CN110823264A - 基于光纤光栅传感技术的连续式轨道占用检查系统 - Google Patents

基于光纤光栅传感技术的连续式轨道占用检查系统 Download PDF

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Abstract

本发明提供了基于光纤光栅传感技术的连续式轨道占用检查系统，沿钢轨敷设足够密集的光纤光栅传感器，光纤光栅传感器通过测量车辆轮对占压钢轨产生的压力应变方式，实现连续式轨道占用检查。传感器的特殊封装和设计可最大限度增大每个感应点的感应范围，通过合理布置传感器，可避免死区段产生，实现连续式轨道占用检查。本发明的检查系统不受雷电、牵引电流、钢轨传输参数、道床电阻、轮轨接触电阻等外部使用环境影响。本发明不用敷设电缆，节省投资，防盗效果好；本发明不需要单独设置继电器，室内设备减少，降低了工程投资，解决了现有轨道占用检查设备成本高的问题。另外，本发明利用卡具固定光缆，对钢轨的损害小，施工方便。

Description

基于光纤光栅传感技术的连续式轨道占用检查系统
技术领域
本发明属于轨道占用检查技术领域，特别涉及基于光纤光栅传感技术的连续式轨道占用检查系统。
背景技术
轨道占用检查装置是铁路信号系统关键基础设备，使用最广泛的是轨道电路和计轴轨道占用检查装置(以下简称“计轴”)。轨道电路和计轴通过电缆进行控制信号传输，判断轨道占用，实现列车定位功能，但工程造价较高。轨道电路受雷电、牵引电流、钢轨传输参数、道床电阻、轮轨接触电阻、电缆衰耗等影响；计轴无法实现连续式轨道占用检查，同样受雷电、电磁兼容等使用环境的干扰。
因此，亟需研发一种可改善上述问题的连续式轨道占用检查系统。
发明内容
针对上述问题，本发明提供基于光纤光栅传感技术的连续式轨道占用检查系统，所述系统包括光缆、护套和卡具；
所述护套设置在所述光缆的外部，所述护套用于保护光缆；
所述卡具固定在钢轨上；所述护套固定在所述卡具中，所述护套的两端从所述卡具中穿过；
所述光缆包括光纤、光纤光栅传感器；
所述光纤是光信息传输载体；
所述光纤光栅传感器刻录在所述光纤上；
所述护套包括硬质护套和软质护套；
刻录有光纤光栅传感器的光缆放置在硬质护套中；
没有刻录光纤光栅传感器的光缆放置在软质护套中。
进一步地，所述光缆包括m X n个光纤光栅传感器；m、n均选自大于0的整数；
相邻光纤光栅传感器之间的距离相同；
各个光纤光栅传感器在空间上由近至远分布。
进一步地，所述光缆包括m根光纤，所述光缆可刻录m组光纤光栅传感器，每组传感器中含n个光纤光栅传感器，各组传感器在空间上由近至远分布；每组的光纤光栅传感器分布于同一根光纤中，每组内的光纤光栅传感器之间为串联关系，每组内各光纤光栅传感器的工作波长不同。
进一步地，所述光缆包括m根光纤，所述光缆可刻录n组光纤光栅传感器，每组传感器中含m个光纤光栅传感器，各组传感器在空间上由近至远分布；每组的光纤光栅传感器分布于不同的光纤中，每组内各光纤光栅传感器的工作波长相同。
进一步地，所述卡具设置在靠近轨枕的位置；
所述卡具设置有卡孔，所述护套从所述卡孔穿过；
所述卡孔设置在靠近轨头的轨腰上部位置。
进一步地，光纤光栅传感器的距离根据使用需要进行选择；
光纤光栅传感器的距离选自：每个轨枕空设置一个光纤光栅传感器时，所述光纤光栅传感器设置在轨枕空中间。
进一步地，光纤光栅传感器的距离选自：每两个轨枕空设置有一个光纤光栅传感器时，所述光纤光栅传感器设置在轨枕的上方。
进一步地，所述光缆采用铠装。
进一步地，所述硬质护套的材质为刚性材料；所述刚性材料可以选自金属或者金属合金，例如金属合金；
所述软质护套的材质可以选自金属，所述软质护套例如采用金属波纹管或金属丝网蛇皮管。
