本发明涉及基于智能光纤传感和正反 E 字型漏缆安全行车方法及系 统，属于信息通信、 光纤技术与行车控制相结合的技术领域，特别 适用于 地铁、 铁路、 高速铁路的通信信号一体化的行车控制系统。

背景技术

光纤传感网将是物联网的重要组成部分 ，但将智能光纤传感技术与 正反 E字型漏泄同轴综合光缆的车 -地通信系统 (误码率小于 10- ⁶ )相结 合以提高行车安全的方法，尚未见到有关报道 。

19世纪后半期以来，铁路安全运行一直靠轨道� ��路、 轨道应答器等 电磁感应器件来确定列车的位置 ^是利用电磁感应的定位器件由于电磁 场的分布范围很大，定位很难做到精确，同时 电磁感应的定位器件还将受 到外部和相互间的干扰，其最大缺陷是极易受 到雷击，所以这种电磁感应 定位器件精度不高 ，而且安全性也差。列车定位还需要准确知道 行车的速 度，目前我国铁路一般都采用计轴的方法来确 定行车速度，但由于车轮是 磨损的 ，尤其高速列车磨损更甚，测轴所得的车速并 不准确。所以这种系 统不仅定位精度不高，而且极易受到雷击，经 常发生信号系统被雷击的故 障，如何防止雷击，这是长期以来没有得到解 决的难题。 目前我国已有 9 万多公里铁路，其中高速铁路约 1 万公里，在十二五期间 ，仅西部地区 就需要增加 1.5万公里，总投资约 2万亿左右。但现在我国高速铁路也是 采用轨道电路、轨道应答器、车轴计数、车载 系统和 GSM-R所组成的" C3 系统' ό由于高铁路基都是由 25m或 50m长的无渣道床架在桥墩上所组成， 对于雷电来讲，钢轨是悬空的导体，更易受到 雷击，所以高速铁路的信号 系统经常出现雷击事故，这是目前存在的难题 。 C3系统自投入运营以来 经常发生故障，影响高速列车的正常运行。

关于城市地铁，截止目前，中国共有 13个城市拥有运营线路，总里 程约 1600公里，现在 25个城市在建轨道交通线路约 1500公里，工程 规模保持高位发展。 "十二五"期间 ，中国城市轨道交通仍将保持快速发展 态势，期间的建设规模为 2500公里左右，总投资为 1.2万亿元左右。 而 城市轨道交通所采用的列车控制系统为基于通 信的列车控制系统 ( CBTC 阿尔卡特、 西门子、 阿尔斯通等多家列车控制系统设备提供 商均开发出自己的 CBTC系统，这些系统的列车定位传感器都是采� �电 磁感应的方法，容易受到外部和相互间的干扰 ，所以定位精度不高，而且 各种 CBTC的车 -地通信系统都没有明确提出误码率小于 10- ⁶ 的指标。 目 前许多城市的地铁虽然采用了 CBTC系统，但 CBTC系统还处在发展和 完善的过程中 ，所以许多城市经常出现信号故障，例如北京 1号地铁线， 信号故障频繁，造成较大的安全隐患。 发明内容

为了克服现有技术的不足， 本发明提供基于智能光纤传感和正反 E 字型漏缆安全行车方法及系统。

本发明解决其技术问题采用的技术方案是：本 发明在国际上首次将 智能光纤传感技术用于列车控制系统，以提高 地铁、铁路、 高速铁路的行 车安全，并提高其运输效率，其发明的主要内 容如下：

基于智能光纤传感和正反 E字型漏缆安全行车方法及系统，获得精 确的列车定位信息，通过具有智能判决处理功 能的行车指挥中心，精确算 出整个行车指挥区间内各次列车的位置、 相隔距离、 行车速度和加速度， 并经高速计算系统得出各次列车最佳运行速度 ，并立即由微波发送模块经 引入缆接至车 -地通信系统（误码率小于 10- ⁶ )通知具有通信编码地址的 各次列车，各次列车驾驶室通过该车-地通信� �统向指挥中心实时发出该 次列车的地址编码号及其它有关信息。

基于智能光纤传感和正反 E字型漏缆安全行车方法，包括以下步骤：

1、 智能光纤传感采集信息步骤，每隔一定距离 100-200m (也可小 于或等于列车的长度），埋设在轨道下、 侧面、 轨道扣件上及轨道附近的 光纤压力传感头和光纤传感缆采集列车的车轮 压在传感器上时的信息 ^ 压的光纤传感头立即以光速将信息传到指挥中 心；

