CN110001717B - 驼峰溜放过程监测系统及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种驼峰溜放过程监测系统，包括多根光栅阵列传感光缆，每根光栅阵列传感光缆上等间距设置光纤光栅传感器，每根光栅阵列传感光缆均敷设在一条待测溜放轨道上，光纤光栅传感器安装在相邻两个枕木之间；光纤接续盒，通过传输光缆将多股被测股道上的光栅阵列传感光缆进行汇聚；光纤光栅解调仪，通过多芯光缆连接光纤接续盒，对现场采集到的信息进行解调；计算机，与光纤光栅解调仪连接，将解调的数据再进行分析和处理，得到包括溜放列车的位置、速度、载重的相关信息；列车溜放信息显示器，与计算机连接，显示从计算机获取的溜放列车相关信息。本发明可实现列车在编组场溜放过程中的位置、载重、速度等相关信息的实时监测。

Description

驼峰溜放过程监测系统及方法
技术领域
本发明涉及光纤传感技术，尤其涉及基于光栅阵列应力应变传感技术的编组场列车溜放过程实时监测系统及方法。
背景技术
铁路编组站驼峰调车厂是对货运列车依据不同目的进行重新编组的主要加工厂，溜放分为驼峰溜放和平面溜放两个过程，所谓驼峰溜放是指货运列车从驼峰峰顶摘钩后进行溜放直至平面分股道的溜放过程；平面溜放是指货运列车经过分股道到达不同的调车股道直至停车的过程。溜放过程可能会出现进入错误股道、中途停车、脱离股道、未达指定区域等情况，为了保障列车溜放的安全，对于溜放过程的监测是十分必要的，但目前对于溜放监测的研究较少。
传统的检测手段是通过人工观察的方法进行信息传递，当列车驶进目的股道时，通过人工观察确认后，再通知相关人员进行溜放、制动、刹车等操作。当前应用广泛的监测手段是轨道电路技术，该技术可以判断当前轨道的占用状态，但其空间分辨率较低，不能准确定位列车运行过程中的位置信息，且轨道电路易受电磁干扰和环境因素的影响，可靠性较差。除此之外，也有采用视频监控结合图像识别技术对列车运行状态进行监测，但该技术存在一定的检测盲区，在夜间、暴雨、浓雾等极端天气下，图像识别的精准度会大大降低，很容易引起误判。
既有专利(公开号：CN 1201956C)公开了一种通过采集驼峰头部和驼峰尾部作业信息控制可控停车器进行驼峰溜放车辆防溜的控制系统和方法。利用轨道电路获取占用信息，通过对列车的重量、速度、轨道长度的测量来模拟计算停车位置，该专利只是利用轨道电路判断当前股道的占用情况，通过模拟计算来获取具体停车位置，但不能对溜放过程的运动状态进行监测。
既有专利(公开号：CN 1201955C)公开了一种利用钩车进路与速度溜放信息，控制可控减速顶进行驼峰自动调速的控制系统和方法。该专利中并未涉及对列车溜放过程的监测，只是利用轨道电路技术来获取溜放进路列车的速度和轨道占用状态的信息。
既有专利(公开号：CN 201362265Y)公开了一种列车光纤光栅计轴系统，在轨道区段至少一个送端和至少一个受端的钢轨上均安装至少两个光纤光栅传感器。该系统通过采用光纤光栅传感器对列车进行计轴，能够实现对轨道占有的监测，但该系统所属的光纤光栅传感器属于点式检测，只能对有限几个点进行检测，空间分辨率很低，不能对列车在整条轨道上的运行状态进行连续、实时监测，因而无法实现对驼峰溜放过程的监测。
综上所述，目前还没有一种很好的方法来实现对编组场列车溜放过程进行实时监测，尤其是涉及对列车溜放状态、位置信息以及异常情况的实时监测及预警。
发明内容
本发明的目的在于，提供可对列车溜放状态、位置信息以及异常情况进行实时监测和预警的驼峰溜放过程监测系统及方法。
为达上述目的，本发明所采用的技术方案是：
提供一种驼峰溜放过程监测系统，包括：
多根光栅阵列传感光缆，每根光栅阵列传感光缆上等间距设置光纤光栅传感器，每根光栅阵列传感光缆均对应一条待测溜放轨道，若干光纤光栅传感器依次安装在相邻两个枕木之间；
光纤接续盒，通过传输光缆将多股被测股道上的光栅阵列传感光缆进行汇聚；
光纤光栅解调仪，通过多芯光缆连接光纤接续盒，对现场采集到的信息进行解调；
计算机，与光纤光栅解调仪连接，将解调的数据进行分析和处理，得到包括溜放列车的位置、速度、载重的相关信息；
