基于光纖傳感的無源鐵路防護(hù)門開關(guān)狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)

王超東

（中鐵第四勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，湖北 武漢 430063）

引 言

中國鐵路建設(shè)正在有序推進(jìn)，鐵路運(yùn)營安全越來越受到重視。長大隧道在鐵路中較為普遍，根據(jù)《鐵路隧道防災(zāi)疏散救援工程設(shè)計(jì)規(guī)范》[1]、《鐵路工程設(shè)計(jì)防火規(guī)范》[2]等相關(guān)規(guī)范要求，與長大隧道連接的各類通道及安裝了設(shè)備的洞室均設(shè)置了防護(hù)門，如隧道應(yīng)急救援站的橫通道與隧道連接處、緊急救援站以外的橫通道、緊急出口、避難所與隧道連接處、雙洞雙線隧道的聯(lián)絡(luò)通道，以及安裝了通風(fēng)、電力、通信、信號、牽引供電設(shè)備的洞室等位置[3]。大量防護(hù)門的安裝雖然滿足了鐵路隧道疏散救援和防火的需要，但門本身固定的牢固程度也給鐵路運(yùn)營帶來了一定的安全隱患。近年來，發(fā)生了幾起隧道防護(hù)門脫落影響鐵路運(yùn)營的事件，因此部分鐵路局集團(tuán)公司提出拆除防護(hù)門的意見，這就違背了前面提及的鐵路行業(yè)規(guī)范，長大隧道一旦發(fā)生火災(zāi)，后果不堪設(shè)想。

出現(xiàn)這種兩難的局面，主要原因是目前沒有對防護(hù)門進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測，無法掌握門的開閉狀態(tài)，從而在隧道門脫落或打開時(shí)及時(shí)報(bào)警，與運(yùn)營指揮系統(tǒng)聯(lián)動，及時(shí)采取措施，保證運(yùn)營安全。對于防護(hù)門的狀態(tài)監(jiān)控有多種實(shí)現(xiàn)方案，如按普通門禁方式設(shè)置門禁系統(tǒng)或利用視頻監(jiān)控系統(tǒng)對門進(jìn)行監(jiān)測，這些都需要安裝較多的現(xiàn)場設(shè)備。普通門禁的現(xiàn)場監(jiān)測設(shè)備還要有線或無線傳輸通道將信息傳送至中心，視頻監(jiān)控系統(tǒng)需要在合適的位置設(shè)置全天候的攝像頭，這些都需要現(xiàn)場供電。設(shè)備安裝、供電和傳輸通道提供都需要成本，少量的防護(hù)門問題不大。但當(dāng)隧道防護(hù)門的數(shù)量較多時(shí)，建設(shè)成本以及今后的維護(hù)及改造成本將不可忽視。

光纖傳感因其現(xiàn)場無源、環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)、易于組網(wǎng)等優(yōu)點(diǎn)，與光纖通信技術(shù)一同起步，經(jīng)過幾十年的發(fā)展已可傳感數(shù)十種物理量。光纖傳感同被測物理量所在的行業(yè)密切交叉，往往為解決某一種特定的需求而特殊設(shè)計(jì)[4]。例如利用多芯光纖中的布里淵散射可實(shí)現(xiàn)對三維形狀的感知[5]，利用在多芯光纖中設(shè)計(jì)的馬赫-曾德爾干涉儀可實(shí)現(xiàn)高靈敏度的振動傳感[6]。本文提出一種基于光纖傳感的新型無源防護(hù)門監(jiān)測系統(tǒng)，憑借光纖傳感的靈敏度高、傳送距離遠(yuǎn)的特點(diǎn)，利用單芯光纖及簡單的現(xiàn)場光反射和接收裝置即可實(shí)現(xiàn)門的開關(guān)狀態(tài)監(jiān)控。該監(jiān)測系統(tǒng)還可推廣應(yīng)用至鐵路柵欄門以及其他供電困難或取電困難的場合。

本文將首先介紹基本原理，然后對多門組網(wǎng)方案及功率優(yōu)化等關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行研究，最后提出工程應(yīng)用中需要重點(diǎn)關(guān)注的問題及應(yīng)對措施。

