CN114194256A - 基于光纤检测技术的列车定位方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了基于光纤检测技术的列车定位方法，涉及铁路安全技术领域，包括：光纤振动监测主机用于采集探测脉冲宽度范围内后向散射瑞利光的干涉信号来判断是否有列车行驶；当有列车行驶时，通过信号识别单元对采集的后向瑞利散射光的干涉信号进行处理，然后结合铁路道口的空间拓扑图，得到某个空间或时间区间的将通过某道口的列车接近信息；监控中心对列车接近信息进行综合分析处理后，形成预警信息并将预警信息传送到施工人员的预警终端，道口作业人员按照道口终端的显示和提示进行标准化作业，提高铁路运行安全；监控中心还用于实时验证既有铁路通信光缆的通信状态，以提示管理员及时处理异常，提高光纤定位的精准性，提高铁路运行安全。
Description
技术领域
本发明涉及铁路安全技术领域，具体是基于光纤检测技术的列车定位方法。
背景技术
随着道路交通发展迅猛，行驶通过道路与铁路相交的平交道口的机动车辆不断增多，虽然铁路运输企业多年来大力推进道口“平改立”，但普速铁路的平交道口尚不能彻底消除，特别是城市枢纽地区，道路与铁路的通行矛盾仍然突出，道口的存在对铁路运输及人民生命财产安全构成威胁。
其中，实时准确掌握列车当前的行驶位置，杜绝和大力减少道口事故发生，对铁路运行安全至关重要。铁路轨道交通系统中的列车运行自动控制系统(ATC)，或高铁列车运行控制系统(CTCS)，其轨道电路在遭遇恶劣气象条件、雷电高压冲击或泥石流等地质灾害时，易造成电路系统故障，给行车安全带来隐患。而目前列车车载控制设备仅能依靠轨道电路、地面应答器或地面无线通信基站等地面设施提供的信号获取当前线路的信息，存在施工量大、维护成本高、抗电磁干扰能力差等缺点，为此，我们提出基于光纤检测技术的列车定位方法。
发明内容
本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一。为此，本发明提出基于光纤检测技术的列车定位方法。
为实现上述目的，根据本发明的第一方面的实施例提出基于光纤检测技术的列车定位方法，包括如下步骤：
步骤一：将分布式光纤振动与应变传感器沿着整个铁轨长度铺设，所述分布式光纤振动与应变传感器通过沿铁路铺设的既有铁路通信光缆与光纤振动监测主机相连接；
步骤二：激光源发出窄脉宽激光脉冲，经波分复用后沿光纤传输，产生后向瑞利散射形式的反射光感应信号；光纤振动监测主机用于采集探测脉冲宽度范围内后向散射瑞利光的干涉信号来判断是否有列车行驶；
步骤三：当有列车行驶时，通过信号识别单元对采集的后向瑞利散射光的干涉信号进行处理，得到列车长度、列车位置、实时行驶速度以及列车上下行方向信息；然后结合铁路道口的空间拓扑图，得到某个空间或时间区间的将通过某道口的列车接近信息；
步骤四：信号识别单元将列车接近信息通过通信链路上传到监控中心，所述监控中心对列车接近信息进行综合分析处理后，形成预警信息；并将预警信息传送到施工人员的预警终端；
步骤五：监控中心还用于实时验证既有铁路通信光缆的通信状态，根据通信系数TX的变化趋势判断既有铁路通信光缆是否通信异常。
进一步地，光纤振动监测主机判断是否有列车行驶的具体过程如下：
当列车行驶而发生扰动时，相应位置光纤的折射率及长度会发生变化，即该位置光相位会改变，进而导致后向瑞利散射光相干涉的结果；
若光纤振动监测主机在探测脉冲宽度范围内采集到后向瑞利散射光的干涉信号，且干涉信号的持续长度达到预设长度，则判定有列车行驶。
进一步地，所述信号识别单元的具体处理步骤为：
当有列车行驶时，通过光纤振动监测主机发射窄脉宽激光脉冲到接收后向散射瑞利光干涉信号所经过的时间来确定列车当前位置；
通过后向散射瑞利光干涉信号的持续长度来确定列车长度；
通过列车两个时刻位置的不同，判断出列车的行驶方向；
通过计算列车前后两个时刻位置和时间的差值计算出列车当前速度。
进一步地，所述列车接近信息包括列车的相对位置信息、相对到达时间、实时行驶速度、接近道口列车长度以及列车上下行方向信息。
