分布式光纤传感技术在高速铁路测速中的应用

杨 玥 韦御风 董 雷

(1.武汉理工光科股份有限公司 武汉 430223； 2.石家庄市第二中学 石家庄 050004)

任何形式的列车控制系统都必须提供列车速度和位置参数。一方面，控制系统根据当前时刻列车速度和位置，确定下一步应该采取的动作；另一方面，由于列车运行最终要落实到速度和走行距离上，因此也利用这些参数校验系统控制的结果是否满足要求。

1 列车速度监测方式

目前存在多种列车测速方式，根据速度信息来源，可将测速方式分成2大类：①利用轮轴旋转信息的测速方法；②利用无线方式，直接检测列车的速度[2-3]。

1.1 轮轴旋转测速方式

1) 测速电机方式。测速电机包括1个齿轮和2组带有永久磁铁的线圈。齿轮固定在机车轮轴上，随车轮转动。线圈固定在轴箱上。轮轴转动，带动齿轮切割磁力线，在线圈上产生感应电动势，其频率与列车速度(齿轮的转速)成正比。这样列车的速度信息就包含在感应电动势的频率特征里。经过频率-电压变化后，将列车实际运行速度变换为电压值，通过测量电压的幅度得到速度值。

2) 脉冲转速传感器方式。脉冲转速传感器安装在轮轴上，轮轴每转动1周，传感器输出一定数目的脉冲，脉冲频率与轮轴转速成正比。输出脉冲经过隔离和整形后，直接输入到微处理器进行频率测量并换算成速度和走行距离。

以上方式均直接利用轮轴旋转产生的信息，因此简单易行，但由于线路条件、走行部、制动和启动等因素影响，在机车轮发生空转和滑行等情况时，会直接影响测量精度，因此，如何克服空转和滑行等因素造成的误差，是采用这类方式所需解决的关键问题。

1.2 无线测速定位方式

1) 雷达测速方式。利用多普勒效应原理，通过向移动体发射一定频率的电磁波，利用反射波与入射波之间的频差测算移动物体的速度。在机车上安装雷达，它始终向轨面发射电磁波，由于机车和轨面之间有相对运动，因此，在发射波和反射波之间产生频差，通过测量频差可计算出机车的运行速度，并累计求出走行距离。

航海通信基建工程前期工作主要是指开始施工前的投资决策、规划设计、深化设计、招标管理四个阶段，对应工程可行性研究报告（项目建设书）、初步设计（技术设计）、施工图设计、招标文件四项内容。

2) GPS测速定位方式。GPS测速定位的原理是卫星连续地发送可跟踪的唯一编码序列，用户接收机调出卫星到接收天线的传播时间，乘以电波传播速度，可算出卫星到用户的距离。若接收到4颗卫星的信号，即可实现三维定位(经度、纬度和高度)，进而求出速度。GPS采用2类码型：C/A(码明)码提供民用定位，其精度较差，定位精度大约在50 m之内；P码为保密码，不对民用开放，它用于精度较高的测距，其三维空间定位精度小于10 m。

无线测速定位方式抛开轮轴旋转产生的速度信息，利用外加信号直接测量车体的速度和位置，因此又称为外部信号法。由于这类方法不由轮轴旋转获得信息，因此能有效避免车轮空转、滑行等产生的误差，但其精度受到无线电波的传播特性等因素的影响。

高速铁路的发展对测速、测距提出了更高的要求，需在以下方面进行探索：

1) 利用新的传感技术提出新的列车测速测距方式。测速测距精度在很大程度上取决于原始信息的来源，为获得高精度，必须选择先进的传感器。

2) 由于列车运行控制系统直接关系列车运行安全，因此测速测距系统本身也应具有故障-安全特性。

3) 尽量采用智能化、数字化的处理方法，这样既可利用微处理器进行高精度测量，也便于系统的功能扩展，使系统具有更广的通用性。

2 分布式光纤传感技术的应用

2.1 分布式光纤测振原理

分布式光纤传感技术使用1根数十至数百km长的光纤作为传感元件和信号传输元件，在整个光纤长度上，对沿光纤几何路径分布的环境物理参量进行连续实时的测量。光纤传感器具有灵敏度高、布设灵活、室外无源、监测距离长等优势，可克服电类传感器的不足，成为未来环境智能感知的主要发展方向。