2、 指挥中心接收信息步骤；

指挥中心接收到各个光纤传感头的光信号，由 光端机变成电信号，再 由数字信号处理芯片和计算机进行快速准确的 计算，可立即得出整个行车 指挥区间内各次列车的位置、相隔距离、行车 速度和加速度，并经高速计 算系统得出各次列车最佳运行速度，并立即经 过微波发送模块和引入电缆 接至车 -地通信系统；

3、 指挥中心通过该系统通知具有通信编码地址的 各次列车，在各次 列车的驾驶室的屏幕上可显示出该列车的最佳 运行速度、其前后列车相隔 的距离和速度；当某次列车发生故障时，指挥 中心将对各次列车发出依次 减速甚至停车的指令，可确保行车安全并提高 运能。

4、各次列车驾驶室通过该车 -地通信系统向指挥中心实时发出该次列 车的地址编码号及其它有关信息。

基于智能光纤传感和正反 E字型漏缆安全行车系统，包括智能光纤 传感系统、 控制中心、 双向车 -地通信系统；

智能光纤传感系统是由光纤传感头和传感光缆 所组成。

传感头可以由光纤 Mach-Zehnder干涉腔、 光纤 Fabry-Perot腔、 光 纤光栅、 光纤光栅组等和其它光纤压力传感器件所组成 。

传感头敷设在轨道下、侧面、 轨道扣件上及轨道附近附近，对于高速 铁路的整体道床，传感头也可设在整体道床的 下边，并具有相应的保护层。 只有当列车车轮压在传感头上时，传感头才发 出阈值信号，经光纤以光速 传输至指挥中心，定位比电磁感应器件定位更 为精确，却不受电磁干扰， 并可防雷击。

控制中心由光发射模块和光的接收模块所组成 的光端 ίΠ(或其它专用 光电转换设备 高速数字信号处理芯片、 地铁线（或铁路调度区段）的 轨道数字电子地图（包括整个线路的长度、 曲率半径、 坡度、 各站间距离 甚至地铁站各个车厢门所对应的停车位置 计算系统、 大屏幕显示器、 微波发送、接收模块和放大器连接组成，各个 光纤传感头经光缆传至控制 中心的光信号，由光端机（或其它专用光电转 换设备）变成电信号，再由 数字信号处理芯片和计算机进行快速准确的计 算，可立即精确算出整个行 车指挥区间内各次列车的位置、相隔距离、行 车速度和加速度（其精度是 计轴器所不能比拟的），并经高速计算系统得 出各次列车最佳运行速度。 并立即由微波发送模块经引入缆接至漏缆双向 车 -地通信系统（误码率小 于 10- ⁶ )通知具有通信编码地址的各次列车，各次列� �驾驶室也可通过该 车-地通信系统向指挥中心实时发出该次列车� �地址编码号及其它有关信

双向车 -地通信系统， 由具有正反 E字型槽漏泄同轴综合光缆（或其 它各种开槽形式的漏泄同轴）和各种型号的车 载天线所组成，采取光的波 分复用系统进行光电变换与同轴电缆相连接， 确保长距离的车-地通信误 码率小于 10- ⁶ ，可确保行车安全。

列车上装有车载天线，车载天线可以是微带或 其它形式的天线，列车 上有电的发送模块和接收模块。

每次列车都有地址编码通信的编码号，列车从 指挥中心接收到的信 息，可在屏幕上显示出该列车的最佳运行速度 、其前后列车相隔的距离和 速度，该系统还具有执行指挥中心所下达的减 速甚至停车命令的关键部 件，列车的车头和车尾还可以通过该车 -地通信系统向指挥中心发送列车 编码号，以防列车脱节事故，还可与指挥中心 进行双向通信。

当某次列车发生故障时，指挥中心通过智能光 纤传感网准确知道其故 障位置，并通过车-地通信系统迅速发出各次� �车依次减速的命令、 甚至 是停车的指令，如司机未执行指令时，指挥中 心可直接对司机操纵台及常 用的制动装置发出减速甚至停车命令，直接控 制减速和停车，以确保行车 的安全。

如某次列车故障停车则行车指挥中心计算系统 可根据轨道数字电子 地图精确计算并下达后行列车的减速命令，使 后行列车车头在距前车车尾 数十米或百米以上的地方完全停住，行车指挥 中心更可指挥各次列车相应 的减速或停车。

