葉 雯

（中國(guó)人民武裝警察部隊(duì)海警學(xué)院艦艇指揮系，浙江寧波 315801）

1 概述

信息技術(shù)和社會(huì)經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展，使人們對(duì)交通出行方式提出了越來(lái)越高的要求。民航由于受到天氣和航空流量控制的影響，雖然在速度方面有一定的優(yōu)越性，但是比較容易出現(xiàn)航班延誤和取消的情況，具有一定的限制性；公路交通，由于其經(jīng)常會(huì)受到天氣和高速公路擁堵的影響，也具有一定的限制性。而高速鐵路，由于其具有運(yùn)行準(zhǔn)時(shí)、安全、舒適、運(yùn)輸量大且速度快的優(yōu)點(diǎn)，已經(jīng)漸漸成為人們出行的首選交通方式。進(jìn)入21世紀(jì)以來(lái)，高速鐵路得到了迅速發(fā)展，不僅在速度上得到飛速進(jìn)步，在列控和安全防控方面也越來(lái)越往智能方向發(fā)展。目前，國(guó)內(nèi)高鐵列控技術(shù)在實(shí)際應(yīng)用中已經(jīng)發(fā)展到CTCS-3級(jí)列控系列，采用準(zhǔn)移動(dòng)閉塞方式，應(yīng)用于時(shí)速300 km以上的高鐵系列，而更高一級(jí)的CTCS-4級(jí)列控系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)移動(dòng)閉塞和虛擬閉塞，從而縮短行車(chē)間隔，尚處于理論研究階段[1]。

高鐵系統(tǒng)在提升速度的同時(shí)，還必須考慮到安全性問(wèn)題，因此專(zhuān)家學(xué)者們?cè)谘芯咳绾翁岣吒哞F運(yùn)行速度的同時(shí)，也開(kāi)展對(duì)高鐵安全性問(wèn)題的科學(xué)研究。國(guó)內(nèi)在這方面的工作已經(jīng)取得一定的進(jìn)展。參考文獻(xiàn)2分析不同鐵路場(chǎng)所下的不同安防系統(tǒng)，主要運(yùn)用到了紅外對(duì)射、電子圍欄、振動(dòng)光纖、視頻監(jiān)控等多種安防手段[2]。參考文獻(xiàn)3對(duì)目前國(guó)內(nèi)鐵路正在試行的周界入侵報(bào)警系統(tǒng)進(jìn)行了優(yōu)化[3]。參考文獻(xiàn)4在分析了以上安防系統(tǒng)不足的基礎(chǔ)上，提出基于微波列陣技術(shù)的高鐵周界安防系統(tǒng)，彌補(bǔ)主流安防系統(tǒng)的不足[4]。

2 高鐵安防系統(tǒng)

本文闡述一種高鐵安防系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括檢測(cè)模塊、報(bào)警模塊、傳輸模塊3部分，而檢測(cè)模塊又包括電力檢測(cè)模塊、溫度傳感檢測(cè)模塊、空氣壓力檢測(cè)模塊和光纖振動(dòng)檢測(cè)模塊。其中的光纖振動(dòng)檢測(cè)模塊是利用光纖的瑞利散射信號(hào)，通過(guò)光相位變化來(lái)檢測(cè)入侵信號(hào)，具有實(shí)時(shí)、多點(diǎn)、長(zhǎng)距離遠(yuǎn)程監(jiān)控報(bào)警功能。該模塊可以根據(jù)對(duì)比反射回來(lái)的振動(dòng)波形來(lái)判斷高鐵周界的不安全因素源的位置和類(lèi)型，給予報(bào)警和視頻監(jiān)控，針對(duì)不同的不安全因素源來(lái)采取不同的應(yīng)對(duì)措施，排除不安全因素。

