CN109186646A - 一种防护门状态监测方法及系统 - Google Patents
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Abstract
本发明属于光纤传输技术领域，具体提供了一种防护门状态监测方法及系统，通过波分复用器组对光信号进行解复用形成多束光信号输出至一一对应的光电开关组，然后对经光电开关组形成的反射光信号经过波分复用器组的波分复用及解复用后形成的光信号进行监测，从而实现了对防护门状态监测的功能。该调节算法利用宽带光源的光谱特点以及波分复用/解复用器的通道串扰形成的信号特点实现了被监测门异常开启与系统本身故障的有效区分；通过统计连续时间内的反射光强度状态变化，可有效滤除由于振动等原因引起的光电开关状态频繁切换的误报警。此外，该系统不需要对光源进行调制、编码等操作，降低了系统成本和维护周期。
Description
技术领域
本发明属于光纤传输技术领域，具体涉及一种防护门状态监测方法及系统。
背景技术
根据《铁路隧道防灾疏散救援工程设计规范》、《铁路工程设计防火规范》等相关规范要求，与长大隧道连接的各类通道及安装了设备的洞室均设置了防护门，如隧道应急救援站的横通道与隧道连接处、紧急救援站以外的横通道、紧急出口、避难所与隧道连接处、双洞双线隧道的联络通道以及安装了通风、电力、通信、信号、牵引供电设备的洞室等位置。大量防护门的安装虽然满足了铁路隧道疏散救援和防火的需要，但门本身固定的牢固程度也给铁路运营安全带来了一定的安全隐患。在长期运营中，防护门一旦异常开启，一方面将失去防护门的作用，另一方面将可能侵入铁路限界危及运营安全。因此，有必要对铁路防护门的开关状态进行实时监测。
目前市场上有很多种可以实现远程监控的电子门锁，但是这种电子门锁在铁路防护门状态的监测应用中主要存在三点限制。一是，电子门锁多采用电池供电，需要定期更换电池，运营维护不便、成本高。二是，如电子门锁采取现场取电的方式则提高了取电的成本，且有一些铁路防护门附近无设计预留电源，不方便取电。三是，电子门锁需要互联网将门锁状态进行上传，而铁路防护门位置不能保证网络覆盖良好。因此电子门锁在铁路防护门状态的监测系统应用受限。
申请人前期申请的申请号为CN201610591302.X的发明专利“基于光纤的反射式开关传感器”公开了一种基于光纤传感的开关传感器，可用于无源条件的现场环境下，监测箱门、柜门、井盖等各种结构的开关状态，有效解决在无电源环境下的各种装置、设备的“门”的开关状态。这种传感器可以应用在铁路防护门的状态监测中。但是，在具体铁路工程应用中，往往不止一个而是一系列的防护门状态需要监测。而此专利只公布了传感器的设计，并未公布传感器的组网应用方案以及组网应用中需要解决的问题。
为了组网应用，申请号为201720315483.3的实用新型专利“光纤开关传感网络”公开了一种串联组网方案。该方案需要配合比较复杂的调制解调器对开关传感器的状态进行判别。申请号为201710697100.8的发明专利“一种脉冲光光纤开关状态检测方法”和201710698362.6的发明专利“背向脉冲光光纤开关传感节点序列检测方法”分别公开了一种解调方法。该组网方案及解调方法中，需要对光源进行脉冲调制，并对脉冲峰值位置进行识别。但是该解调方法无法区分被监测门异常开启与系统本身故障造成的光电探测器端无信号的区别。这在铁路防护门状态的监测应用中，将会带来较大的负面影响。这是因为铁路防护门一旦开启，将有侵入铁路限界的风险，而系统本身故障并无侵入铁路限界的风险。如无法区分这两种状态，当系统本身故障时，系统也将报警提醒，从而影响铁路运营效率。另外，铁路防护门往往由于列车经过等其他原因引起较大的振动，可能发生光电开关传感器内的光路短时间内处于通-断的频繁切换状态。既有的解调方法在这种情况下会发生频繁的误报现象。