连，供电 电源电路单元的相应输出线与各单元的电源线相连接，客流运能/场景图像信息智 能传感器安装于轨道交通客车车厢的内部、走廊、车门或车体外部的便于全视角监 控车厢内/外部情况、车厢门口内/外或车辆窗口内外情况、车门工况和车厢内部空 间场景的适当位置，根据需要图像传感单元可采用360°全视角全景摄像头、反射境 式全景摄像头、多摄像头结构或可程控云台和变焦结构的摄像头组件，根据安装条 件的不同和功能需求的不同分别把图像信息智能传感器设置成具有一个外壳的内 嵌式一体化结构，或设计制作成图像传感单元相对独立安装结构、其它部分为模块 化结构的分体式结构。
如上所述的车载式轨道交通客流运能及运行安全智能监控和预警系统，其特征 在于，所述的车辆运行状态获取智能传感装置之一种为用来获取车辆或机车底盘上 的重要部件和轮轨运行状态的机械振动/噪声信息智能传感器，它由至少一组用于 获取特定机械部件或总成的运行振动信息、噪声信息及车速或车轮转速的机械振动 /噪声和转速传感单元、用来对机械振动/噪声信号进行信号处理、数据采集处理、 机械振动/噪声信息智能分析、安全事件监测、背景信息学习、数据的比对、运算 和分析、形成监控和预警结果、信息记录和存储并完成数据管理工作的基于微处理 器的机械振动/噪声信息智能处理单元、用于监控和预警结果输出、设置操作、控 制信号输入和输出或数据信息通讯的输入/输出单元和为上述各单元供电的电源电 路单元四部分组成，机械振动/噪声信息智能处理单元中还设有信息和数据存储组 件、与机械振动/噪声传感单元输出的机械振动/噪声输出信号相匹配的并能按不同 技术指标完成相应信号处理和数据采集的信号处理通路或接口电路，数据存储组件 的读/写控制和数据线对应地与微处理器的控制端口和数据端口线相连，机械振动 /噪声传感单元中的机械振动/噪声信号输出分别连接到与之对相应的机械振动/噪 声信息智能处理单元中的信号处理通路或接口电路的输入端，信号处理通路或接口 电路的输出端分别与机械振动/噪声信息智能处理单元中的微处理器的相应的机械 振动/噪声数据输入端口相连，机械振动/噪声信息智能处理单元中的微处理器的其 它数据输入/输出端口或数据线分别与输入/输出单元的相应信号或数据线相连，供 电电源电路单元的相应输出线与各单元的电源线相连接，机械振动/噪声信息智能 传感器安装于车辆底盘上靠近被监测部件或总成的适当位置，可根据安装条件的不 同和功能需求的不同分别把机械振动/噪声信息智能传感器设置成具有一个外壳的 内嵌式一体化结构，或设计制作成机械振动/噪声传感单元相对独立或分布式安装 结构、其它部分为模块化结构的分体式结构。
如上所述的车载式轨道交通客流运能及运行安全智能监控和预警系统，其特征 在于，所述的车辆运行状态获取智能传感装置之一种为用来获取包括车轮在钢轨上 运行状态、轨道变形和车辆底盘重要部件外部轮廓/特征的车辆底盘和轮轨状态图 像信息智能传感器，它由基于普通黑白、彩色图像、红外图像或激光干涉波图像 获取的传感部件/总成制作的图像传感单元、用来对图像信号进行信号处理、数据 采集处理、图像信息智能分析、车轮抬高量监测和提取、图像比对、脱轨和颠覆过 程轮轨状态监控、图像的边沿检测与抽取、图像轮廓跟踪、图像压缩、数据识别和 提取、背景信息学习、数据比对、运算和分析、形成监控和预警结果、信息记录和 存储并完成数据管理工作的基于微处理器的图像信息智能处理单元、用于监控和预 警结果输出、设置操作、控制信号输入和输出或数据信息通讯的输入/输出单元和 为上述各单元供电的电源电路单元四部分组成，图像信息智能处理单元中还设有信 息和数据存储组件、与图像传感单元输出的图像输出信号相匹配的并能按不同技术 指标完成相应信号处理和数据采集的信号处理通路或接口电路，数据存储组件的读 /写控制和数据线对应地与微处理器的控制端口和数据端口线相连，图像传感单元 中的图像信号输出分别连接到与之相对应的图像信息智能处理单元中的信号处理 通路或接口电路的输入端，信号处理通路或接口电路的输出端分别与图像信息智能 处理单元中的微处理器的相应的图像数据输入端口相连，图像信息智能处理单元中 