高鐵周界安防系統(tǒng)的工作原理如圖1所示。系統(tǒng)由傳輸模塊、檢測(cè)模塊和報(bào)警模塊構(gòu)成。檢測(cè)模塊又由空氣壓力檢測(cè)模塊、電力檢測(cè)模塊、溫度傳感檢測(cè)模塊、光纖振動(dòng)檢測(cè)模塊組成。傳輸模塊包括無(wú)線(xiàn)傳輸部分和有線(xiàn)傳輸部分。報(bào)警模塊包括信息記錄部分和語(yǔ)音警示部分。信息記錄部分又包括圖像顯示和數(shù)據(jù)記錄兩部分，其中的圖像主要是記錄光纖振動(dòng)模塊中非正常擾動(dòng)的視頻監(jiān)控錄像，提示有非正常擾動(dòng)信號(hào)時(shí)，顯示擾動(dòng)源的相關(guān)視頻情況。語(yǔ)音提示部分是當(dāng)各個(gè)模塊超過(guò)設(shè)定閾值時(shí)給予報(bào)警提示，并且記錄相關(guān)信息。

2.1 光纖振動(dòng)傳感檢測(cè)模塊

高鐵安防系統(tǒng)中，光纖振動(dòng)傳感檢測(cè)模塊部分是本設(shè)計(jì)的一個(gè)重要部分，可以實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)、多點(diǎn)、遠(yuǎn)距離的24 h無(wú)人監(jiān)控，該技術(shù)還被應(yīng)用在邊境安防監(jiān)控中[5]。工作原理如圖2所示，激光器發(fā)出1550 nm的單頻激光光源，脈沖寬帶在10～100 ns，經(jīng)過(guò)脈沖調(diào)制后，發(fā)射出的脈沖光源經(jīng)過(guò)功率放大，使獲得足夠強(qiáng)的功率可以得到回波信號(hào)，被放大的脈沖激光經(jīng)過(guò)光濾波器，使放大過(guò)程中產(chǎn)生的非發(fā)射波段干擾得以去除。在傳輸?shù)倪^(guò)程中，由于光纖內(nèi)部產(chǎn)生了瑞利散射[6]，在光纖的不同位置會(huì)產(chǎn)生一個(gè)反向的散射信號(hào)，信號(hào)通過(guò)光纖耦合器，經(jīng)過(guò)光濾波和放大器，由高靈敏的光信號(hào)接收系統(tǒng)接收，通過(guò)光電轉(zhuǎn)換變成隨時(shí)間變化的電信號(hào)波形，經(jīng)過(guò)計(jì)算機(jī)對(duì)波形進(jìn)行分析，假如在光纖鋪設(shè)的整個(gè)檢測(cè)路段，有非正常擾動(dòng)產(chǎn)生，那么通過(guò)檢測(cè)反射回來(lái)的波形變化，將其和之前沒(méi)有擾動(dòng)的波形進(jìn)行比較，就可以判斷出非正常振動(dòng)的位置和振動(dòng)源的類(lèi)型[6]，進(jìn)而啟動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)報(bào)警。

該光纖振動(dòng)傳感模塊是利用光時(shí)域反射計(jì)原理[7-8],在光時(shí)域譜上通過(guò)對(duì)比反射光譜的變化來(lái)感知外界擾動(dòng)情況。該模塊所用的激光光源是脈沖光源，其脈沖的頻率需要根據(jù)系統(tǒng)要求設(shè)定，最高頻率決定于傳感光纖的鋪設(shè)總長(zhǎng)，為使兩個(gè)脈沖信號(hào)之間無(wú)干擾，設(shè)定的脈沖周期應(yīng)大于光脈沖在光纖中的來(lái)回時(shí)間。根據(jù)傳感光纖的總長(zhǎng)度，可以確定下一個(gè)脈沖的發(fā)射時(shí)間，例如，對(duì)于10 km的光纖長(zhǎng)度，光纖發(fā)射和經(jīng)過(guò)的光纖總長(zhǎng)度為20 km，對(duì)應(yīng)的來(lái)回傳輸時(shí)間約為10-4s，因此脈沖間隔必須大于10-4s，這樣脈沖的最高頻率可以設(shè)定為10 kHz。如果光纖長(zhǎng)度擴(kuò)展為50 km，對(duì)應(yīng)的來(lái)回時(shí)間為5×10-4s，這時(shí)脈沖的最高頻率可以設(shè)定為2 kHz。由此可見(jiàn)，該光纖振動(dòng)檢測(cè)模塊的激光光源需要根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行選擇，不同的傳感檢測(cè)距離，選擇不同頻率和功率的脈沖激光光源。

