一种光纤分布式列车监测系统的制作方法

本发明涉及列车监测技术领域，尤其涉及一种光纤分布式列车监测系统。

背景技术：

目前，铁路系统中，单线铁路主要是通过继电半自动闭塞的列车控制系统来控制列车的运行并保证列车的安全运行。而继电半自动闭塞列控系统只能通过人工控制列车在运行区间的进入或驶出，无法实时获取列车在运行区间内的具体位置和运行状态信息。因此，列车一旦进入运行区间，其具体位置和运行状态等重要信息都无法掌握，这对单线铁路来讲，存在着巨大的安全隐患，容易引发由于人为调度失误而导致列车追尾、碰撞等重大安全事故。因此，在单线铁路中，实时获取区间运行列车的位置、速度、车型等信息，并对站内轨道占用信息进行有效监测具有重要意义。本发明针对上述应用需求，实现了以下三点创新：1)利用继电半自动闭塞单线铁路中布设的既有通信光缆资源，通过终端接入光纤分布式振动监测主机，实现列车运行状态的实时检测，单套系统的监测距离可大于20km；2)通过对光缆接收到的光信号进行分析处理，能够实时获取区间运行列车的位置、速度和车型等综合信息；3)同一系统还可以通过串接在站区内布设的探测光缆实现对站内轨道占用信息的实时监测。

本发明提出的光纤分布式列车监测系统具备长距离分布式测量、信噪比高、实时性好、定位精度高、探测前端无需供电、抗电磁干扰等特性，对实现列车定位、测速、车型判断和站内轨道占用监测并对突发事件预警具有较好的可行性。

技术实现要素：

本发明的目的是为了解决现有技术中存在的缺点，而提出的一种光纤分布式列车监测系统。

为了实现上述目的，本发明采用了如下技术方案：

一种光纤分布式列车监测系统，包括铁轨路基以及设置于铁轨路基顶部的铁路主轨道，所述铁路主轨道两侧分别连接有第一铁路支轨道和第二铁路支轨道，所述铁路主轨道位于站台外设有区间探测光缆，所述第一铁路支轨道和第二铁路支轨道间设有一端连接区间探测光缆的站区探测光缆，所述站区探测光缆上位于铁路主轨道、第一铁路支轨道和第二铁路支轨道处设有站区环形探测光缆，所述铁路主轨道上行驶有区间运行列车，所述铁路主轨道上位于第一铁路支轨道和第二铁路支轨道间行驶有站内停靠列车。

优选的，监测系统的监控步骤包括如下：

S1：光纤振动探测主机发射光信号进入构成传感装置的区间探测光缆、站区探测光缆和站区环形探测光缆的单模光缆中；

S2：接收经传感装置反射回来的光信号，所述光信号是光纤芯在受到外界声波信号扰动的某个位置反射回来的后向瑞利散射光，波形发生器同步触发数据采集卡进行数据采集，采集后的数据进入信号处理装置进行进一步的信号处理；

S3：在处理采集信号装置中，进行信号处理以获取到光纤上不同位置受到轮轨作用的振动和声波信号中所包含的时频域信息。

优选的，所述步骤S1中，从光源经高消光比的声光调制器发射光信号，所述脉冲光信号经过脉冲放大器放大以及滤波器抑制噪声后进入构成传感装置的光缆中。

优选的，所述步骤S2中，从传感装置反射回来的光信号经脉冲放大器放大以及滤波器消除后向散射噪声后进入探测器，所述反射光信号是光纤芯在受到外界声波信号扰动的某个位置反射回来的后向瑞利散射光。

优选的，所述步骤S3中，采用信号处理器首先通过滑窗积累器对采集信号进行预处理，再经过三阶累积量运算器进一步提高检测性能，通过处理采集信号以获取到光纤上不同位置受到轮轨作用的振动和声波信号中所包含的时频域信息。

优选的，该系统用于从包含列车轮轨振动和声波信号中获取轮轨振动相关时频域信息。

优选的，当携带列车轮轨振动相关时频域信息的振动和声波信号传播至光缆某位置时，会引起此位置对应光纤段的瑞利散射光的相位变化，通过干涉作用就会表现出瑞利散射光的光强变化，在探测器接收光纤反射回来的瑞利散射光信号，使用信号处理器首先通过滑窗积累器对采集信号进行预处理，再采用三阶累积量运算器进一步提高检测性能，通过以上一系列的信号处理方法大大提高了系统信噪比和轮轨振动关系检测中的灵敏度，以获取更多轮轨振动的相关信息。

