CN103175626A - 铁路轨温监测系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及铁路轨温监测系统，包括：铁路轨温信息采集系统；铁路轨温信息分析系统；报警系统，在所述铁路轨温信息分析系统确定发生钢轨轨温变化超标和/或达到预定程度的情况，以一种或多种方式发出报警信号和/或情报信息。
Description
技术领域
本发明涉及铁路运行安全监测领域，具体地涉及监测铁路的轨道安全方面。更具体地，本发明涉及监测铁路钢轨的温度状况。
背景技术
目前，铁路系统正处在迅速建设和发展的时期，随着高速铁路网规模迅速扩大，技术装备水平也快速提升，速度提升及运力加大。同时，铁路运输安全也面临更多的挑战和考验。铁路周边环境更加复杂，自然气候环境变化频繁，灾害天气增加，对铁路运输安全尤其是高铁的运行安全带来影响。
出于全面防护的考虑，技术人员研发出各种新技术，例如车载化探测装置、高速摄像技术、 GPS红外线探测技术、微波无线探测等，广泛应用于定位和监测，为铁路安全允许提供了有效的防护和监测手段。但是，各种单独的技术都有其局限性，分别会受环境，人文，设备等因素的限制，没有一种方法能完全解决铁路特别是高铁沿线的安全防护问题，而是需要靠各种手段的互补。
世界各国铁路都在大力发展无缝轨道，我国新建高速铁路也多采用无缝轨道技术。无缝轨道的特点是钢轨中间不留间际，但无缝钢轨因热胀冷缩所带来的长度变化会产生巨大的温度应力作用，特别是纵向温度力，若钢轨应力散放控制得不好，天热时可能会造成胀轨跑道，而天冷时会出现冷缩从而可能拉断钢轨的情况，如图1所示。因此，自无缝轨道问世以来，轨温监测工作就被放到了一个非常重要的地位。目前，我国的铁路轨温监测主要是靠人工定点定时测量完成。这种测温方法所获得的监测数据密度小，难以捕捉日、月、年内的最高轨温和最低轨温；占用劳动力多、测量误差大、实时性差，因此难以为铁路工务作业提供及时、准确、科学的决策依据。
相应地，近来光纤器件的快速发展和广泛运用，特别是先进的光纤光栅传感器技术，为远程监测轨温提供了可行性和便利性、以及经济性。
已知，目前国际上还没有用光纤光栅传感网络分析系统来监控铁路轨道温度的案例。
发明内容
本发明的目的在于，提供一种克服现有技术不足并且符合经济高效需求的用于监测铁路钢轨轨温的技术。
根据本发明的一个方面，提供一种铁路轨温信息采集系统，用于采集与铁路轨温有关的信息，该信息采集系统包括：光纤光栅传感器个体或者由其构成的分布式阵列；和光纤光栅解调仪，其中所述光纤光栅解调仪与所说光纤光栅传感器或由其构成的阵列通过光纤光缆相连接；其中，所述传感器个体或阵列设置在距离钢轨上或者内部，设置成接收所述光纤光栅解调仪发送的激光信号，用于测量钢轨轨温的变化，并将感测信号返回给所述光纤光栅解调仪。
其中所述光纤光栅解调仪包括激光发射装置，用于生成激光；和输入输出端口，用于将激光输出到传输光纤中，所述传输光纤与光纤光栅传感器相连接，激光经光纤光栅传感器反射后返回到所述光纤光栅解调仪。
其中所述光纤光栅温度传感器设置成：附着在高热膨胀材料附近，其受到轨温变化的影响向光纤光栅温度传感器施加应力；或者具有双金属结构，所述两种金属具有不同的热膨胀系数。所述光纤光栅传感器阵列连接在多个分支光路中，每个分支光路通过光缆接续盒与主光缆连接，由主光缆将各个分路光缆连接到光纤光栅解调仪器上。
根据本发明的另一个方面，提供铁路轨温信息分析系统，包括：
信号接收装置，用于接收来自根据权利要求1所述的铁路轨温信息采集系统的信号，数据处理和逻辑判断单元，通过分析来确定：
1）每个激光波长信号涉及哪个光纤光栅传感器；
2）所涉激光的波长的变化以及所代表的对应温度水平；
3）所述温度水平对应的钢轨温度力，以及所述钢轨温度力是否达到预定程度。
其中，所述系统包括存储装置，其中预先存储：光纤光栅传感器与特征波长之间的对应关系；波长变化量和光纤光栅传感器所测的温度水平之间关系；温度水平与钢轨温度力及危险程度发生之间的对应关系。
