本發(fā)明涉及鐵道信號技術(shù)領(lǐng)域，具體地，涉及一種鐵路計軸設(shè)備、一種鐵路計軸方法、一種鐵路計軸系統(tǒng)、以及一種信號處理設(shè)備。

背景技術(shù)：

鐵路交通運輸是社會經(jīng)濟生活的大動脈，普通列車提速、高速鐵路運營里程增加改善了人們出行條件，提高了貨物運輸速度，對國民經(jīng)濟的發(fā)展做出巨大貢獻。而鐵路信號是鐵路運輸調(diào)度的關(guān)鍵。其中，列車軌道占用監(jiān)測是鐵路信號的基礎(chǔ)，若監(jiān)測設(shè)備發(fā)生故障不僅會造成鐵路交通阻塞，更會帶來巨大的生命、財產(chǎn)損失。例如2011年7月23日甬溫線發(fā)生的動車追尾事故，造成該事故的原因是鐵路信號系統(tǒng)受雷電干擾時發(fā)生故障，列車軌道占用監(jiān)測系統(tǒng)未能準確判定軌道占用情況，在軌道被占用的狀態(tài)下后續(xù)列車依舊全速行駛，從而造成列車追尾事故。因此，為鐵路運營設(shè)計完善可靠的軌道占用監(jiān)測系統(tǒng)意義重大。

軌道占用監(jiān)測技術(shù)包括軌道電路和計軸兩種技術(shù)。其中，軌道電路是以一定長度的兩條鋼軌為導體、在兩端加以送電和受電設(shè)備構(gòu)成的電氣電路。但將其應(yīng)用于列車軌道占用監(jiān)測存在一定的缺陷，如在一些環(huán)境惡劣的區(qū)段，軌道電路會受雷電、礦物粉塵、銹蝕、雨、霧等因素的影響，從而發(fā)生“分路不良”、“紅光帶”等故障。此外，現(xiàn)有軌道電路獨自完成軌道占用監(jiān)測，缺乏并行監(jiān)督保障機制，一旦軌道電路受到干擾或發(fā)生故障，就會誤判軌道占用情況，從而導致聯(lián)鎖系統(tǒng)發(fā)出錯誤信息造成行車事故；計軸技術(shù)是鐵路信號列車軌道占用監(jiān)測領(lǐng)域的另一項重要技術(shù)，其原理是在區(qū)間的入口和出口處分別設(shè)置鐵路列車計軸器以獲得通過區(qū)間兩端的軸數(shù)，通常對區(qū)間入口進行加1計數(shù)，有一個輪軸記一個數(shù)，將此數(shù)送至本區(qū)間出口處,進行減1計數(shù)。若計數(shù)為零，說明進入?yún)^(qū)間和離開區(qū)間的輪軸數(shù)相等，則區(qū)間空閑；反之，則空間被占用。由于計軸設(shè)備不受軌道狀況的影響，因而其具備檢查較長軌道區(qū)間且不受電氣化鐵路牽引回流干擾的優(yōu)勢。因此，計軸技術(shù)可在一定程度上彌補軌道電路的缺陷。

現(xiàn)有技術(shù)中雖然存在一些計軸設(shè)備，但是這些計軸設(shè)備采集的數(shù)據(jù)不夠精確和全面，不能準確判斷列車的運行方向，在一些諸如車輪在計軸處反復前進、后退等特殊情況下就會導致車軸數(shù)目的錯誤增加或減少，不能準確計軸。而列車的反復進退情況在列車運行時經(jīng)常發(fā)生，例如列車連掛、列車編組時需要車列反復進退，機車起步時為了降低牽引力峰值，通常先后退壓縮車鉤間隙再轉(zhuǎn)為前進等。由此可知，計軸設(shè)備在鐵路線路運用時，正確的判斷行車方向?qū)τ谟嬢S并判斷軌道占用至關(guān)重要。

即現(xiàn)有技術(shù)中存在由于計軸數(shù)據(jù)不夠全面和精確導致不能正確判斷列車行車方向、不能準確計軸的缺陷。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

針對現(xiàn)有技術(shù)中存在的由于計軸數(shù)據(jù)不夠全面和精確導致不能正確判斷列車行車方向、不能準確計軸的技術(shù)問題，本發(fā)明提供了一種鐵路計軸設(shè)備，該鐵路計軸設(shè)備包括：寬帶光源、環(huán)形器、計軸單元、光纖光柵解調(diào)單元，所述計軸單元包括：第一光纖光柵對和第二光纖光柵對，所述第一光纖光柵對包括第一光纖光柵和第二光纖光柵，以及所述第二光纖光柵對包括第三光纖光柵和第四光纖光柵；其中所述第一光纖光柵對和所述第二光纖光柵對以第一軌枕和第二軌枕之間的中心所在的垂直軸線對稱地安裝在對應(yīng)的鋼軌的軌腰的中性軸上；所述第一光纖光柵的第一端和所述第二光纖光柵的第一端在所述中性軸上的第一點，所述第一光纖光柵的第二端所在方向與所述中性軸成第一預(yù)定角度，所述第二光纖光柵的第二端所在方向與所述中性軸成第二預(yù)定角度；所述第三光纖光柵的第一端和所述第四光纖光柵的第一端在所述中性軸上的第二點，所述第三光纖光柵的第二端所在方向與所述中性軸成第一預(yù)定角度，所述第四光纖光柵的第二端所在方向與所述中性軸成第二預(yù)定角度；所述第一軌枕和所述第二軌枕為鐵路中兩個相鄰的軌枕，其中所述寬帶光源將寬帶光經(jīng)過所述環(huán)形器輸入到所述計軸單元，所述計軸單元反射的光信號經(jīng)過所述光纖光柵解調(diào)單元轉(zhuǎn)換為計軸電信號，所述計軸電信號指示所述鋼軌在列車車輪的作用力下形變所產(chǎn)生的剪應(yīng)力。

優(yōu)選地，所述第一點所在的垂直軸線距離所述第一軌枕的中心所在的垂直軸線預(yù)定距離，所述第二點所在的垂直軸線距離所述第二軌枕的中心所在的垂直軸線預(yù)定距離。