优选的，在通过去噪并获得信噪比较高的振动信号后，利用光纤分布式振动传感能够实现实时高速动态振动测量的特性，实现对高速列车的定位，在得到实时的列车运动曲线后，进一步通过求导获得列车实时速度，通过对得到的实时列车振动信号幅值大小和波形长短的判断，获得高速列车的车型种类，在得到车站内实时的列车振动信号曲线后，通过对出现振动信号段区间的判断可以获得对应的列车占用站内轨道。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明中的前端传感装置包括埋设于铁轨下方的区间通信光缆和在站区内垂直于轨道方向布设的通信光缆两部分，这两部分光缆采用串联形式连接。区间通信光缆接收到的振动信号用以检测列车的位置、数量、方向、速度和车型信息，站区内布设的通信光缆用于站内列车轨道占用信息的监测。

本发明提出的光纤分布式列车监测系统，通过光纤分布式振动监测主机，向铁路区间通信光缆中输入10～20ns宽度的光脉冲信号，可视为将沿轨道布设的整条通信光缆等效划分成20～40米宽度的独立监测区段。在铁路区间监测区域，当列车运行到每个独立监测区段时，根据采集到的该区段的振动信号，即可实现对区间内运行列车位置和数量的检测；系统对光缆划分的每个监测区段均代表了20～40米的特定监测长度，在一定时间周期内采集列车所经过的监测区段数量和方向，系统可获得列车的实时运行速度和方向；通过对列车经过时刻所引起的振动曲线幅值大小和所占区段数量的判断，可以实现对运行列车类型的识别；在站内监测区域，针对站内轨道占用信息的监测，系统将车站内沿垂直于轨道方向布设的振动探测光缆串接到区间通信光缆的富余纤芯中，站内的振动探测光缆在每根股道下方形成20～40米长度的光缆环型布设，既视为在每根轨道下方布设1～2个独立的光缆监测区段，以增强对列车占用时轨道振动信号的信噪比，通过检测振动信号出现的区段位置，则可以判断站内列车占用的对应轨道。

本系统具有探测前端装置无源(不怕雷击)、抗电磁干扰的优点，因此在其它电学类列控系统因断电故障无法工作的情况下，该系统仍可正常工作，保障列车的运行安全。此外，该系统还具有测量距离长、定位精度高、实时性好、多功能复合等特点，可与现有的电学类列控系统形成很好的互补，因此具有较大的应用价值。

附图说明

图1是本发明的系统组成和结构示意图；

图2是本发明的光学主机系统构成示意图；

图3是本发明的系统探测运行列车原始振动信号处理图；

图4是本发明的系统探测运行列车滤波后振动信号处理图；

图5是本发明的系统探测运算处理后振动信号处理图；

图6是本发明的区间运行列车位置和数量示意图；

图7是本发明的运行列车车型识别示意图；

图8是本发明的站内列车轨道占用判断示意图；

图9是本发明的系统功能模块构成框图。

图中：1光纤振动探测主机、2区间探测光缆、3站区探测光缆、4站区环形探测光缆、5铁路主轨道、6区间运行列车、7站内停靠列车、8铁轨路基、9第一铁路支轨道、10第二铁路支轨道。

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，以下结合具体实施例，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仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

实施例1

一种光纤分布式列车监测系统，包括铁轨路基8以及设置于铁轨路基8顶部的铁路主轨道5，所述铁路主轨道5两侧分别连接有第一铁路支轨道9和第二铁路支轨道10，所述铁路主轨道5位于站台外设有区间探测光缆2，所述第一铁路支轨道9和第二铁路支轨道10间设有一端连接区间探测光缆2的站区探测光缆3，所述站区探测光缆3上位于铁路主轨道5、第一铁路支轨道9和第二铁路支轨道10处设有站区环形探测光缆4，所述铁路主轨道5上行驶有区间运行列车6，所述铁路主轨道5上位于第一铁路支轨道9和第二铁路支轨道10间行驶有站内停靠列车7。

