CN1146841C - 一种实时显示地铁运行状态的监测*** - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种实时显示地铁运行状态的监测***，包括光纤、光时域反射仪(OTDR)，光时域反射仪连接在光纤的任意一端，其还包括机械位移传感机构，所述的机械位移传感机构按一定的密度分布在光纤上。本发明结构简单、安装方便，造价低廉，能够实时地、同时实现多项监测功能且具有很高的环境适应性，不需要经常的维护来保障。

Description

一种实时显示地铁运行状态的监测***

技术领域

本发明涉及自动化技术领域，具体是涉及一种利用光纤传感技术实时显示地铁运行状态的监测***。

背景技术

目前地铁中对列车运行位置和速度的监测是通过轨道电路来实现的。所谓轨道电路，就是利用钢轨作为信息传输的载体而构成的电路，列车运行时轮轴与轨道的接触会影响轨道电路的参数，通过对各段轨道电路的信号进行运算处理，确定对应的轨道段是否被占用。图1是现有轨道电路的构成框图。这是一种典型的集散式工作模式，每一段轨道电路都装有独立的信号发送电路和接收电路，统称为轨道电路设备，每一套轨道电路设备又与中央监控室相连。图2是一段轨道电路的设备构成图。一段20公里的轨道需要上百套这样的轨道电路。其结构及工作方式决定了轨道电路存在以下的缺点：

(1)电路设备结构庞大、复杂、安装和维护不便，造价昂贵；

(2)由于电子、电气元件长期在恶劣的环境中工作，需要经常的维护、检修才能保证可靠性，通常每隔几个月就需要换修一次；

(3)由于强大的列车牵引电流造成的电磁干扰严重影响其动作的可靠性；

(4)各段轨道电路之间存在严重的相互干扰，影响其动作的可靠性；

(5)只能确定某段轨道是否被占用，而不能精确测定列车的位置及其速度。

发明内容

本发明的目的是克服上述的现有技术的不足而提供一种利用光纤传感技术对地铁运行状态进行实时监测的***，该***利用光纤对弯曲形变的敏感和光时域反射技术，即可用一根光纤实现几十公里地铁运行状态的实时监测，该***可有效地提高地铁运行的安全性和可靠性。

本发明所采取的技术方案是：一种实时显示地铁运行状态的监测***，包括光纤、光时域反射仪(OTDR)，光时域反射仪连接在光纤的任意一端，其还包括机械位移传感机构，所述的机械位移传感机构按一定的密度分布在光纤上。

本发明所述的机械位移传感机构包括光纤的其中一段及反映列车经过引起机械位移的构件，所述的该段光纤弯曲成U字型，U字型光纤的两个顶部用固定块加以固定，底部的弯曲半径等光纤损耗临界弯曲半径，并固定在反映列车经过引起机械位移的构件上。

作为本发明的一种形式，所述的反映列车经过引起机械位移的构件一簧片，簧片的一端用固定块固定，另一端与U字型光纤的底部连接。列车运行产生的振动通过空气转换给簧片，使之产生上下振动，并牵动与之相连的光纤振动，从而改变了光纤在该处的弯曲程度，使光信号在该处产生附加损耗；可以通过改变簧片的长度来调节其共振频率，尽可能地吸收振动的能量。这种振动传感机构可以安装在地铁隧道的侧壁，用于列车行驶产生的振动监测，并通过振动监测确定列车的位置和运行速度。

作为本发明的另一种形式，所述的反映列车经过引起机械位移的构件为一振子，振子的两端分别通过弹簧连接在固定块上，振子本体与U字型光纤的底部连接。此机构适合安装在路基上，振子吸收振动后牵动与之相连的光纤振动，从而改变了光纤在该处的弯曲程度，使光信号在该处产生附加损耗；改变振子的重量或弹簧的张力，可以调节振子的共振频率，达到共振的目的。这各机构可以用于列车行驶产生的振动监测，并通过振动监测确定列车的位置和运行速度。

作为本发明的另一种形式，所述的反映列车经过引起机械位移的构件为一风叶，风叶置于一中空封闭体内，封闭体设有一喇叭型入风口；风叶的一端通过转轴与封闭体连接，另一端通过弹簧连接在固定块上，风叶的中部与U字型光纤的底部连接。其中的喇叭型入风口正对列车的行驶方向，列车驶近时由于其活塞效应，在隧道里形成很强的风压，传感机构中的风叶受风压的作用而发生转动，并带动与之相连的光纤，增加了光纤的弯曲程度，引起光纤在该处产生附加损耗；改变弹簧的弹性系数可以调节风叶对风压的灵敏度。

作为本发明的另一种形式，所述的反映列车经过引起机械位移的构为一杠杆，杠杆的支轴设在隧道壁上，杠杆的一端与隧道的路基连接，另一端与U字型光纤的底部连接。列车驶过或停在该处时引起的路基下沉通过杠杆的传递转换为光纤的弯曲变形，引起光纤在该处产生附加损耗；改变杠杆支轴的位置可以调节对路基下沉的灵敏度。这种机构可以用于列车行驶时引起路基下沉状态的监测，并根据路基下沉的位置确定列车的位置和运行速度。