優(yōu)選地，所述第一預(yù)定角度為45°，以及所述第二預(yù)定角度為-45°。

優(yōu)選地，該鐵路計軸設(shè)備包括多個計軸單元，所述多個計軸單元按照在列車行車方向上使得車輪依次經(jīng)過每個計軸單元的方式連續(xù)布置。

此外，本發(fā)明還提供了一種采用本發(fā)明的鐵路計軸設(shè)備進行計軸的鐵路計軸方法，該方法包括：從鐵路計軸設(shè)備處接收計軸電信號；將所述計軸電信號處理為計軸數(shù)據(jù)；根據(jù)所述計軸數(shù)據(jù)，判斷列車行車方向和列車車輪是否經(jīng)過所述鐵路計軸設(shè)備；以及根據(jù)所述列車行車方向以及所述列車車輪經(jīng)過所述鐵路計軸設(shè)備，確定車輪軸數(shù)。

優(yōu)選地，所述將所述計軸電信號處理為計軸數(shù)據(jù)包括：對所述計軸電信號進行降噪處理；以及對降噪處理后的計軸電信號進行波峰中心波長檢測以獲得所述計軸數(shù)據(jù)。

優(yōu)選地，所述計軸數(shù)據(jù)包括第一光纖光柵、第二光纖光柵、第三光纖光柵、第四光纖光柵的中心波長偏移量。

優(yōu)選地，所述根據(jù)所述計軸數(shù)據(jù)判斷列車行車方向包括：計算所述第一光纖光柵和所述第二光纖光柵的中心波長偏移量之間的第一差值，以及所述第三光纖光柵和所述第四光纖光柵的中心波長偏移量之間的第二差值；以及根據(jù)所述第一差值和第二差值的變化趨勢，判斷所述列車行車方向。

優(yōu)選地，所述根據(jù)所述第一差值和第二差值的變化趨勢判斷所述列車行車方向包括：在所述第一差值和所述第二差值均減小的情況下，確定所述列車行車方向為由第一光纖光柵對向第二光纖光柵對行駛；以及在所述第一差值和所述第二差值均增加的情況下，確定所述列車行車方向為由所述第二光纖光柵對向所述第一光纖光柵對行駛。

優(yōu)選地，所述根據(jù)所述計軸數(shù)據(jù)判斷列車車輪是否經(jīng)過所述鐵路計軸設(shè)備包括：在所述第一差值從正值變?yōu)樨撝祷蛘邚呢撝底優(yōu)檎狄约八龅诙钪祻恼底優(yōu)樨撝祷蛘邚呢撝底優(yōu)檎档那闆r下，確定所述列車車輪經(jīng)過所述鐵路計軸設(shè)備。

優(yōu)選地，所述根據(jù)所述計軸數(shù)據(jù)判斷列車車輪是否經(jīng)過所述鐵路計軸設(shè)備包括：計算所述第一差值和所述第二差值之間的偏差值；以及在所述偏差值達到偏差閾值的情況下，確定所述列車車輪經(jīng)過所述鐵路計軸設(shè)備。

優(yōu)選地，所述根據(jù)所述計軸數(shù)據(jù)判斷列車車輪是否經(jīng)過所述鐵路計軸設(shè)備包括：計算所述第一差值和所述第二差值之間的偏差值；以及在所述偏差值達到偏差閾值達一時間閾值的情況下，確定所述列車車輪經(jīng)過所述鐵路計軸設(shè)備。

優(yōu)選地，所述根據(jù)所述計軸數(shù)據(jù)判斷列車車輪是否經(jīng)過所述鐵路計軸設(shè)備包括：計算所述第一差值和所述第二差值之間的偏差值；以及在所述第一差值從正值變?yōu)樨撝祷蛘邚呢撝底優(yōu)檎狄约八龅诙钪祻恼底優(yōu)樨撝祷蛘邚呢撝底優(yōu)檎档那闆r下并且在所述偏差值達到偏差閾值達一時間閾值的情況下，確定所述列車車輪經(jīng)過所述鐵路計軸設(shè)備。

優(yōu)選地，根據(jù)所述列車行車方向以及車輪經(jīng)過所述鐵路計軸設(shè)備確定車輪軸數(shù)包括：在所述列車行車方向為由所述第一光纖光柵對向所述第二光纖光柵對行駛并確定所述列車車輪經(jīng)過所述鐵路計軸設(shè)備的情況下，確定車輪軸數(shù)加1；以及在所述列車行車方向為由所述第二光纖光柵對向所述第一光纖光柵對行駛并確定所述列車車輪經(jīng)過所述鐵路計軸設(shè)備的情況下，確定車輪軸數(shù)減1。

優(yōu)選地，該方法還包括：根據(jù)所述第一光纖光柵對和所述第二光纖光柵對之間的距離和列車經(jīng)過所述距離的時間，確定列車行車速度。

此外，本發(fā)明還提供了一種采用本發(fā)明的鐵路計軸設(shè)備進行計軸的信號處理設(shè)備，該信號處理設(shè)備包括：接收模塊，用于從鐵路計軸設(shè)備處接收計軸電信號；以及處理模塊，用于將所述計軸電信號處理為計軸數(shù)據(jù)；用于根據(jù)所述計軸數(shù)據(jù)判斷列車行車方向和列車車輪是否經(jīng)過所述鐵路計軸設(shè)備；以及還用于根據(jù)所述列車行車方向以及所述列車車輪經(jīng)過所述鐵路計軸設(shè)備確定車輪軸數(shù)。

優(yōu)選地，所述處理模塊還用于：對所述計軸電信號進行降噪處理；以及對降噪處理后的計軸電信號進行波峰中心波長檢測以獲得所述計軸數(shù)據(jù)。

優(yōu)選地，所述計軸數(shù)據(jù)包括第一光纖光柵、第二光纖光柵、第三光纖光柵、第四光纖光柵的中心波長偏移量。

優(yōu)選地，所述處理模塊還用于：計算所述第一光纖光柵和所述第二光纖光柵的中心波長偏移量之間的第一差值，以及所述第三光纖光柵和所述第四光纖光柵的中心波長偏移量之間的第二差值；以及根據(jù)所述第一差值和第二差值的變化趨勢，判斷所述列車行車方向。

