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        基于光纖傳感技術(shù)的鐵路沿線崩塌落石監(jiān)測點(diǎn)布設(shè)研究

        2012-11-27 06:24:10張新錦叢宇殊
        鐵道通信信號 2012年12期
        關(guān)鍵詞:振動信號

        閻 震 張新錦 叢宇殊

        閻 震:同方威視技術(shù)股份有限公司 工程師 100081 北京

        張新錦:昆明鐵路局工務(wù)處 高級工程師 650011 昆明

        叢宇殊:同方威視技術(shù)股份有限公司 工程師 100081 北京

        1 系統(tǒng)介紹

        鐵路沿線邊坡落石報警系統(tǒng),由危險源捕捉分系統(tǒng)、光纖光柵解調(diào)分系統(tǒng)、信號分析分系統(tǒng)、報警分系統(tǒng)四部分組成。系統(tǒng)拓?fù)淙鐖D1所示。

        1.危險源捕捉分系統(tǒng):由光纖光柵傳感器及配套設(shè)備組成,采集各種振動信號。

        2.光纖光柵解調(diào)分系統(tǒng):將波長變化的光信號轉(zhuǎn)換成電信號,通過網(wǎng)絡(luò)傳給PC服務(wù)器。

        3.信號分析分系統(tǒng):專用的落石信號分析處理軟件。

        4.報警分系統(tǒng):通過聲、光、手機(jī)短信發(fā)出報警信號。

        圖1 鐵路沿線邊坡落石報警系統(tǒng)拓?fù)鋱D

        當(dāng)有巨石落下引起鋼軌振動時,光纖光柵傳感器隨鋼軌振動產(chǎn)生波長變化的光信號,通過光纜傳輸給光纖光柵解調(diào)分系統(tǒng),將波長變化的光信號轉(zhuǎn)換成電信號,然后經(jīng)網(wǎng)絡(luò)傳給PC服務(wù)器,用落石信號分析軟件對電信號進(jìn)行分析、判定,并根據(jù)設(shè)定方式進(jìn)行判斷,判斷結(jié)果以觸發(fā)信號的方式傳給報警分系統(tǒng)進(jìn)行聲、光、電信號報警。

        利用光纖光柵技術(shù)研制成的傳感器件,具有反射帶寬范圍大的特性,可在一定帶寬下大量使用,節(jié)約成本;光纖光柵傳感器件體積小,易與光纖耦合,附加損耗小,同時不受電磁干擾。

        網(wǎng)絡(luò)課堂的教學(xué)模式可以使用家長管理系統(tǒng),即學(xué)生在觀看網(wǎng)絡(luò)視頻中不能操作其他界面,或是長時間沒有對電腦進(jìn)行操作時,實施相應(yīng)的鎖屏辦法。要求學(xué)生必須通過完整的網(wǎng)絡(luò)課堂學(xué)習(xí)而取得相應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)教學(xué)學(xué)分。

        2 傳感器監(jiān)測點(diǎn)布設(shè)方案

        鐵路沿線邊坡落石報警系統(tǒng)的核心問題是監(jiān)測點(diǎn)的布設(shè),其合理性決定了底層數(shù)據(jù)的有效性和上層報警機(jī)制的準(zhǔn)確性。為此,在云南曲靖地區(qū)鐵路現(xiàn)場(廢棄不久)進(jìn)行大量的試驗工作。

        工具及材料:特制龍門吊車落石試驗裝置、80 kg天然石、400 kg天然石、80 kg水泥塊(不同形狀)等,見圖2。

        圖2 現(xiàn)場試驗裝置圖和落石

        2.1 試驗方法(如圖3)

        1.從坐標(biāo)“0”開始,每間隔5個單位將80 kg天然石塊、正方形水泥、長方形水泥塊、圓形水泥塊,分別從5,4,3 m高度拋下,落點(diǎn)分別為主枕頭、主軌、枕中、副軌、副枕頭。

        2.從坐標(biāo)“0”開始,每間隔5個單位將400 kg正方形水泥塊從5 m高度拋下,落點(diǎn)為軌道界限。

        除此之外,又進(jìn)行了傳感器位置更換,落點(diǎn)改變等一系列試驗,共計500余次,得到有效數(shù)據(jù)2500萬組。

        圖3 云南曲靖落石現(xiàn)場試驗布設(shè)圖

        2.2 數(shù)據(jù)分析(布設(shè)距離)

        通過試驗得到,常態(tài)噪聲下振幅隨時間變化的曲線如圖4所示;軌道基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)受到落石沖擊后的振幅隨時間變化曲線如圖5所示。