的微处理器的其它数据输入/输出端口或数据线分别与输入/输出单元的相应信号 或数据线相连，供电电源电路单元的相应输出线与各单元的电源线相连接，车辆底 盘和轮轨状态图像信息智能传感器，安装在车辆底盘下面适当位置，根据需要其图 像传感单元可采用360°全视角全景摄像头、反射境式全景摄像头、多摄像头结构或 可程控云台和变焦结构的摄像头组件，根据安装条件的不同和功能需求的不同分别 把车辆底盘和轮轨状态图像信息智能传感器设置成具有一个外壳的内嵌式一体化 结构，或设计制作成图像传感单元相对独立安装结构、其它部分为模块化结构的分 体式结构，并根据需要设置相应的夜间图像传感辅助光源或采用具有夜视功能的摄 像头、用于其防尘、防污、防水的透视罩结构及自动清洗装置。
如上所述的车载式轨道交通客流运能及运行安全智能监控和预警系统，其特征 在于，所述的车辆运行状态获取智能传感装置之一种为用来获取包括轨道异常、道 路障碍、道岔状态、列车冲突、路基塌陷、电力供电线路/装置和设施外观完好状 态信息及与列车事故相关联的道路状态之路况信息的路况图像信息智能传感器，它 由用于获取路况信息的传感组件单元、用来对路况传感信号进行模拟信号处理、数 据采集处理、图像信息智能分析、图像比对、图像的边沿检测与抽取、图像轮廓跟 踪、图像压缩、数据识别和提取、背景信息学习、数据比对、运算和分析、形成监 控和预警结果、信息记录和存储并完成数据管理工作的基于微处理器的图像信息智 能处理单元、用于监控和预警结果输出、设置操作、控制信号输入和输出或数据信 息通讯的输入/输出单元和为上述各单元供电的电源电路单元四部分组成，图像信 息智能处理单元中还设有信息和数据存储组件、与图像传感单元输出的图像输出信 号相匹配的并能按不同技术指标完成相应信号处理和数据采集的信号处理通路或 接口电路，数据存储组件的读/写控制和数据线对应地与微处理器的控制端口和数 据端口线相连，图像传感单元中的图像信号输出分别连接到与之相对应的图像信 息智能处理单元中的信号处理通路或接口电路的输入端，信号处理通路或接口电路 的输出端分别与图像信息智能处理单元中的微处理器的相应的图像数据输入端口 相连，图像信息智能处理单元中的微处理器的其它数据输入/输出端口或数据线分 别与输入/输出单元的相应信号或数据线相连，供电电源电路单元的相应输出线与 各单元的电源线相连接，路况图像信息智能传感器，安装在列车头部或尾部适当位 置，根据需要其图像传感单元可采用适合的模拟摄像头或数字摄像头，并可根据需 要可把摄像头设置成可程控云台和变焦结构或360°全景摄像头，或者采用基于激光 干涉成像传感器、一维距离像、合成孔径或逆合成孔径雷达成像技术的图像传感器， 其输出端线与传感信息智能处理单元中相对应的信号处理通路或接口电路的输入 端相连。
如上所述的车载式轨道交通客流运能及运行安全智能监控和预警系统，其特征 在于，列车监控和预警控制器由用于完成数据融合、数据处理、智能分析、系统运 行管理和系统控制的高性能工控计算机主板组件、触摸操作/显示屏组件、大容量 数据存储组件、操作键盘、至少一个用于通讯、组网、控制或下载上传数据的接口 板卡/调制解调器组件和电源组件构成，触摸操作/显示屏组件、数据存储组件、操 作键盘和接口板卡/调制解调器组件上的相应的控制和数据线分别与工控计算机主 板组件上的对应的控制和数据线相联接，电源组件的每组电源输出线对应连接到上 述每个组件的电源输入端，接口板卡/调制解调器与列车各个车辆的上的带数据通 讯接口的车辆运行状态获取智能传感装置、列车上的既有或新设的与监控、预警和 应急处理相关联的设备或装置以及与地面或路基上安装的、与监控、预警和应急处 理相关联的设备之间，可根据需要构成有线的或无线的点对点、点对多点的数据通 讯或控制联接。
如上所述的车载式轨道交通客流运能及运行安全智能监控和预警系统，其特征 在于，列车监控和预警控制器中设置有相应的通讯接口板卡，可根据需要匹配接驳 /获得车辆上的包括车轮轴承温度、车轴状态、水箱水量、车辆横向风力/风速、车 门状态、供电电源或空调工况在内的既有或新设置的设备工作状态传感装置的信号 或数据，还可匹配接驳/获得气象环境信息或卫星定位装置的数据。