此外，光脉冲的最大脉冲宽度和串联传感器的最小间距有关。根据光在光纤中的传播速度进行估算，当串联传感器的最小间距为10m时，光脉冲宽度最大不应超过100ns，否则两个传感器的反射脉冲将重叠。数据采样的采样频率F大于或等于由1秒除以所述脉宽之商的2倍得到的参数值。这种方法中当串联传感器的最小间距比较小时，有两种方案，一是使用较窄的脉冲宽度和较高的数据采用频率；二是通过人为增加时延光纤，增加传感器之间的光路差。而这都将增加系统的成本及复杂度。另外，该方案为单芯级联式，适用于线性分布的监测点组网，对于以解调仪为中心呈星型分布的监测点的组网则不适用。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术中铁路防护门状态监测难且成本高的问题。
为此，本发明提供了一种防护门状态监测方法，包括以下步骤：
S100：光信号经过第一波分复用器，所述波分复用器根据所述光信号的不同波长出射不同的分束入射光信号，各不同波长的所述分束入射光信号分别入射至一一对应的光电开关组；
S200：所述光电开关组接收对应所述分束入射光信号后形成分束反射光信号，各所述分束反射光信号经过所述第一波分复用器形成合束反射光信号；
S300：所述合束反射光信号经过光环形器后进入第二波分复用器，从所述第二波分复用器出射后形成与所述光电开关组一一对应的多束监测光信号；
S400：各束所述监测光信号均传输至信息处理模块，所述信息处理模块对各束所述监测光信号进行实时监测并判断所述光电开关组的状态。
优选地，所述光信号先由光环形器的第一端口进入并从所述光环形器的第二端口出射至所述第一波分复用器，所述合束反射光信号经过所述光环形器的第二端口进入并从所述光环形器的第三端口出射至所述第二波分复用器。
优选地，所述第一波分复用器和第二波分复用器型号相同。
优选地，所述信息处理模块对接收到的多束所述分束反射光信号的强度进行分类判别；
当所述分束反射光信号的强度低于第一阈值时判定为防护门异常状态；
当所述分束反射光信号的强度位于第一阈值和第二阈值之间时判定为防护门正常状态，且对应的所述光电开关组异常状态；
当所述分束反射光信号的强度超过第二阈值时判定为防护门正常状态，且对应的所述光电开关组正常状态。
优选地，所述第一阈值和所述第二阈值均为根据所述防护门正常状态且所述光电开关组正常情况下所述分束反射光信号的强度的相对值。
本发明还提供了一种防护门状态监测系统，其特征在于，包括：宽带光源、光环形器、光电开关组、第一波分复用器、第二波分复用器及信号处理模块；
所述宽带光源用于输出光信号至所述第一波分复用器；
所述第一波分复用器用于对所述宽带光源输出的光信号进行波分解复用形成多束分束入射光信号后经过光电开关组形成一一对应的分束反射光信号，并对从所述光电开关组输出的多束分束反射光信号进行波分复用形成合束反射光信号；
所述光电开关组用于接收所述分束入射光信号并形成所述一一对应的分束反射光信号；
所述第二波分复用器用于对从所述第一波分复用器输出的合束反射光信号进行波分解复用形成多束监测光信号；
所述光环形器用于隔离输入至所述第一波分复用器的光信号及输入至所述第二波分复用器光信号；
所述信号处理模块用于处理从所述第二波分复用器输出的光信号，并根据该信号强度来判断防护门的状态及所述光电开关组的状态。
优选地，多束所述分束入射光信号的中心波长位于所述光电开关组的多束所述分束反射光信号的波长范围内。
优选地，所述光环形器的第一端口、第二端口及第三端口分别与所述宽带光源、第一波分复用器及第二波分复用器一一对应连接。
优选地，还包括多个光电二极管，多个所述光电二极管与多束所述监测光信号一一对应联结。
优选地，所述光电开关组包括多个光电开关，各所述光电开关分别设有位置编号且与防护门一一对应，各所述光电开关与多束所述分束入射光信号一一对应。
