一种基于分布式光纤的列车上水溢流监测系统的制作方法

本发明涉及列车上水领域，具体涉及一种基于分布式光纤的列车上水溢流监测系统。

背景技术：

我国当前的旅客列车上水主要依靠人工实现，当上水完成后，上水工观察到列车溢水管中有水溢出，并将对应上水管的阀门关闭。这种依靠人工的上水方式不仅效率低下，安全隐患大，而且实际上水过程中，一名上水工人需负责3～5节车厢的上水任务，这导致部分车厢发生溢流时，上水工还在其他车厢操作上水管，无法及时关闭对应溢流车厢的上水阀门，从而造成水资源的浪费。

当前国内专利库中关于旅客列车上水控制技术的专利不多。发明专利201310319956.3公布了一种铁路列车上水自动关闭装置，该方法包括列车蓄水箱、发射器和接收器；所述列车蓄水箱上设置有注水管和溢水口，其工作原理是，当列车水箱注满后，水从水箱溢流管溢出，冲击位于溢流管正下方的跷跷板一端，使板体另一端翘起触发控制触点，使无线发射模块发射信号，关闭位于上水管上的电磁阀，停止上水。该方法要求列车停靠后溢水管口正对跷跷板的一端，但实际停车过程中常存在一定偏差，且不同车型溢水口位置也不相同，难以保证每节车厢溢水管口正对跷跷板，此外，车站为半露天环境，外界风荷载也有可能带动跷跷板，从而产生误操作。同样的，发明专利201320169114.x公布了一种客车上水自动控制装置，该方法包括客车水箱及其接口、地面水井阀门和上水胶管等，其工作原理是当列车停靠后，上水工将相应上水编码输入给水模块，然后将胶管与客车水箱连接，给水模块根据上水编码开启电磁阀上水，同时压力传感器根据压力变化自动监测水箱水位，满水后发出停水信号，给水模块发出电磁阀关闭指令，同时打开给水井逆流阀，将胶管内的存水排入渗水井。该方法通过压力传感器判断水箱水位存在较大误差，因为上水软管内的水压本身波动范围较大，且上水过程中水流紊动程度较大，相比于这些干扰因素，水位变化导致的压力差则明显偏小。此外，华东交通大学对基于水压数据的上水栓自动关阀技术开展了一定的研究，试图通过水箱水满前后上水管内压力差异来判断关阀时间，但在实际上水过程中，上水管内水压本身就不是恒定值，且波动范围通常大于水箱水满前后的压力波动。

随着计算机与机器人技术的发展，工业机器人在各行各业的应用越来越普遍。在铁路旅客列车上水领域，基于工业机器人的全自动上水将是未来的主要发展方向，而上水控制技术是机器人自动上水实施的关键，急需研发出一种成本低、可行性高的列车上水监控系统。

技术实现要素：

针对现有列车上水监控技术的不足，本发明提出基于分布式光纤的列车上水溢流监测系统，能及时监测到相应车厢溢流管的溢流情况，具有监测灵敏度高，传输速度快，抗电磁干扰，能耗低，成本低等多种优点，本发明的技术方案如下：

一种基于分布式光纤的列车上水溢流监测系统，包括光纤解调仪和分布式光纤，所述分布式光纤平行于到发线股道敷设于所述到发线股道两侧且位于列车溢流管及上水管正下方，所述股道两侧的分布式光纤串联后电连接到光纤解调仪且与所述光纤解调仪形成闭合的监测回路。

在发生溢流时，多余的水通过溢流管以及车厢另一侧的上水管溢出，并跌落在位于溢流管以及车厢另一侧的上水管正下方的分布式光纤上，并促使与其接触的分布式光纤产生应变，光纤解调仪根据分布式光纤应变产生的后向瑞利散射光对应变位置进行定位，并将位置信息通过以太网传输至中控室的监控计算机上，监控计算机根据该时刻站台停靠的车辆信息及发生溢流的位置信息判断发生溢流的车厢编号，并发送相应的关阀指令，从而及时关闭相应上水管的电磁阀，避免水资源浪费。

进一步地，还包括光纤槽，所述光纤槽平行于到发线股道敷设于所述到发线股道两侧且位于列车溢流管及上水管正下方，所述分布式光纤敷设于所述光纤槽中。

进一步地，还包括光纤支架，所述光纤支架安装于所述光纤槽底面上，所述分布式光纤固定安装于所述光纤支架上。

进一步地，还包括弹性薄膜，所述弹性薄膜安装于所述光纤槽上，且所述弹性薄膜的两侧分别固定于光纤槽两侧壁，所述弹性薄膜在光纤槽中处于拉紧状态，所述弹性薄膜下表面与所述分布式光纤外表面接触，通过设置弹性薄膜，使溢出的水跌落在弹性薄膜上，使弹性薄膜产生微小振动，促使与其接触的分布式光纤产生应变。