如上所述的车载式轨道交通客流运能及运行安全智能监控和预警系统，其特征 在于，系统中根据需要在客车车辆上或机车上设有包含用于乘务员/乘客进行手动 报警的紧急报警按钮、报警电话/对讲装置、用于应急诱导和信息发布的图文诱导 屏/显示器、用于紧急报警的声/光报警器或应急/背景音乐广播装置之中的至少一 种装置。
如上所述的车载式轨道交通客流运能及运行安全智能监控和预警系统，其特征 在于，列车监控和预警控制器中设置有相应的通讯接口板卡，可根据需要接驳既有 或新设的包括报警、列车紧急制动、消防联动或疏散诱导在内的列车应急联动控制 装置。
如上所述的车载式轨道交通客流运能及运行安全智能监控和预警系统，其特征 在于，列车监控和预警控制器中设置有相应的通讯接口板卡，可根据需要接驳既有 或新设的列车驾驶室的包括驾驶员状态监视及其非正常状态警示、操作确认/纠错 或声像记录在内的监控装置。
本实用新型的车载式轨道客流运能及运行安全智能监控和预警系统的工作原 理分别从以下几个方面阐述：
客流运能/场景图像信息智能传感器工作原理：反映轨道交通特别是城铁和地 铁客流量运输能力够不够的一个最显著的特征，是正在运行的客车上每辆车厢里的 乘客满员度、乘客密度或者是拥挤程度，若每个车厢中乘客均超员、密度过大或比 较拥挤，则说明运输能力不足，需要调度运力，及时满足客流量的运输要求；反之， 若车厢中的乘客较少、密度较稀，可适当较少运力，以节约运营成本。目前广泛使 用的单个360°全视角普通/红外摄像头，使得只安装使用此一个摄像头即可获得该 处的全景图像/人体红外感光图像，因此安装在车厢适当位置的客流运能/场景图像 信息智能传感器中摄像头，可实时获取车辆在每个站点时的或列车运行过程中车厢 中的场景图像信息，基于微处理器的图像信息智能处理单元可从场景图像信息中自 动智能地解析、定量分析出该车厢中乘客满员度、拥挤度或对乘客量进行分级；还 可从场景图像信息中自动智能地解析出来车门内外的乘客上下车时的次序/拥挤度 或站台乘客滞留量；而且，在列车每次开动之前还可从场景图像信息中自动智能地 解析出来车门状态(关闭、开启和拥堵情况)，实时监控和记录车厢中的异常情况、 行为异常乘客的辨识及跟综及其它相关安全信息等。同时，上述结果通过客流运能 /场景图像信息智能传感器上的网络化通讯接口，传送到列车监控和预警控制器， 经列车监控和预警控制器智能分析和评估，形成实时的客流和车辆安全状态信息， 通过无线数据通讯装置传输到相应的列车调度控制和信息中心，通过运行基于优化 的和可靠客流信息的列车运能调度模型软件系统，实时得到各个线路、车站的客流 运能/场景图像数据信息，达到合理调度、智能监控车辆运行状态的目的。
机械振动/噪声信息智能传感器工作原理：车辆重要部件出现机械性能异常和 失效而造成事故隐患经常发生，不管旋转机械转速是固定的还是在一个范围内变 化，也不管机械异常振动的幅度和频率是固定的还是在一个范围内变化，其基本点 就是机械结构的振动特性是与转动和振动的频率相联系，机械结构的振动特性也反 映着其本身的工况状态，基于振动、噪声和转速监测技术以及声发射技术的机械故 障诊断技术有着广泛的应用，从振动、噪声或转速中采集到周期或脉冲信号，这些 信号提供了机械设备的瞬态转速和其他用作瀑布谱等信号处理和阶次跟踪处理所 需的信息，转速信号还可以用作控制开始和终止测量进程，利用瀑布谱分析、相关 分析法、包络解调法、倒频谱法原理对实时信号进行数据处理，得到任意信号成分 或者频域/时域上的切片数据和分析，利用阶次跟踪原理可以对时域、频域和幅值 的信息进行便捷地指定转速范围、与故障有关的最高分析阶次和所需的阶次分辨 率，运用了最新的歪度、峭度等时域无量纲诊断方法，并利用故障模型对特定机械 部件达到状态监测和越限报警、故障诊断与预报；还可根据频谱、相关函数、自动 回归滑动平均值分析和非平稳信号处理方法等方法，分析测得的信号以提取如误 差、幅值等特征值并与预定值比较进行故障诊断；还可使用数学模型进行诊断，主 要有两类模型，一类是基于解析方法的模型。