該光纖振動(dòng)傳感檢測(cè)模塊的優(yōu)點(diǎn)在于，可以實(shí)時(shí)監(jiān)控高鐵周邊情況，一旦非正常擾動(dòng)產(chǎn)生，可以即時(shí)報(bào)警，并且由計(jì)算機(jī)軟件系統(tǒng)分析出非正常擾動(dòng)的位置和擾動(dòng)源的類(lèi)型。擾動(dòng)源的位置判斷是根據(jù)回波信號(hào)的時(shí)間序列中讀出來(lái)，因此可以根據(jù)波形的時(shí)間序列圖讀到多個(gè)位置點(diǎn)的不同擾動(dòng)，這樣就提高了檢測(cè)效率。振動(dòng)源的類(lèi)型通過(guò)波形圖上振動(dòng)頻率和振動(dòng)強(qiáng)度的不同來(lái)判斷。當(dāng)然，這需要一些前期的實(shí)踐工作，根據(jù)一些實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)來(lái)建立擾動(dòng)數(shù)據(jù)庫(kù)，對(duì)高鐵運(yùn)行經(jīng)常會(huì)遇到的一些非正常擾動(dòng)波形進(jìn)行建模，然后將實(shí)際檢測(cè)到的數(shù)據(jù)跟它們比對(duì)，判斷出擾動(dòng)類(lèi)型，啟動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)。報(bào)警系統(tǒng)給予報(bào)警，同時(shí)給出擾動(dòng)源各自對(duì)應(yīng)的位置信息，并且記錄視頻監(jiān)控錄像，給后期事故處理提供依據(jù)。具體操作流程如圖3所示。

安防系統(tǒng)中光纖振動(dòng)傳感檢測(cè)模塊因其實(shí)時(shí)性、工作距離大、高定位精度的要求，其結(jié)構(gòu)模塊架構(gòu)相對(duì)比較精細(xì)，而且需要前期數(shù)據(jù)建模工作，相對(duì)其他3個(gè)檢測(cè)模塊來(lái)說(shuō)，研究工作更復(fù)雜。

2.2 空氣壓力檢測(cè)模塊

安防系統(tǒng)中的空氣壓力檢測(cè)模塊，是利用高鐵在高速前行時(shí)，兩側(cè)的空氣壓力驟減，產(chǎn)生的壓力差高達(dá)幾十千克以上，進(jìn)入高鐵的人和物體都會(huì)被“吸向”高鐵，因此該空氣壓力模塊，是利用了對(duì)壓力敏感的壓敏式電阻，其阻值會(huì)隨著壓力的變化而變化，使電路中的電流發(fā)生變化，給出了不同的電信號(hào)，報(bào)警系統(tǒng)根據(jù)電信號(hào)的情況給予報(bào)警。在檢測(cè)風(fēng)力的同時(shí)，也檢測(cè)高鐵周邊的空氣壓力，起到很好的安防作用。其工作原理如圖4所示，空氣通過(guò)導(dǎo)氣管進(jìn)入真空管，真空管的一端接有壓敏電阻，壓敏電阻根據(jù)氣體不同壓強(qiáng)產(chǎn)生著變化，使回路中的電流產(chǎn)生變化，產(chǎn)生不同的電信號(hào)，電信號(hào)檢測(cè)器通過(guò)不同電信號(hào)變化控制著電路，給予報(bào)警。