列车溜放信息显示器，与计算机连接，显示从计算机获取的溜放列车相关信息。
接上述技术方案，光纤光栅传感器的两端通过刚性夹具自由锁紧后固定在铁轨内侧，每个光纤光栅传感器均依靠两端的刚性夹具进行拉伸，其拉伸量控制在1.5nm左右，同时防止外界环境微小振动对其产生扰动。
接上述技术方案，光栅阵列传感光缆的相邻两个光纤光栅之间的物理间距为1m,光栅反射率为0.2‰，可以复用上万只光纤光栅传感器，其抗拉强度大于40N；采用聚四氟材料一次成型、封装成缆。
接上述技术方案，光纤光栅传感器两端采用不锈钢管进行封装，其中不锈钢管一端用于固定光纤光栅传感器；另一端用于刚性夹具夹持，将其固定在铁轨内侧，通过移动光纤光栅传感器两端的夹具带动不锈钢管对光纤光栅进行拉伸，，避免夹具直接夹持光纤给光传输带来附加损耗，从而影响信号传输距离。
本发明还提供了一种驼峰溜放过程监测方法，该方法基于上述驼峰溜放过程监测系统，包括以下步骤：
根据解调后的信息判断光纤光栅传感器的中心波长是否发生变化，若是，则锁定信号发生变化的股道，判断列车是否进入目的股道，倘若不是，则生成并显示进错股道的信息；
持续判断发生变化的股道信号是否持续存在，且信号逐渐向目的方向移动，若是，则溜放过程正常，否则判断脱轨，生成异常警告信息；
当列车溜放未到达指定区域前，若某区域光纤光栅传感器的信号一直保持不变，则该股道的列车中途停车；
当列车溜放到达指定区域时，若该区域光纤光栅传感器的中心波长变化持续保持不变，则溜放正常，发布溜放过程中包括列车的位置、速度、载重的相关信息。
接上述技术方案，通过计算列车溜放过程中前、后车轮经过同一光纤光栅传感器的间隔时间，获知列车溜放时的速度信息。
接上述技术方案，通过观测列车溜放指定区域内光纤光栅传感器波长变化值Δλ，获得该时刻的应变值με，通过数据标定值推算出列车的轴重及载重。
接上述技术方案，通过观测溜放区域内光纤光栅传感器的中心波长变化值Δλ是否持续保持不变，判定列车停靠在该区域某一位置。
本发明产生的有益效果是：与传统光纤光栅技术相比，光栅阵列传感技术具有大容量、长距离、高密集等优点。本发明通过光纤光栅应力应变传感器感知轨道应变变化有无、变化大小以及相邻两只传感器应变变化时间间隔来实现列车在编组场溜放过程中的位置、载重、速度等相关信息的实时监测，从而能够准确定位列车的溜放股道和停车位置。对于列车进错股道、中途停车、脱离股道、未到达指定区域等意外情况能够及时发现并预警，从而更好地保障编组作业的安全，进一步提高编组站的编组效率。
附图说明
下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：
图1是本发明涉及的光栅阵列传感光缆敷设示意图；
图2是本发明涉及的光纤光栅传感器安装示意图；
图3是本发明涉及的编组场驼峰溜放监测的系统结构图；
图4是本发明涉及的驼峰溜放过程监测流程图；
图5是本发明涉及的驼峰溜放过程监测现场示意图；
图6是本发明涉及的光纤光栅传感器检测列车溜放时的波长变化曲线。
图1中：1光栅阵列传感光缆；2溜放轨道；3枕木；4不锈钢夹具。
图2中：5粗不锈钢管；6细不锈钢管；7弹簧按钮；
图3中：8光纤光栅传感器；9传输光缆；10光纤接续盒；11光纤光栅解调仪；12计算机；13列车溜放信息显示器。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
本发明实施例的驼峰溜放过程监测系统，如图1、图2和图3所示，包括：
多根光栅阵列传感光缆1，每根光栅阵列传感光缆1上等间距设置若干光纤光栅传感单元，每根光栅阵列传感光缆1均对应一条待测溜放轨道2，光纤光栅传感单元固定安装在相邻两根枕木3之间；若干光纤光栅传感器依次安装在相邻两个枕木之间。
光纤接续盒10，通过传输光缆9将多股被测股道上的光栅阵列传感光缆1进行汇聚；
光纤光栅解调仪11，通过多芯光缆连接光纤接续盒10，对现场采集到的信息进行解调；
计算机12，与光纤光栅解调仪11连接，将解调的数据再进行分析和处理，得到包括溜放列车的位置、速度、载重等相关信息；
