分布式光纖傳感技術(shù)在高速鐵路測速中的應(yīng)用

楊 玥 韋御風(fēng) 董 雷

(1.武漢理工光科股份有限公司 武漢 430223； 2.石家莊市第二中學(xué) 石家莊 050004)

任何形式的列車控制系統(tǒng)都必須提供列車速度和位置參數(shù)。一方面，控制系統(tǒng)根據(jù)當(dāng)前時刻列車速度和位置，確定下一步應(yīng)該采取的動作；另一方面，由于列車運行最終要落實到速度和走行距離上，因此也利用這些參數(shù)校驗系統(tǒng)控制的結(jié)果是否滿足要求。

1 列車速度監(jiān)測方式

目前存在多種列車測速方式，根據(jù)速度信息來源，可將測速方式分成2大類：①利用輪軸旋轉(zhuǎn)信息的測速方法；②利用無線方式，直接檢測列車的速度[2-3]。

1.1 輪軸旋轉(zhuǎn)測速方式

1) 測速電機方式。測速電機包括1個齒輪和2組帶有永久磁鐵的線圈。齒輪固定在機車輪軸上，隨車輪轉(zhuǎn)動。線圈固定在軸箱上。輪軸轉(zhuǎn)動，帶動齒輪切割磁力線，在線圈上產(chǎn)生感應(yīng)電動勢，其頻率與列車速度(齒輪的轉(zhuǎn)速)成正比。這樣列車的速度信息就包含在感應(yīng)電動勢的頻率特征里。經(jīng)過頻率-電壓變化后，將列車實際運行速度變換為電壓值，通過測量電壓的幅度得到速度值。

2) 脈沖轉(zhuǎn)速傳感器方式。脈沖轉(zhuǎn)速傳感器安裝在輪軸上，輪軸每轉(zhuǎn)動1周，傳感器輸出一定數(shù)目的脈沖，脈沖頻率與輪軸轉(zhuǎn)速成正比。輸出脈沖經(jīng)過隔離和整形后，直接輸入到微處理器進行頻率測量并換算成速度和走行距離。

以上方式均直接利用輪軸旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的信息，因此簡單易行，但由于線路條件、走行部、制動和啟動等因素影響，在機車輪發(fā)生空轉(zhuǎn)和滑行等情況時，會直接影響測量精度，因此，如何克服空轉(zhuǎn)和滑行等因素造成的誤差，是采用這類方式所需解決的關(guān)鍵問題。

1.2 無線測速定位方式

1) 雷達測速方式。利用多普勒效應(yīng)原理，通過向移動體發(fā)射一定頻率的電磁波，利用反射波與入射波之間的頻差測算移動物體的速度。在機車上安裝雷達，它始終向軌面發(fā)射電磁波，由于機車和軌面之間有相對運動，因此，在發(fā)射波和反射波之間產(chǎn)生頻差，通過測量頻差可計算出機車的運行速度，并累計求出走行距離。

航海通信基建工程前期工作主要是指開始施工前的投資決策、規(guī)劃設(shè)計、深化設(shè)計、招標(biāo)管理四個階段，對應(yīng)工程可行性研究報告（項目建設(shè)書）、初步設(shè)計（技術(shù)設(shè)計）、施工圖設(shè)計、招標(biāo)文件四項內(nèi)容。

2) GPS測速定位方式。GPS測速定位的原理是衛(wèi)星連續(xù)地發(fā)送可跟蹤的唯一編碼序列，用戶接收機調(diào)出衛(wèi)星到接收天線的傳播時間，乘以電波傳播速度，可算出衛(wèi)星到用戶的距離。若接收到4顆衛(wèi)星的信號，即可實現(xiàn)三維定位(經(jīng)度、緯度和高度)，進而求出速度。GPS采用2類碼型：C/A(碼明)碼提供民用定位，其精度較差，定位精度大約在50 m之內(nèi)；P碼為保密碼，不對民用開放，它用于精度較高的測距，其三維空間定位精度小于10 m。

無線測速定位方式拋開輪軸旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的速度信息，利用外加信號直接測量車體的速度和位置，因此又稱為外部信號法。由于這類方法不由輪軸旋轉(zhuǎn)獲得信息，因此能有效避免車輪空轉(zhuǎn)、滑行等產(chǎn)生的誤差，但其精度受到無線電波的傳播特性等因素的影響。

高速鐵路的發(fā)展對測速、測距提出了更高的要求，需在以下方面進行探索：

1) 利用新的傳感技術(shù)提出新的列車測速測距方式。測速測距精度在很大程度上取決于原始信息的來源，為獲得高精度，必須選擇先進的傳感器。

2) 由于列車運行控制系統(tǒng)直接關(guān)系列車運行安全，因此測速測距系統(tǒng)本身也應(yīng)具有故障-安全特性。

3) 盡量采用智能化、數(shù)字化的處理方法，這樣既可利用微處理器進行高精度測量，也便于系統(tǒng)的功能擴展，使系統(tǒng)具有更廣的通用性。

2 分布式光纖傳感技術(shù)的應(yīng)用

2.1 分布式光纖測振原理

分布式光纖傳感技術(shù)使用1根數(shù)十至數(shù)百km長的光纖作為傳感元件和信號傳輸元件，在整個光纖長度上，對沿光纖幾何路徑分布的環(huán)境物理參量進行連續(xù)實時的測量。光纖傳感器具有靈敏度高、布設(shè)靈活、室外無源、監(jiān)測距離長等優(yōu)勢，可克服電類傳感器的不足，成為未來環(huán)境智能感知的主要發(fā)展方向。