进一步地，其中，列车当前位置的具体计算方法为：s＝v*t/2；
其中，v为激光在光纤中传输的速度：v＝c/n，式中c代表的是光在真空中传输时的速度，n为光纤的固有折射率，其折射率根据采用的光纤来决定；t为光纤振动监测主机从发射窄脉宽激光脉冲到接收后向散射瑞利光干涉信号所经过的时间。
进一步地，所述监控中心对列车接近信息的具体分析过程如下：
当列车的实时行驶速度超过线路允许速度或列车的相对位置信息达到预警接近距离，则生成预警信息；其中各个道口的线路允许速度和列车预警接近距离不完全相同，由管理员根据各个道口的需求设置；
监控中心将预警信息按照线路允许速度及预警接近距离进行逻辑区分，然后根据各个终端的权限，通过通信链路准确地传递给施工人员的预警终端，施工人员按照道口终端的显示和提示进行标准化作业。
进一步地，所述既有铁路通信光缆的通信状态的具体验证方法为：
监控中心按照对应的验证周期发送第一验证信号至既有铁路通信光缆，所述第一验证信号携带有第一信号质量门限；既有铁路通信光缆接收到第一验证信号之后，以第一信号质量门限为基准发送第二同步信号至监控中心；
所述监控中心接收到第二同步信号后，确定第二同步信号的信号质量，并与第一信号质量门限进行对比，得到对应的质量差值Z1；
将监控中心发送第一验证信号的时刻与监控中心再次监听到第二同步信号的时刻进行时间差计算得到响应时长XT；利用公式TX＝1/(Z1×a1+XT×a2)计算得到通信系数TX，其中a1、a2为系数因子；若TX小于通信阈值，则生成不合格信号；否则生成合格信号；
若在预设时间内，不合格信号的出现次数达到预设第一数量或者预定比例或者连续不合格信号的出现次数达到预设第二数量时，确定既有铁路通信光缆通信异常，生成通信异常信号；
所述监控中心用于将通信异常信号发送至管理员的手机终端，提示管理员当前既有铁路通信光缆的通信状态不佳，建议及时处理，同时调用其它辅助监控系统实现列车定位。
进一步地，所述光纤振动监测主机在探测到通信异常信号后，进入主动待机模式，即不再以异常通信的既有铁路通信光缆的干涉信号来判断是否有列车行驶；待监控中心判断通信信号正常后，再继续二者之间的通信。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
1、本发明中以光纤作为传感器进行振动感知，基于相干时分复用传感原理，综合利用光纤中后向瑞利相干散射效应和光时域反射测量技术同时实现振动事件的感知和空间定位功能，通过信号识别单元对采集的后向瑞利散射光的干涉信号进行处理，得到列车长度、列车位置、实时行驶速度以及列车上下行方向信息；监控中心对列车接近信息进行综合分析处理后，形成预警信息，并将预警信息传送到施工人员的预警终端；道口作业人员按照道口终端的显示和提示进行标准化作业，提高铁路运行安全；
2、本发明中监控中心还用于实时验证既有铁路通信光缆的通信状态，监控中心按照对应的验证周期发送第一验证信号至既有铁路通信光缆，既有铁路通信光缆接收到第一验证信号之后，以第一信号质量门限为基准发送第二同步信号至监控中心，结合质量差值Z1和响应时长XT，计算得到通信系数TX，根据通信系数TX的变化趋势判断既有铁路通信光缆是否通信异常，提示管理员及时处理并调用其它辅助监控系统实现列车定位，避免影响对列车的定位，提高铁路运行安全。
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简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅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为本发明基于光纤检测技术的列车定位方法的原理框图。
具体实施方式
下面将结合实施例对本发明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。
如图1所示，基于光纤检测技术的列车定位方法，包括如下步骤：
步骤一：将分布式光纤振动与应变传感器沿着整个铁轨长度铺设，所述分布式光纤振动与应变传感器通过沿铁路铺设的既有铁路通信光缆与光纤振动监测主机相连接；
