CN100567061C - 温度不敏感的光纤光栅应力传感列车定位和实时追踪系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开的温度不敏感的光纤光栅应力传感列车定位和实时追踪系统，是在铁路每条线路的一条钢轨正下方，相隔100～500米埋设中心波长各不相同的光纤光栅应力传感器(A211...A21n)...(A211...A21n)。宽带光源(A10)与快速光开关(A20)、第一个光纤光栅应力传感器(A211...A2m1)连接；最后一个光纤光栅应力传感器(A21n...A2mn)与光放大器(A30)、分波器(A41)、高速光开关(A42)、O/E变换器(A43)、数字信号处理模块(A44)、计算机主机(A45)与储存有三维电子地图的服务器(A47)和大屏幕(A46)连接。适用于高速铁路列车定位和实时追踪。

Description

温度不敏感的光纤光栅应力传感列车定位和实时追踪系统

技术领域

本发明涉及温度不敏感的光纤光栅应力传感列车定位和实时追踪系统，适用于光纤通信、光纤传感、列车安全运行和交通信息工程及控制技术等领域，特别适用于高速铁路列车运行控制和列车实时追踪技术领域。

背景技术

高速铁路既是社会发展对快速交通的要求，又是世界各国铁路发展的主流，如何实现高速列车实时追踪以确保行车安全、提高运能日益重要。

世界上为了保证高速列车的安全行驶研究了多种不同的控制系统。

各个国家的发展不尽相同，其中研究处于领先地位的典型系统如下：法国国营铁路研究的实时追踪自动化系统(ASTREE)，这是用于列车控制和运输管理的一种指令、控制和通信一体化的综合系统。目前，该系统已经实验成功，但该系统传输的是实况录象，信息量巨大，对通信系统的要求非常高，整套系统的造价和维护十分昂贵。日本研究开发了计算机和无线电辅助列车控制系统(CARAT)，运用计算机和无线电辅助实现列车控制，但是该系统仅仅实现了列车速度的控制，没有实现列车实时追踪，同时由于数据传输采用漏泄同轴电缆，传输距离受到了一定的限制。德国早在1988年就开始了集车站连锁、列车自动追踪和旅客向导为一体的列车自动控制系统(LZB)的研究工作，但目前尚未见有关开发完毕的报告；瑞典ABB公司开发了利用地面感应器获取的编码信息来实现的自动列车保护系统(ATP)，但是该系统只是实现了列车的自动防护，没有做到实时跟踪，而且只能适用于低密度的行车系统。

在高速磁悬浮列车方面，日本的磁悬浮铁路使用了交叉感应线圈的方式获得列车的安全信息，该方法精度高，实时性较好，但这种方法的代价是对列车位置检测系统中各个装置的精度要求很高，从而导致了设备的复杂性，制造、安装和维护的成本较大。此外，由于漏泄电缆的制备对开槽的尺寸要求严格，收发设备比较复杂，致使通信系统投入初期的建设费用会很大。

德国磁悬浮铁路采用编码板的方式对列车进行测速和定位，列车经过编码板时，由列车上的车载设备读入编码，从而确定出列车的位置。在两个编码板之间，则通过检测同步直线电机定子绕组的极距来实现相对起始编码板位置的计算，进而获得列车的运行速度。但是，由于该方法需要列车与地面感应设备间进行信号交互，如果一方失效就会存在控制系统无法及时获取安全信息的问题。

此外，对高速列车行车控制系统进行数据采集的方法，还包括地面感应器方式、微波调制车号识别方式、电感耦合的射频识别方式、全球定位系统等等。这些方式分别有各自的特点和应用场合，但也存在着许多不足，如可靠性问题、抗干扰问题、造价问题以及对列车速度的适应性问题等。特别是对于磁悬浮列车，没有车轮，运行时与轨道不接触，传统轮轨铁路的记轴和轨道电路等方式不再可用。因此必须研究能够满足高速铁路发展需要的新的数据采集方式。