優(yōu)選地，所述處理模塊還用于：在所述第一差值和所述第二差值均減小的情況下，確定所述列車行車方向為由第一光纖光柵對向第二光纖光柵對行駛；以及在所述第一差值和所述第二差值均增加的情況下，確定所述列車行車方向為由所述第二光纖光柵對向所述第一光纖光柵對行駛。

優(yōu)選地，所述處理模塊還用于：在所述第一差值從正值變?yōu)樨撝祷蛘邚呢撝底優(yōu)檎狄约八龅诙钪祻恼底優(yōu)樨撝祷蛘邚呢撝底優(yōu)檎档那闆r下，確定所述列車車輪經(jīng)過所述鐵路計軸設(shè)備。

優(yōu)選地，所述處理模塊還用于：計算所述第一差值和所述第二差值之間的偏差值；以及在所述偏差值達到偏差閾值的情況下，確定所述列車車輪經(jīng)過所述鐵路計軸設(shè)備。

優(yōu)選地，所述處理模塊還用于：計算所述第一差值和所述第二差值之間的偏差值；以及在所述偏差值達到偏差閾值達一時間閾值的情況下，確定所述列車車輪經(jīng)過所述鐵路計軸設(shè)備。

優(yōu)選地，所述處理模塊還用于：計算所述第一差值和所述第二差值之間的偏差值；以及在所述第一差值從正值變?yōu)樨撝祷蛘邚呢撝底優(yōu)檎狄约八龅诙钪祻恼底優(yōu)樨撝祷蛘邚呢撝底優(yōu)檎档那闆r下并且在所述偏差值達到偏差閾值達一時間閾值的情況下，確定所述列車車輪經(jīng)過所述鐵路計軸設(shè)備。

優(yōu)選地，所述處理模塊還用于：在所述列車行車方向為由所述第一光纖光柵對向所述第二光纖光柵對行駛并確定所述列車車輪經(jīng)過所述鐵路計軸設(shè)備的情況下，確定車輪軸數(shù)加1；以及在所述列車行車方向為由所述第二光纖光柵對向所述第一光纖光柵對行駛并確定所述列車車輪經(jīng)過所述鐵路計軸設(shè)備的情況下，確定車輪軸數(shù)減1。

優(yōu)選地，所述處理模塊還用于：根據(jù)所述第一光纖光柵對和所述第二光纖光柵對之間的距離和列車經(jīng)過所述距離的時間，確定列車行車速度。

另外，本發(fā)明還提供了一種鐵路計軸系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括：本發(fā)明提供的鐵路計軸設(shè)備，用于檢測鋼軌在列車車輪的作用力下形變所產(chǎn)生的剪應(yīng)力并將所檢測到的剪應(yīng)力包含在計軸電信號中；以及本發(fā)明提供的信號處理設(shè)備，所述信號處理設(shè)備與所述鐵路計軸設(shè)備連接，用于根據(jù)所述計軸電信號確定車輪軸數(shù)。

優(yōu)選地，所述信號處理設(shè)備為上位機。

通過上述技術(shù)方案，由于本發(fā)明提供的鐵路計軸設(shè)備的光纖光柵(即光纖光柵傳感器)能夠精確檢測鋼軌形變下的剪應(yīng)力，因此能夠準確獲知經(jīng)過鋼軌的列車的行車方向以及是否經(jīng)過該計軸區(qū)域，從而準確地確定車輪軸數(shù)，實現(xiàn)軌道的占用情況的準確監(jiān)測，可靠性高，能夠確保列車行車安全。

本發(fā)明的其它特征和優(yōu)點將在隨后的具體實施方式部分予以詳細說明。

附圖說明

附圖是用來提供對本發(fā)明的進一步理解，并且構(gòu)成說明書的一部分，與下面的具體實施方式一起用于解釋本發(fā)明，但并不構(gòu)成對本發(fā)明的限制。在附圖中：

圖1為根據(jù)本發(fā)明的一種實施方式的示例鐵路計軸系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2為根據(jù)本發(fā)明的一種實施方式的示例鐵路計軸設(shè)備的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖3為根據(jù)本發(fā)明的一種實施方式的示例鋼軌的簡支梁模型圖；

圖4為根據(jù)本發(fā)明的一種實施方式的示例剪應(yīng)力計軸原理圖；

圖5為根據(jù)本發(fā)明的一種實施方式的示例中性軸示意圖；

圖6為根據(jù)本發(fā)明的一種實施方式的示例計軸單元安裝位置受力形變示意圖；

圖7為根據(jù)本發(fā)明的一種實施方式的示例輪重作用下軌枕間鋼軌剪應(yīng)力差分布圖；

圖8為根據(jù)本發(fā)明的一種實施方式的示例計軸單元配置示意圖；

圖9為根據(jù)本發(fā)明的一種實施方式的示例鐵路計軸系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖10為根據(jù)本發(fā)明的一種實施方式的示例信號處理設(shè)備的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖11為根據(jù)本發(fā)明的一種實施方式的示例降噪處理前和降噪處理后的計軸電信號波形圖；

圖12為根據(jù)本發(fā)明的一種實施方式的示例理想狀態(tài)下四個光纖光柵中心波長漂移曲線圖；

圖13為根據(jù)本發(fā)明的一種實施方式的示例第一差值Δλ_B隨位置的變化曲線圖；

圖14為根據(jù)本發(fā)明的一種實施方式的示例第二差值Δλ_B'隨位置的變化曲線圖；

圖15為根據(jù)本發(fā)明的一種實施方式的示例偏差值Δλ隨位置的變化曲線圖；

圖16為根據(jù)本發(fā)明的一種實施方式的示例偏差值Δλ隨時間的變化曲線圖；以及

圖17是根據(jù)本發(fā)明的一種實施方式的信號處理方法的示例流程圖。

附圖標記說明

1 寬帶光源 2 環(huán)形器 3 計軸單元

4 光纖光柵解調(diào)單元 5 第一軌枕 6 第二軌枕

7 鋼軌 8 第一光纖光柵 9 第二光纖光柵

10 第三光纖光柵 11 第四光纖光柵 12 中性軸

13 軌枕中心線 14 對稱軸 15 中性層

16 橫截面 21 接收模塊 22 處理模塊

100 鐵路計軸設(shè)備 200 信號處理設(shè)備 1000 鐵路計軸系統(tǒng)