列车溜放信息显示器13，与计算机12连接，显示从计算机获取的溜放列车相关信息，并提供溜放异常报警功能。
光纤光栅传感器的两端通过刚性夹具4自由锁紧后固定在铁轨内侧，每个光纤光栅传感器均依靠两端的刚性夹具进行拉伸。其拉伸量可控制在1.5nm左右，同时防止外界环境微小振动对其产生扰动。刚性夹具4可选用不锈钢材料制成。
本发明的一个实施例中，光纤光栅传感器两端可以采用不锈钢管进行封装，其中不锈钢管一端用于固定光纤光栅传感器；另一端用于刚性夹具4夹持，将其固定在铁轨内侧；通过刚性夹具带动不锈钢管对光纤光栅进行拉伸。从而避免夹具直接夹持光纤给光传输带来附加损耗，从而影响传输距离。
在上述实施例的基础上，可设置两根粗细不一的不锈钢管，通过嵌套的方式固定。如图2所示，粗不锈钢管5与细不锈钢管6之间采用嵌套的方式进行连接。细不锈钢管6固定光纤光栅，粗不锈钢管5与刚性夹具4固定。铁轨上的力通过刚性夹具4、粗不锈钢管、细不锈钢管6再传递给光纤光栅。
为了方便固定，可采用线切割的方式将两根钢管中部均切割出一个半圆凹槽，让传感光纤穿过两根不锈钢管；采用353N胶将传感光纤固定在细不锈钢管中部的凹槽内，让不锈钢夹具顶部的金属卡条对准粗不锈钢管中部的凹槽；通过调节不锈钢夹具顶部的弹簧按钮7的松紧程度来控制粗不锈钢管与不锈钢夹具之间的贴合度；在不锈钢夹具的底部，采用螺栓的形式将夹具与溜放轨道进行刚性连接。
用来感知轨道应力应变的光纤光栅传感器位于两根细不锈钢管之间，通过调节光纤光栅两端不锈钢夹具之间的距离即可控制每只光纤光栅传感器的预拉伸度，使其波长变化保持在1.5nm左右，防止外界环境微小振动对其产生扰动；两根不锈钢管的嵌套封装还可以起到良好的增敏作用，其增敏效果与相邻两只夹具的间距、不锈钢管长度密切相关；不锈钢管嵌套封装既保证了传感光纤的稳定预张，又不影响不锈钢夹具夹持传感光纤带来的附加光损耗，确保系统的长距离传输与检测；列车荷载通过轮轴传递到轨道，轨道产生的压力通过不锈钢夹具的微小形变作用于预拉伸的传感光纤，从而使得光纤光栅传感器的波长发生变化，通过波长变化可以推算轴重、占用信息。
如图5所示，为本发明实施例的驼峰溜放过程监测现场示意图。每相邻两个枕木之间安装有一只光纤光栅传感器，用于感知轨道的应力应变值，当列车车轮位于传感器正上方时，传感器所受到的应力达到最大，此时传感器的中心波长偏移量达到最大值，能够准确判断轨道占用状态，且可推算列车荷载。
具体地，如图1所示，为光栅阵列传感光缆敷设示意图。将光栅阵列传感光缆1沿着溜放轨道2进行敷设，每相邻两个枕木3之间均安装1只光纤光栅传感器(FBG)，采用刚性夹具4将光纤光栅传感器两端固定在铁轨内侧,从而逐一完成单条轨道上的光栅阵列传感光缆敷设。当列车车轮经过安装有光纤光栅传感器的轨道时，列车荷载通过车轮传递到轨道上，相邻枕木之间的轨道会随之产生微小形变，此时紧贴铁轨的一对不锈钢夹具会沿着垂直方向产生微小角度偏移，从而使得两只夹具之间的光纤光栅传感器因受力而带来中心波长(λ)的变化，通过检测光纤光栅传感器中心波长的变化，就可以判断该区域铁轨是否占用；同时，通过标定中心波长变化值(Δλ)与应力应变值(ε)之间的关系，即可推算轴重和列车荷载(T)；由于相邻两只光纤光栅传感器的距离(L)是已知的，且列车车轮依次经过相邻传感器的时间差(T)很容易通过计算机获得，由L/T即可推算列车溜放时的速度(V)。
如图3所示，为本发明实施例编组场驼峰溜放监测的系统结构图。按照图1的敷设安装方法将多股待测溜放轨道上均安装一根光栅阵列传感光缆，每根传感光缆均由多只等间距的光纤光栅传感器8构成，所有被测股道上的光栅阵列传感光缆通过传输光缆9汇聚到光纤接续盒10，通过多芯光缆将现场采集到的信息传递到控制室内的光纤光栅解调仪11，光纤光栅解调仪将现场传感器波长信息解调后上传到计算机12，计算机对数据进行分析和处理，最后将溜放列车的位置、速度、载重等相关信息反映在列车溜放信息显示器13上,从而达到现场操作人员合理控制列车溜放过程的目的，确保安全生产。
如图4所示，为本发明实施例驼峰溜放过程监测流程图。
驼峰溜放过程监测方法主要包括以下步骤：