中国目前铁路系统对列车状态的监控，主要是通过计轴系统、抄车号系统、列车安全运行监控记录装置等来实现。由于技术条件的限制，该设备生产成本较高，价格昂贵，并且仅在铁路干线运行区间、分局交界口、编组站出入口处完成列车车辆识别，此时需降低行车速度，然后将识别出的标签信息及辅助信息通过电缆传输至终端处理设备和复试终端设备，不仅对通信系统要求很高，而且在进行车辆识别时的行车速度约为60km左右，根本不能实现高速列车状态的实时追踪。

磁悬浮列车的研究方面，中国起步较晚，还一直没有形成规模，技术上也没有取得具有实用性的突破，上海浦东示范线也主要是采用德国的技术标准，引进某些线路设备与德国的工程设备，以中方为主进行建设的。而其获取列车安全信息的关键子系统，则始终对中国保密。这些因素大大制约了中国铁路磁悬浮发展的速度和进程。因此，目前中国高速铁路发展的态势迫切需要立足于国产化和本地化，研制和生产新型的、符合中国国情的和具有自主知识产权的高速列车实时追踪和行车一体化控制系统。

光纤光栅在温度、压力、拉力等光纤传感技术方面得到了较广泛的应用。但是克服温度应力交叉敏感的分布式光纤光栅传感来实现列车定位和实时追踪的方法尚未见到有关的报道。

发明内容

为了克服目前铁路系统对列车状态监控的可靠性问题、抗干扰问题、造价问题以及对列车速度的适应性问题等，本发明提出了一种温度不敏感的光纤光栅应力传感列车定位和实时追踪系统，其构成的各部件之间的连接：

在铁路每条线路的一条钢轨的正下方，埋设中心波长各不相同的光纤光栅应力传感器，每一个不同中心波长的光纤光栅应力传感器表示一个地理位置；光纤光栅应力传感器的上端面与钢轨底面接触，两个光纤光栅应力传感器间隔100～500米，其间用光纤连接；

安装在列车始发站的宽带光源和快速光开关连接，快速光开关采用轮询的方式与每条线路钢轨下方埋设的第一个光纤光栅应力传感器的左环形器的左端口连接；

在铁路每条线路的一条钢轨的正下方埋设的光纤光栅应力传感器，相邻两个之间的连接为一个光纤光栅应力传感器的右环形器右端口与另一个光纤光栅应力传感器的左环形器的左端口连接；

钢轨下方埋设的最后一个光纤光栅应力传感器的右环形器的右端口与光放大器连接；

光放大器与分波器连接；

分波器与高速光开关连接；

高速光开关与O/E变换器连接；

O/E变换器与数字信号处理模块连接；

数字信号处理模块与计算机主机连接；

计算机主机与储存有三维电子地图的服务器和大屏幕连接。

快速光开关采用轮询的方式是指快速光开关与第一条线路钢轨下方埋设的第一个光纤光栅应力传感器连接或与第二条线路钢轨下方埋设的第一个光纤光栅应力传感器连接，......或与第m条线路钢轨下方埋设的第一个光纤光栅应力传感器连接。

假设列车通过光纤光栅应力传感器n的时间t_n可以测知，相邻传感器之间的距离为定值，用s来表示。列车运行的初速度为V₀，加速度为a，列车长度为L，t_im和t_in分别为第m和第n个传感器的列车到达时间，t_om和t_on分别为第m和第n个传感器的列车离开时间。且：

t_m＝t_om-t_im，t_n＝t_on-t_in

利用速度、加速度与传输距离之间的对应关系，可得：

$\left\{\begin{array}{c}{V}_o=\frac{{\mathrm{mt}}_{\mathrm{in}}^2-{\mathrm{nt}}_{\mathrm{im}}^2}{t_{\mathrm{im}}{t}_{\mathrm{in}}(t_{\mathrm{in}}-t_{\mathrm{im}})}\\ a=\frac{2(m{t}_{\mathrm{in}}-n{t}_{\mathrm{im}})s}{t_{\mathrm{im}}{t}_{\mathrm{in}}(t_{\mathrm{im}}-t_{\mathrm{in}})}\\ L=\frac{t_m[{\mathrm{nt}}_{\mathrm{im}}^2-m{t}_{\mathrm{in}}^2+s({\mathrm{mt}}_{\mathrm{in}}-{\mathrm{nt}}_{\mathrm{im}})({2t}_{\mathrm{im}}+t_m)]}{t_{\mathrm{im}}{t}_{\mathrm{in}}(t_{\mathrm{im}}-t_{\mathrm{in}})}\end{array}\right.$