以上四种机械位移传感机构的共同之处都是把光纤弯曲成U字型，U字型光纤的两个顶部加以固定；底部的弯曲半径等于光纤损耗临界弯曲半径，约为3cm，并固定在能够反映列车经过引起机械位移的构上。测试表明，即使在U型底部的弯曲部位产生50μm的上下位移，光信号的强度也会产生百分之几的变化(5％的损耗对应0.2dB)，这种光信号强度的变化很容易用光时域反射仪OTDR检测出来。把OTDR信号强度对距离求导数，则得到一个与光信号强度变化对应的光信号强度调制峰，调制峰的高度随该处光纤弯曲形变的增大而增大，因而也就反映了该处事件发生的程度，如图8所示。

类似的机械位移传感机构还可以用于监测地铁信号灯的工作状态，即用变压器在信号灯的电回路中耦合很少的能量来控制继电器的开合，这种开合机械运动同样可以转换为光纤的弯曲形变，从而反映信号灯的通断状态；道岔扳动产生的机械位移也可以转换为光纤的弯曲变形，以此来监测道岔的状态；同样水位的变化可以通过浮球的运动转换为光纤的弯曲变形，以实现对水位变化的监测。在实际应用中，将在几十公里的地铁沿线敷设一条或多条光纤，并根据定位精度的要求，按一定的密度在光纤上形成一系列机械位移传感机构，并对传感机构的功能及所在位置一一编码；在光纤的任意一端使用光时域反射仪OTDR进行监测。目前广泛用于光纤网络故障点定位的光时域反射仪OTDR可以轻易在任一端测量20km的光纤的损耗异常点，定位精度是米的量级，灵敏度达到0.01dB，其对应0.23％的损耗变化，用实时扫描的工作模式可以达到每秒2.5次的刷新率。OTDR还有数据存储、打印和与外部计算机通信的功能，因此可以用计算机与OTDR相连，把所有记录的运行状态形成历史记录，以供日后分析调用。

与现有的轨道电路技术相比，本发明具有以下明显的优点：

(1)能够实时地、同时实现多项监测功能：以较高的精度确定地铁列车位置；测量列车运行的速度；检测列车运行时产生的振动，指出产生异常振动的部位；监测地铁路基的下沉状况，指示异常部位；监测岔道和信号灯的工作状态，提供故障报警；监测水位变化，提供超限报警。

(2)结构简单、安装方便，造价低廉。

(3)安装在地铁现场的只是光纤和由简单机械部件构成的振动传感机构。光纤由石英玻璃芯材和塑料包层构成，具有耐腐蚀、耐湿、耐高低温，其在恶劣环境中使用的可靠性已经在通信领域的使用中得到了证明；由简单机械部件构成的振动传感机构也具有很高的可靠性；精密的光电测量设备OTDR只在光纤的端口使用，可以置于较好的工作环境中，而且目前商品化的OTDR也有在野外工作的便携式机型，也具有很高的环境适应性，因此这种技术的可靠性并不需要经常的维护来保障。

(4)由于这种技术使用的光传感原理，***在地铁现场的部分没有电信号，因此列车牵引电流产生的强大电磁干扰不会影响***的工作，也不存在轨道电路之间的电磁干扰问题。

下面结合附图及实施例对本发明作近一步的说明。

附图说明

图1为现有的轨道电路的构成框图；

图2为一段轨道电路的设备构成图；

图3为本发明的***组成示意图；

图4为本发明所述的机械位移传感机构实施例1的结构示意图；

图5为本发明所述的机械位移传感机构实施例2的结构示意图；

图6为本发明所述的机械位移传感机构实施例3的结构示意图；

图7为本发明所述的机械位移传感机构实施例4的结构示意图；

图8为本发明用OTDR技术测量光纤弯曲形变的原理图；

图9为本发明对地铁列车的位置和速度实时监测方案的示意图。

具体实施方式

本发明实时显示地铁运行状态的监测***，包括光纤1、光时域反射仪18，光时域反射仪18连接在光纤1的任意一端，其还包括机械位移传感机构19，机械位移传感机构19按一定的密度分布在光纤1上，如图3所示。机械位移传感机构19包括光纤1的其中一段及反映列车经过引起机械位移的构件，该段光纤弯曲成U字型，U字型光纤1的两个顶部用固定块2加以固定，底部的弯曲半径等于光纤损耗临界弯曲半径，并固定在反映列车经过引起机械位移的构件上。

