基于光纖傳感技術(shù)的軌道占用監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)

(石家莊鐵道大學(xué) 電氣與電子工程學(xué)院，河北 石家莊 050043)

0 引言

隨著高速鐵路的快速發(fā)展，軌道占用的實(shí)時(shí)性檢測變得尤為重要，它直接關(guān)系著行車安全。安全問題是制約鐵路發(fā)展的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，而鐵路信號基礎(chǔ)設(shè)備在保證行車安全方面發(fā)揮著越來越重要的作用，準(zhǔn)確判斷軌道占用，防止軌道繼電器誤動(dòng)作，防止返回錯(cuò)誤信號，對提高鐵路運(yùn)輸效率具有重要意義。近年來，很多學(xué)者在光纖光柵軌道占用的應(yīng)用上做了大量的研究。成巍坤[1]在光纖傳感計(jì)軸技術(shù)中提出了用最小二乘法進(jìn)行數(shù)據(jù)擬合，結(jié)合LabVIEW利用以太網(wǎng)進(jìn)行數(shù)據(jù)互傳，解決了列車速度過快這一問題，但它在計(jì)軸算法和尋峰算法中都存在著一些問題。全雨[2]提出了利用平滑濾波和有限元分析進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，但在溫度補(bǔ)償方面并沒有做深入的工作。黃亮[3]提出了剪力型計(jì)軸的方式，但是沒有得到具體的驗(yàn)證。

采用上下位機(jī)數(shù)據(jù)互傳的方式，利用高斯多項(xiàng)式擬合算法、影響因子累加算法、自動(dòng)尋峰和穩(wěn)定的計(jì)軸算法，實(shí)現(xiàn)了軌道占用識別、方向判斷、列車計(jì)軸等功能，成功將光纖光柵傳感技術(shù)應(yīng)用在鐵道信號中。

1 軌道占用綜合監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 FBG光纖解調(diào)原理簡介

FBG光柵是使光纖的折射率在空間上發(fā)生變化而形成的一種光學(xué)無源器件，它的周期短，小于1 μm,是一種反射型的帶通濾波器件。FBG周期折射率微擾僅對一窄段光譜產(chǎn)生影響，當(dāng)寬帶光波信號在進(jìn)入到FBG傳感器中時(shí)，F(xiàn)BG傳感器僅是將具有特定波長的光波信號反射回來，而其它波段的光波信號則不受影響，繼續(xù)沿光纖向前傳輸，對這種諧振波長反射現(xiàn)象的解釋，是由William Bragg爵士最早提出，利用波長匹配條件αβ=0，推導(dǎo)出Brag方程為

(1)

式中，λ為波長；n為等效折射率；Λ為光柵周期。

式(1)表明，當(dāng)寬帶光波信號在FBG中傳輸時(shí)，由于產(chǎn)生模式耦合作用，滿足Bragg方程的光波信號被反射。任何對FBG的外界影響，如溫度、應(yīng)變等，都會(huì)致使FBG中心波長發(fā)生變化，對比變化前后的中心波長，即可測定出受外界物理參量影響的程度，這就是FBG傳感的基本機(jī)理。

1.2 系統(tǒng)組成

設(shè)計(jì)主要分為硬件和軟件2部分，硬件主要包括電源模塊、主控模塊、數(shù)據(jù)采集模塊、以太網(wǎng)模塊、光纖驅(qū)動(dòng)模塊等。其中，主控芯片采用STM32F407vet6，執(zhí)行速度能達(dá)到168 M；采集模塊采用LTC2314芯片，LTC2314用的是SPI通信方式，它的采集精度是14位，采集速度可以達(dá)到4.5 Msps，抗干擾能力強(qiáng)，滿足了實(shí)驗(yàn)要求；軟件主要是自動(dòng)尋峰算法、基于斯尼德橋的計(jì)軸算法、9點(diǎn)高斯擬合算法、影響因子累加算法和TCP/IP軟件通信和界面顯示軟件設(shè)計(jì)?？傮w結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖

2 軌道占用實(shí)驗(yàn)測試

2.1 自動(dòng)尋峰算法

圖2 數(shù)據(jù)波形

提出了一種新型尋峰方法，先把采集的光纖傳感器原始數(shù)據(jù)(見圖2)通過W5500以太網(wǎng)模塊傳輸?shù)缴衔粰C(jī)，上位機(jī)接收數(shù)據(jù)后利用巴特沃斯低通濾波器對數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波處理，將采集到的高頻干擾信號除去從而使采集到數(shù)據(jù)波形平滑，然后再利用中心5點(diǎn)滑動(dòng)平均法對采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理(各個(gè)采樣點(diǎn)左右兩邊各取2個(gè)數(shù)據(jù))，將數(shù)據(jù)處理前和處理后作差，對得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，使數(shù)據(jù)進(jìn)行抬升得出需要的數(shù)據(jù)點(diǎn)。圖2所示最終得到的峰值中心分別為33、54、91、116、133、150、166、183。

