黃 乃 斌

(鐵道第三勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，天津 300251)

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異物侵限監(jiān)測利用光纖光柵探測技術(shù)方案研究

黃 乃 斌

(鐵道第三勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，天津 300251)

結(jié)合光纖光柵的技術(shù)特點(diǎn)，提出了基于光纖光柵技術(shù)的異物侵限監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)置方案及報(bào)警判斷流程，并分析了光纖光柵異物侵限監(jiān)測的特點(diǎn)，旨在提高異物侵限監(jiān)測系統(tǒng)的可靠性。

光纖光柵，災(zāi)害監(jiān)測，異物侵限

0 引言

目前已實(shí)施的高速鐵路自然災(zāi)害及異物侵限監(jiān)測系統(tǒng)中，異物侵限監(jiān)測均采用雙電網(wǎng)傳感器方式。但這種方式受鐵路沿線環(huán)境影響，易產(chǎn)生誤報(bào)，且無法監(jiān)測異物入侵防護(hù)網(wǎng)的積累情況。本文結(jié)合光纖光柵的技術(shù)特點(diǎn)對光纖光柵探測技術(shù)應(yīng)用到鐵路異物侵限監(jiān)測領(lǐng)域進(jìn)行了分析。

1 光纖光柵傳感技術(shù)簡介

光纖光柵技術(shù)是利用反射光的波長對溫度、應(yīng)力、振動(dòng)和應(yīng)變敏感，通過光刻技術(shù)在光纖芯中引起折射的周期性變化原理而形成。當(dāng)環(huán)境溫度、應(yīng)力或應(yīng)變發(fā)生變化時(shí)，光纖光柵反射光的峰值波長漂移，通過對波長漂移的度量就可以實(shí)現(xiàn)對溫度、應(yīng)力和應(yīng)變的感測。利用光纖光柵對振動(dòng)和應(yīng)變這種特性可制成適用于鐵路災(zāi)害監(jiān)測異物侵限監(jiān)測的光纖光柵傳感器。

2 系統(tǒng)方案

2.1 系統(tǒng)總體架構(gòu)

基于光纖光柵傳感技術(shù)的異物侵限監(jiān)控系統(tǒng)主要由現(xiàn)場設(shè)

備、傳輸光纜及后臺設(shè)備部分組成(本方案以設(shè)置5個(gè)防護(hù)網(wǎng)為例)，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

光纖光柵現(xiàn)場設(shè)備可借鑒傳統(tǒng)的雙電網(wǎng)，將防護(hù)網(wǎng)里面的監(jiān)測電纜替換成光纖，并安裝光纖光柵破網(wǎng)傳感器，并在每片防護(hù)網(wǎng)上安裝光纖光柵振動(dòng)傳感器。在附近的災(zāi)害監(jiān)測機(jī)房內(nèi)設(shè)置光纖光柵解調(diào)儀、計(jì)算機(jī)等后臺處理設(shè)備，并接入監(jiān)控單元設(shè)備，監(jiān)控單元至現(xiàn)場設(shè)備用光纜連接。

光纖光柵振動(dòng)傳感器含有光纖光柵及慣性體，其工作原理為：外界的振動(dòng)會引起光纖光柵內(nèi)慣性體的上下運(yùn)動(dòng)，對光纖光柵產(chǎn)生相應(yīng)的張拉效應(yīng)，導(dǎo)致光纖光柵的特征反射波長發(fā)生變化，后端的光纖光柵解調(diào)儀接收到光柵反射波長變換后光譜的變化，再通過計(jì)算機(jī)后臺處理設(shè)備進(jìn)行信號處理，剔除環(huán)境噪聲等因素，綜合判斷，并給出入侵報(bào)警信息。

2.2 光纖光柵振動(dòng)傳感器設(shè)置方案

利用光纖光柵對振動(dòng)感應(yīng)的特性，可制成光纖光柵振動(dòng)傳感器，在每個(gè)防護(hù)網(wǎng)片上均設(shè)置一個(gè)，如圖2所示的Z1～Z5。傳感器采用串接熔接方式連接，引線編號以FC1表示。光纖光柵傳感器將異物沖撞防護(hù)網(wǎng)造成的振動(dòng)進(jìn)行采集，通過光纖傳送到后臺計(jì)算機(jī)處理設(shè)備。