其中数据处理和逻辑判断单元，还包括用于：确定是否对应于一个或者几个光栅光纤传感器的波长信号消失；以及根据预定的逻辑规则，由此判断是何处位置发生了光纤光栅传感器损毁和/或哪条光纤光缆损毁。
根据本发明的又一个方面，提供铁路轨温监测系统，包括：
如前所述的铁路轨温信息采集系统；
如前所述的铁路轨温信息分析系统；
报警系统，在所述铁路轨温信息分析系统确定发生钢轨轨温变化超标和/或达到预定程度的情况，以一种或多种方式发出报警信号和/或情报信息。
所述铁路轨温信息采集系统与所述铁路轨温信息分析系统通过有线或者无线地方式远距离连接。
优选地，所述铁路轨温监测系统包括一个或多个所述铁路轨温信息采集系统，以及所述一个或多个所述铁路轨温信息采集系统向一个或多个所述铁路轨温信息分析系统提供收集的信息。所述铁路轨温信息分析系统综合多个所述铁路轨温信息采集系统所收集的信息，确定道路沿线的多个监测位置的轨温情况。
本发明相对于现有的铁路轨温监测系统具有安全性高、成本低廉、实时测量、便于统计分析等优点。
附图说明
图1为温度变化造成无缝钢轨热胀冷缩的原理的示意图；
图2为温度变化与钢轨温度力之间函数关系的示意图；
图3为传感器布置在钢轨上用于测量其变化的示意图；
图4为根据本发明的铁路轨温监测系统的示意图，其中包括了铁路轨温信息采集分系统、铁路轨温信息分析分系统和报警分系统；
图5为根据本发明的铁路轨温信息分析分系统的逻辑过程的示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、结构和优点更加清楚，下面结合附图对本发明进一步地进行详细描述。
根据前文所述，出于温度变化造成的铁轨热胀冷缩需要被监测，以确保铁路运行的安全。
参照图1所示，根据本发明的构思，设置一种铁路轨温监测系统，用于监测铁轨的温度变化，并在达到预设标准或程度时发出相应报警信息，具体地应该包括：铁路轨温监测信息采集分系统、铁路轨温信息分析分系统和报警分系统。另外，所述系统还能够分析较大时间跨度和/或较大地域跨度收集的轨温变化信息。
铁路轨温信息采集分系统
如图4所示，根据本发明的轨温信息采集分系统包括：光纤光栅温度传感器分布式阵列，和光纤光栅解调仪。其中，所示传感器分布式阵列包括多个光纤光栅传感器，特例是仅仅包括一个该传感器。所述的光纤光栅传感器阵列可以是串联连接，或者并联连接，也可以并联和串联相结合的方式。例如，每个被测对象上可以设置一个传感器，也可以设置几个传感器，并且多个被测对象上的传感器经过一定的方式连接。具体地，传感器的拓扑结构可如图4所示，所述光纤光栅传感器阵列连接在多个分支光路中，每个分支光路通过光缆接续盒与主光缆连接，由主光缆将各个分路光缆连接到光纤光栅解调仪器上。
在本发明中，由所述光纤光栅解调仪向光纤光栅传感器通过光纤光缆发送激光信号。一般地，解调仪发送预定的一束激光，包括多个预定波长的激光。按照预定设置，正常状态下每个的光纤光栅传感器反射特定波长的激光，而在外界影响的作用下光纤光栅传感器反射的激光的波长发生了偏移或者是消失。所述解调仪通过比较反射回到解调仪的激光的波长变化来观测各个传感器的外部环境对其所产生的影响。
其中，所述光纤光栅解调仪包括：激光发射装置，用于生成激光束，和激光输入输出端口，用于将激光输出到传输光纤光缆中，所述传输光纤与光纤光栅传感器相连接，以传递激光。另外，所述光纤光栅解调仪包括激光解调装置，用于解调被反射的激光信号。另外，所述光纤光栅解调仪包括还包括另外的数据输出端口，用于向数据平台，比如服务器传输采集的数据信息。
其中，所述光纤光栅解调仪与光纤光栅传感器阵列相对匹配地设置在某一局部待测环境中，所述解调仪设置在较为安全稳定的位置。所述光纤光栅解调仪可以由外部电源来供电，或者是在外部电源掉电的情况下可由其自带的电源来供电。
光纤光栅温度传感器设置在钢轨的内部或者外部的预定位置，例如如图3所示绑缚在钢轨下端，或者嵌入预设的孔中。