1 基本原理及系統(tǒng)構(gòu)成

1.1 基本原理

光纖傳感因其具有傳感現(xiàn)場無源的特性，特別適用于現(xiàn)場無法取電或者取電困難的場合。得益于光纖的低損耗特性，光信號可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離的傳播，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離的傳感監(jiān)測。因此，利用光纖傳感技術(shù)滿足無源場合的鐵路沿線隧道洞室防護(hù)門、設(shè)備門等“門”的開關(guān)狀態(tài)檢測需求是最佳的解決途經(jīng)。在此種應(yīng)用場景下，為了利用光纖傳感技術(shù)，最直接、最有效的方案就是設(shè)計(jì)一種結(jié)構(gòu)將“門”的開關(guān)狀態(tài)轉(zhuǎn)化為光路的通斷狀態(tài)。

如圖1所示，光纖準(zhǔn)直器和反射鏡固定在金屬盒子內(nèi)，在光纖準(zhǔn)直器和反射鏡之間設(shè)置一個(gè)可以移動的滑塊?；瑝K的一端與彈簧相連，另一端凸出盒子外。當(dāng)滑塊擠壓彈簧時(shí)，光路處于一種狀態(tài)；當(dāng)彈簧處于松弛狀態(tài)時(shí)，光路處于另外一種狀態(tài)。將此裝置安裝在被監(jiān)測的“門”的附近，當(dāng)“門”關(guān)閉時(shí)，滑塊受到擠壓；當(dāng)“門”打開時(shí)，滑塊釋放。如此一來，即實(shí)現(xiàn)了將“門”的開關(guān)狀態(tài)轉(zhuǎn)換為光路的通斷狀態(tài)。

圖1 光門開關(guān)傳感頭結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖Fig. 1 Structure design of optical switch sensor

在圖1所示設(shè)計(jì)中，通過使用反射鏡實(shí)現(xiàn)了單端口測量，這在工程應(yīng)用中可大大節(jié)約光纖資源。從圖1可以看出，當(dāng)傳感頭的滑塊受到擠壓時(shí)，光路可以設(shè)計(jì)為“通”或者“斷”。首先，被監(jiān)測的鐵路防護(hù)門設(shè)計(jì)為常閉狀態(tài)，當(dāng)門被異常開啟時(shí)需要報(bào)警提醒。第二，當(dāng)連接傳感頭的光纖斷纖或者光門開關(guān)自身異常時(shí)，也應(yīng)該提醒系統(tǒng)異常。因此，我們認(rèn)為將傳感頭設(shè)計(jì)為常開狀態(tài)是最好的選擇，即滑塊受到擠壓時(shí)光路為“通”的狀態(tài)。

1.2 光門開關(guān)傳感頭測試

按照圖1所示傳感頭設(shè)計(jì)圖制作了樣品若干個(gè)（實(shí)物照片如圖2所示），并對其性能指標(biāo)進(jìn)行了測試。經(jīng)測試，傳感頭開-關(guān)消光比均大于30 dB，插入損耗均小于1 dB。另外，考慮到現(xiàn)場使用的環(huán)境，在傳感頭制作時(shí)考慮了防水防塵工藝，經(jīng)測試可達(dá)IP56等級。

圖2 光門開關(guān)傳感頭實(shí)物樣品照片F(xiàn)ig. 2 Photograph of the sensor

為測試傳感頭動態(tài)響應(yīng)，將傳感頭安裝在設(shè)備柜門上以模擬鐵路防護(hù)門進(jìn)行開關(guān)狀態(tài)的傳感測試，如圖3（a）所示。將連續(xù)光注入傳感頭，通過光電探測器探測傳感頭反射光信號，利用示波器觀察其時(shí)域波形。當(dāng)柜門反復(fù)打開-關(guān)閉時(shí)，觀察到圖3（b）所示波形，示波器采樣頻率為1 MSa/s?？梢钥吹介_-閉狀態(tài)變換時(shí)，光探測器信號快速響應(yīng)。模擬測試了100次開閉動作，信號均存在圖3（b）所示響應(yīng)波形。放大其中一個(gè)由閉合變換為開啟狀態(tài)的波形，如圖3（c）所示，可以看到在柜門開啟時(shí)，光路由通轉(zhuǎn)為斷，光信號立即消失，響應(yīng)時(shí)間約為2 μs。需要說明的是，此響應(yīng)時(shí)間為光路由通轉(zhuǎn)為斷的時(shí)間，并不是柜門由關(guān)閉到完全開啟的時(shí)間，但開關(guān)動作的快慢影響光路通斷轉(zhuǎn)換的快慢，因此響應(yīng)時(shí)間與柜門開啟動作的快慢也存在一定關(guān)系。