进一步地，所述分布式光纤包括分布式应变补偿光纤和分布式应变监测光纤，所述弹性薄膜底部与所述分布式应变监测光纤的外表面接触。

进一步地，所述分布式应变监测光纤为两条。

进一步地，所述弹性薄膜边缘沿弹性薄膜长度方向间隔设置有多个弹性薄膜排水孔。

进一步地，所述光纤槽侧壁的下部沿光纤槽长度方向间隔开设有多个光纤槽排水孔。

进一步地，所述光纤槽顶部开口处设置有钢格栅盖板。

进一步地，所述分布式光纤采用普通单模光纤，所述分布式光纤由内至外分别为光纤纤芯、包层、涂覆层、包覆层和柔性护套层。

进一步地，还包括监控计算机和服务器，所述监控计算机和服务器均与所述光纤解调仪电连接，所述监控计算机还和所述服务器电连接。

本发明的有益效果：

1.本发明采用分布式光纤取代上水工人对列车水箱溢流进行监测，在发生溢流时，多余的水通过溢流管以及车厢另一侧的上水管溢出，并跌落在位于溢流管以及车厢另一侧的上水管正下方光纤槽的弹性薄膜上，弹性薄膜产生微小振动，并促使与其接触的分布式光纤产生应变，光纤解调仪根据分布式光纤应变产生的后向瑞利散射光对应变位置进行定位，并将位置信息通过以太网传输至中控室的监控计算机上，监控计算机根据该时刻站台停靠的车辆信息及发生溢流的位置信息判断发生溢流的车厢编号，并发送相应的关阀指令，从而及时关闭相应上水管的电磁阀，避免水资源浪费。

2.本发明无需对列车水箱或列车溢流管等进行改造，仅沿股道两侧铺设光纤槽，在所述光纤槽中敷设分布式光纤，实施简单，可操作性强。

3.分布式光纤既是信号传感元件，又是信号传输原件，监测精度高，信号传播速度快，抗电磁干扰强，可在水箱发生溢流后立即确定相应溢流水箱位置。

4.分布式光纤采用普通单模光纤，耐久性好且成本低廉。

附图说明

图1：本发明实施例提供的基于分布式光纤的列车上水溢流监控系统平面布置示意图；

图2：本发明实施例提供的光纤槽埋设位置示意图；

图3：本发明实施例提供的光纤槽及列车横断面示意图；

图4：本发明实施例提供的光纤槽俯视图；

图5：本发明实施例提供的光纤槽内部结构示意图；

图6：本发明实施例提供的光纤槽纵剖面图；

图7：本发明实施例提供的光纤槽横剖面图；

图8：本发明实施例提供的柔性护套光纤示意图；

图9：本发明实施例提供的刚性护套光纤示意图；

图10：本发明实施例提供的刚性护套光缆横断面示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1-3所示，本发明实施例提供的基于分布式光纤的列车上水溢流监测系统，包括光纤解调仪29、分布式光纤、光纤槽21、监控计算机32和服务器33，所述光纤解调仪29布置在轨道27沿线的各车站的中控室，所述光纤解调仪29通过光纤以太网30接入到中控室34，再通过数据连接线31分别电连接到监控计算机32和服务器33，所述监控计算机32还通过数据线电连接到服务器33，所述光纤槽21平行于到发线股道敷设于所述到发线股道两侧且位于列车溢流管23及上水管正下方，如列车外轮廓26，所述上水管包括位于列车左侧的上水管22和位于列车右侧的上水管24，所述分布式光纤从光纤解调仪29引出，并以光缆的形式埋地敷设，引至车站到发线股道一侧的光纤槽21后，沿该侧光纤槽21中敷设，之后在列车停车范围外继续以光缆形式就近沿涵洞或两枕木28之间的混凝土套管25穿越股道，到股道另一侧的光纤槽21，继续沿该侧光纤槽21中敷设，之后以光缆形式回接到控制室中的光纤解调仪29上，从而形成闭环的监测回路。

优选地，如图4所示，还包括弹性薄膜，所述弹性薄膜安装于所述光纤槽21上，且所述弹性薄膜的两侧分别固定于光纤槽21两侧壁14，所述弹性薄膜在光纤槽21中处于拉紧状态，所述弹性薄膜下表面与所述分布式光纤外表面接触。