如参数估计法、状态估计法、等价空 间法和非线性模型，如基于区间参数模型、基于有不确定环节模型等；另一类是基 于知识方法的模型，如专家系统、模糊技术、模式识别等。它可以是单项的商品化 的专家系统，例如旋转机械故障诊断专家系统、电机故障诊断专家系统等，也可以 是实现在线计算机系统中的一个功能的专家系统。从而达到对车辆和轨道安全监控 和预警的目的。因此，车载式轨道交通车辆运行状态智能监控和预警系统，除了利 用图像信号可对车辆重要部件和道轨出现机械性能异常和失效而造成的事故隐患 进行监测和预警之外，为了提高系统的监测和预警可靠性，还可根据需要设置振动 传感器、机械噪声传感器、转速传感器、加速度传感器和温度传感器之一种或多种， 以便获取车辆运行过程中车辆本身和轨道产生的异常振动、设备或重要零部件工作 时的机械噪声异常或过热工况等信息，此类传感器的输出同样接驳到智能微处理模 块中相应的信号处理电路的输入端，经信号处理及A/D变换成为相应的实时数据 信息，智能微处理器执行相应的内嵌其中的依据上述机械故障诊断机理、车轴不分 解探伤技术和现代机械失效自动诊断技术编制的机械故障数据处理程序软件模块， 对这些实时数据信息进行分析处理，达到监测列车车辆部件损伤程度大小、轨道振 动异常及其事故隐患预警的目的，为车辆安全运行保驾护航，并为列车的状态维修 计划提供依据，改变目前铁路系统实行的到规定时间或跑到规定里程强制维修和更 换配件的维修或列检程式，从而使车辆维修成本大幅度降低成为可能；同时，由于 脱轨和其它安全事故发生时，其振动加速度均具有其独特性，因此该装置也可脱轨 事件的发生进行监测和报警，记录和存储异常情况下的车辆运行状态信息和状态参 数，为事故分析和事故预防提供依据，起到车辆“黑匣子”的作用和目的。
轮轨状态和车辆底盘图像信息智能传感器的工作原理：脱轨就是左右车轮和联 接它们的车轴构成的轮对，从钢轨上掉下来，脱轨分三种，即爬轨脱轨、滑轨脱轨 和跳轨脱轨；颠覆是指车辆受强烈横向风/力等使一侧车轮在钢轨上，另一侧车轮 抬起，直到翻车是一次颠覆，而脱轨的结果造成的翻车是二次颠覆。从表现出的相 同现象来看，脱轨和颠覆都表现为车轮脱离钢轨，所以颠覆也可按脱轨来处理。因 此，列车运行中，从脱轨事故隐患的出现到脱轨事故的发生之危险性的评判标准， 最直接的是利用车轮在钢轨上抬升大小程度作为车轮抬升量，来评价列车运行的稳 定性。安装在车辆底盘下方适当位置的车载式轨道交通车辆运行状态智能监控和预 警装置，可以实时的获取车辆运行过程中包括车轮、钢轨和车轴等在内的车辆底盘 上的重要部件/总成和轨道的运行状态及其外部几何形状/轮廓的图像信号，利用目 前已非常成熟的数字图像处理技术，我们可以实时监测到车轮的抬升量，实时获得 车轮踏面、轮缘两点与钢轨接触的状态等数据信息，以及获取车辆底盘上的重要部 件/总成(如车轮、车轴、减振器、钢轨等)和轨道的运行状态及其外部几何形状/ 轮廓特征信息，并对这些信息自动进行专业化的智能化的运算和分析，对车辆运行 的安全性进行系统评价，达到监测和预警脱轨、颠覆和机械故障的目的。其具体的 工作原理表述为：安装在车辆底盘下方适当位置的车载式轨道交通车辆运行状态智 能监控和预警装置，其中的传感器组件里设置的图像传感器，可获得车轮在钢轨上 运行的和车辆底盘上的其它重要部件的工作状态图像信号，该图像信号经信号处理 或A/D变换后，成为实时的图像数据信息，送到智能微处理器进行数字图像处理， 智能微处理器运行相应的内嵌程序软件模块对图像数据信息进行图像的边沿检测 与抽取、图像分割、轮廓跟踪、图像特征的检测和提取、图像模板匹配、图像压缩、 图像尺寸和数据识别和提取、车辆正常运行状态和图像尺寸信息的自动学习、图像 尺寸和数据的比对、运算和分析，以及相应的专业化智能化的处理，监控和获取车 轮与钢轨的相对位置数据和关于车轮、钢轨、轨道的各种运行状态参数，如车轮抬 升量、以及车轮踏面、轮缘两点与钢轨接触的状态参数、车轮和钢轨的异常变形参 数或轨道扭曲参数，结合相应的数据处理模型实时判断，给出事故预警结果；还可 根据需要对车辆的重要机械部件的掉落、部件和总成的外观轮廓进行监测等。