基于光纖后向散射的光時域反射技術(shù)是目前較為成熟的一類分布式光纖傳感技術(shù)。光脈沖在通過光纖時產(chǎn)生后向散射光，通過檢測由光纖沿線各點產(chǎn)生的后向散射并與被測參量對應(yīng)，再根據(jù)回波時間確定位置，即獲得待測參量的空間分布，實現(xiàn)分布式光纖傳感[4-6]。

2.2 基于光纖傳感的測速測距方式

將普通光纜沿鐵路軌道鋪設(shè)，當(dāng)列車駛過的振動波作用于光纖時，光纖因為彈性形變使得折射率發(fā)生變化，從而引起后向散射光的光強、相位等物理參數(shù)的變化，系統(tǒng)對接收的信號做進一步分析后，給出相應(yīng)的判斷。

通過將各車行信號分割出來，計算其空間跨度和時間跨度的比值，可以推算列車的行駛速度。

同時，能夠?qū)崟r監(jiān)測列車的行駛方向及所在位置。

本文所用的分布式光纖測振系統(tǒng)定位精度為10 m。

3 算法描述

在獲得鐵路沿線的振動探測信號后，通過閾值將探測信號轉(zhuǎn)化為二值圖像，再進行圖像分割，即連通區(qū)域標(biāo)記。通過對二值圖像中白色像素(目標(biāo))的標(biāo)記，使每個單獨的連通區(qū)域形成一個被標(biāo)識的塊，即一列火車的行駛信號。

連通區(qū)域標(biāo)記步驟如下。

1) 逐行掃描圖像，將每一行中連續(xù)的白色像素組成一個序列稱為1個團，并記下它的起點、終點，以及它所在的行號。

2) 對于除了第一行外的所有行里的團，如果它與前一行中的所有團都沒有重合區(qū)域，則給它新的標(biāo)號；如果它僅與上一行中1個團有重合區(qū)域，則將上一行那個團的標(biāo)號賦給它；如果它與上一行的2個以上的團有重疊區(qū)域，則給當(dāng)前團賦1個相連團的最小標(biāo)號，并將上一行這幾個團的標(biāo)記寫入等價對，說明它們屬于一類。

3) 將等價對轉(zhuǎn)換為等價序列，每一個序列需要給一個相同的標(biāo)號，因為它們都是等價的。從1開始，賦予每個等價序列1個標(biāo)號。

4) 遍歷開始團的標(biāo)記，查找等價序列，給予它們新的標(biāo)記。

5) 將每個團的標(biāo)號填入標(biāo)記圖像中，結(jié)束。

通過上述方法，將各個車行信號分割出來，計算各自空間跨度和時間跨度的比值，即得到列車的行駛速度和行駛方向，并提供列車所在位置信息。監(jiān)測過程見圖1。

圖1 分布式光纖傳感系統(tǒng)測速測距流程

對鐵路沿線采集的一段信號進行處理，原始信號見圖2，可見2列火車行駛信號。

圖2 原始測試信號作圖

對測試信號做二值化處理后，連通區(qū)域分割結(jié)果見圖3，可見分成了2組車行信號。

圖3 測試信號分割結(jié)果

由測試信號分割結(jié)果計算得到表1所示的列車行駛信息。

表1 測試信號列車行駛信息計算結(jié)果

綜上，本文提出的基于分布式光纖傳感技術(shù)的列車測速測距方法，能夠較準(zhǔn)確地提供列車行駛的速度、方向、位置等信息，并保證連續(xù)實時監(jiān)測，具有很好的穩(wěn)定性和可靠性。

4 結(jié)語

高速鐵路具有速度快、安全舒適、運輸能力強、正點率高、節(jié)能環(huán)保、全天候運行等諸多優(yōu)點。隨著高速鐵路運營速度提高，必須通過對列車運行速度、位置等狀態(tài)進行監(jiān)測、控制和調(diào)整，確保行車安全，提高運輸效率。本文提出將分布式光纖傳感技術(shù)用于列車測速測距，該方法具有靈敏度高、室外無源、監(jiān)測距離長等優(yōu)勢，在提供列車行駛速度信息的同時，實時監(jiān)測列車所在的準(zhǔn)確方位，保證了監(jiān)測的有效性，具有良好的應(yīng)用前景。

[1] 張亞東.高速鐵路列車運行控制系統(tǒng)安全風(fēng)險辨識及分析研究[D].成都：西南交通大學(xué),2013.

[2] 馬維綱.高速鐵路列車控制系統(tǒng)可靠性關(guān)鍵問題研究[D].西安：西安電子科技大學(xué),2015.

[3] 孟琦.ATP設(shè)備定位測速的研究與仿真[D].成都：西南交通大學(xué),2010.

[4] 廖延彪.光纖光學(xué):原理與應(yīng)用[M].北京：清華大學(xué)出版社,2010.

[5] 邵理陽,李宗雷,何海軍,等.分布式時域光纖傳感技術(shù)新進展[C].全國集成光學(xué)學(xué)術(shù)會議，南京：2015.

[6] 劉夢龍.分布式光纖傳感技術(shù)在地鐵隧道振動監(jiān)測中的應(yīng)用[J].交通科技,2016(3):106-109.