各次列车根据指挥中心行车指令可将列车停在 各车厢门对准旅客上 下车的位置。

行车指挥中心接到轨道路基下陷、塌方等灾害 性的信息，将及时下达 减速或停车等指令。

各铁路车站也具有相应的通信地址码 ^车站出现微机联锁等方面的 故障，指挥中心可立即调整实时的运行图。

节假日、春运期间有可能需要多次列车串接一 体运行，则指挥中心根 据轨道数字电子地图和智能光纤传感数据精确 计算出行车指令，指挥各次 列车同时启动、 加速、 减速或停车，以确保行车安全。

对于有多个车头牵引的万吨级或数万吨级重载 列车则指挥中心根据 轨道数字电子地图和智能光纤传感数据精确计 算出行车指令，指挥各个车 头同时启动、 加速、 减速或停车，以确保行车安全。

本发明的有益效果：

基于智能光纤传感和正反 E 字型漏缆提高行车安全的方法的本发明 可以获得精确的列车定位信息，并且不怕外界 电磁干扰，并可解决铁路信 号系统遭受雷击的重大技术难题，可确保行车 安全，提高运输效率，而且 每公里造价只为现有 "C3系统"的 20%。

对于城市轨道交通，本发明比 CBTC系统更加可靠地保证地铁的行 车安全和提高运能，而且成本只有 CBTC系统的 20%-30%。

所以本发明具有极其巨大的社会效益和经济效 益。 附图说明

当结合附图考虑时，通过参照下面的详细描述 ，能够更完整更好地理 解本发明以及容易得知其中许多伴随的优点， 但此处所说明的附图用来提 供对本发明的进一步理解，构成本发明的一部 分，本发明的示意性实施例 及其说明用于解释本发明 ，并不构成对本发明的不当限定，如图其中 ： 图 1 为本发明的光纤传感头、 光缆分布情况、 正反 E字型漏缆架设 情况和列车驾驶信息显示屏的示意图。 图 2为本发明控制中心的示意图。

图 3为正反 E字综合光缆和波分复用光电变换示意图。

以下结合附图和实例对本发明进一步说明。

具体实施方式

显然，本领域技术人员基于本发明的宗旨所做 的许多修改和变化属 于本发明的保护范围。

实施例 1 ： 如图 1、 图 2和图 3所示，

本发明解决其技术问题采用的技术方案是：本 发明在国际上首次将 智能光纤传感技术用于列车控制系统，以提高 地铁、铁路、 高速铁路的行 车安全，并提高其运输效率，其发明的主要内 容如下：

基于智能光纤传感和正反 E 字型漏缆提高行车安全的方法，实现该 方法需由下列三部分设备来支撑：

( 1 )智能光纤传感系统，每隔一定距离 100-200m (也可小于或等 于列车的长度），埋设在轨道下、 侧面、 轨道扣件上及轨道附近的光纤压 力传感头和光纤传感缆所组成，只有当列车的 车轮压在传感器上时，受压 的光纤传感头立即以光速将信息传到指挥中心 ，列车定位信息极其精确， 定位精度是电磁感应定位器件所不能比拟的 ，且不受电磁干扰，防雷击， 可彻底解决铁路信号系统雷击的严重问题。

( 2 )列车控制中心-智能判决处理的核心，由光发� ��模块和光的接收 模块所组成的光端机（或其它专用光电转换设 备） 高速数字信号处理芯 片、 地铁线（或铁路调度区段）的轨道数字电子地 图（包括整个线路的长 度、 曲率半径、坡度、 各站间距离甚至地铁站各个车厢门所对应的停 车位 置 计算系统、 大屏幕显示器、 微波发送、 接收模块和放大器连接组成， 各个光纤传感头经光缆传至控制中心的光信号 ，由光端机（或其它专用光 电转换设备）变成电信号，再由数字信号处理 芯片和计算机进行快速准确 的计算，可立即精确算出整个行车指挥区间内 各次列车的位置、相隔距离、 行车速度和加速度，并经高速计算系统得出各 次列车最佳运行速度。并立 即由微波发送模块经引入缆接至漏缆双向车 -地通信系统（误码率小于