或者 综合接口通讯信息渠道获得的车辆运行状态监测信息，根据车辆安全运行的评判标 准，来评价和判断车辆运行的安全性，进一步地针对是否存在脱轨隐患提出列车驾 驶预案、给出脱轨，直至脱轨事故或车辆故障的报警，或者输出车辆故障预警和车 辆状态维修建议/数据等。在图像传感器采用红外摄像头的情况下，还可根据红外 图像监测技术，利用智能微处理单元还可分析出重要机械部件的温度，如车轮轴承 的轴温等，给出温度变化记录数据和相应的事故隐患预警等。同时，还可记录和存 储异常情况下的车辆运行状态的原始信息和状态参数，起到车辆“黑匣子”的作用 和目的，为事故调查和分析事故原因提供可靠的事故发生时段的车辆运行状态数据 和依据。
路况图像信息智能传感器的工作原理：在轨道异常、轨道不平顺、轨道扭曲严 重和列车行驶前方轨道上有障碍物的情况下，也会导致列车发生脱轨，安装在牵引 车辆头部或列车尾部适当位置的车载式轨道交通车辆运行状态智能监控和预警装 置，其中的图像传感器可获取车辆前方的轨道或道岔的图像信息信号，该图像信号 经信号处理或A/D变换后，成为实时的图像数据信息，送到智能微处理器，智能 微处理器运行相应的内嵌程序软件模块对图像数据信息进行数据分析、信息比对和 识别及相应的专业化智能化的处理；另一方面，还可根据基于GPS卫星定位的内 嵌式地理信息系统(GIS)，不但可给轨道交通指挥调度中心/部门提供列车的实时 运行位置，为交通信号控制提供依据，还可据此检索到系统中存储的此位置处的正 常路况信息以及上级系统传给的行驶路线图信息，与此时获得的车辆前方行进路况 信息进行比对和分析，得到车辆前方的轨道或道岔是否异常、也可分析出轨道扭曲、 变形程度、路基塌陷等路况异常信息，及时给出路况监控和预警，还可根据其严重 危急程度给出应急控制信号、声、光、图文或视频警示信息等，避免事故、车祸的 发生；如果确认是正常的路况变化，则刷新系统中存储的此位置处的历史路况信息， 以便以后监控和预警系统使用；记录和存储异常情况下的轨道场景图像信息和状态 参数，为事故调查、分析事故原因和事故预防提供依据，起到车辆“黑匣子”的作 用和目的。
需要指出的是，用于车辆轮轨状态和用于车辆行驶前方道路路况的车载式轨道 交通车辆运行状态图像信息智能传感器，它们的监控和预警的侧重面和技术需求不 尽相同，尽管其组成原理结构相同，但设备的资源配置可不同，其图像信息处理和 智能分析的工作原理基本相类似，但各有自身特点，最大的不同是各自内嵌的程序 模块有着不相同的版本。
本实用新型的车载式轨道交通客流运能及运行安全智能监控和预警系统，可根 据对其功能要求、用途的不同和功能多少的不同，选择使用不同的元件、接口方案、 传感器及不同的部件/总成组合。比如，对于图像传感器可采用基于CMOS互补性 氧化金属半导体、CCD电荷藕合器件或SUPER CCD的图像传感器，或者采用手 机、数码相机或DV上应用广泛的针孔式图像拍照/摄像头，也可选择采用普通模 拟、数字视频摄像头、360°全视角摄像头或基于红外摄像/夜视摄像技术的摄像头 等，特别是对路况图像传感时还可选择采用基于一维距离像、合成孔径或逆合成孔 径雷达成像技术的图像传感器；对于振动/噪声传感器可选用压电式振动加速度传 感器或电容传声器等；本实用新型中的传感信息智能处理单元中的微处理器可选择 使用具有不同功能、不同资源和技术的微处理器，包括基于现代微处理技术的各种 技术性能和结构的单片机、ARM微处理器、数据信号处理器(DSP)、混合信号微 处理器(MCU)、基于PDA掌上电脑内核技术的或基于内嵌式系统的工控机内核的 专用处理主板等，其中内嵌相应的或不同功能的应用程序软件版本，以完成相应的 数据处理和智能化监控预警处理；传感信息智能处理单元中的信息和数据存储组件 由半导体存储器件构成，也可根据需要增设计算机硬盘、移动硬盘或U盘存储装 置等；传感信息智能处理单元中的的总线通讯端口或输入/输出单元中的通讯接口 的具体构建方案同样有很多种选择，设置的数量和种类可不只是一个或一种，目前 