專利名稱：一種實(shí)時(shí)顯示地鐵運(yùn)行狀態(tài)的監(jiān)測系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及自動(dòng)化技術(shù)領(lǐng)域，具體是涉及一種利用光纖傳感技術(shù)實(shí)時(shí)顯示地鐵運(yùn)行狀態(tài)的監(jiān)測系統(tǒng)。
目前地鐵中對列車運(yùn)行位置和速度的監(jiān)測是通過軌道電路來實(shí)現(xiàn)的。所謂軌道電路，就是利用鋼軌作為信息傳輸?shù)妮d體而構(gòu)成的電路，列車運(yùn)行時(shí)輪軸與軌道的接觸會影響軌道電路的參數(shù)，通過對各段軌道電路的信號進(jìn)行運(yùn)算處理，確定對應(yīng)的軌道段是否被占用。

圖1是現(xiàn)有軌道電路的構(gòu)成框圖。這是一種典型的集散式工作模式，每一段軌道電路都裝有獨(dú)立的信號發(fā)送電路和接收電路，統(tǒng)稱為軌道電路設(shè)備，每一套軌道電路設(shè)備又與中央監(jiān)控室相連。圖2是一段軌道電路的設(shè)備構(gòu)成圖。一段20公里的軌道需要上百套這樣的軌道電路。其結(jié)構(gòu)及工作方式?jīng)Q定了軌道電路存在以下的缺點(diǎn)(1)電路設(shè)備結(jié)構(gòu)龐大、復(fù)雜，安裝和維護(hù)不便，造價(jià)昂貴；(2)由于電子、電氣元件長期在惡劣的環(huán)境中工作，需要經(jīng)常的維護(hù)、檢修才能保證可靠性，通常每隔幾個(gè)月就需要換修一次；(3)由于強(qiáng)大的列車牽引電流造成的電磁干擾嚴(yán)重影響其運(yùn)作的可靠性；(4)各段軌道電路之間存在嚴(yán)重的相互干擾，影響其運(yùn)作的可靠性；(5)只能確定某段軌道是否被占用，而不能精確測定列車的位置及其速度。
本發(fā)明的目的是克服上述現(xiàn)有技術(shù)的不足而提供一種利用光纖傳感技術(shù)對地鐵運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測的系統(tǒng)，該系統(tǒng)利用光纖對彎曲形變的敏感和光時(shí)域反射技術(shù)，即可用一根光纖實(shí)現(xiàn)幾十公里地鐵運(yùn)行狀態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)測，該系統(tǒng)可有效地提高地鐵運(yùn)行的安全性和可靠性。
本發(fā)明所采取的技術(shù)方案是一種實(shí)時(shí)顯示地鐵運(yùn)行狀態(tài)的監(jiān)測系統(tǒng)，包括光纖、光時(shí)域反射儀(OTDR)，光時(shí)域反射儀連接在光纖的任意一端，其還包括機(jī)械位移傳感機(jī)構(gòu)，所述的機(jī)械位移傳感機(jī)構(gòu)按一定的密度分布在光纖上。
本發(fā)明所述的機(jī)械位移傳感機(jī)構(gòu)由一段光纖和傳遞機(jī)械位移的構(gòu)件組成，所述的光纖彎曲成U字型，U字型光纖的兩個(gè)頂部用固定塊加以固定，底部的彎曲半徑接近光纖損耗臨界彎曲半徑，并固定在傳遞機(jī)械位移的構(gòu)件上。
作為本發(fā)明的一種形式，所述的傳遞機(jī)械位移的構(gòu)件為一簧片，簧片的一端用固定塊固定，另一端與U字型光纖的底部連接。列車運(yùn)行產(chǎn)生的振動(dòng)通過空氣轉(zhuǎn)換給簧片，使之產(chǎn)生上下振動(dòng)，并牽動(dòng)與之相連的光纖振動(dòng)，從而改變了光纖在該處的彎曲程度，使光信號在該處產(chǎn)生附加損耗；可以通過改變簧片的長度來調(diào)節(jié)其共振頻率，盡可能地吸收振動(dòng)的能量。這種振動(dòng)傳感機(jī)構(gòu)可以安裝在地鐵隧道的側(cè)壁，用于列車行駛產(chǎn)生的振動(dòng)監(jiān)測，并通過振動(dòng)監(jiān)測確定列車的位置和運(yùn)行速度。