本发明的有益效果：本发明提供的这种防护门状态监测方法及系统，通过波分复用器组对光信号进行解复用形成多束光信号输出至一一对应的光电开关组，然后对经光电开关组形成的反射光信号经过波分复用器组的波分复用及解复用后形成的光信号进行监测，从而实现了对防护门状态监测的功能。该调节算法利用宽带光源的光谱特点以及波分复用/解复用器的通道串扰形成的信号特点实现了被监测门异常开启与系统本身故障的有效区分；通过统计连续时间内的反射光强度状态变化，可有效滤除由于振动等原因引起的光电开关状态频繁切换的误报警。此外，通过光电开关传感器的位置编号利用波分复用器与解复用器对波长的分配实现了与光电探测器一一对应，因此不需要对光源进行调制、编码等操作，降低了系统成本和维护周期。
以下将结合附图对本发明做进一步详细说明。
附图说明
图1是本发明防护门状态监测方法流程示意图；
图2是本发明防护门状态监测系统框图；
图3是本发明防护门状态监测方法及系统的几种典型信号状态示意图。
具体实施方式
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它实施例，都属于本发明保护的范围。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征；在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。
实施例一：
本发明实施例提供了一种防护门状态监测方法，包括以下步骤：
S100：光信号经过第一波分复用器，所述波分复用器根据所述光信号的不同波长出射不同的分束入射光信号，各不同波长的所述分束入射光信号分别入射至一一对应的光电开关组；
S200：所述光电开关组接收对应所述分束入射光信号后形成分束反射光信号，各所述分束反射光信号经过所述第一波分复用器形成合束反射光信号；
S300：所述合束反射光信号经过光环形器后进入第二波分复用器，从所述第二波分复用器出射后形成与所述光电开关组一一对应的多束监测光信号；
S400：各束所述监测光信号均传输至信息处理模块，所述信息处理模块对各束所述监测光信号进行实时监测并判断所述光电开关组的状态。
由此可知，如图1和图2所示，WDM即波分复用器，PD即光电二极管，光门开关即光电开关，也即光电传感器，还可以叫光电开关传感器，光电开关是传感器的一种，也叫光电传感器，它把发射端和接收端之间光的强弱变化转化为电流的变化以达到探测的目的。由于光电开关输出回路和输入回路是电隔离的，即电绝缘，所以它可以在许多场合得到应用。在不同的场合使用不同的光电开关，例如在电磁振动供料器上经常使用光纤式光电开关，在间歇式包装机包装膜的供送中经常使用漫反射式光电开关，在连续式高速包装机中经常使用槽式光电开关。在本发明中不再作相关阐明。
波分复用器即WDM，宽带光源输出直流光信号至光环行器第一端口，经过光环行器后从第二端口输出。光环形器第二端口与WDM1(即第一波分复用器)的输入端口相连，经过WDM1光信号按照波长的不同分别从对应的端口输出。WDM1的输出端口通过传输光纤与光电开关组相连。光环形器第三端口接收来自光电开关组传感器网络的光信号，然后利用WDM2(即第二波分复用器)将来自不同光电开关的信号进行分束，由于波分复用器通道间的串扰存在，所述多束监测光信号中的每一束除了包含所对应的光电开关所反射的信号外，还包含少量其他光电开关反射信号。分束后的信号分别输入至光电探测器的输入端，光电探测器包括PD1、PD2及PDn等多个光电二极管，其中波长为λ1、λ2及λn分别一一对应PD1、PD2及PDn，通过对PD1、PD2及PDn的电信号进行实时监测便可知道每个波长的监测光信号，即可以知道对应的光电开关的状态，从而便可以得到该光电开关所对应的防护门的状态是开启还是关闭还可能是系统异常，这里的系统异常即光电开关组自身的问题而非防护门问题而导致的报警。其中，宽带光源在一定波长范围内具有连续光谱，波分复用与解复用器的通道存在一定的窗口宽度，且通道之间不可避免存在一定的串扰。这将导致当其中一个光电开关传感器的光路处于断开时，所对应的光电探测器仍然可以探测到光信号。该方案利用宽带光源的光谱特点以及波分复用/解复用器的通道串扰形成的信号特点实现了被监测门异常开启与系统本身故障的有效区分。即利用这一特点可设置算法对一定范围内的系统故障和被测防护门被开启引起的传感器的光路断开进行区分。