国内外流行的现场总线接口技术约有40多种，并以迅猛之势推向市场，已有大量 的、低成本的实际应用，可使布局分散的监控和预警装置方便的组成网络，其中有 多种协议型号的现场总线支持节点设备集中供电的技术方案可供选择，具有代表性 的现场总线有LonWorks、CAN、ARCnet、INTERBUS、FF基金会、DeviceNet、PROFIBUS、 嵌入式工业以太网、ControlNet、WorldFIP、P-NET、HART、SERCOS、SDS和C-BUS 等有线现场总线，还有R-fieldbus、Bluetooth等无线现场总线，以及以nRF无线 通讯集成电路模块、CDMA/GPRS或3G/4G等下一代移动通讯或无线现场总线技术为 基础构成的无线通讯总线接口，以红外、激光或光纤通讯技术为基础构成的无缆通 讯总线接口等，对传输距离要求不高、节点较少、实时性要求不高及对成本要求更 低的场合，可选用RS232、RS485、RS422等简易现场总线来实施本实用新型，另 外还可利用USB、IEEE1394、LAN(局域网)、GPIB-LAN、TCP/IP或WAP无线互联网 等技术和协议实现数据通讯端口或输入/输出接口；声、光或图文信息的输出装置 如语音报警器、声光报警器、图文显示器、闪灯按钮等均可根据需求选用；可根据 需求选置辅助光源，辅助光源包括LED光源、红外灯或其它传统发光装置等；可根 据需求选置镜头自清洁装置，镜头自清洁装置指利用防污防水结构的或利用纳米材 料制成的自清洁镜头防护罩或壳体等，也可根据需求选置自动清洗装置，自动清洗 装置指自动高压水/专用清洁济清洗器、自动高压气体/空气清洁器、镜头防护罩自 动清洗雨刷装置等；对于雷达图像传感器可不设置自清洁或自清洗装置，但可设置 必要的壳体或防护罩；对于车辆上没有供电电源或供电困难的应用场合，除可用电 缆供电外，还可可根据需求选置发电装置，发电装置可选用太阳能电池组、风力/ 气流发电机、车辆动力发电装置或其它传统发电机等。综上所述，再结合不同的应 用需求，采用不同的和适合的总体结构形式，形成安装方式各有所长、功能和结构 不尽相同、性能和成本有选择、应用场合不同、监控和预警目标和目的不同的系列 化产品。
安装在一列车上车载式轨道交通客流及运行安全智能监控和预警系统，可根据 需要设置成具有不同功能、不同软硬件配置、不同规模或信息处理能力的系统，每 台上述每种智能传感器的输入/输出单元中的通讯接口可根据需要进行相适应的互 联，如采用有线或无线连接、红外或激光通讯路联接，构成车载式轨道交通客流运 能及运行安全智能监控和预警系统。
比如，对于封闭式地铁或城市轻轨交通来说，可以只选取给每辆车的一个或多 个门口处、对应门口的车厢顶棚的适当位置安装一个基于360°全视角摄像头的客 流运能/场景图像信息智能传感器、在列车两端驾驶室的其中一个或两个里设置一 个列车监控和预警控制器，配置成只有客流运能/场景图像信息获取功能的车载式 轨道交通客流运能及运行安全智能监控和预警系统，其各个客流运能/场景图像信 息智能传感器、列车监控和预警控制器之间，通过其上设置的输入/输出单元，由 相互匹配的有线通讯总线(如CAN总线)相联接，列车监控和预警控制器与原有或 新设的应急系统(如应急手动按钮、对讲装置、应急广播、信息诱导屏等)相连， 并通过车载无线数据通讯装置与车站或调度控制及监控中心进行信息通讯。当然， 还可再选取其它车辆运行状态获取智能传感装置，如选取机械振动/噪声信息智能 传感器、轮轨状态和车辆底盘图像信息智能传感器等进行配置，使之成构成更全面 的、功能更强大的、智能化信息化水平更高的轨道交通车辆运行状态智能监控和预 警系统。
对于铁路货运列车来讲，可选取机械振动/噪声信息智能传感器、轮轨状态和 车辆底盘图像信息智能传感器、路况图像信息智能传感器的工作原理及货运列车监 控和预警控制器等进行配置，构成与货运列车车辆运行状态所需功能和要求相适应 的智能监控和预警系统。
附图说明
图1为本实用新型实施例1的用作车载式封闭地铁或城市轻轨客流及其安全智能 监控和预警系统的原理框图。
