光纖光柵在鐵路自然災(zāi)害及異物侵限監(jiān)測系統(tǒng)中的應(yīng)用

中鐵電氣化局集團有限公司 李耀東

0 引言

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，國內(nèi)與高速鐵路相關(guān)的項目越來越多，在以日本為代表的、高速鐵路較為發(fā)達(dá)的國家，普遍采用了能夠監(jiān)測異物侵限并進行報警的系統(tǒng)，但是在實踐過程中人們發(fā)現(xiàn)，選擇光纜作為傳輸和監(jiān)測系統(tǒng)信號部位的主要構(gòu)成，會增大傳輸段發(fā)生故障的幾率，基于此，研究人員將光纖光柵和負(fù)責(zé)監(jiān)測異物侵限的系統(tǒng)進行了結(jié)合，這樣做不僅降低了分區(qū)監(jiān)測和傳感需要的成本，還提高了監(jiān)測的準(zhǔn)確性。

1 應(yīng)用光纖光柵的異物侵限監(jiān)測技術(shù)的概述

首先對光纖光柵技術(shù)的定義進行簡明扼要的概括：光纖光柵主要是在光纖芯中對紫外曝光技術(shù)加以利用，使折射率出現(xiàn)周期性變化所形成的?；诖耍饫w光柵所對應(yīng)折射率在分布方面具有的周期性結(jié)構(gòu)，不僅會導(dǎo)致特定波長出現(xiàn)光的反射，還會形成相應(yīng)的反射譜。對反射光波長而言，無論是應(yīng)變、溫度還是應(yīng)力發(fā)生變化，都會導(dǎo)致光的峰值波長出現(xiàn)漂移情況，也就是說，工作人員通過度量波長漂移量的方式，就能夠完成感測應(yīng)變、溫度和應(yīng)力的相關(guān)工作[1]。

將光纖光柵與異物侵限監(jiān)測進行相結(jié)合的優(yōu)勢，主要體現(xiàn)在以下幾個方面：其一，具備較高的可靠性，漏報、誤報等情況出現(xiàn)的幾率大大降低。將波長信息作為監(jiān)測量，能夠保證針對異物侵限事件探測工作的準(zhǔn)確性，漏報情況自然不會出現(xiàn)，將光波長信號用于傳感及傳輸，不會被傳輸距離所影響，誤報的可能性也隨之降低；其二，通過簡化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的方式降低成本。將光纖光柵與濾波片進行結(jié)合，完成后續(xù)的解調(diào)工作，能夠在滿足鐵路系統(tǒng)對技術(shù)具有需求的基礎(chǔ)上降低成本，另外，光纖傳輸?shù)木嚯x較長，工作人員可以將位于信號中繼站或車站管轄范圍之內(nèi)的監(jiān)測點通過監(jiān)測得到的數(shù)據(jù)信息，向自然災(zāi)害及異物侵限監(jiān)測系統(tǒng)進行接入，與雙電網(wǎng)監(jiān)測系統(tǒng)相比較而言，該監(jiān)控系統(tǒng)不僅具有較多的監(jiān)測點，集成度也更高，監(jiān)控單元數(shù)量自然能夠隨之減少；其三，使分區(qū)、故障自檢成為了現(xiàn)實。在過去很長一段時間內(nèi)，用于異物侵限監(jiān)測的電類技術(shù)和光類技術(shù)，不僅無法對傳輸段信號和傳感段信號進行分辨，還無法實現(xiàn)線路故障的自檢，基于光纖光柵所構(gòu)建的、對異物侵限加以監(jiān)控的系統(tǒng)，能夠?qū)鬏敼收闲盘柵c報警信號進行分離，無論是分區(qū)還是故障自檢都成為了現(xiàn)實；其四，非電監(jiān)測，對電磁具有較強的抗干擾能力。該系統(tǒng)負(fù)責(zé)監(jiān)測和傳輸?shù)牟糠志晒饫w組成，光纖具有抗干擾和防雷擊的特性。

2 應(yīng)用光纖光柵的鐵路自然災(zāi)害及異物侵限監(jiān)測系統(tǒng)方案

2.1 方案概述

鐵路自然災(zāi)害及異物侵限監(jiān)測系統(tǒng)的構(gòu)成，主要分為光纖光柵監(jiān)測網(wǎng)，監(jiān)控單元，監(jiān)控數(shù)據(jù)處理設(shè)備以及終端設(shè)備。光纖的作用是對光纖光柵監(jiān)測網(wǎng)收集到的數(shù)據(jù)信息向監(jiān)控單元進行傳遞，為后續(xù)分析處理工作的開展提供便利。一旦在開展系統(tǒng)工作的過程中，發(fā)現(xiàn)在監(jiān)測現(xiàn)場有異物侵限的情況存在，監(jiān)控單元會將報警信息通過監(jiān)控單元繼電器組合聯(lián)動觸發(fā)信號系統(tǒng)控制列車停車，同時將報警信息上傳至監(jiān)控數(shù)據(jù)處理設(shè)備，監(jiān)控數(shù)據(jù)處理設(shè)備在收到報警信息后，分發(fā)至工務(wù)段、調(diào)度等終端顯示。