本领域技术人员所周知的是，光纤光栅温度传感器的一般工作原理是：每个光纤光栅传感器从激光源（比如解调仪）接收激光，并反射回特定波长的激光，反射的特征波长λ在1510-1590nm之间。当光纤光栅所处环境的温度发生变化时，反射光的波长发生变化，通过测量温度变化前后反射光波长的变化，就可以获得温度的变化情况。
可选地，利用不锈钢的良好的温敏特性，可以通过测量不锈钢在温度变化下热胀冷缩造成的应变所产生的波长变化，来反向推导出温度变化。特别地，传感器可以包括不锈钢的材料，其具有良好的热传导性，以感测外部温度。具体地，每个传感器都有特有的零度波长值，波长变化代表温度变化，二者存在函数关系。例如，可以将温度传感器与钢钢轨接触，从而测量其温度。或者，也可以非接触式地通过添加系数来模拟实际温度值。
具体地，可以利用光纤布拉格光栅（FBG）增敏温度传感器，其原理是：利用FBG对温度和应变同时敏感的特性，通过结构设计，把FBG 和热膨胀系数材料封装在一起，当被测温度变化时，通过高热膨胀系数材料的形变向FBG 施加一个应变量，使得FBG 的返回波长变化量加大。
根据本发明，基于以上原理的光纤布拉格光栅温度传感器大体上可分为几种:一是，直接将FBG 粘贴在高热膨胀系数材料上，当温度升高时，高膨胀系数材料直接拉动FBG，使FBG 的应变加大，返回中心波长的变化量增加。第二、采用双金属结构实现温度增敏。温度变化时，双金属结构把2种热膨胀系数不同的金属的长度变化量的差转化成FBG长度的变化量，从而提高FBG的温度灵敏度。第三、利用光纤光栅对温度和应变同时敏感的特性，设计制当温度变化时，材料A和材料B长度均变化，且A 长度的变化量比B 长度的变化量大得多，A、B长度的变化量的差值直接传递给了FBG。当FBG的应变发生变化时，其返回波长会随之发生变化。FBG 的应变量越大，返回波长变化量也就越大。因此，可以通过调整A和B的长度和选用不同热膨胀系数的材料来控制FBG的应变量，从而实现高分辨率和高精度的温度测量。
在本发明中，优选地采用光纤光栅传感器，但不局限于某一特定的类型，也不排除使用其他类型的传感器的可能方案。
假定当钢轨的轨温发生变化时，会产生纵向（延轨道方向）温度力。根据无缝钢轨温度力计算公式：
P=E*f*α*△t
其中P为钢轨温度力；E为钢轨弹性模量，一般为2.1*105Mpa；F为钢轨断面积；α为钢轨膨胀系数，一般为11.8*10—6/℃;△t为相对于零应力轨温的轨温变化幅度，等于T-T0，T0为零应力轨温。
由此，可以测得钢轨温度力P与轨温变化之间呈函数曲线，如图2所示。
另外，进一步地，返回波长的波长偏移量△λ与钢轨温度T之间存在函数关系，即返回波长的偏移量是温度T的函数，该关系式可以表示为：
△λi=f（Ti） （1） ，其中i为传感器的序号或编号。
相应地，Ti=f-1（△λi） （2）
因此，波长变化与钢轨温度力之间间接地构建了函数关系。通过检测到的波长变化信息可以获得钢轨的温度力，及其分布的情况。
通过本发明的轨温信息采集分系统，可以收集得到关于某位置或者某局部区域例如某乘务段发生的轨温变化信息，体现为返回激光的波长变化信息。其中，如果得到某传感器反射的激光的波长发生偏移且持续一定的时间段，这意味着该传感器的位置出现了明显的温度变化。这就需要利用信息分析系统来分析上述信息采集系统所收集的信号，从而得出一定的结论。
铁路轨温信息分析分系统
根据本发明的原理，需要设置信息分析分系统来分析从上述信息采集分系统收集得到的信息。优选地是，一个信息分析分系统可以分析来自众多个所示信息采集分系统的信息。其中，用于信息分析的分系统可以通过有线方式比如光缆与信息采集分系统连接。可替换地是，也可以通过无线方式发送和传递信息，这可以借助于卫星网络来实现。
其中，所述信息分析分系统可以具体地实现为计算机服务器，如图2所示，其包括或者连接相应的数据库。根据本发明，所述信息分析分系统对信息采集系统，包括处理器，作为数据处理和逻辑判断单元，用于对解调仪发送的与传感器波长变化有关的信息进行分析和判断，如图5所示，包括以下步骤：