作為本發(fā)明的另一種形式，所述的傳遞機(jī)械位移的構(gòu)件為一振子，振子的兩端分別通過彈簧連接在固定塊上，振子本體與U字型光纖的底部連接。此機(jī)構(gòu)適合安裝在路基上，振子吸收振動(dòng)后牽動(dòng)與之相連的光纖振動(dòng)，從而改變了光纖在該處的彎曲程度，使光信號在該處產(chǎn)生附加損耗；改變振子的重量或彈簧的張力，可以調(diào)節(jié)振子的共振頻率，達(dá)到共振的目的。這種機(jī)構(gòu)可以用于列車行駛產(chǎn)生的振動(dòng)監(jiān)測，并通過振動(dòng)監(jiān)測確定列車的位置和運(yùn)行速度。。
作為本發(fā)明的另一種形式，所述的傳遞機(jī)械位移的構(gòu)件為一風(fēng)葉，風(fēng)葉置于一中空封閉體內(nèi)，封閉體設(shè)有一喇叭型入風(fēng)口；風(fēng)葉的一端通過轉(zhuǎn)軸與與封閉體連接，另一端通過彈簧連接在固定塊上，風(fēng)葉的中部與U字型光纖的底部連接。其中的喇叭型入風(fēng)口正對列車的行駛方向，列車駛近時(shí)由于其活塞效應(yīng)在隧道里形成很強(qiáng)的風(fēng)壓，傳感機(jī)構(gòu)中的風(fēng)葉受風(fēng)壓的作用而發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)，并帶動(dòng)與之相連的光纖，增加了光纖的彎曲程度，引起光纖在該處的產(chǎn)生附加損耗；改變彈簧的彈性系數(shù)可以調(diào)節(jié)風(fēng)葉對風(fēng)壓的靈敏度。
作為本發(fā)明的另一種形式，所述的傳遞機(jī)械位移的構(gòu)件為一杠桿，杠桿的支軸設(shè)在隧道壁上，杠桿的一端與隧道的路基連接，另一端與U字型光纖的底部連接。列車駛過或停在該處時(shí)引起的路基下沉通過杠桿的傳遞轉(zhuǎn)換為光纖的彎曲變形，引起光纖在該處的產(chǎn)生附加損耗；改變杠桿支軸的位置可以調(diào)節(jié)對路基下沉的靈敏度。這種機(jī)構(gòu)可以用于列車行駛時(shí)引起路基下沉狀態(tài)的監(jiān)測，并根據(jù)路基下沉的位置確定列車的位置和運(yùn)行速度。
以上四種機(jī)械位移傳感機(jī)構(gòu)的共同之處都是把光纖彎曲成U字型，U字型光纖的兩個(gè)頂部加以固定；底部的彎曲半徑接近光纖損耗臨界彎曲半徑，約為3cm，并固定在能夠傳遞機(jī)械位移的構(gòu)件上。測試表明，即使在U型底部的彎曲部位產(chǎn)生50μm的上下位移，光信號的強(qiáng)度也會產(chǎn)生百分之幾的變化(5％的損耗對應(yīng)0.2dB)，這種光信號強(qiáng)度的變化很容易用光時(shí)域反射儀OTDR檢測出來。把OTDR信號強(qiáng)度對距離求導(dǎo)數(shù)，則得到一個(gè)與光信號強(qiáng)度變化對應(yīng)的光信號強(qiáng)度調(diào)制峰，調(diào)制峰的高度隨該處光纖彎曲形變的增大而增大，因而也就反映了該處事件發(fā)生的程度，如圖8所示。
類似的機(jī)械位移傳感機(jī)構(gòu)還可以用于監(jiān)測地鐵信號燈的工作狀態(tài)，即用變壓器在信號燈的電回路中耦合很少的能量來控制繼電器的開合，這種開合機(jī)械運(yùn)動(dòng)同樣可以轉(zhuǎn)換為光纖的彎曲形變，從而反映信號燈的通斷狀態(tài)；道岔扳動(dòng)產(chǎn)生的機(jī)械位移也可以轉(zhuǎn)換為光纖的彎曲變形，以此來監(jiān)測道岔的狀態(tài)；同樣水位的變化可以通過浮球的運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換為光纖的彎曲變形，以實(shí)現(xiàn)對水位變化的監(jiān)測。在實(shí)際應(yīng)用中，將在幾十公里的地鐵沿線敷設(shè)一條或多條光纖，并根據(jù)定位精度的要求，按一定的密度在光纖上形成一系列機(jī)械位移傳感機(jī)構(gòu)，并對傳感機(jī)構(gòu)的功能及所在位置一一編碼；在光纖的任意一端使用光時(shí)域反射儀OTDR進(jìn)行監(jiān)測。目前廣泛用于光纖網(wǎng)絡(luò)故障點(diǎn)定位的光時(shí)域反射儀OTDR可以輕易在任一端測量20km的光纖的損耗異常點(diǎn)，定位精度是米的量級，靈敏度達(dá)到0.01dB，其對應(yīng)0.23％的損耗變化，用實(shí)時(shí)掃描的工作模式可以達(dá)到每秒2.5次的刷新率。OTDR還有數(shù)據(jù)存儲、打印和與外部計(jì)算機(jī)通信的功能，因此可以用計(jì)算機(jī)與OTDR相連，把所有記錄的運(yùn)行狀態(tài)形成歷史記錄，以供日后分析調(diào)用。