2.2 現(xiàn)場監(jiān)測

首先是雙區(qū)雙光路監(jiān)測并判別狀態(tài)。雙區(qū)雙光路的光纖光柵監(jiān)控系統(tǒng)，與其他系統(tǒng)相比具有更加良好的可靠性，該系統(tǒng)的特點如下：任意監(jiān)測點均采用兩套獨立存在的光線光柵監(jiān)測網(wǎng)以及傳輸網(wǎng)。如果這兩套裝置監(jiān)測到的信號狀態(tài)均為正常，則說明監(jiān)測點沒有異物侵限的情況存在，如果這兩套裝置監(jiān)測到的信號狀態(tài)為均斷線，此時，自然災(zāi)害及異物侵限監(jiān)測系統(tǒng)就需要向外傳遞出報警的相關(guān)信息，如果這兩套裝置監(jiān)測到了不同于上述情況的狀態(tài)組合，那么，就需發(fā)出故障報警信號，之所以會出現(xiàn)這樣的情況，是因為兩套分別獨立于對方而存在的光纖光柵監(jiān)測網(wǎng)以及傳輸網(wǎng)，對應(yīng)的系統(tǒng)不僅可以根據(jù)所接受信號數(shù)據(jù)，對故障現(xiàn)行加以判斷，還能夠完成報警等級的設(shè)定、選擇應(yīng)對措施等工作，誤報警的可能性自然也會隨之減少[2]。

其次是對異物侵限進行分區(qū)監(jiān)測。自然災(zāi)害及異物侵限監(jiān)測系統(tǒng)內(nèi)光源所發(fā)出的往往是寬帶光，寬帶光需要經(jīng)過光分路器，才能分別傳輸光纖、異物侵限對應(yīng)的傳感器內(nèi)部。這里需要注意一點，異物侵限所對應(yīng)傳感器，負(fù)責(zé)連接傳輸光纜的兩端，所安裝光纖光柵的規(guī)格往往有所區(qū)別，這樣能夠?qū)崿F(xiàn)反射波長不同的光信號的目標(biāo)。將反射波長信號分別設(shè)為λ1、λ2，那么，位于λ1、λ2間的區(qū)域為傳感區(qū)域，作用主要是對異物侵限情況進行監(jiān)測，位于自然災(zāi)害及異物侵限監(jiān)測系統(tǒng)和光纖光柵間的區(qū)域為信號傳輸區(qū)，λ1、λ2所對應(yīng)的波長信號，在正常情況下，都需要經(jīng)由傳輸光纜，向光分路器返回，從而成功地進入到光信號處理器的內(nèi)部，完成后續(xù)的監(jiān)控工作。針對后一種情況，選擇兩臺光信號處理器的目的，是對傳輸光纜所返回的信號進行分別接收，如果兩臺處理器同時收到兩個波長不同的光信號，則表明系統(tǒng)處于正常的運行狀態(tài)，沒有異物侵限的情況發(fā)生，如果兩臺處理器只接收到了其中的某個光信號，而沒有接收到從另一個傳輸光纜返回的信號，則代表有光信號返回的傳輸光纜、光纖光柵監(jiān)測網(wǎng)并沒有發(fā)生斷線的情況，無光信號返回的傳輸光纜斷線，如果處理器只有通過傳輸光纜1，才能收到λ1對應(yīng)的波長信號，通過傳輸光纜2收到λ2對應(yīng)的波長信號，說明傳輸光纜未斷線，但光纖光柵監(jiān)測網(wǎng)出現(xiàn)了斷線的問題。另外，雖然監(jiān)測網(wǎng)以及傳輸網(wǎng)同時出現(xiàn)斷線問題的可能性較小，但工作人員仍舊可以根據(jù)傳輸線路返回的信號，完成對故障區(qū)域進行判斷的工作，具體來說，就是兩臺光信號處理器無法接受信號、兩條傳輸線路同時斷線，當(dāng)出現(xiàn)上述情況時，工作人員就可以默認(rèn)為監(jiān)測網(wǎng)出現(xiàn)斷線問題，并根據(jù)實際情況對其進行處理。而將傳輸區(qū)和監(jiān)測區(qū)分開，使二者分別獨立于對方而存在，主要目的是使對異物侵限現(xiàn)場進行監(jiān)控、對線路自身狀態(tài)進行監(jiān)測，這兩項工作的同時開展成為現(xiàn)實，基于此所產(chǎn)生的傳輸故障和異物侵限報警信號，具有良好的可靠性，誤報的幾率明顯的下降。