监测系统的监控步骤包括如下：

S1：光纤振动探测主机发射光信号进入构成传感装置的区间探测光缆、站区探测光缆和站区环形探测光缆的单模光缆中；

S2：接收经传感装置反射回来的光信号，所述光信号是光纤芯在受到外界声波信号扰动的某个位置反射回来的后向瑞利散射光，波形发生器同步触发数据采集卡进行数据采集，采集后的数据进入信号处理装置进行进一步的信号处理；

S3：在处理采集信号装置中，进行信号处理以获取到光纤上不同位置受到轮轨作用的振动和声波信号中所包含的时频域信息。

所述步骤S1中，从光源经高消光比的声光调制器发射光信号，所述脉冲光信号经过脉冲放大器放大以及滤波器抑制噪声后进入构成传感装置的光缆中。所述步骤S2中，从传感装置反射回来的光信号经脉冲放大器放大以及滤波器消除后向散射噪声后进入探测器，所述反射光信号是光纤芯在受到外界声波信号扰动的某个位置反射回来的后向瑞利散射光。所述步骤S3中，采用信号处理器首先通过滑窗积累器对采集信号进行预处理，再经过三阶累积量运算器进一步提高检测性能，通过处理采集信号以获取到光纤上不同位置受到轮轨作用的振动和声波信号中所包含的时频域信息。该系统用于从包含列车轮轨振动和声波信号中获取轮轨振动相关时频域信息。当携带列车轮轨振动相关时频域信息的振动和声波信号传播至光缆某位置时，会引起此位置对应光纤段的瑞利散射光的相位变化，通过干涉作用就会表现出瑞利散射光的光强变化，在探测器接收光纤反射回来的瑞利散射光信号，使用信号处理器首先通过滑窗积累器对采集信号进行预处理，再采用三阶累积量运算器进一步提高检测性能，通过以上一系列的信号处理方法大大提高了系统信噪比和轮轨振动关系检测中的灵敏度，以获取更多轮轨振动的相关信息。

优选的，在通过去噪并获得信噪比较高的振动信号后，利用光纤分布式振动传感能够实现实时高速动态振动测量的特性，实现对高速列车的定位，在得到实时的列车运动曲线后，进一步通过求导获得列车实时速度，通过对得到的实时列车振动信号幅值大小和波形长短的判断，获得高速列车的车型种类，在得到车站内实时的列车振动信号曲线后，通过对出现振动信号段区间的判断可以获得对应的列车占用站内轨道。

本发明中的前端传感装置包括埋设于铁轨下方的区间通信光缆和在站区内垂直于轨道方向布设的通信光缆两部分，这两部分光缆采用串联形式连接。区间通信光缆接收到的振动信号用以检测列车的位置、数量、方向、速度和车型信息，站区内布设的通信光缆用于站内列车轨道占用信息的监测。本发明提出的光纤分布式列车监测系统，通过光纤分布式振动监测主机，向铁路区间通信光缆中输入10～20ns宽度的光脉冲信号，可视为将沿轨道布设的整条通信光缆等效划分成20～40米宽度的独立监测区段。在铁路区间监测区域，当列车运行到每个独立监测区段时，根据采集到的该区段的振动信号，即可实现对区间内运行列车位置和数量的检测；系统对光缆划分的每个监测区段均代表了20～40米的特定监测长度，在一定时间周期内采集列车所经过的监测区段数量和方向，系统可获得列车的实时运行速度和方向；通过对列车经过时刻所引起的振动曲线幅值大小和所占区段数量的判断，可以实现对运行列车类型的识别；在站内监测区域，针对站内轨道占用信息的监测，系统将车站内沿垂直于轨道方向布设的振动探测光缆串接到区间通信光缆的富余纤芯中，站内的振动探测光缆在每根股道下方形成20～40米长度的光缆环型布设，既视为在每根轨道下方布设1～2个独立的光缆监测区段，以增强对列车占用时轨道振动信号的信噪比，通过检测振动信号出现的区段位置，则可以判断站内列车占用的对应轨道。本系统具有探测前端装置无源(不怕雷击)、抗电磁干扰的优点，因此在其它电学类列控系统因断电故障无法工作的情况下，该系统仍可正常工作，保障列车的运行安全。此外，该系统还具有测量距离长、定位精度高、实时性好、多功能复合等特点，可与现有的电学类列控系统形成很好的互补，因此具有较大的应用价值

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。