與現(xiàn)有的軌道電路技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下明顯的優(yōu)點(diǎn)(1)能夠?qū)崟r(shí)地、同時(shí)實(shí)現(xiàn)多項(xiàng)監(jiān)測功能以較高的精度確定地鐵列車位置；測量列車運(yùn)行的速度；檢測列車運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生的振動(dòng)，指出產(chǎn)生異常振動(dòng)的部位；監(jiān)測地鐵路基的下沉狀況，指示異常部位；監(jiān)測岔道和信號燈的工作狀態(tài)，提供故障報(bào)警；監(jiān)測水位變化，提供超限報(bào)警。
(2)結(jié)構(gòu)簡單、安裝方便，造價(jià)低廉。
(3)安裝在地鐵現(xiàn)場的只是光纖和由簡單機(jī)械部件構(gòu)成的振動(dòng)傳感機(jī)構(gòu)。光纖由石英玻璃芯材和塑料包層構(gòu)成，具有耐腐蝕、耐濕、耐高低溫，其在惡劣環(huán)境中使用的可靠性已經(jīng)在通信領(lǐng)域的使用中得到了證明；由簡單機(jī)械部件構(gòu)成的振動(dòng)傳感機(jī)構(gòu)也具有很高的可靠性；精密的光電測量設(shè)備OTDR只在光纖的端口使用，可以置于較好的工作環(huán)境中，而且目前商品化的OTDR也有在野外工作的便攜式機(jī)型，也具有很高的環(huán)境適應(yīng)性，因此這種技術(shù)的可靠性并不需要經(jīng)常的維護(hù)來保障。
(4)由于這種技術(shù)使用的光傳感原理，系統(tǒng)在地鐵現(xiàn)場的部分沒有電信號，因此列車牽引電流產(chǎn)生的強(qiáng)大電磁干擾不會影響系統(tǒng)的工作，也不存在軌道電路之間的電磁干擾問題。
下面結(jié)合附圖及實(shí)施例對本發(fā)明作近一步的說明。
圖1為現(xiàn)有的軌道電路的構(gòu)成框圖；圖2為一段軌道電路的設(shè)備構(gòu)成圖；圖3為本發(fā)明的系統(tǒng)組成示意圖；圖4為本發(fā)明所述的機(jī)械位移傳感機(jī)構(gòu)實(shí)施例1的結(jié)構(gòu)示意圖；圖5為本發(fā)明所述的機(jī)械位移傳感機(jī)構(gòu)實(shí)施例2的結(jié)構(gòu)示意圖；圖6為本發(fā)明所述的機(jī)械位移傳感機(jī)構(gòu)實(shí)施例3的結(jié)構(gòu)示意圖；圖7為本發(fā)明所述的機(jī)械位移傳感機(jī)構(gòu)實(shí)施例4的結(jié)構(gòu)示意圖；圖8為本發(fā)明用OTDR技術(shù)測量光纖彎曲形變的原理圖；圖9為本發(fā)明對地鐵列車的位置和速度實(shí)時(shí)監(jiān)測方案的示意圖。
本發(fā)明實(shí)時(shí)顯示地鐵運(yùn)行狀態(tài)的監(jiān)測系統(tǒng)，包括光纖1、光時(shí)域反射儀18，光時(shí)域反射儀連接在光纖的任意一端，其還包括機(jī)械位移傳感機(jī)構(gòu)19，機(jī)械位移傳感機(jī)構(gòu)19按一定的密度分布在光纖1上，如圖3所示。機(jī)械位移傳感機(jī)構(gòu)由一段光纖和傳遞機(jī)械位移的構(gòu)件組成，光纖彎曲成U字型，U字型光纖1的兩個(gè)頂部用固定塊2加以固定，底部的彎曲半徑接近光纖損耗臨界彎曲半徑，并固定在傳遞機(jī)械位移的構(gòu)件上。