2 光門開關(guān)典型組網(wǎng)方案

在具體鐵路工程應(yīng)用中，往往不止一個(gè)而是一系列的防護(hù)門狀態(tài)需要監(jiān)測。為了降低系統(tǒng)的復(fù)雜度和工程成本，需要考慮對解調(diào)儀進(jìn)行復(fù)用，對光門開關(guān)傳感頭進(jìn)行組網(wǎng)。首先根據(jù)現(xiàn)場條件選擇具有取電方便、聯(lián)網(wǎng)便捷等條件的位置作為光門開關(guān)解調(diào)儀的安置點(diǎn)。然后調(diào)查需要監(jiān)測的防護(hù)門位置以解調(diào)儀為中心時(shí)的分布情況，根據(jù)分布情況選擇最優(yōu)的組網(wǎng)方案。下面將介紹兩種典型的組網(wǎng)方案。

2.1 星型組網(wǎng)方案

當(dāng)被測防護(hù)門以解調(diào)儀為中心呈現(xiàn)星型或類似星型分布時(shí)，我們設(shè)計(jì)了光門開關(guān)星型組網(wǎng)方案，如圖4所示。其中黑色虛線框中為解調(diào)儀的組成部分，包含直流光寬帶光源、光環(huán)行器、WDM1（波分復(fù)用器）、WDM2（解波分復(fù)用器）、光電探測器以及信號處理及上報(bào)等部分。

圖3 光門開關(guān)傳感頭動態(tài)響應(yīng)測試Fig. 3 Dynamic response measurement of optical switch sensor

圖4 光門開關(guān)星型組網(wǎng)方案Fig. 4 Star network of optical switch sensor

在圖4所示的組網(wǎng)方案中，寬帶光源輸出光經(jīng)過光環(huán)行器進(jìn)入1×n的WDM1，WDM1將輸入光按照波長分配到不同的輸出端口，輸出端口接傳輸光纖與安裝在被測現(xiàn)場的光門開關(guān)相連。根據(jù)前述設(shè)計(jì)，當(dāng)被測防護(hù)門處于關(guān)閉狀態(tài)時(shí)，光門開關(guān)中的光路處于通路狀態(tài)，反射回的光經(jīng)過WDM1合波，再經(jīng)過光環(huán)行器由端口3輸出至WDM2。WDM2的參數(shù)和WDM1一致。因此由WDM2按照波長進(jìn)行分光之后，來自不同光門開關(guān)傳感頭的光波被依次分配到相應(yīng)的光電探測器端。信號處理及上報(bào)單元對光電探測器的數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)采樣分析，判斷光門開關(guān)狀態(tài)并將狀態(tài)信息進(jìn)行上報(bào)。

需要注意的是，在此方案中WDM1的輸出端口的中心波長應(yīng)落在所連接的光門開關(guān)的反射波長范圍內(nèi)。另外，本方案中光門開關(guān)傳感頭的位置編號通過WDM對波長的分配實(shí)現(xiàn)了與光電探測器一一對應(yīng)，因此不需要對光源進(jìn)行調(diào)制、編碼等操作。

2.2 單芯級聯(lián)組網(wǎng)方案及功率優(yōu)化

當(dāng)被測防護(hù)門以光門開關(guān)解調(diào)儀為中心呈現(xiàn)線型分布時(shí)，宜采用單芯級聯(lián)方案，如圖5所示。光源為分布反饋式直接調(diào)制光源，光脈沖通過一個(gè)三端口光纖環(huán)行器耦合進(jìn)光纖鏈路，來自光門開關(guān)的反射信號耦合進(jìn)光電探測器。2×2耦合器的輸出口一端連接光門開關(guān)傳感頭，另一端與下一個(gè)耦合器級聯(lián)。所有的支路共享同一套脈沖光源、光纖環(huán)行器、光電探測器、信號處理及上報(bào)單元等，這種設(shè)計(jì)有利于對監(jiān)控“門”的集中管理并降低系統(tǒng)成本。光門開關(guān)傳感器可以根據(jù)現(xiàn)場的情況預(yù)先給定位置編號，這在實(shí)際的工程應(yīng)用中十分方便。

圖5 光門開關(guān)單芯級聯(lián)組網(wǎng)方案Fig. 5 Single fiber cascade network of optical switch sensor

在本系統(tǒng)中，來自不同光門開關(guān)的信號可以根據(jù)他們的位置在時(shí)域上進(jìn)行區(qū)分[7]。來自第j個(gè)光門開關(guān)的脈沖信號上升沿在時(shí)間軸上的位置為（如圖6所示）