所述硬质护套和软质护套均为铠装护套，例如均采用金属护套。
进一步地，所述系统还包括光纤光栅解调仪；
所述光纤光栅解调仪与光缆连接；
所述光纤光栅解调仪用于将光信号发送至光缆，并接收来自光缆的反射光谱信息。
进一步地，所述系统还包括逻辑判断部；
所述逻辑判断部与所述光纤光栅解调仪连接；所述逻辑判断部用于接收光纤光栅解调仪发送的信息；
所述逻辑判断部根据光纤光栅解调仪发送的信息判断轨道状态；
所述轨道状态包括：轨道占用、轨道空闲。
进一步地，所述系统还包括冗余设备；
所述冗余设备用于在一套设备发生故障时，使用另一套设备。
有益效果
本发明提供了基于光纤光栅传感技术的连续式轨道占用检查系统，沿钢轨敷设足够密集的光纤光栅传感器，光纤光栅传感器通过测量车辆轮对占压钢轨产生的压力应变方式，实现连续式轨道占用检查。传感器的特殊封装和设计可最大限度增大每个感应点的感应范围，通过合理布置传感器，可避免死区段(无法感知轮轨占压钢轨的区段)产生，实现连续式轨道占用检查。
本发明为基于光信息的感应和传输，为无源系统，不受雷电、牵引电流、钢轨传输参数、道床电阻、轮轨接触电阻等外部使用环境影响。
本发明不用敷设电缆，节省投资，防盗效果好；本发明不需要单独设置继电器，室内设备减少，降低了工程投资，解决了现有轨道占用检查设备成本高的问题。
另外，本发明利用卡具固定光缆，对钢轨的损害小，施工方便。光缆同时还可以传输其他信息，可实现复用。
同时，本发明还可实现列车定位、测长、测速和列车完整性检查等功能。
本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在说明书、权利要求书以及附图中所指出的结构来实现和获得。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1示出了根据本发明实施例的轨道占用检查系统；
图2为传感器布置为第一实施方式时，光缆的系统构成图；
图3为传感器布置为第一实施方式时，光缆的具体组成图；
图4为传感器布置为第二实施方式时，光缆的系统构成图；
图5为传感器布置为第二实施方式时，光缆的具体组成图；
图6为每个轨枕空设一个传感器时，轨道占用检查系统的局部示意图；
图7为每两个轨枕空设一个传感器时，轨道占用检查系统的局部示意图；
图8为卡具的结构示意图；
图9为基于光纤光栅传感技术的连续式轨道占用检查系统的工作流程图；
图10为采用冗余设备时，轨道占用检查系统的局部示意图；
其中，1-光纤，2-光纤光栅传感器，3-硬质护套，4-软质护套，5-卡具，6-轨枕，7-车轮，8-卡孔，9-护套。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，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、完整地说明，显然，所描述的实施例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他实施例，都属于本发明保护的范围。
本实施例提供基于光纤光栅传感技术的连续式轨道占用检查系统，如图1所示，所述系统包括光缆、护套9、卡具5、光纤光栅解调仪以及逻辑判断部。
光缆采用铠装，光缆的铠装保证了装置适应于室外使用环境，并具有15年以上的使用年限。光缆包括光纤1、光纤光栅传感器2；光纤是光信息传输载体，也是光纤光栅(FBG)的载体；光纤光栅传感器(FBG传感器)刻录在所述光纤上；
光缆、护套、卡具可以安装于钢轨的外侧或内侧，优选安装于钢轨的内侧。
光纤为光信息传输载体，光纤光栅传感器刻录于光纤中，因此本发明所设计的光纤是具备传感特性的光纤。
本发明采用波分复用技术，由于波分复用技术对单光源通道传感器数量有限制，为了最大限度实现长距离的连续式探测，本发明采用一种特制的多通道分布式设置FBG的传感光纤解决这个问题，传感光纤的FBG布置的越密集，连续式检查的效果就越好。