具體實施方式

以下結(jié)合附圖對本發(fā)明的具體實施方式進行詳細說明。應(yīng)當理解的是，此處所描述的具體實施方式僅用于說明和解釋本發(fā)明，并不用于限制本發(fā)明。

為了更加清楚地說明本發(fā)明的思想，下面以示例鐵路計軸系統(tǒng)為例進行詳細地說明。圖1為根據(jù)本發(fā)明的一種實施方式的鐵路計軸系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖，如圖1所示，該系統(tǒng)可以包括：本發(fā)明提供的鐵路計軸設(shè)備100，用于檢測鋼軌在列車車輪的作用力下形變所產(chǎn)生的剪應(yīng)力并將所檢測到的剪應(yīng)力包含在計軸電信號中；以及本發(fā)明提供的信號處理設(shè)備200，所述信號處理設(shè)備200與所述鐵路計軸設(shè)備100連接，用于根據(jù)所述計軸電信號確定車輪軸數(shù)。

在本發(fā)明提供的鐵路計軸系統(tǒng)中，由于鐵路計軸設(shè)備100的光纖光柵(即光纖光柵傳感器)能夠精確檢測鋼軌形變下的剪應(yīng)力，因此能夠準確獲知經(jīng)過鋼軌的列車的行車方向以及是否經(jīng)過該計軸區(qū)域，從而準確地確定車輪軸數(shù)，實現(xiàn)軌道的占用情況的準確監(jiān)測，可靠性高，能夠確保列車行車安全。

具體地，圖2為根據(jù)本發(fā)明的一種實施方式的鐵路計軸設(shè)備的結(jié)構(gòu)示意圖，如圖2所示，一般地，鐵路計軸設(shè)備100可以包括：寬帶光源1、環(huán)形器2、計軸單元3、光纖光柵解調(diào)單元4，該設(shè)備的工作原理為：寬帶光源1將寬帶光經(jīng)過所述環(huán)形器2輸入到所述計軸單元3，所述計軸單元3反射的光信號經(jīng)過所述光纖光柵解調(diào)單元4轉(zhuǎn)換為計軸電信號。

與現(xiàn)有的計軸設(shè)備不同的是，為了獲得更為精確的剪應(yīng)力，發(fā)明人考慮了計軸單元3的配置、精確安裝位置、以及安裝角度，下面對其確定過程進行說明：

1.剪應(yīng)力計軸原理

圖3為根據(jù)本發(fā)明的一種實施方式的鋼軌的簡支梁模型圖。如圖3所示，在鐵路運營線路中，鋼軌由彈性扣件和膠墊固定在軌枕上，并與軌枕連成整體鋪設(shè)于道砟上，鋼軌承載列車車輪的重載并引導列車前行。由于鋼軌兩端由軌枕支撐，因而當鋼軌受到車輪壓力時，其下方產(chǎn)生的是拉應(yīng)力，上方產(chǎn)生的是壓應(yīng)力，而截面產(chǎn)生的則是剪應(yīng)力。

參考圖3，其中假設(shè)A為第一軌枕和A'為第二軌枕，B和B'為在鋼軌7上剪切力傳感器安裝點，并且B和B'對稱安裝，P為車輪負載施加處，L代表軌枕之間的距離，x為車輪中心處相對A中心處的位移。

具體計算分析如下：

假設(shè)單輪重量為W，B和B'所受剪應(yīng)力分別為Q1和Q2，則：

A處的支反力為：

當輪重位置x變化時，B和B'所受剪應(yīng)力Q1和Q2也隨之呈線性變化。在B處所在截面上，令B到A中心處的距離為d，則B'到A'中心處的距離也為d。

B所在截面上的剪應(yīng)力：

B'所在截面上所受剪應(yīng)力：

由公式(2)(3)可得B和B'的剪應(yīng)力差：

由上述計算過程即可得到剪應(yīng)力計軸原理圖，圖4為根據(jù)本發(fā)明的一種實施方式的剪應(yīng)力計軸原理圖。

由圖4可知，當輪重位于B和B'所在截面之間時，B和B'處剪應(yīng)力差ΔQ為W，其值即為單個列車車輪的重量；而在其它位置(包括在A和A'兩個支承點之外)，ΔQ的值均為零。因而在相鄰軌枕之間對稱安裝兩個相應(yīng)的剪應(yīng)力傳感器，以B和B'兩處的剪應(yīng)力差為參考信號，通過分析該信號的值即可獲知有無車輪壓過，從而得到車軸數(shù)。因此，B和B'兩組剪應(yīng)力傳感器(例如光纖光柵對)可以組成一個計軸單元3。

2.光纖光柵貼片角度及位置確定

圖5為根據(jù)本發(fā)明的一種實施方式的中性軸示意圖，如圖5所示，由中值定理可以推斷：材料纖維從伸長到縮短，中間必然存在著一層既不能伸長也不縮短的纖維層，稱為中性層15，并將中性層15與橫截面16的交線稱為中性軸12。

根據(jù)材料力學相關(guān)理論：鋼軌受車輪的載荷作用時，中性軸12處正應(yīng)力為零，只受剪應(yīng)力作用且為最大剪應(yīng)變所在位置。鋼軌主應(yīng)力在中性軸12附近，其中優(yōu)選地沿與中性軸45°和-45°方向分別達到最大值。從鋼軌整體上看，主應(yīng)力是由剪應(yīng)力造成的。而從材料力學的角度上看，剪應(yīng)力表現(xiàn)為成對出現(xiàn)的大小相等、方向相互垂直的拉/壓應(yīng)力。其中，正值表示拉應(yīng)力，負值表示壓應(yīng)力。因而，優(yōu)選地，將光纖光柵安裝在該區(qū)域，且光柵的方向與中性軸12呈一定角度。例如，可以采用膠粘或壓緊的方法將光柵固定在鋼軌上。圖6為根據(jù)本發(fā)明的一種實施方式的計軸單元安裝位置受力形變示意圖剪應(yīng)力傳感器安裝處受力形變示意圖，如圖6所示，當在車輪的作用下，鋼軌的形變并受力。