图2为本实用新型实施例2的用作铁路客运列车客流运能及安全运行状态综合智 能监控和预警系统的原理框图。
图3为本实用新型实施例2中的机械振动/噪声信息智能传感器的原理框图。
图4为本实用新型实施例2中的轮轨状态和车辆底盘图像信息智能传感器的原理 框图。
图5为本实用新型实施例2中的路况图像信息智能传感器的原理框图。
图6为本实用新型实施例3的用作车载式铁路货运列车运行状态综合智能监控和 预警系统的原理框图。

实施例1
如图1为本实用新型实施为车载式封闭地铁或城市轻轨客流及其安全智能监 控和预警系统的原理框图，每辆车上对应门口的车厢顶棚的适当位置安装一个基于 360°全视角摄像头的一体化内嵌式的客流运能/场景图像信息智能传感器(10)，在 列车两端驾驶室的其中里均设置一个列车监控和预警控制器(20)，每个智能传感 器(10)和列车监控和预警控制器(20)上的输入/输出单元中设有CAN总线接口/ 板卡，并由通讯电缆(30)相联接，形成通讯网络，两个列车监控和预警控制器(20) 为主设备，客流运能/场景图像信息智能传感器(10)为从设备，在列车监控和预 警控制器(20)上的输入/输出单元中还设有与列车调度控制及监控中心进行无线 信息通讯的装置。
客流运能/场景图像信息智能传感器(10)由基于CCD技术的FUJI360°全视角 摄像头(D1)的传感器单元、基于微处理器(C1)和存储组件(B1)的传感信息处 理单元(A1)、电源单元(F1)以及CAN通讯接口(E1)的输入/输出单元构成。
列车监控和预警控制器(20)由用于完成数据融合、数据处理、智能分析、系 统运行管理和系统控制的高性能工控计算机主板组件(21)、触摸操作/显示屏组件 (22)、大容量数据存储组件(23)、操作键盘(24)、一个用于组网通讯的CAN接口板 卡(25)和一个用于与地面调度控制及监控中心进行无线信息通讯的移动通讯组件 (26)和电源组件(27)构成，触摸操作/显示屏组件(22)、数据存储组件(23)、操作 键盘(24)、CAN接口板卡(25)和移动通讯组件(26)上的相应的控制和数据线分别 与工控计算机主板组件(21)上的对应的控制和数据线相联接，电源组件(27)的 每组电源输出线对应连接到上述每个组件的电源输入端。
工作原理如下：客流运能/场景图像信息智能传感器(10)中的图像传感器(D1) 可实时获得所处位置的车厢内外的全景图像信号，该图像信号经信号处理接口(JK1) 和相配的高速A/D转换后，成为实时的图像数据信息，送到传感信息处理单元(A1) 的智能微处理器(C1)进行图像数据处理，智能微处理器(C1)运行相应的内嵌程 序软件模块对该图像数据进行解析、图像的边沿检测与抽取、图像分割、图形/轮 廓跟踪、图像特征的检测和提取、图像模板匹配、图像数据压缩和存储、图像尺寸 的自学习和数据识别、图像尺寸和数据的比对、运算和分析，以及相应的专业化智 能化的处理，可从场景图像信息中自动智能地解析、定量分析出该车厢中乘客满员 度、乘客密度、拥挤度或对乘客量/密度进行分级，并解析出来车门内外的乘客上 下车时的次序/拥挤度或站台乘客滞留量，同时解析出来车门状态(关闭、开启和 拥堵情况)，实时监控和记录车厢中的异常情况、以及与车辆运行相关的其它安全 信息等，原始图像数据和上述预处理后的结果数据以文件和数表的形式存储到存储 组件(B1)里的同时，并通过CAN通讯接口(E1)实时传送到列车监控和预警控制 器(20)中；列车监控和预警控制器(20)通过CAN接口板卡(25)实时获取各个客 流运能/场景图像信息智能传感器(10)的原始图像数据及其预处理后的结果数据， 一方面把它们存储于大容量数据存储组件(23)，另一方面工控计算机主板组件(21) 中的处理器对各个传感器的预处理后的结果数据进行统计、融合、分析和处理，得 到列车的客运量饱和度或超员度、站台/车站的乘客滞留等级、车门是否处于安全 状态(关闭状态是否正常？是否被乘客挤压？)