在裝飾技法和顏料的選擇上，可以吸取其他藝術(shù)的精華再結(jié)合已有的花鳥題材的技法與顏色，讓粉彩花鳥的顏色更加豐富，展現(xiàn)方式更加多樣。

圖6 光門開關(guān)時(shí)域信號示意圖Fig. 6 Time domain signal diagram of optical switch sensor

為了防止來自不同光門開關(guān)的信號相互之間重疊干擾，并使得脈沖信號時(shí)域位置和光門開關(guān)的編號一一對應(yīng)，可以通過控制每部分的光纖長度以滿足

為了使更多的光功率耦合到傳感監(jiān)測鏈路的遠(yuǎn)端，耦合器的高分光比的輸出端應(yīng)該和傳導(dǎo)光纖相連。耦合進(jìn)光門開關(guān)的分光比越高，系統(tǒng)的信噪比越好。但是，遠(yuǎn)端的光門開關(guān)獲得的光功率就越低。這意味著系統(tǒng)所能支持的光門開關(guān)的數(shù)量將會減少。在仿真中，我們研究了不同耦合器分光比的情況下，來自光門開關(guān)的光功率與數(shù)量之間的關(guān)系，仿真結(jié)果如圖7所示。

在圖7所示仿真中，假設(shè)脈沖的峰值功率為10 dBm；所有的耦合器具有相同的分光比；光纖的損耗系數(shù)；；；每個(gè)耦合器的額外插入損耗為0.2 dB。光門開關(guān)的反射率或插入損耗不影響來自不同光門開關(guān)的光功率的相對強(qiáng)度變化。所以假設(shè)光門開關(guān)的反射率為100%。從圖7可知，耦合進(jìn)光門開關(guān)的分光比越高，來自近端的信號越強(qiáng)，但是信號功率下降越快。假設(shè)光電探測器的動態(tài)范圍為30 dB，為了得到較高的判別準(zhǔn)確率，系統(tǒng)的動態(tài)范圍設(shè)計(jì)不低于10 dB，那么還有20 dB的損耗值留給光纖鏈路。在這種情況下，當(dāng)分光比為99∶1時(shí)，系統(tǒng)最大支持40個(gè)光門開關(guān)；當(dāng)分光比為95∶5時(shí)，可支持24個(gè)光門開關(guān)；當(dāng)分光比為90∶10時(shí)，可支持15個(gè)光門開關(guān)。但是，可以通過調(diào)節(jié)不同位置的耦合器分光比來增加光門開關(guān)的數(shù)量[7]。一種典型的優(yōu)化方式如圖8所示。

圖7 不同耦合器分光比情況下來自光門開關(guān)的光功率Fig. 7 Optical power from optical switch sensor under different splitting ratios

圖8 優(yōu)化耦合器分光比的光纖鏈路中每個(gè)光門開關(guān)的信號功率Fig. 8 Optical power from optical switch sensor under the optimized splitting ratio

圖8中前40個(gè)耦合器分光比為99∶1；第41至55個(gè)為90∶10；最后三個(gè)為50∶50。通過優(yōu)化分光比，在不損失信號最低動態(tài)范圍的情況下，光門開關(guān)的數(shù)量從40個(gè)增加到了58個(gè)。

3 工程應(yīng)用

該傳感器應(yīng)用于鐵路防護(hù)門的門禁監(jiān)測工程中時(shí)，需要特別注意系統(tǒng)的可靠性和環(huán)境適應(yīng)性，為此特采取以下措施：1）光門開關(guān)傳感頭設(shè)計(jì)防水防塵等級可達(dá)IP56，有特殊需要的環(huán)境下還可進(jìn)一步提高防水防塵設(shè)計(jì)等級；2）光門開關(guān)傳感頭建議牢固安裝于門框上，保證當(dāng)門扇關(guān)閉時(shí)滑塊受到擠壓，且不會增加傳感頭脫落風(fēng)險(xiǎn)；3）當(dāng)門扇和門框配合不緊密時(shí)設(shè)計(jì)安裝配件以保證門扇關(guān)閉時(shí)傳感頭滑塊依然可以受到擠壓。