优选地方案，所述第一波分复用器和第二波分复用器型号相同。由此可知，第一波分复用器和第二波分复用器的技术参数相同，技术参数包括通道数、插入损耗和隔离度等，插入损耗(dB)＝通道输入光功率(dBm)-通道输出光功率(dBm)。对于波分复用器即光合/分波器，每通道的插损要求大致相同，差别不能大于1dB。隔离度是专门描述分波单元的参数，定义为某个波长的输出光功率与串扰到该通道上的另一波长的光功率之比。第一波对第二波的隔离度(dB)＝P1(dBm)-P2(dBm)，第二波对第一波的隔离度＝P2-P1，如果有更多波长，计算方法类推。隔离度一般要求大于25dB。
优选地方案，所述信息处理模块对接收到的多束所述分束反射光信号的强度进行分类判别；
当所述分束反射光信号的强度低于第一阈值时判定为防护门异常状态；
当所述分束反射光信号的强度位于第一阈值和第二阈值之间时判定为防护门正常状态，且对应的所述光电开关组异常状态；
当所述分束反射光信号的强度超过第二阈值时判定为防护门正常状态，且对应的所述光电开关组正常状态。
由此可知，根据具体的现场情况和试验来预设第一阈值和第二阈值，以此来过滤掉系统异常或振动而引起的光信号变化的情况，根据监测到的不同的反射光的强度来相应的判断故障类型。
优选地方案，所述第一阈值和所述第二阈值均为根据所述防护门正常状态且所述光电开关组正常情况下所述分束反射光信号的强度的相对值。通过将反射光中强度最高值或者反射光强度理论值作为标准值，在实际的反射光强除以这个标准值即得到相对强度百分比值。如图2所示的几种典型信号状态示意图。
本技术方案实施如下：
(1)按照图2所示搭建系统。
(2)当光信号由环形器第二端口输出向远端传播时，波分复用器WDM1所起的作用为解复用，将光信号按照波长进行分束，分别由不同的端口输出。
(3)当光信号由远端向环形器第二端口传播时，波分复用器WDM1所起的作用为将来自光电开关反射的不同波长的光信号合束，并输入至环形器第二端口。
(4)WDM1的各通道所连接的光电开关传感器的工作波长范围应和所在通道的波长相匹配。
(5)WMD1和WMD2的技术参数应保持一致，从而保证来自不同光电开关传感器的信号最终分别分配到对应的光电探测器进行探测。
(6)对各光电探测器的输出进行数据采样，采样频率以不低于100Hz为佳。其中，100Hz只是用于解释说明的示例性参数值，具体实现过程中可根据情况进行调整。
(7)图3为几种典型的状态下的信号示意图。按照图3所示，对各光电探测器的数据进行百分位判别。
(8)统计连续的T秒数据所处百分位范围，如均处在同一百分位范围内，则判断当前处于所在百分位的状态。其中T优选取值为1，该数据只用于解释说明的示例性参数值，具体实现过程中可根据情况进行调整。
需要说明的是，如图3所示的第一百分位范围为100％～30％，该范围内防护门处于正常状态且对应的所述光电开关组正常状态，即光电开关传感器内的光路处于通路状态，即光门开关光路处于通路状态。第二百分位范围为30％～10％，该范围内防护门处于正常状态，只是光电开关传感器内的光路处于断开状态，即可能是因为震动等外界因素而导致了光门开关光路处于断开状态，而不是防护门异常开启导致的。该范围内的异常还包括光源至光环行器、光环行器至WDM1、光环行器至WDM2、WMD2至光电探测器之间的光路异常，宽带光源损坏，光电探测器损坏等状态。第三百分位范围为10％～0％，该范围内防护门处于异常开启状态。上述百分位数据只用于解释说明的示例性参数值，具体实现过程中可根据情况进行调整。