在本实施例中，基于光纤检测技术的列车定位方法以光纤作为传感器进行振动感知，基于相干时分复用传感原理，综合利用光纤中后向瑞利相干散射效应(backwardRayleigh coherent scattering)和光时域反射测量技术(OTDR)同时实现振动事件的感知和空间定位功能；
步骤二：激光源发出窄脉宽激光脉冲，经波分复用后沿光纤传输，激光脉冲与光纤分子相互作用，产生后向瑞利散射形式的反射光感应信号；
当列车行驶而发生扰动时，相应位置光纤的折射率及长度等参数将会发生变化，这将导致该位置光相位的改变；光相位的变化又会引起后向瑞利散射光相干涉的结果；
光纤振动监测主机采集后向瑞利散射光的干涉信号并通过探测脉冲宽度范围内后向散射瑞利光的干涉信号来判断是否有列车行驶；具体为：
若光纤振动监测主机在探测脉冲宽度范围内采集到后向瑞利散射光的干涉信号，且干涉信号的持续长度达到预设长度，则判定有列车行驶；其中预设长度由管理员根据列车长度设定；
更进一步地，本发明中窄脉宽激光脉冲的重复发射频率为500Hz，即激光源在发射一个窄脉宽激光脉冲后，在距离下一个窄脉宽激光脉冲发射的周期内，光纤振动监测主机会去接收整个检测路段上光纤的后向瑞利散射光的干涉信号，相邻干涉信号记录之间的时间相隔为t＝1/f＝2ms；
步骤三：当有列车行驶时，通过信号识别单元对采集的后向瑞利散射光的干涉信号进行处理，得到列车长度、列车位置、实时行驶速度以及列车上下行方向信息；然后结合铁路道口的空间拓扑图，得到某个空间或时间区间的将通过某道口的列车接近信息，列车接近信息包括列车的相对位置信息、相对到达时间、实时行驶速度、接近道口列车长度以及列车上下行方向信息；具体处理步骤为：
当有列车行驶时，信号识别单元通过光纤振动监测主机发射窄脉宽激光脉冲到接收后向散射瑞利光干涉信号所经过的时间来确定列车当前位置；其中列车当前位置的具体计算方法为：s＝v*t/2；
其中，v为激光在光纤中传输的速度：v＝c/n，式中c代表的是光在真空中传输时的速度，n为光纤的固有折射率，其折射率根据采用的光纤来决定；t为光纤振动监测主机从发射窄脉宽激光脉冲到接收后向散射瑞利光干涉信号所经过的时间；
通过后向散射瑞利光干涉信号的持续长度来确定列车长度；
通过列车两个时刻位置的不同，判断出列车的行驶方向；
通过计算列车前后两个时刻位置和时间的差值计算出列车当前速度；
步骤四：信号识别单元将列车接近信息通过通信链路上传到监控中心，监控中心对列车接近信息进行综合分析处理后，形成完整性的判断，形成预警信息，并将预警信息传送到施工人员的预警终端；具体包括：
监控中心将预警信息按照线路允许速度及有关规定预警接近距离进行逻辑区分，根据各个终端的权限，通过通信链路准确地传递给施工人员的预警终端，施工人员按照道口终端的显示和提示进行标准化作业；
在本实施例中，可以根据各个道口的需求以及列车运行速度等信息，分别设置各个道口不同的线路允许速度和列车预警接近距离；
由于当列车的实时行驶速度超过线路允许速度，监控中心会生成预警信息，当列车的相对位置信息达到有关规定预警接近距离，监控中心也会生成预警信息，所以监控中心需对预警信息进行逻辑区分，然后根据各个终端的权限，将预警信息传递给施工人员的预警终端；其中不同逻辑的预警信息，终端的显示和提示也会不同，即道施工人员的标准化作业也不同；其中不同逻辑预警信息对应的标准化作业由管理员预先设置；
其中当预警终端接收到预警信息时，可以调用其它辅助监控系统的摄像头实现局部重点区域视频监控，提高列车安全；
由于本发明通过分布式光纤振动与应变传感器进行振动感知，则既有铁路通信光缆的通信状态也会影响列车定位的准确性，在本实施例中，该方法还包括：实时验证既有铁路通信光缆的通信状态，具体验证方法为：
监控中心按照对应的验证周期发送第一验证信号至既有铁路通信光缆，第一验证信号携带有第一信号质量门限；既有铁路通信光缆接收到第一验证信号之后，以第一信号质量门限为基准发送第二同步信号至监控中心；
