鐵道信號智能網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測系統(tǒng)軌道占用檢測方案設(shè)計

彭顯辰

(中鐵第一勘察設(shè)計院集團有限公司，陜西 西安 710043)

當(dāng)前國內(nèi)外軌道占用檢測所用設(shè)備主要有2種：①軌道電路，在全球應(yīng)用的都比較多，既能進(jìn)行行車信息的傳遞，又可以向列車與調(diào)車運行下達(dá)行車命令，在檢測軌道占用與否、確保行車安全等方面意義重大。但由于其對電類傳感器予以采用，同時，基于電信號進(jìn)行軌道占用傳感，受到雷電、銹蝕和其他物理量的電磁干擾比較明顯，加之電磁傳感器在防潮防濕方面能力相對欠缺，若長期工作，檢測靈敏度也會受到影響，易引發(fā)誤判情況。最為重要的是，現(xiàn)階段軌道電路的并行保障措施有所欠缺，在單獨工作之時，若有故障發(fā)生，行車組織安全很容易被破壞。②電磁計軸，同樣需要進(jìn)行電磁傳感器的安裝，既能判斷軌道區(qū)段是空閑還是被占用，又能確定列車行駛速度與方向，然而，該檢測設(shè)備與方法亦存在不足，例如，電磁感應(yīng)探頭自身穩(wěn)定性比較差，容易受到電磁的干擾，容易引發(fā)誤報現(xiàn)象；另外，采集點至控制室傳輸線需用到屏蔽電纜，對標(biāo)準(zhǔn)與防干擾性能都有較高的要求，安裝工藝需嚴(yán)謹(jǐn)，資金投入也比較大。

為了從根本上解決容易受到雷電等電磁干擾的問題，提高采集檢測速率，保證列車的穩(wěn)定可靠運行，需要減少電磁元件的使用。作為一種光纖無源器件，光纖光柵通過協(xié)調(diào)波長與溫度變化及應(yīng)力應(yīng)變之間的相互關(guān)系，同時借助接入光纖系統(tǒng)等優(yōu)勢，在傳感單元的制作中有良好應(yīng)用[1]。光纖光柵傳感器表現(xiàn)出靈敏度高、抗腐蝕與抗電磁干擾性能強以及可分布式測量等優(yōu)點，很多學(xué)者對其作了豐富的理論及實驗研究，光纖光柵傳感器在工程建設(shè)中的應(yīng)用愈發(fā)廣泛[2-5]?；谔崆邦A(yù)埋等技術(shù)的支持，能夠?qū)崟r監(jiān)測構(gòu)件應(yīng)變情況及其應(yīng)力，結(jié)合軌道占用檢測實際需求，通過光纖光柵壓力傳感器優(yōu)勢的發(fā)揮，對列車進(jìn)入軌道區(qū)段時鋼軌受力出現(xiàn)的彎矩變化狀況加以分析，設(shè)計傳感器在軌道占用狀態(tài)的監(jiān)測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，根據(jù)光纖光柵傳感器中心波長漂移量變化完成對列車軸數(shù)統(tǒng)計工作，明確軌道占用情況，能夠規(guī)避電磁干擾，在保證系統(tǒng)可靠性與穩(wěn)定性的同時，發(fā)揮價格低、速度高、易組網(wǎng)等優(yōu)勢。

1 光纖光柵傳感原理

在傳感領(lǐng)域，周期性光纖Bragg光柵[6]屬于應(yīng)用最多的光纖光柵，具有以下結(jié)構(gòu)特征：光柵柵格周期在軸向是均勻的，光柵在徑向的不同位置均有調(diào)制一致的折射率。光纖光柵基于耦合模理論進(jìn)行模型的構(gòu)建與分析，在該理論的指導(dǎo)下，光纖Bragg光柵的反射率與透射率解析見式(1)。

(1)

光纖Bragg光柵的周期折射率微擾只會影響一段窄段光譜，在寬帶光波信號進(jìn)入光纖Bragg光柵時，光纖Bragg光柵只對某種有著特定波長的光波信號進(jìn)行反射處理，并不影響其他波段的光波信號，它們依舊會沿著光纖按原方向傳輸。根據(jù)波長匹配條件，可進(jìn)行式(2)所示Bragg方程(一階場取P=1)的推導(dǎo)：

λB=2neffΛ

(2)

式中，Λ為光柵周期[7]。

根據(jù)式(2)，當(dāng)寬帶光波信號在光纖Bragg光柵中傳輸時，會有模式耦合作用產(chǎn)生，此時，與式(2)所列條件相符的光波信號會被反射，如圖1所示。