该系统除了可用于对铁路防护门的开关状态进行在线监测，也可用于铁路栅栏门、设备门、设备井盖等其他各种“门”、“盖”类开关状态的监测中。
本发明的有益效果：本发明提供的这种防护门状态监测方法及系统，通过波分复用器组对光信号进行解复用形成多束光信号输出至一一对应的光电开关组，然后对经光电开关组形成的反射光信号经过波分复用器组的波分复用及解复用后形成的光信号进行监测，从而实现了对防护门状态监测的功能。该调节算法利用宽带光源的光谱特点以及波分复用/解复用器的通道串扰形成的信号特点实现了被监测门异常开启与系统本身故障的有效区分；通过统计连续时间内的反射光强度状态变化，可有效滤除由于振动等原因引起的光电开关状态频繁切换的误报警。此外，通过光电开关传感器的位置编号利用波分复用器与解复用器对波长的分配实现了与光电探测器一一对应，因此不需要对光源进行调制、编码等操作，降低了系统成本和维护周期。
实施例二：
本实施例提供了一种防护门状态监测系统，包括：宽带光源、光环形器、光电开关组、第一波分复用器、第二波分复用器及信号处理模块；
所述宽带光源用于输出光信号至所述第一波分复用器；
所述第一波分复用器用于对所述宽带光源输出的光信号进行波分解复用形成多束分束入射光信号后经过光电开关组形成一一对应的分束反射光信号，并对从所述光电开关组输出的多束分束反射光信号进行波分复用形成合束反射光信号；
所述光电开关组用于接收所述分束入射光信号并形成所述一一对应的分束反射光信号；
所述第二波分复用器用于对从所述第一波分复用器输出的合束反射光信号进行波分解复用形成多束监测光信号；
所述光环形器用于隔离输入至所述第一波分复用器的光信号及输入至所述第二波分复用器光信号；
所述信号处理模块用于处理从所述第二波分复用器输出的光信号，并根据该信号强度来判断防护门的状态及所述光电开关组的状态。
如图2和图3所示，从宽带光源出射光信号，经过光环形器后进入到第一波分复用器，分解成λ1、λ2及λn等多个不同波长的光信号，分别对应光电开关1、光电开关2及光电开关n，然后在光电开关组上形成反射光后经过第一波分复用器合束后再进入光环形器然后到达第二波分复用器，经过第二波分复用器解复用后分解成与前面反射光对应的λ1、λ2及λn等多个不同波长的光信号，每一个反射光对应一个PD，其中PD是光电二极管(Photo diode)，即每个PD对应一个波长的光电开关传感器的信号传输，λ1、λ2及λn分别一一对应PD1、PD2及PDn。从PD出来的信号进入光电开关驱动模块，信息处理模块对光电开关驱动模块的信号进行实时监测，从而便可得知光电开关组的状态。
优选地方案，多束所述分束入射光信号的中心波长位于所述光电开关组的多束所述分束反射光信号的波长范围内。保证光电开关组的正常工作。
优选地方案，所述光电开关组包括多个光电开关，各所述光电开关分别设有位置编号且与防护门一一对应，各所述光电开关与多束所述分束入射光信号一一对应。由此可知，利用波分复用器的解复用和合束功能对波长的分配实现了与光电探测器一一对应，因此不需要对光源进行调制、编码等操作。
本发明的有益效果：本发明提供的这种防护门状态监测方法及系统，通过波分复用器组对光信号进行解复用形成多束光信号输出至一一对应的光电开关组，然后对经光电开关组形成的反射光信号经过波分复用器组的波分复用及解复用后形成的光信号进行监测，从而实现了对防护门状态监测的功能。该调节算法利用宽带光源的光谱特点以及波分复用/解复用器的通道串扰形成的信号特点实现了被监测门异常开启与系统本身故障的有效区分；通过统计连续时间内的反射光强度状态变化，可有效滤除由于振动等原因引起的光电开关状态频繁切换的误报警。此外，通过光电开关传感器的位置编号利用波分复用器与解复用器对波长的分配实现了与光电探测器一一对应，因此不需要对光源进行调制、编码等操作，降低了系统成本和维护周期。