步骤101：所涉波长确定是属于哪个光纤光栅传感器的信息。
鉴于光纤光栅传感器波长偏移的量与每个所述传感器的特征波长相比较而言为很小的值，一般仅为一个或少数几个纳米的量，且变化后的波长一般与相邻波段的传感器特征波长也能够很好的区分。这样，确定了波长信息后就可以确定是对应哪个光纤光栅传感器的信息。
其中，每个光栅光纤传感器对应的特征波长λi及其可变范围预先存储在服务器中，或者根据预先确定的量来计算得出。
表1
| 反射波长 | 原始波长 | 对应传感器 | 对应偏移 |
| λ1' | λ1 | S1 | △λ1 |
| λ2' | λ2 | S2 | △λ2 |
| λ3' | λ3 | S3 | △λ3 |
| λ4' | λ4 | S4 | △λ4 |
| … | … | … | … |
在得到对应的传感器后，很容易地确定所在的钢轨位置。
步骤102：确定所涉传感器的波长偏移及所表示的温度水平。
根据前文所述，传感器所感受到的温度和应力与传感器的波长偏移相对应，反过来也就可以通过监测波长偏移的量来确定传感器是否承受了相当的温度变化。参见如下的示例表格2
表2
| 对应偏移 | 温度水平 |
| △λ1 | T1 |
| △λ2 | T2 |
| △λ3 | T3 |
| △λ4 | T4 |
| … | … |
通过如上所述的查找表2或者上述的公式（2），可以计算得出每个反射波长所代表的对应传感器所在位置处的温度水平。
步骤103：确定温度发生的情况以及严重程度。其中，温度水平与铁轨热胀冷缩的对应情况根据经验或者实验测定来估计，其关系反映在表3之中，其中反映了一定的函数关系。这种对应关系不是固定的，而是人为经验或试验测定的结果，也即函数参数可以调整，所以也可以根据具体情况适当变动。
表3
| 温度水平 | 钢轨温度力 | 铁轨胀缩 |
| T1 | P1 | 情况1 |
| T2 | P2 | 情况2 |
| T3 | P3 | 情况3 |
| T4 | P4 | 情况4 |
| … | … | … |
其中，表1、2和3可以是一个整体的查找表的局部，或者三个分开的查找表。
如经过监测发现某个传感器对应位置的温度变化达到或者超过预定的某个阈值时，则意味着钢轨温度力达到产生危险情况的程度，比如胀缩超限。这时需要采取措施释放钢轨应力。钢轨应力的释放可以采取人工的方式进行，或者其他的技术手段来实现。
如果传输给服务器的传感器信号中不包括或者中断对应某个光纤光栅传感器的信号，则意味着可能发生了某种情况，比如安装的传感器损毁。或者是，如果是由一条分光缆连接的传感器的信号消失，则很可能是该条光缆被损毁。根据高度可能性的判断标准，服务器将其归纳为“突发严重灾害情形”、“光缆损毁”等。判断的逻辑规则，可以由操作人员来具体设定，或进行修改。
报警分系统
信息分析分系统，也就是图4中所示的服务器部分，在经过分析得到灾害发生或者危害程度的信息后，将此信息以某种媒介的形式发送给有关的人员，比如区域负责铁路安全的人员、维修人员，和上级决策者。
其中，由负责安全监控的人员，根据监测的情况，可以通过有线或者无线的方式，比如电话、短信、广播、警示灯，向有关人员进行示警或通告。进一步地，根据报警信息的状况，可以在报警输出上设置橙色、红色等级别，以区分紧急状态级别等。
作为进一步的例子，本发明适合用来通过自动报警功能来进行自动监控和报警，因为一个服务器可以用来监控众多的传感器和大面积的区域，并且也可以实现报警的即时性。
这样，包括上述各个组成部分的铁路轨道温度监测系统相对于现有的方式具有突出的优点，即准确、安全、即时和低成本等方面。该系统也可以与其他和铁路轨道有关的监测系统相兼容或并行，以实现综合性的功能。
另外，根据本发明的铁路轨温信息检测系统，可以根据需要定时启动工作，例如在温度变化明显的时段或季节。可选地，该系统在实时监测的同时，可以大跨度地收集信息以作更进一步的分析之用。