2.3 光纖光柵破網(wǎng)傳感器設(shè)置方案

比照傳統(tǒng)雙電網(wǎng)傳感器斷網(wǎng)報(bào)警的特性，在每個(gè)防護(hù)網(wǎng)內(nèi)編制光纖網(wǎng)，并設(shè)置光纖光柵破網(wǎng)監(jiān)測傳感器，將每個(gè)防護(hù)網(wǎng)定義為一個(gè)防區(qū)，在定義的每個(gè)防區(qū)前后兩端各設(shè)有一個(gè)光纖光柵破網(wǎng)傳感器，如圖3所示。以一個(gè)防區(qū)為例，光纖光柵破網(wǎng)傳感器S0被定義為傳輸線路自檢傳感器，負(fù)責(zé)監(jiān)控傳輸線路故障，S1被定義為防區(qū)1破網(wǎng)傳感器，負(fù)責(zé)監(jiān)控防區(qū)內(nèi)是否有破網(wǎng)發(fā)生，同時(shí)也是防區(qū)2的起點(diǎn)。當(dāng)異物侵限破網(wǎng)發(fā)生時(shí)，S1的檢測信號將消失(即處于開關(guān)量的斷路)，系統(tǒng)將作出異物侵限破網(wǎng)發(fā)生響應(yīng)。

2.4 光纖光柵的傳輸網(wǎng)絡(luò)

鐵路異物侵限監(jiān)測防護(hù)網(wǎng)的設(shè)置數(shù)量一般在幾十個(gè)左右，如為每個(gè)傳感器單獨(dú)設(shè)置光源及解調(diào)系統(tǒng)，會極大的增加工程成本及維護(hù)成本，不利于光纖光柵技術(shù)的推廣，故需將多個(gè)傳感器共用光源和解調(diào)系統(tǒng)。根據(jù)光纖光柵的特性，結(jié)合鐵路異物侵限監(jiān)測的特點(diǎn)，采用波分復(fù)用方式可以很好的解決此問題。

光纖光柵傳感使用波分復(fù)用時(shí)，將光源波長劃分成許多小的波長，每個(gè)傳感器占用一個(gè)波長區(qū)間，相互不重疊，當(dāng)探測的外界對象發(fā)生變化時(shí)，每個(gè)傳感器的波長在各自區(qū)間內(nèi)波動(dòng)，互不干擾。通過采用波分復(fù)用技術(shù)，在保證光纖光柵異物侵限監(jiān)測系統(tǒng)的準(zhǔn)確性和可靠性的前提下，使系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了分布式監(jiān)測的功能，每個(gè)監(jiān)測網(wǎng)片都可以獨(dú)立的進(jìn)行異物侵限監(jiān)測，提高了系統(tǒng)的精度。

在使用多個(gè)傳感器監(jiān)測系統(tǒng)中，傳感器的組網(wǎng)傳輸需考慮其波長間隔和線路損耗。目前一般解調(diào)儀器的探測頻譜寬度在40 nm～60 nm左右，如信號檢測系統(tǒng)要求總線程損耗在8 dB以下，光纜的每千米線程損耗以0.3 dB計(jì)，單個(gè)傳感器的線程損耗控制在0.1 dB以內(nèi)，每個(gè)信道按20個(gè)傳感器計(jì)，那就可得到系統(tǒng)允許的最遠(yuǎn)傳輸距離為20 km，此范圍可以滿足鐵路工程的實(shí)際需要。

3 系統(tǒng)報(bào)警判斷流程

光纖光柵振動(dòng)傳感器探測異物對防護(hù)網(wǎng)的撞擊，破網(wǎng)傳感器探測異物對防護(hù)網(wǎng)的損傷。探測信號通過光纜傳輸至臨近災(zāi)害監(jiān)測機(jī)房光纖光柵解調(diào)儀，解調(diào)儀將信號解調(diào)后上傳給計(jì)算機(jī)，計(jì)算機(jī)分析處理軟件對探測的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，根據(jù)系統(tǒng)預(yù)先設(shè)置的報(bào)警策略輸出相應(yīng)級別的報(bào)警信息提示。

本方案設(shè)計(jì)了光纖光柵振動(dòng)傳感器和光纖光柵破網(wǎng)傳感器，將兩類傳感器同時(shí)布設(shè)于防護(hù)網(wǎng)上，僅當(dāng)兩種傳感器同時(shí)報(bào)警時(shí)，系統(tǒng)才發(fā)出異物侵限報(bào)警，通過兩種傳感器共同探測可制定基于光纖光柵技術(shù)的異物侵限報(bào)警規(guī)則。