例如一根光缆中含m X n个FBG传感器，各个传感器在空间上由近至远分布，相邻传感器之间的距离相同，传感器是均匀分布的，从而实现在一根光缆中级联大量的光纤光栅传感器的长距离测量。m、n相同或不同，彼此独立地选自大于0的整数；
传感器布置有以下两种方式：
第一实施方式：例如光缆由m根光纤构成，光缆可刻录m组FBG传感器，每组传感器中含n个FBG传感器，各组传感器在空间上由近至远分布；每组的FBG传感器分布于同一根光纤中，每组内的FBG传感器之间为串联关系，每组内各FBG传感器的工作波长不同；如图2和图3所示，第1组FBG传感器包括FBG1-1、FBG1-2……FBG1-n，第2组FBG传感器包括FBG2-1、FBG2-2……FBG2-n，以此类推，第m组FBG传感器包括FBGm-1、FBGm-2……FBGm-n；第1组内各FBG传感器的工作波长不同，第1组内各FBG传感器的波长分别为λ1、λ2……λn；第2组内各FBG传感器的工作波长不同，第2组内的波长分别为λ1、λ2……λn；以此类推，第m组内各FBG传感器的工作波长不同，第m组内的波长分别为λ1、λ2……λn；每根光纤内各FBG传感器的工作波长不同，每根光纤内各FBG传感器的工作波长分别为λ1、λ2……λn。
第二实施方式：例如光缆由m根光纤构成，光缆可刻录n组FBG传感器，每组传感器中含m个FBG传感器，各组传感器在空间上由近至远分布；每组的FBG传感器分布于不同的光纤中，每组内各FBG传感器的工作波长相同。如图4和图5所示，第1组FBG传感器包括FBG1-1、FBG2-1……FBGm-1，第2组FBG传感器包括FBG1-2、FBG2-2……FBGm-2，以此类推，第n组FBG传感器包括FBG1-n、FBG2-n……FBGm-n；第1组内各FBG传感器的工作波长相同，第1组内各FBG传感器的波长均为λ1；第2组内各FBG传感器的工作波长相同，第2组内各FBG传感器的波长均为λ2；以此类推，第n组内各FBG传感器的工作波长相同，第n组内各FBG传感器的波长均为λn。每根光纤内各FBG传感器的工作波长不同，每根光纤内各FBG传感器的工作波长分别为λ1、λ2……λn。
所述护套包括硬质护套3和软质护套4；刻录有光纤光栅(FBG)传感器的光缆放置在硬质护套中；没有刻录光纤光栅传感器的光缆放置在软质护套中。硬质护套的材质可以为刚性材料；所述刚性材料可以选自金属或金属合金，例如金属合金；软质护套的材质可以为金属。所述软质护套例如采用金属波纹管或金属丝网蛇皮管。
所述硬质护套和软质护套均为铠装护套，例如均采用金属护套。
软质护套可实现传感器安装位置调整、避开钢轨连接鱼尾板、断纤修复及传感器更换并适应钢轨热胀冷缩导致的长度变化，同时便于运输存储。
本发明利用光纤光栅传感器的应变变化实现轨道占用检查，外界的被测量引起光纤光栅应力的改变将导致反射的中心波长变化，也就是说光纤光栅反射光中心波长的变化反映了外界被测物理量的变化情况，从而达到传感的目的。每个光纤光栅(FBG)传感器都需要单独特殊封装以提高其传感性能，封装好的光纤光栅传感器再次封装于护套中，通过护套与卡具间刚性连接增大应力传导的效率，使轨道占压的形变更好的传递至传感器，同时起到增强传感器的感应灵敏度和感应范围的作用。
当传感器布置得足够密集时，可避免死区段(无法感知轮轨占压钢轨的区段)的产生，实现连续式轨道占用检查，同时可实现列车测长、测速和列车完整性检查等。
FBG传感器的距离可以根据使用需要进行调整；当每个轨枕空设置1个FBG传感器或每两个轨枕空设置1个FBG传感器时，每个传感器至少能探测到1个轮对的占用。
1)如图6所示，每个轨枕空设一个传感器时，传感器设置于轨枕空中间，卡具尽量靠近轨枕设置。