優(yōu)選地，光柵的方向與中性軸12可以呈45°和-45°夾角，此時測得的剪應(yīng)力為最大值。

圖7為根據(jù)本發(fā)明的一種實施方式的輪重作用下軌枕間鋼軌剪應(yīng)力差ΔQ分布圖，由圖7可知，在軌枕(A和A')處時ΔQ為0，在相鄰軌枕間，其ΔQ值為一恒定值。列車在實際運行時，由于車輪和鋼軌的磨耗及列車運動等因素，造成車輪對鋼軌的壓力不平穩(wěn)，從而導致ΔQ波形頂部存在波動。為了最大程度地抑制剪應(yīng)力差波動對車軸識別的干擾，實際安裝傳感器時，在避開軌枕的前提下，盡量增加B和B'之間的距離，以獲取更多有效數(shù)據(jù)，提高識別準確率。

根據(jù)上述分析，最終確定本發(fā)明所提供的鐵路計軸設(shè)備100的計軸單元3的配置和安裝位置，圖8為根據(jù)本發(fā)明的一種實施方式的計軸單元配置示意圖，如圖8所示：

所述計軸單元3包括：第一光纖光柵對8、9和第二光纖光柵對10、11，所述第一光纖光柵對8、9可以包括第一光纖光柵8和第二光纖光柵9，以及所述第二光纖光柵對10、11可以包括第三光纖光柵10和第四光纖光柵11；

其中，所述第一光纖光柵對8、9和所述第二光纖光柵對10、11以第一軌枕5(即上述圖中A)和第二軌枕6(即上述圖中A')之間的中心所在的垂直軸線(即對稱軸14)對稱地安裝在對應(yīng)的鋼軌7的軌腰的中性軸12上；所述第一光纖光柵8的第一端和所述第二光纖光柵9的第一端在所述中性軸上的第一點B，所述第一光纖光柵8的第二端所在方向與所述中性軸12成第一預(yù)定角度，所述第二光纖光柵9的第二端所在方向與所述中性軸12成第二預(yù)定角度；所述第三光纖光柵10的第一端和所述第四光纖光柵11的第一端在所述中性軸12上的第二點B'，所述第三光纖光柵10的第二端所在方向與所述中性軸成第一預(yù)定角度，所述第四光纖光柵11的第二端所在方向與所述中性軸成第二預(yù)定角度；所述第一軌枕5和所述第二軌枕6為鐵路中兩個相鄰的軌枕。

優(yōu)選地，所述第一點B所在的垂直軸線距離所述第一軌枕5的中心所在的垂直軸線預(yù)定距離，所述第二點B'所在的垂直軸線距離所述第二軌枕6的中心所在的垂直軸線預(yù)定距離，所述預(yù)定距離可以為圖3所示的距離d，距離d可以根據(jù)實際情況進行設(shè)置，本發(fā)明對此不進行限定。

優(yōu)選地，所述第一預(yù)定角度為45°，以及所述第二預(yù)定角度為-45°。

采用這樣的配置，鐵路計軸設(shè)備100的寬帶光源1將寬帶光經(jīng)過所述環(huán)形器2輸入到所述計軸單元3，所述計軸單元3反射的光信號經(jīng)過所述光纖光柵解調(diào)單元4轉(zhuǎn)換為計軸電信號，該光纖光柵解調(diào)單元4的主要作用是對計軸單元3測得的反射光信號進行光電轉(zhuǎn)換，然后對原始信號進行放大、采集并進行發(fā)送。由于本發(fā)明的計軸單元獨特的配置，所發(fā)送的計軸電信號可以精確地指示所述鋼軌7在列車車輪的作用力下形變所產(chǎn)生的剪應(yīng)力(即將所檢測到的剪應(yīng)力包含在計軸電信號中)，是下面實現(xiàn)數(shù)據(jù)處理和分析以及最終準確軸數(shù)的基礎(chǔ)。

更為優(yōu)選地，由于列車行車過程中經(jīng)過多條鋼軌，因此該鐵路計軸設(shè)備100可以包括多個計軸單元3，所述多個計軸單元3可以按照在列車行車方向上使得車輪依次經(jīng)過每個計軸單元3的方式連續(xù)布置。

圖9為根據(jù)本發(fā)明的一種實施方式的示例鐵路計軸系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖，如圖9所示，可以沿列車行車方向按照如上所述配置多個計軸單元3，例如可以在如圖9所示，在一側(cè)鋼軌7設(shè)置多個計軸單元3，此外，也可以在另一側(cè)鋼軌設(shè)置，還可以在兩側(cè)均設(shè)置多個計軸單元，本發(fā)明對此不進行限定。例如，在圖9所示的示例中，第一軌枕5和第二軌枕6區(qū)域設(shè)定為計軸區(qū)間入口，計軸單元3如上所述配置在鋼軌7上，列車行車方向為從計軸區(qū)間入口駛向計軸區(qū)間出口，計軸區(qū)間出口區(qū)域配置有同樣的計軸單元3，采用這樣的配置，當列車經(jīng)過該區(qū)段時，各個計軸單元3可以將光信號輸出到光纖光柵解調(diào)單元4，之后該光纖光柵解調(diào)單元4可以將其轉(zhuǎn)換為計軸電信號并輸出到信號處理設(shè)備200進行后續(xù)分析處理。

應(yīng)當理解的是，雖然圖中僅示出了兩個計軸單元3，但該系統(tǒng)中可以根據(jù)實際情況配置大于兩個的計軸單元，例如，在圖中省略了一些鐵路區(qū)段，這些區(qū)段中也可以同樣配置有計軸單元，以供計軸需要。

圖10為根據(jù)本發(fā)明的一種實施方式的示例信號處理設(shè)備200的結(jié)構(gòu)示意圖，如圖10所示，該信號處理設(shè)備可以采用上述鐵路計軸設(shè)備100進行計軸，該信號處理設(shè)備200可以包括：接收模塊21，用于從鐵路計軸設(shè)備100處接收計軸電信號，例如從光纖光柵解調(diào)單元4中接收計軸電信號；以及處理模塊22，用于將所述計軸電信號處理為計軸數(shù)據(jù)；用于根據(jù)所述計軸數(shù)據(jù)判斷列車行車方向和列車車輪是否經(jīng)過所述鐵路計軸設(shè)備；以及還用于根據(jù)所述列車行車方向以及所述列車車輪經(jīng)過所述鐵路計軸設(shè)備確定車輪軸數(shù)。