、客流疏散/列车调度预案等监控和 预警信息，通过移动通讯组件(26)传送给地面的列车调度控制及监控中心，以便对 整个运输系统进行运营管理和应急处理；列车监控和预警控制器(20)中的触摸操 作/显示屏组件(22)、操作键盘(24)是为列车长或驾驶员便于掌握监控预警信息、 观察各个图像传感器传送来的可视化的场景图像画面和操作该系统而设置。除此之 外，该系统还能实时监控各个图像传感器所处位置的车厢内外的场景状态、跟综移 动目标或人流，同时记录一段时间的实况图像资料，为事件善后处理提供重要依据， 起到车辆“黑匣子”的作用和目的；列车监控和预警控制器(20)中的移动通讯组 件(26)把监控结果和必要的图像信息及时传送到地面监控、调度和控制中心。
实施例2
如图2为本施例的用作铁路客运列车客流运能及安全运行状态综合智能监控 和预警系统的原理框图，图3为本实施例中的机械振动/噪声信息智能传感器的原 理框图，图4为本实施例中的轮轨状态和车辆底盘图像信息智能传感器的原理框 图，图5为本实施例中的路况图像信息智能传感器的原理框图。
铁路客运列车客流运能及安全运行状态综合智能监控和预警系统由两个列车 监控和预警控制器(20)、两个路况图像信息智能传感器的原理框图(40)、一组轮 轨状态和车辆底盘图像信息智能传感器(1)、一组机械振动/噪声信息智能传感器 (2)、一组客流运能/场景图像信息智能传感器(10)及网络通讯电缆(30)构成。
路况图像信息智能传感器的原理框图(40)由图像传感器(D2)和GSP卫星定 位装置(M2)的传感器单元、基于微处理器(C2)和存储组件(B2)的传感信息处理 单元(A2)、电源单元(F2)以及基于网络通讯接口(E2)构成。用于获取列车运 行前方道路工况图像数据信息的路况图像信息智能传感器(40)可安装在牵引机车 的头部上端或列车尾车的尾部上端。
轮轨状态和车辆底盘图像信息智能传感器(1)由图像传感器(D3)、基于微处 理器(C3)和存储组件(B3)的传感信息处理单元(A3)、电源单元(F3)以及基 于网络通讯接口(E3)构成。用于实时的获取车辆运行过程中包括车轮、钢轨和车 轴等在内的车辆底盘上的重要部件/总成和轨道的运行状态及其外部几何形状/轮 廓的图像信号的轮轨状态和车辆底盘图像信息智能传感器(1)，安装在车辆底盘下 方适当位置。
机械振动/噪声信息智能传感器(2)由两个振动传感器(G41、G42)、转速传 感器(I4)、基于微处理器(C4)和存储组件(B4)的传感信息处理单元(A4)、电 源单元(F4)以及基于网络通讯接口(E4)构成。两个振动传感器(G41、G42) 分别布设在车辆底盘的不同位置，以可靠获取车辆重要部件(如车轮、钢轨、减震 器、轴承、转向架以及路基和桥梁等)因列车运行而发生的机械振动，转速传感器 (I4)用于车辆车辆运行时的车轮转速，传感信息处理单元(A4)传感信息处理单 元(A4)根据采集到的振动和转速信息，基于在一定转动速度的条件下，不同机械 结构的振动频率相联系和振动特性反映着其本身的工况状态原理，进行信号处理和 阶次跟踪处理，得到不同部件和设施异常故障的分析结果，转速信号还可以用作控 制开始和终止监控进程。
本实施例中的上述智能传感器均采用一体化嵌入式系统结构，两个列车监控和 预警控制器(20)分别安装在驾驶室、尾车室或列车长办公室，客流运能/场景图 像信息智能传感器(10)及列车监控和预警控制器(20)的结构、工作原理和功能 与实施例1中的对应装置基本相类似，不再赘述。
实施例3
如图6为本实用新型实施为车载式铁路货运列车运行状态综合智能监控和预 警装置的原理框图，由于不需要监控客流及其旅客运输能力，它与实施例2的不同 之处在于，把实施例2中的客流运能/场景图像信息智能传感器(10)删除，把有线 网络总线和通讯接口((E2、E3、E4)变成无线网络通讯接口装置(如蓝牙链路通讯 网、无线局域网)或红外/激光无缆对接通讯网和接口(50)即可，以构建各列车中 各车辆上安装的各种网络化的传感器之间的通讯网络，方便车辆编组和车辆卸载， 同时每个车辆上设置一个给传感器供电的发/储电装置(5)，如太阳能电池组、气流 发电机或车轴传动发电机等。其组成结构和工作原理不再赘述。