本发明采用分布式光纤取代上水工人对列车水箱溢流进行监测，当列车到站后，位于车站的上水机器人给列车水箱上水，当列车水箱水满后会发生溢流，多余的水通过溢流管23以及车厢另一侧的上水管溢出，并跌落在位于溢流管23以及车厢另一侧的上水管正下方光纤槽21的弹性薄膜上，弹性薄膜产生微小振动，并促使与其接触的分布式光纤产生应变，光纤解调仪29根据分布式光纤应变产生的后向瑞利散射光对应变位置进行定位，并将位置信息通过以太网传输至中控室34的监控计算机32上，监控计算机32根据该时刻站台停靠的车辆信息及发生溢流的位置信息判断发生溢流的车厢编号，并向相应控制系统发送相应的关阀指令，从而及时关闭相应上水管的电磁阀，避免水资源浪费。

优选地，所述分布式光纤包括三条光纤，其中一条作为分布式应变补偿光纤，另外两条作为分布式应变监测光纤，所述弹性薄膜下表面仅与所述分布式应变监测光纤的外表面接触，所述分布式应变监测光纤也可以只有一条，本实施例中，设置两条，增加了系统的可靠性。

由于临近股道的列车行驶等产生的振动以及降雨时雨水对分布式光纤监测灵敏度均会产生干扰，选取柔性护套光纤18作为分布式应变补偿光纤，用于捕捉监测环境中的干扰应变，选取柔性护套光纤(19,20)作为分布式应变监测光纤，其外表面与弹性薄膜下表面接触，用于监测列车水箱溢流情况，可以认为，列车行驶等产生的振动干扰对柔性护套光纤(18,19,20)的干扰效果基本一致，将柔性护套光纤(19,20)监测到的应变值减去柔性护套光纤18的应变值，即为柔性护套光纤(19,20)排除干扰后的实际应变值。对于降雨干扰，主要体现为部分露天到发线在降雨强度较大时，光纤槽21中所有弹性薄膜均存在微小振动，从而导致全段柔性护套光纤(19,20)均监测到应变，难以识别列车水箱溢流情况，但随着上水时间的持续，列车溢流管23和上水管中溢流水量将不断增加，其跌落流速也将不断增加，溢流水跌落产生的应变将明显大于雨水跌落产生的应变，因此，降雨时可适当调高光纤应变监测阈值，只有相应位置的监测应变超过该值时，计算机才发出相应上水管的关阀指令。

需要说明的是，以上技术方案为车站一条到发线的上水监测系统，对于车站中多条到发线，可增加光纤解调仪29的通道数，按上述方案每三条光纤构成一个监测回路，用于监测一条股道，例如某车站共有四条需考虑上水的股道，则该站配备一台二十四通道光纤解调仪29，设置四组监测回路，即十二条分布式光纤。

优选地，所述分布式光纤敷设于列车停车范围内的部分采用柔性护套光纤，其它部分采用刚性护套光纤，如图1所示，三条刚性护套光纤(15,16,17)从光纤解调仪29中引出，并以光缆的形式埋地敷设，引至车站到发线一侧，在到发线列车停车范围内，取消其最外层刚性护套6，将三条光纤从光缆中引出，使之成为柔性护套光纤(18,19,20)，并沿该侧光纤槽21中敷设，敷设完后，在列车停车范围外光纤恢复最外层的刚性护套6，使之成为刚性护套光纤(15,16,17)，并继续以光缆形式就近沿涵洞或套管穿越股道，到股道另一侧的光纤槽21，继续以柔性护套光纤(18,19,20)沿该侧光纤槽21中敷设，之后以光缆形式回接到控制室中的光纤解调仪29上，从而形成闭环的监测回路。