监控中心接收到第二同步信号后，确定第二同步信号的信号质量，并将第二同步信号的信号质量与第一信号质量门限进行对比，得到对应的质量差值Z1，其中本领域技术人员应该理解，任意本领域公知的度量都能够用于表征信号质量，例如RSRQ、RSRP、RSSI等等；此处的质量差值可以反映出信号在传输过程中的衰减；
将监控中心发送第一验证信号的时刻与监控中心再次监听到第二同步信号的时刻进行时间差计算得到响应时长XT；利用公式TX＝1/(Z1×a1+XT×a2)计算得到通信系数TX，其中a1、a2为系数因子；
将通信系数TX与通信阈值相比较，若TX小于通信阈值，则生成不合格信号；否则生成合格信号；
若在预设时间内，不合格信号的出现次数达到预设第一数量或者预定比例或者连续不合格信号的出现次数达到预设第二数量时，确定既有铁路通信光缆通信异常，生成通信异常信号；
监控中心用于将通信异常信号发送至管理员的手机终端，提示管理员当前既有铁路通信光缆的通信状态不佳，提醒作业人员和防护人员，提高警惕，来车及时避让；同时调用其它辅助监控系统实现列车定位，避免影响对列车的定位，提高铁路运行安全；
光纤振动监测主机在探测到通信异常信号后，进入主动待机模式，即不再以异常通信的既有铁路通信光缆的干涉信号来判断是否有列车行驶；待监控中心判断通信信号正常后，再继续二者之间的通信。
上述公式均是去除量纲取其数值计算，公式是由采集大量数据进行软件模拟得到最接近真实情况的一个公式，公式中的预设参数和预设阈值由本领域的技术人员根据实际情况设定或者大量数据模拟获得。
本发明的工作原理：
基于光纤检测技术的列车定位方法，在工作时，将光纤作为分布式传感器沿着整个铁轨长度铺设；激光源发出窄脉宽激光脉冲，经波分复用后沿光纤传输，光纤振动监测主机采集探测脉冲宽度范围内后向散射瑞利光的干涉信号来判断是否有列车行驶；当有列车行驶时，通过信号识别单元对采集的后向瑞利散射光的干涉信号进行处理，得到列车长度、列车位置、实时行驶速度以及列车上下行方向信息；然后结合铁路道口的空间拓扑图，得到某个空间或时间区间的将通过某道口的列车接近信息；监控中心对列车接近信息进行综合分析处理后，形成预警信息，并将预警信息按照线路允许速度及有关规定预警接近距离进行逻辑区分，根据各个终端的权限，通过通信链路准确地传递给施工人员的预警终端，施工人员按照道口终端的显示和提示进行标准化作业，提高铁路运行安全；
在列车定位的过程中，监控中心还用于实时验证既有铁路通信光缆的通信状态，监控中心按照对应的验证周期发送第一验证信号至既有铁路通信光缆，既有铁路通信光缆接收到第一验证信号之后，以第一信号质量门限为基准发送第二同步信号至监控中心，结合质量差值Z1和响应时长XT，计算得到通信系数TX，根据通信系数TX的变化趋势判断既有铁路通信光缆是否通信异常，提示管理员及时处理并调用其它辅助监控系统实现列车定位，避免影响对列车的定位，提高铁路运行安全。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“示例”、“具体示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
以上公开的本发明优选实施例只是用于帮助阐述本发明。优选实施例并没有详尽叙述所有的细节，也不限制该发明仅为的具体实施方式。显然，根据本说明书的内容，可作很多的修改和变化。本说明书选取并具体描述这些实施例，是为了更好地解释本发明的原理和实际应用，从而使所属技术领域技术人员能很好地理解和利用本发明。本发明仅受权利要求书及其全部范围和等效物的限制。
Claims (8)
1.基于光纤检测技术的列车定位方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤一：将分布式光纤振动与应变传感器沿着整个铁轨长度铺设，所述分布式光纤振动与应变传感器通过沿铁路铺设的既有铁路通信光缆与光纤振动监测主机相连接；
步骤二：激光源发出窄脉宽激光脉冲，经波分复用后沿光纤传输，产生后向瑞利散射形式的反射光感应信号；光纤振动监测主机用于采集探测脉冲宽度范围内后向散射瑞利光的干涉信号来判断是否有列车行驶；