采用這樣的實施方式，信號處理設(shè)備200可以根據(jù)精確獲得的計軸電信號準確地確定車輪軸數(shù)，實現(xiàn)軌道的占用情況的準確監(jiān)測，可靠性高，能夠確保列車行車安全。

具體地，由于受外部電磁輻射的干擾、采集設(shè)備的電源噪聲以及環(huán)境變化對測量的影響等，接收模塊21接收到的計軸電信號通常摻雜著很多干擾信號，其嚴重影響了反射譜中心波長的檢測，所以優(yōu)選地對計軸電信號進行降噪處理，提高其信噪比。圖11為根據(jù)本發(fā)明的一種實施方式的示例降噪處理前和降噪處理后的計軸電信號波形圖，如圖11所示，信號處理設(shè)備200的處理模塊22可以首先對所述計軸電信號進行降噪處理，降噪處理前和降噪處理后的光纖光柵波長解調(diào)信號波形圖分別如圖11(a)和圖11(b)所示，可見降噪處理后波形更為平滑，去除噪聲的不利影響。

接著，處理模塊22可以對降噪處理后的計軸電信號進行波峰中心波長檢測以獲得所述計軸數(shù)據(jù)，即調(diào)用峰值檢測算法確定其中心波長，并得到光纖光柵的中心波長漂移量。優(yōu)選地，所述計軸數(shù)據(jù)可以包括第一光纖光柵的中心波長偏移量Δλ₁、第二光纖光柵的中心波長偏移量Δλ₂、第三光纖光柵的中心波長偏移量Δλ₃、第四光纖光柵的中心波長偏移量Δλ₄。

之后，處理模塊22可以根據(jù)所述計軸數(shù)據(jù)判斷列車行車方向和列車車輪是否經(jīng)過所述鐵路計軸設(shè)備，以及根據(jù)所述列車行車方向以及所述列車車輪經(jīng)過所述鐵路計軸設(shè)備確定車輪軸數(shù)。

具體來說，首先處理模塊21可以：

1.判斷列車行車方向

繼續(xù)參考圖8，假設(shè)B和B'兩處的四個光纖光柵λ₁、λ₂、λ₃及λ₄的中心波長漂移量分別為Δλ₁、Δλ₂、Δλ₃及Δλ₄，并且它們由于被拉或者被壓有正負之分，當一個車軸(車輪)經(jīng)過計軸單元時，理想狀態(tài)下的四個光纖光柵中心波長漂移曲線如圖12所示，圖12為根據(jù)本發(fā)明的一種實施方式的示例理想狀態(tài)下四個光纖光柵中心波長漂移曲線圖。

由此，處理模塊22可以計算所述第一光纖光柵λ₁和所述第二光纖光柵λ₂的中心波長偏移量之間的第一差值Δλ_B＝Δλ₂-Δλ₁；以及所述第三光纖光柵λ₃和所述第四光纖光柵λ₄的中心波長偏移量之間的第二差值Δλ_B'＝Δλ₄-Δλ₃；并且，由圖12所示的四個光纖光柵的中心波長漂移曲線圖可分別得到由圖13和圖14所示的Δλ_B和Δλ_B'隨位置的變化曲線，其中圖13為根據(jù)本發(fā)明的一種實施方式的示例第一差值Δλ_B隨位置的變化曲線圖；圖14為根據(jù)本發(fā)明的一種實施方式的示例第二差值Δλ_B'隨位置的變化曲線圖。

之后，處理模塊22可以根據(jù)所述第一差值Δλ_B和第二差值Δλ_B'的變化趨勢，判斷所述列車行車方向。

例如，由圖13和圖14可知，若在B到B'區(qū)域內(nèi)，Δλ_B和Δλ_B'的值越來越小，則車輪由B向B'行駛；若Δλ_B和Δλ_B'的值越來越大，則說明列車由B'向B行駛，由此可以判定車輪的行駛方向。即優(yōu)選地，所述處理模塊22可以在所述第一差值Δλ_B和所述第二差值Δλ_B'均減小的情況下，確定所述列車行車方向為由第一光纖光柵對8、9向第二光纖光柵對10、11行駛(即由B向B'行駛)；以及在所述第一差值Δλ_B和所述第二差值Δλ_B'均增加的情況下，確定所述列車行車方向為由所述第二光纖光柵對10、11向所述第一光纖光柵對8、9行駛(即由B'向B行駛)。

此外，還應(yīng)當理解的是，根據(jù)本發(fā)明的另一種實施方式，處理模塊22根據(jù)如圖12所示的Δλ₁、Δλ₂、Δλ₃及Δλ₄隨位置的變化曲線也可以用相同的方法判定列車行車方向。

2.判斷列車車輪是否經(jīng)過鐵路計軸設(shè)備

下面提供多個判斷列車車輪是否經(jīng)過鐵路計軸設(shè)備的實施例來更加全面地說明本發(fā)明的思想：

實施例1

在該實施例1中，處理模塊22可以根據(jù)第一差值Δλ_B和第二差值Δλ_B'來進行判斷。例如，若Δλ_B和Δλ_B'的值都有正負跳變的情況發(fā)生，則說明車輪駛過了該計軸單元。反之則說明車輪沒有駛過計軸單元。即在所述第一差值Δλ_B從正值變?yōu)樨撝祷蛘邚呢撝底優(yōu)檎狄约八龅诙钪郸う?sub>B'從正值變?yōu)樨撝祷蛘邚呢撝底優(yōu)檎档那闆r下，確定所述列車車輪經(jīng)過所述鐵路計軸設(shè)備。

采用這樣的實施例1可以避免現(xiàn)有技術(shù)中的計軸設(shè)備對以下特殊情況的誤判：1、車輪在B處進入計軸單元，但沒有到達B'處便從B處退出計軸單元；2、車輪在B'處進入計軸單元，但沒有到達B處便從B'處退出計軸單元；3、車輪在計軸單元內(nèi)小幅度前進后退；4、車輪停在計軸單元內(nèi)。對于這四種情況，實施例1不予計軸，因此與現(xiàn)有技術(shù)的方法相比，更為精確。