以下两种情况出现时，表明有车厢脱节，检测系统自动报警。一种情况是某一光纤光栅应力传感器测量光纤光栅的中心波长发生偏移的次数与其它光纤光栅应力传感器不同。这是因为当列车车轮压上传感器时，测量光纤光栅的中心波长发生偏移，偏移的次数就是列车的轴数，所有光纤光栅应力传感器所计轴数应该相同，如不相同，说明有车厢脱节。另一种情况是某一光纤光栅应力传感器测量光纤光栅的中心反射波长发生变化后，长时间不再恢复，表明该传感器上始终受力，则有可能出现了列车脱轨的现象。当时间超过规定的时间上限之后，系统报警。

如果在整个调度区间有多趟列车，则在调度中心可精确判断每趟列车所在的位置、行进的速度、加速度和列车间的距离，最后实现列车的实时状态显示。

本发明的有益效果具体如下：

提出了一种温度不敏感的光纤光栅应力传感列车定位和实时追踪系统，列车运行的位置数据由部署在区段中的光纤光栅应力传感器感知，经过光纤传递实时信息，进一步获得列车运行状态，对于高效地控制列车运行和实现其运行状态的实时调整具有重要的意义。其最大特点是充分利用光纤光栅波长编码的优势，沿线等间距设置众多具有不同中心波长的光纤光栅应力传感器，当列车经过时，传感器上受到压力作用，光栅的中心波长发生偏移，偏移的次数就是列车的轴数，所有传感器所计轴数应该相同，如不相同，说明有车厢脱节，这将是一种新型、廉价且灵敏度很高的计轴系统。从车轮到达每个光纤光栅应力传感器的时间间隔，可计算出列车的运行速度、加速度，如果在整个调度区间有多趟列车，则在调度中心可精确判断每趟列车所在的位置、行进的速度、加速度和列车间的距离。这将是一种全新的列车实时追踪系统，其对列车状态的监测过程完全实时，没有误差。

两个光纤光栅应力传感器之间距离为100～500米，相当于将一般轨道电路的闭塞区间缩短了10倍，可以实现对列车的感应没有误差，且光强的涨落不影响波长的测量，提高了定位精度，缩短了行车间隔时间，扩大了轨道交通的运输能力。光纤的价格很便宜，可大大降低系统成本，所采用的光纤光栅应力传感器不仅结构简单，成本低廉、灵敏度高，响应快，不受温度影响，而且不受电磁干扰，最适宜于电气化区段使用。列车的运行位置由地面的控制系统直接采集，而不需要列车上的电、磁设备的参予，也不需要车地通信系统的支持，提高了高速列车控制系统的可靠性。行车调度中心借助本系统，可迅速、全面的了解和控制列车运行状态，提高行车密度，减少行车事故，提高服务质量，降低投资，创造更大效益。

附图说明

图1温度不敏感的光纤光栅应力传感列车定位和实时追踪系统示意图。

图2光纤光栅应力传感器安装在轨底面的示意图。

图3实施例一的温度不敏感的光纤光栅应力传感列车定位和实时追踪系统示意图。

图4实施例二的温度不敏感的光纤光栅应力传感列车定位和实时追踪系统示意图。

图5温度不敏感的光纤光栅应力传感器示意图。

图中：左环行器10、右环行器70、滑动盖子21、封装体底部22、参考光纤光栅31、第一根磷铜杆32、传感器结构主体40、连接件41、第二根磷铜杆42、连接件50、测量光纤光栅51、第三根磷铜杆52、第四根磷铜杆60、钢轨C10、宽带光源A10、高速光开关A20、光纤光栅应力传感器A211......A21n、A221......A22n、......、A2m1......A2mn、光放大器A30、分波器A41、高速光开关A42、O/E变换器A43、数字信号处理模块A44、计算机主机A45、大屏幕A46、三维电子地图服务器A47。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步描述。