本发明的功能特征不限于前面给出的那些例子，这样可以设想本发明精神内的任意种类的功能。尽管已经结合本发明的优选实施例对本发明进行了说明，但并非为了将本发明限制为这里所阐述的具体例子。相反，本发明的范围仅受限于所述权利要求。
Claims (13)
1. 铁路轨温信息采集系统，用于采集与铁路轨温有关的信息，该信息采集系统包括：
光纤光栅传感器个体或者由其构成的分布式阵列；和
光纤光栅解调仪，其中所述光纤光栅解调仪与所说光纤光栅传感器或由其构成的阵列通过光纤光缆相连接；
其中，所述传感器个体或阵列设置在距离钢轨上或者内部，设置成接收所述光纤光栅解调仪发送的激光信号，用于测量钢轨轨温的变化，并将感测信号返回给所述光纤光栅解调仪。
2. 根据权利要求1所述的铁路轨温信息采集系统，其中
所述钢轨为无缝铁路轨道；
所述光纤光栅传感器为光纤光栅温度传感器。
3. 根据权利要求1所述的铁路轨温信息采集系统，其中所述光纤光栅解调仪包括激光发射装置，用于生成激光；和输入输出端口，用于将激光输出到传输光纤中，所述传输光纤与光纤光栅传感器相连接，激光经光纤光栅传感器反射后返回到所述光纤光栅解调仪。
4. 根据权利要求2所述的铁路轨温信息采集系统，其中所述光纤光栅温度传感器设置成：
附着在高热膨胀材料附近，其受到轨温变化的影响向光纤光栅温度传感器施加应力；或者
具有双金属结构，所述两种金属具有不同的热膨胀系数。
5. 根据权利要求1所述的铁路轨温信息采集系统，所述光纤光栅传感器阵列连接在多个分支光路中，每个分支光路通过光缆接续盒与主光缆连接，由主光缆将各个分路光缆连接到光纤光栅解调仪器上。
6. 根据权利要求1所述的铁路轨温信息采集系统，其中所述光纤光栅解调仪对从所述光纤光栅传感器反射回来的激光进行解调处理，并得出反射激光的波长信号。
7. 铁路轨温信息分析系统，包括：
信号接收装置，用于接收来自根据权利要求1所述的轨温信息采集系统的信号，
数据处理和逻辑判断单元，通过分析来确定：
1）每个激光波长信号涉及哪个光纤光栅传感器；
2）所涉激光的波长的变化以及所代表的对应温度水平；
3）所述温度水平对应的钢轨温度力，以及所述钢轨温度力是否达到预定程度。
8. 根据权利要求7所述的系统，其中所述系统包括存储装置，其中预先存储：
光纤光栅传感器与特征波长之间的对应关系；
波长变化量和光纤光栅传感器所测的温度水平之间关系；
温度水平与钢轨温度力及危险程度发生之间的对应关系。
9. 根据权利要求7所述的系统，其中数据处理和逻辑判断单元，还包括用于：
确定是否对应于一个或者几个光栅光纤传感器的波长信号消失；以及
根据预定的逻辑规则，由此判断是何处位置发生了光纤光栅传感器损毁和/或哪条光纤光缆损毁。
10. 铁路轨温监测系统，包括：
根据权利要求1-6中任一所述的铁路轨温信息采集系统；
根据权利要求7-9中任一所述的铁路轨温信息分析系统；
报警系统，在所述铁路轨温信息分析系统确定发生钢轨轨温变化超标和/或达到预定程度的情况，以一种或多种方式发出报警信号和/或情报信息。
11. 根据权利要求10所述的系统，特征在于，所述铁路轨温信息采集系统与所述铁路轨温信息分析系统通过有线或者无线地方式远距离连接。
12. 根据权利要求10或11所述的系统，特征在于，包括一个或多个所述铁路轨温信息采集系统，以及
所述一个或多个所述铁路轨温信息采集系统向一个或多个所述铁路轨温信息分析系统提供收集的信息。
13. 根据权利要求12所述的系统，特征在于，所述铁路轨温信息分析系统综合多个所述铁路轨温信息采集系统所收集的信息，确定道路沿线的多个监测位置的轨温情况。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C12 | Rejection of a patent application after its publication | ||
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |
Application publication date: 20130626 |