基于光纤后向散射的光时域反射技术是目前较为成熟的一类分布式光纤传感技术。光脉冲在通过光纤时产生后向散射光，通过检测由光纤沿线各点产生的后向散射并与被测参量对应，再根据回波时间确定位置，即获得待测参量的空间分布，实现分布式光纤传感[4-6]。

2.2 基于光纤传感的测速测距方式

将普通光缆沿铁路轨道铺设，当列车驶过的振动波作用于光纤时，光纤因为弹性形变使得折射率发生变化，从而引起后向散射光的光强、相位等物理参数的变化，系统对接收的信号做进一步分析后，给出相应的判断。

通过将各车行信号分割出来，计算其空间跨度和时间跨度的比值，可以推算列车的行驶速度。

同时，能够实时监测列车的行驶方向及所在位置。

本文所用的分布式光纤测振系统定位精度为10 m。

3 算法描述

在获得铁路沿线的振动探测信号后，通过阈值将探测信号转化为二值图像，再进行图像分割，即连通区域标记。通过对二值图像中白色像素(目标)的标记，使每个单独的连通区域形成一个被标识的块，即一列火车的行驶信号。

连通区域标记步骤如下。

1) 逐行扫描图像，将每一行中连续的白色像素组成一个序列称为1个团，并记下它的起点、终点，以及它所在的行号。

2) 对于除了第一行外的所有行里的团，如果它与前一行中的所有团都没有重合区域，则给它新的标号；如果它仅与上一行中1个团有重合区域，则将上一行那个团的标号赋给它；如果它与上一行的2个以上的团有重叠区域，则给当前团赋1个相连团的最小标号，并将上一行这几个团的标记写入等价对，说明它们属于一类。

3) 将等价对转换为等价序列，每一个序列需要给一个相同的标号，因为它们都是等价的。从1开始，赋予每个等价序列1个标号。

4) 遍历开始团的标记，查找等价序列，给予它们新的标记。

5) 将每个团的标号填入标记图像中，结束。

通过上述方法，将各个车行信号分割出来，计算各自空间跨度和时间跨度的比值，即得到列车的行驶速度和行驶方向，并提供列车所在位置信息。监测过程见图1。

图1 分布式光纤传感系统测速测距流程

对铁路沿线采集的一段信号进行处理，原始信号见图2，可见2列火车行驶信号。

图2 原始测试信号作图

对测试信号做二值化处理后，连通区域分割结果见图3，可见分成了2组车行信号。

图3 测试信号分割结果

由测试信号分割结果计算得到表1所示的列车行驶信息。

表1 测试信号列车行驶信息计算结果

综上，本文提出的基于分布式光纤传感技术的列车测速测距方法，能够较准确地提供列车行驶的速度、方向、位置等信息，并保证连续实时监测，具有很好的稳定性和可靠性。

4 结语

高速铁路具有速度快、安全舒适、运输能力强、正点率高、节能环保、全天候运行等诸多优点。随着高速铁路运营速度提高，必须通过对列车运行速度、位置等状态进行监测、控制和调整，确保行车安全，提高运输效率。本文提出将分布式光纤传感技术用于列车测速测距，该方法具有灵敏度高、室外无源、监测距离长等优势，在提供列车行驶速度信息的同时，实时监测列车所在的准确方位，保证了监测的有效性，具有良好的应用前景。

[1] 张亚东.高速铁路列车运行控制系统安全风险辨识及分析研究[D].成都：西南交通大学,2013.

[2] 马维纲.高速铁路列车控制系统可靠性关键问题研究[D].西安：西安电子科技大学,2015.

[3] 孟琦.ATP设备定位测速的研究与仿真[D].成都：西南交通大学,2010.

[4] 廖延彪.光纤光学:原理与应用[M].北京：清华大学出版社,2010.

[5] 邵理阳,李宗雷,何海军,等.分布式时域光纤传感技术新进展[C].全国集成光学学术会议，南京：2015.

[6] 刘梦龙.分布式光纤传感技术在地铁隧道振动监测中的应用[J].交通科技,2016(3):106-109.