实施例一

本发明提出一种温度不敏感的光纤光栅应力传感列车定位和实时追踪系统，其构成的部件之间的连接如下，见图3：

在铁路一条线路的一条钢轨C10的正下方，埋设光纤光栅应力传感器A211......A21n，这些光纤光栅应力传感器的中心波长各不相同，每一个不同中心波长的光纤光栅应力传感器表示一个地理位置，光纤光栅应力传感器的上端面21与钢轨底面接触，两个光纤光栅应力传感器间隔100米，相邻两个之间的连接为一个的右环形器70的右端口73与另一个的左环形器10的左端口11用光纤连接；

安装在列车始发站的宽带光源A10与钢轨下方埋设的第一个光纤光栅应力传感器A211的左环形器10的左端口11连接；

钢轨下方埋设的最后一个光纤光栅应力传感器A21n的右环形器70的右端口73与放大范围1200nm～1600nm的光放大器A30连接；

光放大器A30与分波器A41连接；

分波器A41与高速光开关A42连接；

高速光开关A42与O/E变换器A43连接；

O/E变换器A43与数字信号处理系统A44连接；

数字信号处理系统A44与计算机主机A45连接；

计算机主机A45与储存有三维电子地图的服务器A47和大屏幕A46连接。

宽带光源A10选择掺铒光纤放大器，其自发辐射谱作为宽带光源信号。

实施例二

本发明提出的一种温度不敏感的光纤光栅应力传感列车定位和实时追踪系统，其构成的部件之间的连接如下，见图4：

在铁路二条线路的各一条钢轨C10的正下方，埋设光纤光栅应力传感器A211......A21n和光纤光栅应力传感器A221......A22n，这些光纤光栅应力传感器的中心波长各不相同，每一个波长的光纤光栅应力传感器表示一个地理位置，光纤光栅应力传感器的上端面21与钢轨底面接触，两个光纤光栅应力传感器间隔500米，相邻两个之间的连接为一个的右环形器70的右端口73与另一个的左环形器10的左端口11用光纤连接；

安装在列车始发站的宽带光源A10与高速光开关A20连接，高速光开关则采用轮询方式，与钢轨下方埋设的第一个光纤光栅应力传感器A211或A221连接；

二条铁路线路下埋设的最后一个光纤光栅应力传感器A21n和A22n与放大范围1400nm～1800nm的光放大器A30连接；光放大器放大波长范围的选择依据是，它所产生的光信号放大范围覆盖所有光纤光栅应力传感器的工作波长。

光放大器A30与分波器A41、高速光开关A42、O/E变换器A43、数字信号处理模块A44、储存有三维电子地图的服务器A47和大屏幕A46连接与实施例一相同。

宽带光源A10选择LED。

当列车经过光纤光栅应力传感器时，传感器结构主体40压缩，使得第二根磷铜杆42产生向下的力，该力通过连接件41使得第三根磷铜杆52受到拉伸，导致测量光纤光栅51产生应变，测量光纤光栅51受到张力的作用，中心波长向长波长移动。

当列车驶过后，结构主体40弹性恢复，第三根磷铜杆52受到的拉伸作用消失，测量光纤光栅51的中心波长迅速恢复到初始状态。

测量光纤光栅51和参考光纤光栅31的光谱特性完全一致，当测量光栅51上无应力作用时，测量光纤光栅51和参考光纤光栅31的光谱一致，在右环形器70的第三端口73检测到最大光强。

当测量光纤光栅51上有应力时，测量光纤光栅51和参考光纤光栅31的光谱漂离，右环形器70的第三端口73检测到的光强变弱。

不同波长的光信号传向指挥中心，沿线经过光放大器A30光信号放大，信号再经过分波器A41后，将不同波长的信号进行分离，通过高速光开关A42进入O/E变换器A43，将每个波长的光信号变成电信号，这些不同的电信号变化情况由数字信号处理模块A44进行放大、滤波及判决处理后进入计算机主机A45，计算机主机A45与储存有三维电子地图的服务器A47交换数据，并准确计算出控制区间内各趟列车所在的准确位置、速度和加速度等信息，然后在大屏幕A46进行显示。