鐵路防護(hù)門在列車進(jìn)出隧道、大風(fēng)等條件下容易產(chǎn)生振動。強(qiáng)烈的振動可能導(dǎo)致受擠壓的傳感頭滑塊跟隨活動，從而使其中光路處于通-斷的頻繁切換狀態(tài)，進(jìn)而引起誤報(bào)。而鐵路工程應(yīng)用中對誤報(bào)特別敏感。一方面，誤報(bào)將大大增加人工巡檢的成本；另一方面，如果報(bào)警系統(tǒng)和運(yùn)營調(diào)度聯(lián)動，誤報(bào)也會嚴(yán)重影響鐵路的正常運(yùn)營管理。

在星型組網(wǎng)方案中，由于傳感光信號是直流信號，由振動引起的通-斷頻繁切換的誤報(bào)可通過設(shè)置報(bào)警時(shí)間窗口解決。例如可設(shè)置低電平信號持續(xù)1 s以上（具體根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行設(shè)置）作為被測門被開啟告警的時(shí)間窗口閾值，而1 s以內(nèi)的多次電平多次變化則認(rèn)為是振動或其他原因引起的，可選擇不上報(bào)或提醒工作人員留意即可。

在單芯級聯(lián)組網(wǎng)方案中，傳感光信號是調(diào)制的脈沖信號，每個(gè)脈沖周期內(nèi)依次判斷一輪每個(gè)傳感頭的狀態(tài)，由振動引起的通-斷頻繁切換的誤報(bào)可通過設(shè)置報(bào)警周期來解決。例如當(dāng)連續(xù)n個(gè)（n根據(jù)實(shí)際振動情況來設(shè)置）周期被測的傳感頭反射信號均探測為低電平則上報(bào)異常告警信號，而在n個(gè)周期范圍內(nèi)被測的傳感頭反射信號高低電平多次變化則認(rèn)為是振動或其他原因引起的，可選擇不上報(bào)或提醒工作人員留意即可。這種設(shè)置對報(bào)警信號的時(shí)效性影響可進(jìn)行簡單估算：當(dāng)級聯(lián)的最遠(yuǎn)傳感頭距離解調(diào)儀為10 km時(shí)，光源的調(diào)制周期設(shè)置為不小于10 μs即可。當(dāng)n取值為1 000時(shí)，一次報(bào)警信號至少需要10 ms，報(bào)警的時(shí)效性良好。

4 結(jié) 論

本文設(shè)計(jì)了一種基于光纖傳感的光門開關(guān)傳感頭，該傳感頭可將門的開關(guān)狀態(tài)轉(zhuǎn)化為光路的通斷。按照設(shè)計(jì)方案制作了樣品，傳感頭開-關(guān)消光比均大于30 dB，插入損耗均小于1 dB，防水防塵指標(biāo)可達(dá)IP56等級。在具體工程應(yīng)用中，往往需要對一系列防護(hù)門進(jìn)行監(jiān)測。為了降低系統(tǒng)的復(fù)雜度和工程成本，需要考慮對解調(diào)儀進(jìn)行復(fù)用，對光門開關(guān)傳感頭進(jìn)行組網(wǎng)。首先根據(jù)現(xiàn)場條件選擇具有取電方便、聯(lián)網(wǎng)便捷等條件的位置作為光門開關(guān)解調(diào)儀的安置點(diǎn)。然后調(diào)查需要監(jiān)測的防護(hù)門位置以解調(diào)儀為中心的分布情況，根據(jù)分布情況選擇最優(yōu)的組網(wǎng)方案。針對被測防護(hù)門以解調(diào)儀為中心呈現(xiàn)星型或類似星型分布的情況，設(shè)計(jì)了光門開關(guān)星型組網(wǎng)方案。針對被測防護(hù)門以光門開關(guān)解調(diào)儀為中心呈現(xiàn)線型分布的情況，設(shè)計(jì)了單芯級聯(lián)方案。單芯級聯(lián)方案中，為了使更多的光功率耦合到傳感監(jiān)測鏈路的遠(yuǎn)端，對耦合器的功率分配進(jìn)行了分析與優(yōu)化。

針對鐵路防護(hù)門的應(yīng)用場景，本文提出了提高系統(tǒng)可靠性和環(huán)境適應(yīng)性的措施，針對振動可能引起的誤報(bào)在報(bào)警算法方面加以考慮。另外，在鐵路應(yīng)用工程建設(shè)中，還需要重視對設(shè)備成本、安裝工程成本等建設(shè)成本的考慮，同時(shí)考慮系統(tǒng)后期的應(yīng)用、管理及維護(hù)帶來的成本及管理方面的變化。