2.2 9點(diǎn)高斯多項(xiàng)式擬合算法

高斯多項(xiàng)式算法的原理是先對采集的分峰截幅后的數(shù)據(jù)進(jìn)行高斯多項(xiàng)式變換，然后通過最小二乘法對數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，從而確定不同光纖傳感器的波長中心位置。

光纖Brag傳感器的反射譜近似為高斯分布，滿足高斯函數(shù)

(2)

式中，P0為反射譜強(qiáng)度P的幅值；λi為光纖傳感器i的中心波長；Δλi為反射譜3 dB帶寬。然后對兩邊取ln對數(shù)，得

(3)

整理得

(4)

最終得

(5)

y(λ)=aλ2+bλ+c

(6)

對式(6)，通過最小二乘法可求得系數(shù)a、b、c的值，最終可得中心波長

(7)

對式(7)中的a0、a1、a2分別求一階導(dǎo)數(shù)得

(8)

(9)

對式(9)化簡得

(10)

現(xiàn)場數(shù)據(jù)擬合結(jié)果如表1所示。

重力是指加在鋼軌上的車重，光纖傳感器1和光纖傳感器2指的當(dāng)鋼軌承受不同的載重時(shí)，2個(gè)傳感器波長變化情況，具體分析如表2所示，以1 t為一個(gè)單位，不同傳感器相鄰2個(gè)峰值之間差距如表2所示，由表1的數(shù)據(jù)可以看出，車重每增加1 t，光纖傳感器的中心波長大概變化0.02 nm左右。

表1 不同重力下2個(gè)光纖傳感器變化數(shù)據(jù)

表2 2個(gè)光纖傳感器的波長差 nm

2.3 車輪計(jì)軸

車輪計(jì)軸是軌道占用測試的重要任務(wù)，計(jì)軸的原理是基于美國工程師Neel Sneed 提出的“Sneed Bridge”理論，計(jì)算4個(gè)應(yīng)變片的彎矩和函數(shù)，得出相應(yīng)的平衡曲線。監(jiān)測實(shí)驗(yàn)前經(jīng)測量驗(yàn)證：(1)光纖傳感器受壓致使中心波長的變化量正比于鋼軌的彎矩變化量；(2)2個(gè)枕木之間的最大安裝距離是40 cm，這邊將其平均3等分，4個(gè)點(diǎn)依次安裝4個(gè)光纖傳感器A、B、C、D，對應(yīng)波長變化分別為MA、MB、MC、MD，很好地滿足了實(shí)驗(yàn)要求。根據(jù)斯尼德橋原理，當(dāng)車輪在A、D之外，A、B之內(nèi)，B、C之內(nèi)，C、D之內(nèi)時(shí)，分別計(jì)算相應(yīng)區(qū)段的彎矩和函數(shù)，即MA+MB+MC+MD。本設(shè)計(jì)先采用平滑濾波對采集到的信號進(jìn)行濾波處理，濾除采集到的外部干擾信號，如車輛經(jīng)過時(shí)鋼軌振動(dòng)、外部敲打引起的干擾等，具體的濾波過程是先對網(wǎng)絡(luò)接收的4個(gè)傳感器中心波長差值數(shù)據(jù)進(jìn)行頻譜分析，然后根據(jù)選取的截止頻率對網(wǎng)絡(luò)傳輸過來的數(shù)據(jù)進(jìn)行逐點(diǎn)濾波。經(jīng)過比較，巴特沃斯低通濾波器已遠(yuǎn)遠(yuǎn)滿足了設(shè)計(jì)要求，具體濾波結(jié)果如圖3所示。然后再采用閾值分割原理和數(shù)據(jù)點(diǎn)數(shù)量判定邏輯對采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行車輪識別處理，經(jīng)過實(shí)驗(yàn)測量得到，每個(gè)輪子承受的車重最輕為2.3 t，最重為12.5 t，當(dāng)輪重是2.3 t時(shí)，此時(shí)的波長比較差值最小為-0.01 nm，所以選取-0.01 nm作為門限閾值。如圖3所示，就代表有3個(gè)車輪依次跨過4個(gè)傳感器。