以上例举仅仅是对本发明的举例说明，并不构成对本发明的保护范围的限制，凡是与本发明相同或相似的设计均属于本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种防护门状态监测方法，其特征在于，包括以下步骤：
S100：光信号经过第一波分复用器，所述波分复用器根据所述光信号的不同波长出射不同的分束入射光信号，各不同波长的所述分束入射光信号分别入射至一一对应的光电开关组；
S200：所述光电开关组接收对应所述分束入射光信号后形成分束反射光信号，各所述分束反射光信号经过所述第一波分复用器形成合束反射光信号；
S300：所述合束反射光信号经过光环形器后进入第二波分复用器，从所述第二波分复用器出射后形成与所述光电开关组一一对应的多束监测光信号；
S400：各束所述监测光信号均传输至信息处理模块，所述信息处理模块对各束所述监测光信号进行实时监测并判断所述光电开关组的状态。
2.根据权利要求1所述的防护门状态监测方法，其特征在于：所述光信号先由光环形器的第一端口进入并从所述光环形器的第二端口出射至所述第一波分复用器，所述合束反射光信号经过所述光环形器的第二端口进入并从所述光环形器的第三端口出射至所述第二波分复用器。
3.根据权利要求1所述的防护门状态监测方法，其特征在于：所述第一波分复用器和第二波分复用器型号相同。
4.根据权利要求1所述的防护门状态监测方法，其特征在于：所述信息处理模块对接收到的多束所述分束反射光信号的强度进行分类判别；
当所述分束反射光信号的强度低于第一阈值时判定为防护门异常状态；
当所述分束反射光信号的强度位于第一阈值和第二阈值之间时判定为防护门正常状态，且对应的所述光电开关组异常状态；
当所述分束反射光信号的强度超过第二阈值时判定为防护门正常状态，且对应的所述光电开关组正常状态。
5.根据权利要求1所述的防护门状态监测方法，其特征在于：所述第一阈值和所述第二阈值均为根据所述防护门正常状态且所述光电开关组正常情况下所述分束反射光信号的强度的相对值。
6.一种防护门状态监测系统，其特征在于，包括：宽带光源、光环形器、光电开关组、第一波分复用器、第二波分复用器及信号处理模块；
所述宽带光源用于输出光信号至所述第一波分复用器；
所述第一波分复用器用于对所述宽带光源输出的光信号进行波分解复用形成多束分束入射光信号后经过光电开关组形成一一对应的分束反射光信号，并对从所述光电开关组输出的多束分束反射光信号进行波分复用形成合束反射光信号；
所述光电开关组用于接收所述分束入射光信号并形成所述一一对应的分束反射光信号；
所述第二波分复用器用于对从所述第一波分复用器输出的合束反射光信号进行波分解复用形成多束监测光信号；
所述光环形器用于隔离输入至所述第一波分复用器的光信号及输入至所述第二波分复用器的光信号；
所述信号处理模块用于处理从所述第二波分复用器输出的光信号，并根据该信号强度来判断防护门的状态及所述光电开关组的状态。
7.根据权利要求6所述的防护门状态监测系统，其特征在于：多束所述分束入射光信号的中心波长位于所述光电开关组的多束所述分束反射光信号的波长范围内。
8.根据权利要求6所述的防护门状态监测系统，其特征在于：所述光环形器的第一端口、第二端口及第三端口分别与所述宽带光源、第一波分复用器及第二波分复用器一一对应连接。
9.根据权利要求6所述的防护门状态监测系统，其特征在于：还包括多个光电二极管，多个所述光电二极管与多束所述监测光信号一一对应联结。
10.根据权利要求6所述的防护门状态监测系统，其特征在于：所述光电开关组包括多个光电开关，各所述光电开关分别设有位置编号且与防护门一一对应，各所述光电开关与多束所述分束入射光信号一一对应。
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