( 3 )车 -地通信系统，由开正反 E 字型槽漏泄同轴综合光缆（或其 它各种开槽形式的漏泄同轴）和各种型号的车 载天线所组成（该车 -地通 信系统误码率小于 10- ⁶ ，为双向通信系统）b 指挥中心通过该系统通知具 有通信编码地址的各次列车在各次列车的驾驶 室的屏幕上可显示出该列 车的最佳运行速度、其前后列车相隔的距离和 速度。这从根本上改变了列 车司机见红灯停、见绿灯开的半盲目状态。 当某次列车发生故障时，指挥 中心将对各次列车发出依次减速甚至停车的指 令，同时列车驾驶室也可通 过该车-地通信系统向指挥中心实时发送该次� �车的地址码及其它信息， 可确保行车安全并提高运能。 基于智能光纤传感和正反 E 字型漏缆提高行车安全的装置，包括智 能光纤传感系统、 控制中心、 双向车 -地通信系统；

智能光纤传感系统是由光纤传感头和传感光缆 所组成。

传感头可以由光纤 Mach-Zehnder干涉腔、 光纤 Fabry-Perot腔、 光 纤光栅、 光纤光栅组等和其它光纤压力传感器件所组成 。

传感头敷设在轨道下、侧面、 轨道扣件上及轨道附近，对于高速铁路 的整体道床，传感头也可设在整体道床的下边 ，并具有相应的保护层。只 有当列车车轮压在传感头上时，传感头才发出 阈值信号，经光纤以光速传 输至指挥中心，定位比电磁感应器件定位更为 精确，却不受电磁干扰，并 可防雷击，而且现有的所有 CBTC设备的定位信息不能实时直接传输至 行车指挥中心。

控制中心-智能判决处理的核心， 由光发射模块和光的接收模块所组 成的光端机（或其它专用光电转换设备 高速数字信号处理芯片、 地铁 线（或铁路调度区段）的轨道数字电子地图（ 包括整个线路的长度、 曲率 半径、 坡度、 各站间距离甚至地铁站各个车厢门所对应的停 车位置 计 算系统、 大屏幕显示器、 微波发送、 接收模块和放大器连接组成，各个光 纤传感头经光缆传至控制中心的光信号，由光 端机（或其它专用光电转换 设备齊成电信号，再由数字信号处理芯片和计 算机进行快速准确的计算， 可立即精确算出整个行车指挥区间内各次列车 的位置、相隔距离、行车速 度和加速度，并经高速计算系统得出各次列车 最佳运行速度。 并立即由 微波发送模块经引入缆接至漏缆双向车 -地通信系统（误码率小于 10- ⁶ ) 通知具有通信编码地址的各次列车，各次列车 驾驶室也可通过该车 -地通 信系统向指挥中心实时发出该次列车的地址编 码号及其它有关信息。 车 -地通信由具有正反 E字型槽漏泄同轴综合光缆（或其它各种开槽 形式的漏泄同轴）和各种型号的车载天线所组 成的双向车 -地通信系统， 由于车-地通信距离一般都在数十公里甚至上� �公里，所以需要采取光的 波分复用系统进行光电变换与同轴电缆相连接 ，这就是目前所称的 R〇F ( Radio Over Fiber ) ,可确保长距离的车 -地通信误码率小于 10- ⁶ ,可确 保行车安全。 近来在北京地铁 2 号线、 北京地铁机场线和深圳地铁采用 了漏泄波导，要求车载天线与漏泄波导的间距 为 0.5m，耦合损耗仍高达 65dB ,外部场强弱、 施工难度大且造价约为正反 E字型槽漏泄同轴综合 光缆的 3倍。

列车上装有车载天线，车载天线可以是微带或 其它形式的天线，列车 上有电的发送模块和接收模块。每次列车都有 地址编码通信的编码号，列 车从指挥中心接收到的信息，可在屏幕上显示 出该列车的最佳运行速度、 其前后列车相隔的距离和速度，该系统还具有 执行指挥中心所下达的减速 甚至停车命令的关键部件，列车的车头和车尾 还可以通过该车-地通信系 统向指挥中心发送列车编码号，以防列车脱节 事故，还可与指挥中心进行 双向通信。

当某次列车发生故障时，指挥中心通过智能光 纤传感网准确知道其故 障位置，并通过车-地通信系统迅速发出各次� �车依次减速的命令、 甚至 是停车的指令，如司机未执行指令时，指挥中 心可向该系统中具有执行指 挥中心所下达的减速甚至停车命令的关键部件 直接控制减速和停车 确 保行车的安全。 实施例 2