步骤三：当有列车行驶时，通过信号识别单元对采集的后向瑞利散射光的干涉信号进行处理，得到列车长度、列车位置、实时行驶速度以及列车上下行方向信息；然后结合铁路道口的空间拓扑图，得到某个空间或时间区间的将通过某道口的列车接近信息；
步骤四：信号识别单元将列车接近信息通过通信链路上传到监控中心，所述监控中心对列车接近信息进行综合分析处理后，形成预警信息；并将预警信息传送到施工人员的预警终端；
步骤五：监控中心还用于实时验证既有铁路通信光缆的通信状态，根据通信系数TX的变化趋势判断既有铁路通信光缆是否通信异常。
2.根据权利要求1所述的基于光纤检测技术的列车定位方法，其特征在于，光纤振动监测主机判断是否有列车行驶的具体过程如下：
当列车行驶而发生扰动时，相应位置光纤的折射率及长度会发生变化，即该位置光相位会改变，进而导致后向瑞利散射光相干涉的结果；
若光纤振动监测主机在探测脉冲宽度范围内采集到后向瑞利散射光的干涉信号，且干涉信号的持续长度达到预设长度，则判定有列车行驶。
3.根据权利要求1所述的基于光纤检测技术的列车定位方法，其特征在于，所述信号识别单元的具体处理步骤为：
当有列车行驶时，通过光纤振动监测主机发射窄脉宽激光脉冲到接收后向散射瑞利光干涉信号所经过的时间来确定列车当前位置；
通过后向散射瑞利光干涉信号的持续长度来确定列车长度；
通过列车两个时刻位置的不同，判断出列车的行驶方向；
通过计算列车前后两个时刻位置和时间的差值计算出列车当前速度。
4.根据权利要求1所述的基于光纤检测技术的列车定位方法，其特征在于，所述列车接近信息包括列车的相对位置信息、相对到达时间、实时行驶速度、接近道口列车长度以及列车上下行方向信息。
5.根据权利要求3所述的基于光纤检测技术的列车定位方法，其特征在于，其中，列车当前位置的具体计算方法为：s＝v*t/2；
其中，v为激光在光纤中传输的速度：v＝c/n，式中c代表的是光在真空中传输时的速度，n为光纤的固有折射率，其折射率根据采用的光纤来决定；t为光纤振动监测主机从发射窄脉宽激光脉冲到接收后向散射瑞利光干涉信号所经过的时间。
6.根据权利要求4所述的基于光纤检测技术的列车定位方法，其特征在于，所述监控中心对列车接近信息的具体分析过程如下：
当列车的实时行驶速度超过线路允许速度或列车的相对位置信息达到预警接近距离，则生成预警信息；其中各个道口的线路允许速度和列车预警接近距离不完全相同，由管理员根据各个道口的需求设置；
监控中心将预警信息按照线路允许速度及预警接近距离进行逻辑区分，然后根据各个终端的权限，通过通信链路准确地传递给施工人员的预警终端，施工人员按照道口终端的显示和提示进行标准化作业。
7.根据权利要求1所述的基于光纤检测技术的列车定位方法，其特征在于，所述既有铁路通信光缆的通信状态的具体验证方法为：
监控中心按照对应的验证周期发送第一验证信号至既有铁路通信光缆，所述第一验证信号携带有第一信号质量门限；既有铁路通信光缆接收到第一验证信号之后，以第一信号质量门限为基准发送第二同步信号至监控中心；
所述监控中心接收到第二同步信号后，确定第二同步信号的信号质量，并与第一信号质量门限进行对比，得到对应的质量差值Z1；
将监控中心发送第一验证信号的时刻与监控中心再次监听到第二同步信号的时刻进行时间差计算得到响应时长XT；利用公式TX＝1/(Z1×a1+XT×a2)计算得到通信系数TX，其中a1、a2为系数因子；若TX小于通信阈值，则生成不合格信号；否则生成合格信号；
若在预设时间内，不合格信号的出现次数达到预设第一数量或者预定比例或者连续不合格信号的出现次数达到预设第二数量时，确定既有铁路通信光缆通信异常，生成通信异常信号；
所述监控中心用于将通信异常信号发送至管理员的手机终端，提示管理员当前既有铁路通信光缆的通信状态不佳，建议及时处理，同时调用其它辅助监控系统实现列车定位。
8.根据权利要求7所述的基于光纤检测技术的列车定位方法，其特征在于，所述光纤振动监测主机在探测到通信异常信号后，进入主动待机模式，即不再以异常通信的既有铁路通信光缆的干涉信号来判断是否有列车行驶；待监控中心判断通信信号正常后，再继续二者之间的通信。
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