2.3 溫度傳感檢測(cè)模塊

安防系統(tǒng)中的溫度傳感檢測(cè)模塊，利用熱敏電阻的變化引起電壓的變化，來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)高鐵表面以及高鐵周邊的空氣溫度的檢測(cè)，其工作原理跟上面相類(lèi)似，只是使用的電阻不同而已。熱敏電阻被安置在高鐵車(chē)身外靠近軌道的地方，高鐵運(yùn)行速度過(guò)快或者有其他異常情況例如起火等，熱敏電阻值會(huì)發(fā)生變化，引起電路中的電流和電壓的變化，啟動(dòng)回路中的報(bào)警系統(tǒng)報(bào)警，保證高鐵的安全運(yùn)行。另外，在每一節(jié)車(chē)廂也安裝一個(gè)溫度報(bào)警器，在車(chē)廂溫度異常的情況下同樣報(bào)警，保證車(chē)廂內(nèi)部的安全。

2.4 電力檢測(cè)模塊

安防系統(tǒng)中的電力檢測(cè)模塊，通過(guò)檢測(cè)高鐵供電系統(tǒng)中輸出端的電壓和功率值以及輸入端的電壓和功率值來(lái)判斷其電力系統(tǒng)是否正常，檢測(cè)數(shù)據(jù)由傳輸系統(tǒng)傳輸?shù)接?jì)算機(jī)系統(tǒng)，由相關(guān)的軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，分析出高鐵電力系統(tǒng)的運(yùn)行狀況，假如出現(xiàn)異常，則啟動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)報(bào)警，同時(shí)記錄數(shù)據(jù)，做出應(yīng)對(duì)方案，實(shí)時(shí)保證高鐵安全運(yùn)行。

安防系統(tǒng)的4個(gè)檢測(cè)模塊都是通過(guò)傳輸模塊進(jìn)行無(wú)線(xiàn)和有線(xiàn)信號(hào)的傳輸，最后由報(bào)警系統(tǒng)給出視頻監(jiān)控圖像和報(bào)警信息，保障高鐵的運(yùn)行穩(wěn)定。報(bào)警系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)24 h的無(wú)人監(jiān)控智能報(bào)警，計(jì)算機(jī)分析出高鐵運(yùn)行的不穩(wěn)定因素類(lèi)型，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)報(bào)警后，記錄相關(guān)信息，方便事故處理。

3 安防系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)

本文所介紹的高鐵安防系統(tǒng)，通過(guò)對(duì)高鐵運(yùn)行過(guò)程壓力、溫度、振動(dòng)、電壓和功率幾個(gè)參數(shù)值的變化來(lái)監(jiān)測(cè)高鐵的安全性，具有實(shí)時(shí)、智能、多方面的監(jiān)測(cè)特點(diǎn)，其中的光纖振動(dòng)檢測(cè)模塊，引入國(guó)際先進(jìn)技術(shù)，具有很高的監(jiān)測(cè)精度和準(zhǔn)確度，不僅可以實(shí)現(xiàn)24 h無(wú)人監(jiān)控，還可以準(zhǔn)確分辨出振動(dòng)源的類(lèi)型，判斷出非正常擾動(dòng)情況，做出相應(yīng)的應(yīng)對(duì)方案，具有很強(qiáng)的智能性。

4 結(jié)束語(yǔ)

該安防系統(tǒng)暫時(shí)還處于試驗(yàn)階段，尚未正式進(jìn)入實(shí)際鋪設(shè)過(guò)程，光纖振動(dòng)模塊，由于其檢測(cè)裝置相對(duì)比較精細(xì)，而且又是全段光纖鋪設(shè)，對(duì)工程技術(shù)提出了很高的要求，光纖系統(tǒng)的后期維護(hù)工作也具有一定的技術(shù)性，因此，該系統(tǒng)跟之前別的安防系統(tǒng)相比，工程量會(huì)相對(duì)復(fù)雜一些，具有一定的挑戰(zhàn)性。