图 1中所示的光纤传感头可以由光纤 Mach-Zehnder干涉腔、 光纤 Fabry-Perot腔、 光纤光栅、 光纤光栅组等和其它光纤压力传感器件所组 成。具有相应保护层的传感头可以敷设在轨道 下、侧面、 轨道扣件上及轨 道附近，可通过其它器件将压力传至敷设在钢 轨旁的光纤传感头上；对于 高速铁路的整体道床，传感头也可设在整体道 床的下边或支撑无渣轨道梁 的桥墩上。

如图 1所示，列车 1在轨道 8上，列车 1 上有驾驶信息显示屏 2， 列车上装有车载天线 9，正反 E字型槽漏泄同轴综合光缆（或其它各种开 槽形式的漏泄同轴及光缆）3可置于轨道 8旁或挂在隧道的墙壁，其离地 面距离或墙壁的距离大于电传输波长的四分之 一波长处。

正反 E字漏缆 3与车载天线 9的间距可为 0.5m至 2m。

在电气化铁道区段，正反 E字漏缆 3可挂在接触网的电杆上。

枕轨 4 连接轨道 8，在枕轨 4 上均勻布置光纤传感头 5 ,距离为 100-200米，光纤传感头 5连接光纤 7，光纤 7放置在钢管 6中 ，光纤 7 连接光缆 10；

图 2中所示的列车控制中心-智能判决处理的核心� ��是由光发射模块 和光的接收模块所组成的光端机（或其它专用 光电转换设备） 12、 数字 信号处理芯片 13、 计算系统 14、 地铁线（或铁路调度区段）的轨道数字 电子地图 17 (包括整个线路的长度、 曲率半径、 坡度、 各站间距离甚至 地铁站各个车厢门所对应的停车位置 大屏幕显示器 18、微波发送和接 收模块 15、 电的放大器和各种天线所组成，重要关键器件 和设备具有双 备份，指挥中心的光端机 12通过光缆 10和光纤 7接收到各个光纤传感 头 5的光信号，由光端机 12变成电信号，电信号再由数字信号处理芯片 13和计算机 14进行快速准确的计算，可立即精确算出整个� ��车指挥区间 内各次列车 1 的位置、 相隔距离、 行车速度和加速度（其精度是计轴器 所不能比拟的），并经高速计算系统得出各次 列车 1最佳运行速度，并立 即由微波发送和接收模块 15连接电线 16和正反 E字漏缆 3引入缆接至 车 -地通信系统，通知具有通信编码地址的各次� �车 1 ，各次列车 1驾驶 室也可通过该车-地通信系统向指挥中心实时� �出该次列车 1 的地址编码 号及其它有关信息。

当某次列车发生故障时，图 2 中所示的列车控制中心通过智能光纤 传感网准确知道其故障位置，并通过车 -地通信系统迅速发出各次列车依 次减速的命令、 甚至是停车的指令，如司机未执行指令时，指 挥中心可向 该系统中具有执行指挥中心所下达的减速甚至 停车命令的关键部件直接 控制减速和停车，以确保行车的安全。

各个车站也有车 -地通信系统中的地址编码通信的地址码，并� �电的 接收模块和发送模块、和与微机联锁执行机构 所连通的信道，车站可以与 指挥中心进行双向通信，指挥中心还可向车站 发出有关微机联锁的指令。

如图 3所示，在正反 E字漏缆 3上分布第一准确位置标点 39、 第二 准确位置标点 31、 第三准确位置标点 32等第 N准确位置标点；第一准 确位置标点 39连接光电变换发送接收模块 33 ,光电变换发送接收模块 33连接光纤 7传送的信号，该信号是由列车控制中心接收� �发送的。 正反 E字漏缆 3的辐射的开槽方向需对准列车的天线 32 ,列车的天 线 32连接车载数字信息处理系统 38，如采用具有双钢丝加强内导体可保 正反 E 字型开槽自动对准机车的天线 （见 ZL200610169893.8 ， ZL200610169894.2

如图 3所示， 由于车 -地通信距离一般都在数十公里甚至上百公里� � 所以需要采取光的波分复用系统进行光电变换 与同轴电缆相连接 就是 目前所称的 ROF ( Radio Over Fiber ) ,可确保长距离的车-地通信误码率 小于 10- ⁶ ，可确保行车安全。

如上所述，对本发明的实施例进行了详细地 说明 ，但是只要实质上 没有脱离本发明的发明点及效果可以有很多的 变形 ^对本领域的技术人 员来说是显而易见的。因此，这样的变形例也 全部包含在本发明的保护范 围之内。