两个光纤光栅应力传感器之间的距离为100～500米，相当于将一般轨道电路的闭塞区间缩短了10倍，可以实现对列车的感应没有误差，且光强的涨落不影响波长的测量，提高了定位精度，缩短了行车间隔时间，扩大了轨道交通的运输能力。

本发明所采用光纤光栅应力传感器为申请号：200810057474.4，发明名称为“温度不敏感的光纤光栅应力传感器”中所述的传感器。其构成及连接为：

传感器结构主体40的横截面为正方形，使用伸缩性非常好的磷铜材料制成，其底端固定于封装体底部22上，上端比封装体深度高出1cm，其上加上可上下滑动盖21承载外界压力。

选择弹性度非常好的横截面为正方形的四根磷铜杆。

第一根磷铜杆32和第四根磷铜杆60，垂直固定于封装体底部22上；

第二根磷铜杆42垂直粘贴于传感器结构主体40上；

第三根磷铜杆52的上下两端通过连接件50和41分别与第四根磷铜杆60的上端和第二根磷铜杆42的下端连接，垂直于封装体底部22；

测量光纤光栅51，竖直粘贴在第三根磷铜杆52上，测量光纤光栅51一端与右环行器70的第二端口72连接，另一端悬空，测量光纤光栅51为均匀光纤光栅；

参考光纤光栅31竖直粘贴在第一根磷铜杆32上，参考光纤光栅31一端与左环行器10的第二端口12连接，另一端悬空；参考光纤光栅31与测量光纤光栅51光谱特性完全一致。

改变测量光纤光栅51和参考光纤光栅31的中心波长，制作出不同中心波长光纤光栅应力传感器。

所用的光纤光栅的中心反射波长没有特别的限制，选择国际电信联盟(ITU-T)给定波长最佳。

本发明使用的所有器件均为市售器件。

Claims (3)

1.温度不敏感的光纤光栅应力传感列车定位和实时追踪系统，其特征在于，各部件之间的连接：

在铁路每条线路的一条钢轨(C10)的正下方，埋设光纤光栅应力传感器(A211......A21n；A221......A22n；......；A2m1......A2mn)，每条钢轨下埋设的光纤光栅应力传感器的中心波长各不相同，每一个不同中心波长的光纤光栅应力传感器表示一个地理位置，光纤光栅应力传感器的上端面(21)与钢轨底面接触，相邻两个光纤光栅应力传感器间隔100～500米，相邻两个之间的连接为一个的右环形器(70)的右端口(73)与另一个的左环形器(10)的左端口(11)用光纤连接；

安装在列车始发站的宽带光源(A10)与快速光开关(A20)连接，快速光开关(A20)采用轮询的方式与每条线路钢轨下方埋设的第一个光纤光栅应力传感器(A211、A221......A2m1)的左环形器(10)的左端口(11)连接；

钢轨下方埋设的最后一个光纤光栅应力传感器(A21n、A22n......A2mn)的右环形器(70)的右端口(73)与光放大器(A30)连接；

光放大器(A30)与分波器(A41)连接；

分波器(A41)与高速光开关(A42)连接；

高速光开关(A42)与O/E变换器(A43)连接；

O/E变换器(A43)与数字信号处理模块(A44)连接；

数字信号处理模块(A44)与计算机主机(A45)连接；

计算机主机(A45)与储存有三维电子地图的服务器(A47)和大屏幕(A46)连接。

2.根据权利要求1所述的一种温度不敏感的光纤光栅应力传感列车定位和实时追踪系统，其特征在于，快速光开关(A20)采用轮询的方式是指快速光开关(A20)与第一条线路钢轨下方埋设的第一个光纤光栅应力传感器(A211)连接或与第二条线路钢轨下方埋设的第一个光纤光栅应力传感器(A221)连接，......或与第m条线路钢轨下方埋设的第一个光纤光栅应力传感器(A2m1)连接。

3.根据权利要求1所述的一种温度不敏感的光纤光栅应力传感列车定位和实时追踪系统，其特征在于，光放大器(A30)的波长放大范围为1200～1800nm。

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