当现场光纤光栅传感器中心波长发生变化时，锁定信号发生变化的股道，判断列车是否进入目的股道，倘若不是，则显示进错股道；
继续观察该股道信号是否持续存在，且信号逐渐向目的方向移动，方可判断溜放过程正常，否则判断脱轨，由计算发出异常警告；
当列车溜放未到达指定区域前，某区域光纤光栅传感器接收到信号但一直保持不变，说明列车中途停车；
当列车溜放到达指定区域时，该区域光纤光栅传感器接收到中心波长变化信号且持续保持不变，说明溜放正常，同时对溜放过程中列车的位置、速度、载重等信息进行实时发布。
如图6所示，本发明涉及的光纤光栅传感器检测列车溜放时的波长变化曲线。采用自重为20T空车进行溜放模拟试验，由图可知，列车依次经过该传感器时的中心波长变化明显，单轴(2.5T)可以达到200pm的灵敏度，且前后四轴分辨明显。
综上可知，将本发明的光栅阵列传感光缆敷设在各条溜放轨道上，可以很好地对列车溜放过程进行实时、可靠、全面监控。与传统点式光纤光栅传感器相比，光栅阵列传感光缆具有大容量、长距离、高空间分辨率感知等特点，特别适合长距离、密集型的温度、应力、振动等感知需求，易实现工业化生产及应用。
应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。

Claims (8)

1.一种驼峰溜放过程监测系统，其特征在于，包括：
多根光栅阵列传感光缆，每根光栅阵列传感光缆上等间距设置光纤光栅传感器，每根光栅阵列传感光缆均对应一条待测溜放轨道，若干光纤光栅传感器依次安装在相邻两个枕木之间；
光纤接续盒，通过传输光缆将多股被测股道上的光栅阵列传感光缆进行汇聚；
光纤光栅解调仪，通过多芯光缆连接光纤接续盒，对现场采集到的信息进行解调；
计算机，与光纤光栅解调仪连接，将解调的数据进行分析和处理，得到包括溜放列车的位置、速度、载重的相关信息；
列车溜放信息显示器，与计算机连接，显示从计算机获取的溜放列车相关信息。
2.根据权利要求1所述的驼峰溜放过程监测系统，其特征在于，光纤光栅传感器的两端通过刚性夹具自由锁紧后固定在铁轨内侧，每个光纤光栅传感器均依靠两端的刚性夹具进行拉伸。
3.根据权利要求1所述的驼峰溜放过程监测系统，其特征在于，光栅阵列传感光缆的相邻两个光纤光栅之间的物理间距为1m,光栅反射率为0.2‰，复用上万只光纤光栅传感器，其抗拉强度大于40N；采用聚四氟材料一次成型、封装成缆。
4.根据权利要求2所述的驼峰溜放过程监测系统，其特征在于，光纤光栅传感器两端采用不锈钢管进行封装，其中不锈钢管一端用于固定光纤光栅传感器；另一端用于刚性夹具夹持，将其固定在铁轨内侧；通过刚性夹具带动不锈钢管对光纤光栅进行拉伸。
5.一种驼峰溜放过程监测方法，其特征在于，该方法基于权利要求1-4中任一项所述的驼峰溜放过程监测系统，包括以下步骤：
根据解调后的信息判断光纤光栅传感器的中心波长是否发生变化，若是，则锁定信号发生变化的股道，判断列车是否进入目的股道，倘若不是，则生成并显示进错股道的信息；
持续判断发生变化的股道信号是否持续存在，且信号逐渐向目的方向移动，若是，则溜放过程正常，否则判断脱轨，生成异常警告信息；
当列车溜放未到达指定区域前，若某区域光纤光栅传感器的信号一直保持不变，则该股道的列车中途停车；
当列车溜放到达指定区域时，若该区域光纤光栅传感器的中心波长变化持续保持不变，则溜放正常，发布溜放过程中包括列车的位置、速度、载重的相关信息。
6.根据权利要求5所述的驼峰溜放过程监测方法，其特征在于，通过计算列车溜放过程中前、后车轮经过同一光纤光栅传感器的间隔时间，获知列车溜放时的速度信息。
7.根据权利要求5所述的驼峰溜放过程监测方法，其特征在于，通过列车溜放指定区域内光纤光栅传感器波长变化值Δλ，获得该时刻的应变值με，通过数据标定值推算出列车的轴重及载重。
8.根据权利要求5所述的驼峰溜放过程监测方法，其特征在于，通过溜放区域内光纤光栅传感器的中心波长变化值Δλ，判定列车停靠在该区域某一位置。
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