作為本發(fā)明實(shí)施例1，所述的傳遞機(jī)械位移的構(gòu)件為一簧片3，簧片3的一端用固定塊4固定，另一端與U字型光纖1的底部連接，如圖4所示。
作為本發(fā)明實(shí)施例2，所述的傳遞機(jī)械位移的構(gòu)件為一振子5，振子5的兩端分別通過彈簧6連接在固定塊7上，振子5本體與U字型光纖1的底部連接，如圖5所示。
作為本發(fā)明實(shí)施例3，所述的傳遞機(jī)械位移的構(gòu)件為一風(fēng)葉8，風(fēng)葉8置于一中空封閉體9內(nèi)，封閉體9設(shè)有一喇叭型入風(fēng)口10；風(fēng)葉8的一端通過轉(zhuǎn)軸11與與封閉體9連接，另一端通過彈簧12連接在固定塊13上，風(fēng)葉8的中部與U字型光纖1的底部連接，如圖6所示。
作為本發(fā)明實(shí)施例4，所述的傳遞機(jī)械位移的構(gòu)件為一杠桿14，杠桿14的支軸15設(shè)在隧道壁16上，杠桿14的一端與隧道的路基17連接，另一端與U字型光纖1的底部連接，如圖7所示。
圖9為本發(fā)明對地鐵列車的位置和速度實(shí)時(shí)監(jiān)測方案的示意圖，其中圖9(a)是系統(tǒng)的總體構(gòu)成在地鐵隧道沿線敷設(shè)一條光纖1，并以50m的間距在光纖上形成軌道下沉傳感機(jī)構(gòu)19，用光時(shí)域反射儀18在光纖的一端進(jìn)行不間斷的實(shí)時(shí)監(jiān)測；圖9(b)說明了系統(tǒng)運(yùn)作的原理例如列車a和列車b同時(shí)在地鐵中的不同地段運(yùn)行，現(xiàn)在列車a最靠近某一軌道下沉傳感機(jī)構(gòu)，那么在OTDR顯示屏上的曲線會在相應(yīng)的距離上出現(xiàn)幅度較高的光信號強(qiáng)度調(diào)制峰，根據(jù)此峰及其相鄰兩峰的相對幅度，可以確定列車a的位置；隨著列車向前運(yùn)行，它會依次靠近后面的軌道下沉傳感機(jī)構(gòu)，那么在OTDR顯示屏上的曲線會依次在相應(yīng)的距離上出現(xiàn)幅度較高的光信號強(qiáng)度調(diào)制峰，根據(jù)相鄰兩個(gè)光信號強(qiáng)度調(diào)制峰出現(xiàn)最大幅度的時(shí)間差可以計(jì)算出列車a運(yùn)行的瞬時(shí)速度；對列車b的情況類似處理。因此這個(gè)系統(tǒng)可以同時(shí)監(jiān)測和記錄在地鐵上運(yùn)行的所有列車的運(yùn)行狀態(tài)。另外在軟件上可以設(shè)計(jì)比較直觀的圖形界面，顯示在地鐵上運(yùn)行的所有列車的位置、速度及停車位置。
振動(dòng)、風(fēng)壓、道岔狀態(tài)、信號燈狀態(tài)以及水位狀態(tài)的監(jiān)測則通過在同一條光纖或在多條光纖上形成的相應(yīng)傳感機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)。地鐵正常運(yùn)行時(shí)各種狀態(tài)轉(zhuǎn)換為光纖特定位置上特定幅度范圍的光信號強(qiáng)度調(diào)制峰，如果在某些位置上光信號強(qiáng)度調(diào)制峰的幅度超出正常范圍，或者在不該出現(xiàn)的位置出現(xiàn)，或在該出現(xiàn)的位置上沒有，則反映該處出現(xiàn)異常狀態(tài)。例如，當(dāng)某處的振動(dòng)傳感機(jī)構(gòu)引起幅度較高的光信號強(qiáng)度調(diào)制峰，則表明時(shí)產(chǎn)生了較強(qiáng)的振動(dòng)，這種情況通常意味著軌道在該處出現(xiàn)松動(dòng)，應(yīng)該及時(shí)派人搶修；或者，當(dāng)某一列車經(jīng)過所有振動(dòng)傳感機(jī)構(gòu)時(shí)都引起幅度較高的光信號強(qiáng)度調(diào)制峰，則有可能是該列車存在機(jī)械故障，也應(yīng)該及時(shí)停止運(yùn)行，加以檢修；又如，當(dāng)發(fā)出扳開道岔信號后，安裝在該道岔上的位移傳感機(jī)構(gòu)沒有給出相應(yīng)的光信號強(qiáng)度調(diào)制峰，則反映該道岔并沒有正常動(dòng)作，應(yīng)該及時(shí)采取措施防止事故發(fā)生。