2.4 方向判別

根據(jù)斯尼德橋原理，每個(gè)車輪經(jīng)過時(shí)都可以輸出一個(gè)彎矩和曲線，如圖3所示。但僅靠此原理無法判斷列車的行車方向，因此，本設(shè)計(jì)利用斯尼德橋曲線閾值點(diǎn)與A、D傳感器差值曲線結(jié)合分析，就可以準(zhǔn)確判斷列車的行駛方向。采用3種狀態(tài)表示，1代表上行、-1代表下行、0代表沒有車經(jīng)過。具體的波形顯示如圖4所示。

圖3 計(jì)軸濾波圖

圖4 方向識別圖

圖4(a)顯示原始的曲線，圖4(b)顯示3個(gè)車輪分別經(jīng)過A、D光纖傳感器時(shí)的輸出曲線，即在確定有車輪經(jīng)過時(shí)，利用閾值采集車輪經(jīng)過4個(gè)光纖傳感器時(shí)的數(shù)據(jù)點(diǎn)，然后選取此段數(shù)據(jù)點(diǎn)的中心位置，對前后截取的數(shù)據(jù)進(jìn)行求和作差，當(dāng)差值大于0時(shí)，即為1，上行方向行駛；差值小于0時(shí)，即為-1，下行方向行駛。經(jīng)過計(jì)算顯示可以得知，車輪1、2的行駛方向和車輪3的行駛方向不相同。

2.5 其它因素分析

為求出中心波長的偏移程度，必須求得基礎(chǔ)波長和實(shí)時(shí)波長，本設(shè)計(jì)采用影響因子法，即通過設(shè)置影響因子的大小來選取基礎(chǔ)波長，一般來說，當(dāng)列車經(jīng)過時(shí)，基礎(chǔ)波長變化越小越好，這樣測得的中心波長差比較顯著。所以經(jīng)過實(shí)驗(yàn)，基礎(chǔ)因子選取10 000。當(dāng)采集過來的數(shù)據(jù)數(shù)組大小每次計(jì)數(shù)到1 120時(shí)，計(jì)算平均值并與原始基礎(chǔ)波長做差值，將得到的差值除以影響因子，然后與原始基礎(chǔ)波長相加，就得到了最新的基礎(chǔ)波長。影響因子的選取和TCP/IP的通信速率有著密切關(guān)系。

光纖傳感器受溫度和應(yīng)變的變化比較顯著，所以設(shè)計(jì)必須排除溫度的干擾。為了排除溫度對中心波長的變化影響，采用了自動(dòng)尋峰方法，即每0.5 h，PC機(jī)都會(huì)自動(dòng)尋峰并且將尋到的中心波長的數(shù)據(jù)下發(fā)給下位機(jī)，供下位機(jī)進(jìn)行波長擬合，這樣通過不斷地更新基礎(chǔ)波長的值，就避免了溫度的影響，最終經(jīng)過軟件調(diào)試，使上位機(jī)和下位機(jī)可以正常通信。程序如圖5所示。

圖5 上下位機(jī)通信程序

2.6 界面程序制作

為了能夠?qū)壍离娐返臓顟B(tài)進(jìn)行查詢，將計(jì)軸結(jié)果通過LabVIEW程序[4]處理存入了SQL數(shù)據(jù)庫，方便后期對故障進(jìn)行判斷，數(shù)據(jù)庫中記錄了當(dāng)時(shí)時(shí)間的軌道電壓、入口計(jì)軸數(shù)、出口計(jì)軸數(shù)及最終的判斷結(jié)果。圖6是數(shù)據(jù)庫寫入程序。

圖6 數(shù)據(jù)庫寫入程序

3 結(jié)論

詳細(xì)敘述了光線傳感計(jì)軸技術(shù)中的一些實(shí)際問題的解決方法，設(shè)計(jì)了一套采用光纖計(jì)軸傳感技術(shù)的軌道電路監(jiān)測系統(tǒng)，即一種軌道電路監(jiān)測系統(tǒng)管理平臺。歸納總結(jié)，主要結(jié)果如下。

(1)深入分析了現(xiàn)有鐵道信號基礎(chǔ)設(shè)備監(jiān)測系統(tǒng)，充分論述了現(xiàn)有軌道占用檢測設(shè)備和微機(jī)監(jiān)測系統(tǒng)的原理、研究現(xiàn)狀及弊端。

(2)完成了光纖傳感軌道占用檢測的軟件功能，包括程序框架搭建設(shè)計(jì)，TCP/IP通訊、自動(dòng)尋峰處理、計(jì)軸測量、高斯多項(xiàng)式擬合、數(shù)據(jù)分析處理、前面板界面顯示等功能。

(3)利用SQL數(shù)據(jù)庫實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)，通過LabVIEW對采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，并通過調(diào)用DATABASE函數(shù)庫[5]鏈接到SQL數(shù)據(jù)庫，實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)采集、處理、轉(zhuǎn)存一體化。