實施例2

在該實施例2中，處理模塊22可以計算所述第一差值Δλ_B和所述第二差值之間Δλ_B'的偏差值Δλ，其中Δλ＝Δλ_B-Δλ_B'。由上述圖13-14的Δλ_B與Δλ_B'的變化曲線相減即可得到如圖15所示的Δλ的變化曲線，其中圖15為根據(jù)本發(fā)明的一種實施方式的示例偏差值Δλ隨位置的變化曲線圖。由圖15可知，當車輪位于B和B'組成的這個計軸單元以外時，Δλ為0；當車輪位于B和B'組成的這個計軸單元以內(nèi)時，Δλ為一定偏差閾值。該偏差閾值大小根據(jù)空載輪重取適當值。即處理模塊22可以在所述偏差值達到偏差閾值的情況下，確定所述列車車輪經(jīng)過所述鐵路計軸設(shè)備。

實施例3

該實施例3為實施例2的一種改進，其中考慮到了特殊情況的計軸，例如，異物錘擊、砸落計軸單元的情況。圖16為根據(jù)本發(fā)明的一種實施方式的示例偏差值Δλ隨時間的變化曲線圖，如圖16所示，t₁-t₀是車輪經(jīng)過計軸單元時所用的時間(該值由車速決定)，t₃-t₂是異物錘擊、砸落計軸單元所用的時間，在t₃-t₂這種特殊情況下，Δλ雖然也達到偏差閾值，但由于該值維持時間過短，因此在實施例3中不予計軸。

即在這種實施例3中，所述處理模塊可以計算所述第一差值Δλ_B和所述第二差值之間Δλ_B'的偏差值Δλ(與實施例2相同，在此不再贅述)，之后僅在所述偏差值Δλ達到偏差閾值達一時間閾值的情況下，才會確定所述列車車輪經(jīng)過所述鐵路計軸設(shè)備。其中，所述時間閾值可以根據(jù)線路最高車速選取，本發(fā)明對此不進行限定。采用這樣的實施例3可以避免干擾信號(例如異物錘擊、砸落計軸單元等情況)，判斷更為準確。

實施例4

為了使得計軸更為精確，實施例4在實施例1-3上的基礎(chǔ)上進行了進一步改進，即當且僅當上述實施例1-3中的條件同時滿足時才判斷列車經(jīng)過該計軸單元，即所述處理模塊22可以所述處理模塊可以計算所述第一差值Δλ_B和所述第二差值之間Δλ_B'的偏差值Δλ(與實施例2相同，在此不再贅述)。之后，處理模塊22僅在所述第一差值從正值變?yōu)樨撝祷蛘邚呢撝底優(yōu)檎狄约八龅诙钪祻恼底優(yōu)樨撝祷蛘邚呢撝底優(yōu)檎档那闆r下同時(并且)在所述偏差值達到偏差閾值達一時間閾值的情況下，才會確定所述列車車輪經(jīng)過所述鐵路計軸設(shè)備。

應(yīng)當理解的是，在實際情況中，本領(lǐng)域技術(shù)人員可以選擇上述實施例1-4中的任一者或者多者的組合來配置處理模塊22，這些替代配置均落入本發(fā)明的保護范圍。

3.根據(jù)所述列車行車方向以及所述列車車輪經(jīng)過所述鐵路計軸設(shè)備確定車輪軸數(shù)

所述處理模塊22在如上所述確定了列車行車方向和所述列車車輪經(jīng)過所述鐵路計軸設(shè)備之后，可以根據(jù)上述信息確定車輪軸數(shù)，即：

在所述列車行車方向為由所述第一光纖光柵對8、9向所述第二光纖光柵對10、11行駛(即B向B')并確定所述列車車輪經(jīng)過所述鐵路計軸設(shè)備的情況下，確定車輪軸數(shù)加1；以及在所述列車行車方向為由所述第二光纖光柵10、11對向所述第一光纖光柵對8、9行駛(即B'向B)并確定所述列車車輪經(jīng)過所述鐵路計軸設(shè)備的情況下，確定車輪軸數(shù)減1。

或者，也可以設(shè)定相反方向進行計軸以滿足不同情況的需要，即在所述列車行車方向為由所述第二光纖光柵10、11對向所述第一光纖光柵對8、9行駛(即B'向B)并確定所述列車車輪經(jīng)過所述鐵路計軸設(shè)備的情況下，確定車輪軸數(shù)加1；在所述列車行車方向為由所述第一光纖光柵對8、9向所述第二光纖光柵對10、11行駛(即B向B')并確定所述列車車輪經(jīng)過所述鐵路計軸設(shè)備的情況下，確定車輪軸數(shù)減1。

4.確定列車行車速度

進一步地，處理模塊22還可以確定列車行車速度，以更為全面地監(jiān)測列車運行情況。例如，根據(jù)如下公式(5)可以計算列車行車速度v：

其中，第一光纖光柵對和第二光纖光柵對之間的距離為ΔS(即計軸單元3的B和B'之間的距離為ΔS)，經(jīng)過所述距離ΔS所用的時間為Δt，其中ΔS為固定值，Δt可以根據(jù)計軸電信號的時間戳獲得。

通過上述步驟，信號處理設(shè)備200即可以實現(xiàn)對列車行車方向和車輪軸數(shù)的準確確定。其中所述信號處理設(shè)備200可以為任何適當?shù)哪軌驅(qū)崿F(xiàn)上述功能的處理設(shè)備或裝置，優(yōu)選地，所述信號處理設(shè)備200可以為上位機。

圖17是根據(jù)本發(fā)明的一種實施方式的鐵路計軸方法的示例流程圖，如圖17所示，該鐵路計軸方法采用上述鐵路計軸設(shè)備進行計軸，該方法可以包括以下步驟：