權(quán)利要求
1.一種實(shí)時(shí)顯示地鐵運(yùn)行狀態(tài)的監(jiān)測系統(tǒng)，包括光纖(1)、光時(shí)域反射儀(18)，光時(shí)域反射儀(18)連接在光纖(1)的任意一端，其特征在于還包括機(jī)械位移傳感機(jī)構(gòu)(19)，所述的機(jī)械位移傳感機(jī)構(gòu)(19)按一定的密度分布在光纖(1)上。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種實(shí)時(shí)顯示地鐵運(yùn)行狀態(tài)的監(jiān)測系統(tǒng)，其特征在于所述的機(jī)械位移傳感機(jī)構(gòu)由一段光纖(1)和傳遞機(jī)械位移的構(gòu)件組成，所述的光纖(1)彎曲成U字型，U字型光纖的兩個(gè)頂部用固定塊(2)加以固定，底部的彎曲半徑接近光纖損耗臨界彎曲半徑，并固定在傳遞機(jī)械位移的構(gòu)件上。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種實(shí)時(shí)顯示地鐵運(yùn)行狀態(tài)的監(jiān)測系統(tǒng)，其特征在于所述的傳遞機(jī)械位移的構(gòu)件為一簧片(3)，簧片的一端用固定塊(4)固定，另一端與U字型光纖(1)的底部連接。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種實(shí)時(shí)顯示地鐵運(yùn)行狀態(tài)的監(jiān)測系統(tǒng)，其特征在于所述的傳遞機(jī)械位移的構(gòu)件為一振子(5)，振子的兩端分別通過彈簧(6)連接在固定塊(7)上，振子(5)本體與U字型光纖(1)的底部連接。
5.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種實(shí)時(shí)顯示地鐵運(yùn)行狀態(tài)的監(jiān)測系統(tǒng)，其特征在于所述的傳遞機(jī)械位移的構(gòu)件為一風(fēng)葉(8)，風(fēng)葉(8)置于一中空封閉體(9)內(nèi)，封閉體(9)設(shè)有一喇叭型入風(fēng)口(10)；風(fēng)葉(8)的一端通過轉(zhuǎn)軸(11)與封閉體(9)連接，另一端通過彈簧(12)連接在固定塊(13)上，風(fēng)葉(8)的中部與U字型光纖(1)的底部連接。
6.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種實(shí)時(shí)顯示地鐵運(yùn)行狀態(tài)的監(jiān)測系統(tǒng)，其特征在于所述的傳遞機(jī)械位移的構(gòu)件為一杠桿(14)，杠桿(14)的支軸(15)設(shè)在隧道壁(16)上，杠桿(14)的一端與隧道的路基(17)連接，另一端與U字型光纖(1)的底部連接。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種實(shí)時(shí)顯示地鐵運(yùn)行狀態(tài)的監(jiān)測系統(tǒng),包括光纖、光時(shí)域反射儀(OTDR),光時(shí)域反射儀連接在光纖的任意一端,其還包括機(jī)械位移傳感機(jī)構(gòu),所述的機(jī)械位移傳感機(jī)構(gòu)按一定的密度分布在光纖上。本發(fā)明結(jié)構(gòu)簡單、安裝方便,造價(jià)低廉,能夠?qū)崟r(shí)地、同時(shí)實(shí)現(xiàn)多項(xiàng)監(jiān)測功能且具有很高的環(huán)境適應(yīng)性,不需要經(jīng)常的維護(hù)來保障。
文檔編號G08G1/127GK1272436SQ00114269
公開日2000年11月8日 申請日期2000年5月17日 優(yōu)先權(quán)日2000年5月17日
發(fā)明者鄒至剛, 李偉良 申請人:廣州市羊城科技實(shí)業(yè)有限公司, 廣州市奧特控制工程有限公司