        從圖4可看出,常態(tài)下傳感器的振幅值為0.005 nm,噪聲下振幅隨時間的變化很小,且保持穩(wěn)定持續(xù)。從圖5可看出,在落石沖擊軌道結(jié)構(gòu)后振幅會在瞬間產(chǎn)生較大變化,且隨著時間逐漸衰減,衰減時間大約1 s。通過MATLAB結(jié)合傅里葉變換來分析所得數(shù)據(jù),受到?jīng)_擊后的最大振幅值遠(yuǎn)大于常態(tài)下傳感器的振幅值0.005 nm。

        2.3 數(shù)據(jù)分析(布設(shè)方式選擇)

        對試驗數(shù)據(jù)進(jìn)行分析后,得到布設(shè)距離關(guān)系曲線如圖6所示。振幅值隨著距離的增大而逐漸變小,超過25m則無法分辨。

        圖7為五點(diǎn)位置不同距離的傳感器振幅值(nm)。落石沖擊軌道基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)后,主軌的振幅變化最大,其次是副軌和主枕頭,隨著距離增加枕中和副枕頭上的振幅值相近。

        3 屏蔽列車通過報警

        由于列車通過時也會引起很強(qiáng)的振動,應(yīng)對振動規(guī)律進(jìn)行研究,屏蔽列車通過報警??瓦\(yùn)列車和貨運(yùn)列車速度在40~140 km/h,在通過光柵光纖傳感器后的振動傳導(dǎo)規(guī)律基本一致,如圖8所示??瓦\(yùn)列車和貨運(yùn)列車通過時,信號圖像的特點(diǎn)是振動持續(xù)時間較長,有多個峰值,且峰值較大。

        圖8 列車通過振動傳導(dǎo)波形圖

        屏蔽列車通過報警方法如下。

        1.將光纖光柵傳感器進(jìn)行分組,每組統(tǒng)一進(jìn)行報警(并非所有通道的傳感器統(tǒng)一報警)。最簡單的分組就是光纖光柵解調(diào)儀的每個通道的所有傳感器為一組。

        2.對于某個傳感器的分組,記錄組內(nèi)的所有傳感器的觸發(fā)次數(shù),如果本組內(nèi)所有傳感器達(dá)到報警閾值次數(shù)一致則認(rèn)為是列車通過。

        3.記錄到達(dá)報警閾值的開始時間和結(jié)束時間,計算時間差,如果發(fā)生的是單一落石或者一組落石,時間差是快速的;而列車通過的時間是較長的,一般可達(dá)到幾秒時間。

        4.判斷光纖光柵傳感器達(dá)到報警閾值是否按照順序進(jìn)行的,列車通過時光纖光柵傳感器會由列車通過處逐一產(chǎn)生大于報警閾值的振動信號。

        4 結(jié)論

        通過試驗數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合分析可得,在布設(shè)距離為25 m時,最大振幅大于0.005 nm,故傳感器可監(jiān)測范圍為25 m。本系統(tǒng)可完成80 kg落石從5 m高度落到鐵路界限內(nèi)的監(jiān)測工作,并即時報警。

        落點(diǎn)位置:在主軌上振幅最大,且在距傳感器很遠(yuǎn)的距離上可以分辨;其次是在主枕頭和副軌上振幅較大;而在枕中和副枕頭這2個位置相對較小,且可分辨的距離也比較近。

        衰減規(guī)律:根據(jù)試驗數(shù)據(jù),對振幅與距落點(diǎn)的距離進(jìn)行擬合,在某種程度上以指數(shù)函數(shù)的擬合來近似,且函數(shù)曲線特點(diǎn)隨時間而趨于衰減,其中前5 m衰減速率最快,是個急速衰減的過程,而后面的衰減比較緩慢。

        根據(jù)五點(diǎn)位置,考慮把傳感器布設(shè)在單軌上,傳感器間距25 m。單軌布設(shè)的一個很重要的優(yōu)點(diǎn)在于便于通信線路施工。

        目前,本系統(tǒng)已在渝懷鐵路線白沙沱地區(qū)使用3年,對研究鐵路沿線邊坡落石報警系統(tǒng)的布設(shè)提供了一手資料,獲得了大量的現(xiàn)場實際工程經(jīng)驗,形成一套切實可行的系統(tǒng)方案,為山區(qū)鐵路安全運(yùn)營帶來保障。

        [1]趙勇.光纖光柵及其傳感技術(shù)[M].北京:國防工業(yè)出版社,2007.

        [2]哈里斯.沖擊與振動手冊(第五版)[M].北京:中國石化出版社,2008.

        [3]趙天池.傳感器與探測器的物理原理和應(yīng)用[M].北京:科學(xué)出版社,2008.

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