2)如图7所示，每两个轨枕空设一个传感器时，传感器设置于轨枕6上方，卡具尽量靠近轨枕设置。
当传感器的感应灵敏度足够大且感应范围足够大时，可以布置更少的传感器以实现连续式占用检查。
传感器安装的预应力、外界温度变化、外部其它应力干扰同样会引起光纤光栅的应变变化，通过设置一定的应变阈值和合理的光纤光栅解调技术可以消除无效的应变数据，仅保留车轮7占压钢轨引起的应变变化数据。
卡具用于固定护套，同时起到应力传导的作用，即将钢轨的应力形变传递给光纤光栅(FBG)传感器，转化成传感器的应变变化。
卡具采用刚性材料；如图8所示，卡具的一端设置在钢轨内侧的靠近轨腰的上部位置，卡具的另一端设置在钢轨外侧的轨腰的下部位置，所述卡具的形状与钢轨的外形相匹配；卡具设置有卡孔8，所述护套从所述卡孔穿过；所述卡孔设置在靠近轨头的轨腰上部位置；卡具的底部固定在钢轨的下边沿，顶部用于紧固、张拉光纤光栅传感器(FBG传感器)，用于将护套固定于靠近轨头的轨腰上部位置，以达到应力的最大传导，同时轨头可实现对光纤光栅传感器(FBG传感器)的保护。本发明的卡具一体成型，且安装方便。
当有车轮压入到光纤光栅传感器的敏感区域时，钢轨形变导致卡具向内挤压硬质护套，使得传感器发生轴向形变。
光纤光栅解调仪产生波长连续变化的扫描窄带光，经其内部多路光纤分路器阵列发送光信号至各光纤传感通道，并接收来自各光纤传感通道的反射光谱信息，光纤光栅解调仪实时采集反射信息并进行解调运算，获取光纤光栅温度、应变等各种物理量。
光纤光栅解调仪扫描反射光谱的频率满足列车最高运行速度要求。
基于光纤光栅传感技术的连续式轨道占用检查系统的工作流程如图9所示。
光纤光栅解调仪设置光纤光栅传感器的应变阈值，超过阈值表示有车轮占压，相关应变信息传给逻辑判断部。小于阈值的应变被视为各种噪音，由解调仪进行数据分析。
解调仪设置噪音预警值，小于阈值的应变到达预警值时，进行报警，提示检查或维护。
若室外光缆中断，解调仪将判断的断点以远所有传感器均判定为有车轮占压，并将断纤及断纤引起的占用信息传给逻辑判断部。
所述逻辑判断部根据解调仪传送的应变信息判断是否为列车占用轨道，无应变信息时判定为轨道空闲；对符合列车运行逻辑的应变信息判定为列车占用轨道；对符合列车运行逻辑的应变信息的消失判定为列车出清轨道。将轨道空闲、列车占用或出清轨道信息传给联锁系统和监测系统。
对不符合列车运行逻辑的突发应变信息(如热胀冷缩导致的钢轨的窜动、重物偶然占压、卡具松动、外部对传感装置的触碰等)进行安全判断和筛选，如果判定为非列车占用，仅传给监测系统。
若逻辑判断部收到来自解调仪的断纤及断纤引起的占用信息，将断纤引起的占用信息传给联锁系统，将断纤信息传给监测系统。
逻辑判断部的软、硬件均应符合故障-安全原则。
逻辑判断部与解调仪之间通信中断时，判定检查范围内所有轨道占用，并将通信中断信息传给监测系统，占用信息传给联锁系统。
逻辑判断部与联锁系统之间通信中断时，联锁系统判定检查范围内所有轨道占用，并将通信中断信息传给监测系统。
考虑系统可靠性，如图10所示，本发明的轨道占用检查系统可以采用冗余设备，当一套设备故障时，另外一套仍可正常工作。
与现有技术相比，本发明的优点：
1.基于光信息的感应和传输，为无源系统，不受雷电、牵引电流、钢轨传输参数、道床电阻、轮轨接触电阻等外部使用环境影响。
2.实现连续式检查，只要传感器布置足够密，传感器的感应区间足够大，可实现连续式占用检查。
3.不用敷设电缆，节省投资，防盗效果好。
4.采用卡具安装，对钢轨损害小，施工方便。
5.光缆同时还可以传输其他信息，可实现复用。
6.不再单独设置继电器，室内设备减少，降低了工程投资。
7.同时可实现测长、测速和列车完整性检查等功能，传感器的应变范围和变化规律可直接反映车长和速度。
尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (12)

1.基于光纤光栅传感技术的连续式轨道占用检查系统，其特征在于，所述系统包括光缆、护套和卡具；
所述护套设置在所述光缆的外部，所述护套用于保护光缆；
所述卡具固定在钢轨上；所述护套固定在所述卡具中，所述护套的两端从所述卡具中穿过；
所述光缆包括光纤、光纤光栅传感器；
所述光纤光栅传感器刻录在所述光纤上；
所述护套包括硬质护套和软质护套；
刻录有光纤光栅传感器的光缆放置在硬质护套中；
没有刻录光纤光栅传感器的光缆放置在软质护套中。
2.根据权利要求1所述的基于光纤光栅传感技术的连续式轨道占用检查系统，其特征在于，所述光缆包括多个光纤光栅传感器；
相邻光纤光栅传感器之间的距离相同；
各个光纤光栅传感器在空间上由近至远分布。
3.根据权利要求2所述的基于光纤光栅传感技术的连续式轨道占用检查系统，其特征在于，所述光缆包括m X n个光纤光栅传感器；m、n均选自大于0的整数；所述光缆包括m根光纤，所述光缆可刻录m组光纤光栅传感器，每组传感器中含n个光纤光栅传感器，各组传感器在空间上由近至远分布；每组的光纤光栅传感器分布于同一根光纤中，每组内的光纤光栅传感器之间为串联关系，每组内各光纤光栅传感器的工作波长不同。
4.根据权利要求2所述的基于光纤光栅传感技术的连续式轨道占用检查系统，其特征在于，所述光缆包括m X n个光纤光栅传感器；m、n均选自大于0的整数；所述光缆包括m根光纤，所述光缆可刻录n组光纤光栅传感器，每组传感器中含m个光纤光栅传感器，各组传感器在空间上由近至远分布；每组的光纤光栅传感器分布于不同的光纤中，每组内各光纤光栅传感器的工作波长相同。
5.根据权利要求1所述的基于光纤光栅传感技术的连续式轨道占用检查系统，其特征在于，所述卡具设置在靠近轨枕的位置；
所述卡具设置有卡孔，所述护套从所述卡孔穿过；
所述卡孔设置在靠近轨头的轨腰上部位置。
6.根据权利要求1或权利要求2所述的基于光纤光栅传感技术的连续式轨道占用检查系统，其特征在于，光纤光栅传感器的距离根据使用需要进行选择；
光纤光栅传感器的距离选自：每个轨枕空设置一个光纤光栅传感器时，所述光纤光栅传感器设置在轨枕空中间。
7.根据权利要求1或权利要求2所述的基于光纤光栅传感技术的连续式轨道占用检查系统，其特征在于，光纤光栅传感器的距离选自：每两个轨枕空设置有一个光纤光栅传感器时，所述光纤光栅传感器设置在轨枕的上方。
8.根据权利要求3或权利要求4所述的基于光纤光栅传感技术的连续式轨道占用检查系统，其特征在于，所述光缆采用铠装。
9.根据权利要求1所述的基于光纤光栅传感技术的连续式轨道占用检查系统，其特征在于，所述硬质护套的材质为刚性材料；
所述软质护套的材质为金属。
10.根据权利要求1所述的基于光纤光栅传感技术的连续式轨道占用检查系统，其特征在于，所述系统还包括光纤光栅解调仪；
所述光纤光栅解调仪与光缆连接；
所述光纤光栅解调仪用于将光信号发送至光缆，并接收来自光缆的反射光谱信息。
11.根据权利要求1或权利要求7所述的基于光纤光栅传感技术的连续式轨道占用检查系统，其特征在于，所述系统还包括逻辑判断部；
所述逻辑判断部与所述光纤光栅解调仪连接；所述逻辑判断部用于接收光纤光栅解调仪发送的信息；
所述逻辑判断部根据光纤光栅解调仪发送的信息判断轨道状态；
所述轨道状态包括：轨道占用、轨道空闲。
12.根据权利要求1或权利要求8所述的基于光纤光栅传感技术的连续式轨道占用检查系统，其特征在于，所述系统还包括冗余设备；
所述冗余设备用于在一套设备发生故障时，使用另一套设备。
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