最后，對光纖光柵的異物侵限對應(yīng)的監(jiān)測信號進行解調(diào)。經(jīng)由光纖光柵所反射的信號作為系統(tǒng)傳感信號而存在，在很長一段時間內(nèi)，負(fù)責(zé)對其進行解調(diào)的主體均為MOI公司（美），價格昂貴的情況無法被避免，由此而引發(fā)的問題就是該項技術(shù)無法大規(guī)模的在工程中加以應(yīng)用，基于此，以降低成本為主要目的，工作人員成功研發(fā)出了一種全新的解調(diào)方法，即將光纖光柵和濾波片進行結(jié)合。光纖光柵的異物侵限對應(yīng)的傳感器所反射回的波長信號有兩個，分別是λ1、λ2，部分光路用作對λ1所對應(yīng)光纖光柵的濾波片進行匹配，完成報警監(jiān)測信號的捕捉工作，所捕捉信號經(jīng)模塊轉(zhuǎn)換，與報警接口電路相連。如果波長光信號能夠正常返回，表明該信號對應(yīng)的光電模塊，輸出高電平；如果波長光信號無法正常范圍，則表明該型號對應(yīng)的光電模塊，輸出低電平。與此同時，光路中還存在用作對λ2所對應(yīng)光纖光柵的濾波片進行匹配，完成報警監(jiān)測信號的捕捉工作的部分。如果在監(jiān)測過程中發(fā)現(xiàn)有異物侵限的報警信息，自然災(zāi)害及異物侵限監(jiān)測系統(tǒng)包含的繼電器組合，需要在第一時間將報警信息傳遞至列控中心和監(jiān)控數(shù)據(jù)處理設(shè)備；如果在監(jiān)測過程中發(fā)現(xiàn)有異物侵限的預(yù)警信息，則需要及時將預(yù)警信息傳遞至數(shù)據(jù)信息處理設(shè)備，為后續(xù)工作的開展提供便利[3]。但是由于異物侵限監(jiān)測對應(yīng)的使用環(huán)境往往十分復(fù)雜，利用通斷信號無法完成對現(xiàn)場狀態(tài)進行有效判斷及預(yù)警的工作，例如，在鐵路邊坡的被動防護網(wǎng)上，對應(yīng)用光纖光柵的監(jiān)測網(wǎng)進行設(shè)置，雖然被動防護網(wǎng)屬于柔性網(wǎng)，即使承受了大量石塊的堆積，也不會出現(xiàn)斷裂的問題，但是鐵路上方堆積大量石塊，給列車運行安全性帶來的威脅往往難以預(yù)估，想要避免上述問題的出現(xiàn)，工作人員可以針對光纖光柵對應(yīng)的監(jiān)測網(wǎng)，從應(yīng)力和通斷兩個方面進行雙重監(jiān)測。負(fù)責(zé)解調(diào)波長和信號分析的模塊，還能夠?qū)饫w網(wǎng)應(yīng)力的變化情況進行監(jiān)測，因此，可以根據(jù)實際需求將其加入到監(jiān)控單元中，并將輸出信號作為預(yù)警信號向數(shù)據(jù)信息處理設(shè)備進行傳遞，應(yīng)用波長解調(diào)模塊中的濾波器通常以角調(diào)式為主，這一類型的濾波器具有監(jiān)測監(jiān)測網(wǎng)受力情況的功能。

3 結(jié)論

綜上所述，對鐵路而言，異物侵限監(jiān)測系統(tǒng)作為災(zāi)害監(jiān)測系統(tǒng)不可或缺的組成部分，應(yīng)用光纖光柵的異物侵限系統(tǒng)，具有抗雷擊、穩(wěn)定性好等優(yōu)點，具有現(xiàn)實意義不言而喻。

[1]邢厚俊.光纖光柵傳感技術(shù)用于鐵路邊坡滑動監(jiān)測的試驗研究[J].鐵道建筑,2018,58(02)：85-88.

[2]張政.光纖光柵傳感技術(shù)在高速鐵路軌道狀態(tài)監(jiān)測中的應(yīng)用[J].鐵道建筑,2016(05)：77-81.

[3]蔣金洲,呂國輝,梁晨,徐玉坡,杜香剛,商紹華.基于光纖光柵傳感技術(shù)的高速鐵路軌道狀態(tài)遠(yuǎn)程監(jiān)測數(shù)傳系統(tǒng)[J].鐵道建筑,2015(01)：76-79.