优选地，还包括光纤支架，所述光纤支架安装于所述光纤槽21底面14上，所述分布式光纤固定安装于所述光纤支架上。

上述实施例中，使用光纤支架，将分布式光纤固定安装于所述光纤支架上，使分布式光纤与光纤槽21底面保持一定距离，以防止在下雨天，光纤槽21底部水流对分布式光纤应变产生干扰，如图5和7所示，所示光纤支架包括光纤支架7和光纤支架13，所述光纤支架7和光纤支架13均沿光纤槽21长度方向间隔设置，所述光纤支架13为两排，三排所述光纤支架沿光纤槽21宽度方向分别隔开有一定距离，两排所述光纤支架13分别用于固定柔性护套光纤19和柔性护套光纤20，所述光纤支架13的竖直高度高于光纤支架7的竖直高度，光纤槽21内敷设三条柔性护套光纤(18,19,20)，光纤每隔一定距离通过光纤支架固定，其中作为分布式应变监测光纤的柔性护套光纤(19,20)分别采用两排光纤支架13固定，作为分布式应变补偿光纤的柔性护套光纤18采用光纤支架7固定，所述光纤支架采用不锈钢材质，所述光纤支架固定在光纤槽21底面上。所述光纤槽21内设置有弹性薄膜，弹性薄膜固定在光纤槽21两侧壁，所述弹性薄膜底面仅与所述柔性护套光纤(19,20)外表面接触，所述弹性薄膜在光纤槽21中处于适当拉紧状态。

优选地，所述分布式光纤包括分布式应变补偿光纤和分布式应变监测光纤，所述弹性薄膜底面与所述分布式应变监测光纤的外表面接触。

优选地，所述分布式应变监测光纤为两条。

上述实施例中，由于临近股道列车行驶等产生的振动干扰以及降雨时雨水对分布式光纤监测灵敏度均会产生干扰，选取柔性护套光纤18为应变补偿光纤，用于捕捉监测环境中的干扰应变，选取柔性护套光纤(19,20)为应变监测光纤，其外表面与弹性薄膜下表面接触，用于监测列车水箱溢流情况，可以认为，列车行驶等产生的振动干扰对柔性护套光纤(18,19,20)的干扰效果基本一致，将柔性护套光纤(19,20)监测到的应变值应减去柔性护套光纤18的应变值，即为柔性护套光纤(19,20)排除干扰后的实际应变值，对于降雨干扰，主要体现为部分露天到发线在降雨强度较大时，光纤槽21中所有弹性薄膜均存在微小振动，从而导致全段柔性护套光纤(19,20)均监测到应变，难以识别列车水箱溢流情况，随着上水时间的持续，列车溢流管23和上水管中溢流水量将不断增加，其跌落流速也将不断增加，溢流水跌落产生的应变将明显大于雨水跌落产生的应变，因此，降雨时可适当调高光纤应变监测阈值，只有相应位置应变超过该值时，计算机才发出相应上水管的关阀指令。

优选地，所述光纤槽21侧壁靠近光纤槽底面位置沿光纤槽21长度方向间隔开设有多个光纤槽排水孔。

上述实施例中，所述光纤槽排水孔贯穿所述光纤槽21侧壁，用于排除光纤槽21底部的积水，如图6和7所示，所示光纤槽21右侧壁底部沿光纤槽21长度方向间隔设置有光纤槽排水孔9，所述光纤槽21左侧壁底部沿光纤槽21长度方向间隔设置有光纤槽排水孔10。

优选地，如图4所示，所述弹性薄膜上也开设有弹性薄膜排水孔35，所述排水孔35设置于弹性薄膜的边缘且沿弹性薄膜长度方向间隔设置，所述弹性薄膜排水孔35用于排除弹性薄膜上的积水。

优选地，所述光纤槽21顶部开口处设置有钢格栅盖板。

上述实施例中，设置钢格栅盖板，用于保护光纤槽21中的弹性薄膜和分布式光纤。

优选地，所述分布式光纤采用普通单模光纤，所述分布式光纤由内至外分别为光纤纤芯、包层2、涂覆层3、包覆层4和柔性护套5层。

如图8和图9所示，所述分布式光纤采用普通单模光纤，其中柔性护套光纤由内至外分别为单模光纤纤芯1、包层2、涂覆层3、包覆层4和柔性护套层5，刚性护套光纤由内至外分别为单模光纤纤芯1、包层2、涂覆层3、包覆层4、柔性护套层5和刚性护套层6。

优选地，所述光纤槽21沿到发线股道两侧铺设，其长度应大于单列客车长度且能保证该到发线所有类型客车停靠后均在其铺设范围内。

优选地，所述光纤槽21可埋设在到发线股道两侧碎石中，也可紧贴混凝土轨道基础敷设。

优选地，所述光缆就近利用给水管道套管或涵洞穿越股道。

优选地，如图10所示，所述光缆采用刚性护套光缆36，内含三条刚性护套光纤(15,16,17)及柔性填充物37。

优选地，所述光纤槽21底座、侧壁为不锈钢材质。

优选地，铁路中控室34可对多个车站的上水情况进行监控，各车站应变信息通过以太网传输至中控室34的监控计算机32上。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。