1)一級報(bào)警處理(有異物侵限無破網(wǎng))。有異物撞擊到防護(hù)網(wǎng),但被防護(hù)網(wǎng)有效攔截住,未穿透防護(hù)網(wǎng),不影響行車安全，這時(shí)振動(dòng)傳感器探測到防護(hù)網(wǎng)有振動(dòng)情況，但破網(wǎng)傳感器未探測到有破網(wǎng)發(fā)生，則不聯(lián)動(dòng)控制列控系統(tǒng)，通知維護(hù)部門去現(xiàn)場檢查，清除防護(hù)網(wǎng)上的異物。

2)二級報(bào)警(有異物侵限同時(shí)破網(wǎng))。如有異物撞擊并穿透防護(hù)網(wǎng)，異物有可能影響行車安全。這時(shí)振動(dòng)傳感器探測到防護(hù)網(wǎng)有振動(dòng)情況，破網(wǎng)傳感器探測到有破網(wǎng)發(fā)生，計(jì)算機(jī)后臺處理設(shè)備比對收到的振動(dòng)波形信號是否合理，發(fā)生振動(dòng)與破網(wǎng)的防護(hù)網(wǎng)是否為同一網(wǎng)片，振動(dòng)與破網(wǎng)的時(shí)間是否一致等因素，經(jīng)過綜合分析排除誤報(bào)的情況進(jìn)行異物侵限報(bào)警，并聯(lián)動(dòng)控制列控系統(tǒng)。

3)系統(tǒng)故障警示。利用光纖光柵可以對每個(gè)傳感器進(jìn)行尋址的技術(shù)特點(diǎn)，即每個(gè)破網(wǎng)、振動(dòng)傳感器對應(yīng)某一特定網(wǎng)片，如本方案中“Z1”“S1”對應(yīng)“網(wǎng)1”，在發(fā)生異物侵限報(bào)警時(shí)，通過精確定位可有效區(qū)分“Z5，S1”或“Z1，S5”產(chǎn)生的不同報(bào)警組合，避免誤報(bào)。如發(fā)生振動(dòng)與破網(wǎng)報(bào)警網(wǎng)片不一致，僅有破網(wǎng)傳感器報(bào)警，振動(dòng)傳感器未報(bào)警等情況，則判定為系統(tǒng)故障。

4 光纖光柵異物侵限監(jiān)測的特點(diǎn)

1)光纖光柵信號的檢測和傳輸采用光為媒介，實(shí)現(xiàn)了現(xiàn)場無電檢測，檢測信號不受電磁干擾。

2)數(shù)字量檢測，檢測精度高，系統(tǒng)容量大，傳輸距離遠(yuǎn)，特別適合鐵路惡劣的沿線環(huán)境。

3)兩種不同原理的傳感器組合，異物侵限精確定位，可實(shí)現(xiàn)分布式測量，避免無效報(bào)警，提高系統(tǒng)可靠性。

4)信號傳輸線路自檢，有效區(qū)分線路傳輸故障和傳感器檢測信號，避免發(fā)生無效報(bào)警。

5 結(jié)語

本文分析了光纖光柵的技術(shù)特點(diǎn)，提出了光纖光柵異物監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)置方案及報(bào)警判斷流程。鐵路工程異物侵限監(jiān)測采用光纖光柵探測技術(shù)可避免傳統(tǒng)雙電網(wǎng)傳感器易受電磁干擾、無法精確定位、無法將異物對防護(hù)網(wǎng)造成的振動(dòng)進(jìn)行探測等缺點(diǎn)，為異物侵限監(jiān)測技術(shù)的研究提供了一個(gè)新的手段。

[1] 劉建斌.基于光纖光柵傳感的鐵路異物侵限監(jiān)測系統(tǒng)研究[J].交通科技,2011(3)：126-128.

[2] 林 斌.光纖光柵傳感鐵路安全監(jiān)測技術(shù)[J].交通科技，2010,8(5)：93-95.

Research of foreign object invasion monitoring system based on optical grating and optical fiber technology

Huang Naibin

(RailwayThirdSurveyandDesignInstituteGroupLimitedCompany,Tianjin300251,China)

The article analyzes the technical characteristics of optical grating and optical fiber, then proposes the construction plan and alarm judge process of foreign object invasion monitoring system based on optical grating and optical fiber technology. The paper analyzes optical grating and optical fiber foreign object invasion monitoring feature, with a view to improve the reliability for foreign object invasion monitoring.

optical grating and optical fiber, disaster monitoring, foreign object invasion monitoring

1009-6825(2016)10-0133-03

2016-01-27

黃乃斌(1983- )，男，工程師

U212.2

A