作为本发明实施例1，所述的反映列车经过引起机械位移的构件为一簧片3，簧片3的一端用固定块4固定，另一端与U字型光纤1的底部连接，如图4所示。

作为本发明实施例2，所述的反映列车经过引起机械位移的构件为一振子5，振子5的两端分别通过弹簧6连接在固定块7上，振子5本体与U字型光纤1的底部连接，如图5所示。

作为本发明实施例3，所述的反映列车经过引起机械位移的构件为一风叶8，风叶8置于一中空封闭体9内，封闭体9设有一喇叭型入风口10；风叶8的一端通过转轴11与封闭体9连接，另一端通过弹簧12连接在固定块13上，风叶8的中部与U字型与U字型光纤1的底部连接，如图6所示。

作为本发明实施例4，所述的反映列车经过引起机械位移的构件为一杠杆14，杠杆14的支轴15设在隧道壁16上，杠杆14的一端与隧道的路基17连接，另一端与U字型光纤1的底部连接，如图7所示。

图9为本发明对地铁列车的位置和速度实时监测方案的示意图，其中图9(a)是***的总体构成：在地铁隧道沿线敷设一条光纤1，并以50m的间距在光纤上形成轨道下沉传感机构19，用光时域反射仪18在光纤的一端进行不间断的实时监测；图9(b)说明了***运作的原理：例如列车a和列车b同时在地铁中的不同地段运行，现在列车a最靠近某一轨道下沉传感机构，那么在OTDR显示屏上的曲线会在相应的距离上出现幅度较高的光信号强度调制峰，根据此峰及其相领两峰的相对幅度，可以确定列车a的位置；随着列车向前运行，它会依次靠近后面的轨道下沉传感机构，那么在OTDR显示屏上的曲线会依次在相应的距离上出现幅度较高的光信号强度调制峰，根据相邻两个光信号强度调制峰出现最大幅度的时间差可以计算出列车a运行的瞬时速度；对列车b的情况类似处理。因此这个***可以同时监测和记录在地铁上运行的所有列车的运行状态。另外在软件上可以设计比较直观的图形界面，显示在地铁上运行的所有列车的位置、速度及停车位置。

振动、风压、道岔状态、信号灯状态以及水位状态的监测则通过在同一条光纤或在多条光纤上形成的相应传感机构实现。地铁正常运行时各种状态转换为光纤特定位置上特定幅度范围的光信号强度调制峰，如果在某些位置上光信号强度调制峰的幅度超出正常范围，或者在不该出现的位置出现，或在该出现的位置上没有，则反映该处出现异常状态。例如，当某处的振动传感机构引起幅度较高的光信号强度调制峰，则表明此时产生了较强的振动，这种情况通常意味着轨道在该处出现松动，应该及时派人抢修；或者，当某一列车经过所有振动传感机构时都引起幅度较高的光信号强度调制峰，则有可能是该列车存在机械故障，也应该及时停止运行，加以检修；又如，当发出扳开道岔信号后，安装在该道岔上的位移传感机构没有给出相应的光信号强度调制峰，则反映该道岔并没有正常动作，应该及时采取措施防止事故发生。

Claims (5)

1、一种实时显示地铁运行状态的监测***，包括光纤(1)、光时域反射仪(18)，光时域反射仪(18)连接在光纤(1)的任意一端，其特征在于：还包括机械位移传感机构(19)，所述的机械位移传感机构(19)按一定的密度分布在光纤(1)上，机械位移传感机构(19)包括光纤(1)的其中一段及反映列车经过引起机械位移的构件，该段光纤弯曲成U字型，U字型光纤(1)的两个顶部用固定块(2)加以固定，底部的弯曲半径等于光纤损耗临界弯曲半径，底部并固定在反映列车经过引起机械位移的构件上。

2、根据权利要求1所述的一种实时显示地铁运行状态的监测***，其特征在于：所述的反映列车经过引起机械位移的构件为一簧片(3)，簧片的一端用固定块(4)固定，另一端与U字型光纤(1)的底部连接。

3、根据权利要求1所述的一种实时显示地铁运行状态的监测***，其特征在于：所述的反映列车经过引起机械位移的构件为一振子(5)，振子的两端分别通过弹簧(6)连接在固定块(7)上，振子(5)本体与U字型光纤(1)的底部连接。

4、根据权利要求1所述的一种实时显示地铁运行状态的监测***，其特征在于：所述的反映列车经过引起机械位移的构件为一风叶(8)，风叶(8)置于一中空封闭体(9)内，封闭体(9)设有一喇叭型入风口(10)；风叶(8)的一端通过转轴(11)与封闭体(9)连接，另一端通过弹簧(12)连接在固定块(13)上，风叶(8)的中部与U字型光纤(1)的底部连接。

5、根据权利要求1所述的一种实时显示地铁运行状态的监测***，其特征在于：所述的反映列车经过引起机械位移的构件为一杠杆(14)，杠杆(14)的支轴(15)设在隧道壁(16)上，杠杆(14)的一端与隧道的路基(17)连接，另一端与U字型光纤(10)的底部连接。

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