步驟S11，從鐵路計軸設(shè)備處接收計軸電信號；

步驟S12，將所述計軸電信號處理為計軸數(shù)據(jù)；

步驟S13，根據(jù)所述計軸數(shù)據(jù)，判斷列車行車方向和列車車輪是否經(jīng)過所述鐵路計軸設(shè)備；以及

步驟S14，根據(jù)所述列車行車方向以及所述列車車輪經(jīng)過所述鐵路計軸設(shè)備，確定車輪軸數(shù)。

優(yōu)選地，所述將所述計軸電信號處理為計軸數(shù)據(jù)可以包括：對所述計軸電信號進行降噪處理；以及對降噪處理后的計軸電信號進行波峰中心波長檢測以獲得所述計軸數(shù)據(jù)。

優(yōu)選地，所述計軸數(shù)據(jù)包括第一光纖光柵、第二光纖光柵、第三光纖光柵、第四光纖光柵的中心波長偏移量。

優(yōu)選地，所述根據(jù)所述計軸數(shù)據(jù)判斷列車行車方向可以包括：計算所述第一光纖光柵和所述第二光纖光柵的中心波長偏移量之間的第一差值，以及所述第三光纖光柵和所述第四光纖光柵的中心波長偏移量之間的第二差值；以及根據(jù)所述第一差值和第二差值的變化趨勢，判斷所述列車行車方向。

優(yōu)選地，所述根據(jù)所述第一差值和第二差值的變化趨勢判斷所述列車行車方向可以包括：在所述第一差值和所述第二差值均減小的情況下，確定所述列車行車方向為由第一光纖光柵對向第二光纖光柵對行駛；以及在所述第一差值和所述第二差值均增加的情況下，確定所述列車行車方向為由所述第二光纖光柵對向所述第一光纖光柵對行駛。

優(yōu)選地，所述根據(jù)所述計軸數(shù)據(jù)判斷列車車輪是否經(jīng)過所述鐵路計軸設(shè)備可以包括：在所述第一差值從正值變?yōu)樨撝祷蛘邚呢撝底優(yōu)檎狄约八龅诙钪祻恼底優(yōu)樨撝祷蛘邚呢撝底優(yōu)檎档那闆r下，確定所述列車車輪經(jīng)過所述鐵路計軸設(shè)備。

優(yōu)選地，所述根據(jù)所述計軸數(shù)據(jù)判斷列車車輪是否經(jīng)過所述鐵路計軸設(shè)備可以包括：計算所述第一差值和所述第二差值之間的偏差值；以及在所述偏差值達到偏差閾值的情況下，確定所述列車車輪經(jīng)過所述鐵路計軸設(shè)備。

優(yōu)選地，所述根據(jù)所述計軸數(shù)據(jù)判斷列車車輪是否經(jīng)過所述鐵路計軸設(shè)備可以包括：計算所述第一差值和所述第二差值之間的偏差值；以及在所述偏差值達到偏差閾值達一時間閾值的情況下，確定所述列車車輪經(jīng)過所述鐵路計軸設(shè)備。

優(yōu)選地，所述根據(jù)所述計軸數(shù)據(jù)判斷列車車輪是否經(jīng)過所述鐵路計軸設(shè)備可以包括：計算所述第一差值和所述第二差值之間的偏差值；以及在所述第一差值從正值變?yōu)樨撝祷蛘邚呢撝底優(yōu)檎狄约八龅诙钪祻恼底優(yōu)樨撝祷蛘邚呢撝底優(yōu)檎档那闆r下并且在所述偏差值達到偏差閾值達一時間閾值的情況下，確定所述列車車輪經(jīng)過所述鐵路計軸設(shè)備。

優(yōu)選地，根據(jù)所述列車行車方向以及車輪經(jīng)過所述鐵路計軸設(shè)備確定車輪軸數(shù)可以包括：在所述列車行車方向為由所述第一光纖光柵對向所述第二光纖光柵對行駛并確定所述列車車輪經(jīng)過所述鐵路計軸設(shè)備的情況下，確定車輪軸數(shù)加1；以及在所述列車行車方向為由所述第二光纖光柵對向所述第一光纖光柵對行駛并確定所述列車車輪經(jīng)過所述鐵路計軸設(shè)備的情況下，確定車輪軸數(shù)減1。

優(yōu)選地，該方法還可以包括：根據(jù)所述第一光纖光柵對和所述第二光纖光柵對之間的距離和列車經(jīng)過所述距離的時間，確定列車行車速度。

應(yīng)當理解的是，上述鐵路計軸方法的各個具體實施方式，均已在示例鐵路計軸設(shè)備、鐵路計軸系統(tǒng)、信號處理設(shè)備的實施方式中做了詳細地說明(如上所述)，在此不再贅述。并且，本領(lǐng)域技術(shù)人員可以根據(jù)本發(fā)明的公開選擇上述各種實施方式中的任一者，或者選擇上述各種實施方式的組合來配置示例鐵路計軸設(shè)備、鐵路計軸系統(tǒng)、信號處理設(shè)備，并且其他的替換實施方式也落入本發(fā)明的保護范圍。

由于本發(fā)明提供的鐵路計軸設(shè)備的光纖光柵(即光纖光柵傳感器)能夠檢測鋼軌形變下的剪應(yīng)力，因此能夠準確獲知經(jīng)過鋼軌的列車的行車方向以及是否經(jīng)過該計軸區(qū)域，從而準確地確定車輪軸數(shù)，實現(xiàn)軌道的占用情況的準確監(jiān)測，可靠性高，能夠確保列車行車安全。

以上結(jié)合附圖詳細描述了本發(fā)明的優(yōu)選實施方式，但是，本發(fā)明并不限于上述實施方式中的具體細節(jié)，在本發(fā)明的技術(shù)構(gòu)思范圍內(nèi)，可以對本發(fā)明的技術(shù)方案進行多種簡單變型，這些簡單變型均屬于本發(fā)明的保護范圍。

另外需要說明的是，在上述具體實施方式中所描述的各個具體技術(shù)特征，在不矛盾的情況下，可以通過任何合適的方式進行組合，為了避免不必要的重復，本發(fā)明對各種可能的組合方式不再另行說明。

此外，本發(fā)明的各種不同的實施方式之間也可以進行任意組合，只要其不違背本發(fā)明的思想，其同樣應(yīng)當視為本發(fā)明所公開的內(nèi)容。