圖1 光纖Bragg光柵傳感機理Fig.1 Sensing mechanism of fiber Bragg grating

2 光纖傳感軌道占用檢測方案

基于光纖光柵傳感原理的指導(dǎo)，采用以軌道力為基礎(chǔ)的計軸方法對光纖傳感軌道區(qū)間的占用情況進(jìn)行檢測，分別在一段閉塞分區(qū)的入口與出口端點位置處放置1個光纖Bragg光柵傳感計數(shù)器?；谟嬢S原理，當(dāng)入口位置所記錄的列車輪對數(shù)與出口位置所記錄的列車輪對數(shù)相等時，意味著接受檢測的區(qū)域并沒有出現(xiàn)列車占用的情況，但如若不等，則意味著區(qū)間存在占用車輛。將封裝好的光纖Bragg光柵傳感器在鋼軌底部位置安裝好，當(dāng)有車輪經(jīng)過光纖Bragg光柵傳感點時，鋼軌會有微小應(yīng)變情況產(chǎn)生，這會引起光纖Bragg光柵傳感器中心波長的漂移，經(jīng)解調(diào)處理后生成光纖反射譜動態(tài)應(yīng)變曲線，光纖解調(diào)設(shè)備在以太網(wǎng)的支持下將數(shù)據(jù)向監(jiān)測中心上傳；之后，監(jiān)測中心運用計軸算法對應(yīng)變脈沖峰進(jìn)行分析處理與統(tǒng)計，達(dá)到計軸目的。另外，有較廣泛應(yīng)用的工頻交流連續(xù)式軌道電路是此次所設(shè)計的智能網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測系統(tǒng)主要監(jiān)測對象，系統(tǒng)對其占用與出清狀態(tài)進(jìn)行實時在線監(jiān)測，從室內(nèi)信號樓采集軌道電路接收端繼電器端電壓；之后，經(jīng)由以太網(wǎng)向監(jiān)測中心上傳電壓值，結(jié)合軌道電路的工作原理，監(jiān)測中心可對列車占用情況進(jìn)行判斷。

上述2種采集裝置對閉塞分區(qū)軌道占用與出清狀態(tài)的同時檢測，形成了2取2并行檢測方案，可在較大程度上為軌道占用情況檢測工作的準(zhǔn)確性及安全性提供保證。監(jiān)測系統(tǒng)光纖傳感軌道區(qū)間占用檢測方案如圖2所示。

圖2 光纖傳感軌道占用檢測方案Fig.2 Detection scheme of optical fiber sensing track occupancy

3 具體設(shè)計

3.1 光纖信號峰值檢測

對峰值檢測基本原理進(jìn)行簡單地分析，在于比較各采樣點同其左右鄰近的兩個采樣點值的大小，若此點值均大于左右2個樣點值，則意味著其是1個峰值點。在采樣點連成平滑曲線的情況下適用，不過本文監(jiān)測系統(tǒng)所測光纖光柵傳感信號受到采集設(shè)備波動、脈沖干擾、光源噪聲干擾等的影響，會摻雜不少的“毛刺”，對其進(jìn)行峰值檢測(也就是尋峰)，會將干擾峰值也檢測出來，因而需要執(zhí)行相應(yīng)的優(yōu)化處理。通常情況下，尋峰的優(yōu)化處理算法包括離散求導(dǎo)法、高斯擬合法以及多項式擬合法等，出于對算法便捷性、計算量大小以及效果的考慮，對多項式擬合方法加以采用，能夠做到以對尋峰檢測準(zhǔn)確性的保證為前提，降低數(shù)據(jù)量，對于光纖光柵傳感實時性及準(zhǔn)確性檢測優(yōu)勢的發(fā)揮具有積極意義。

對適宜的多項式階數(shù)進(jìn)行選擇，同時，將合適的數(shù)據(jù)點集截取下來，這是多項式擬合的關(guān)鍵。借助的Express VI曲線進(jìn)行函數(shù)的擬合，可運用指定數(shù)學(xué)模型將數(shù)據(jù)與結(jié)果顯示出來，通過對多項式階數(shù)的選擇，還可自動、準(zhǔn)確求解多項式系數(shù)，實現(xiàn)對觀測波形擬合效果、殘差以及均方誤差等的直觀與動態(tài)觀測。出于對光纖光柵光譜不能重疊這一問題的考慮，在待檢軌道區(qū)間進(jìn)行4個光纖光柵傳感器的安裝，光譜反射會有4個波峰形成，共有256個采樣點。結(jié)合適宜的數(shù)據(jù)點集將光譜反射曲線截為4部分，借助Express VI擬合函數(shù)執(zhí)行分段擬合任務(wù)。以1號光纖Bragg光柵反射譜波峰為例，當(dāng)所選多項式階數(shù)為24時，可以得到最小的均方誤差與殘差，此時波峰附近曲線的擬合效果最好，擬合之后的波形如圖3所示。

圖3 1號光纖Bragg光柵反射譜波峰擬合波形Fig.3 Reflection spectrum peak fitting wave formof No.1 fiber Bragg grating

剩下的光纖Bragg光柵傳感器形成的反射譜波峰一致于以上擬合原理，均通過Express VI擬合函數(shù)進(jìn)行最優(yōu)階數(shù)擬合，待完成分段擬合任務(wù)之后，在“數(shù)組插入函數(shù)”的支持下實現(xiàn)對整個擬合曲線波形的連接。

3.2 軌道占用判斷

(1)光纖Bragg光柵壓力傳感器受力情況分析。按順序在相鄰兩軌枕之間安裝4個光纖Bragg光柵壓力傳感器，軌道振動位移能夠?qū)⒘熊囀欠窠?jīng)過反映出來。如果鋼軌受到壓力發(fā)生形變，鋼軌的彎矩也會相應(yīng)改變，進(jìn)而造成光纖Bragg光柵中心波長漂移。所以，通過監(jiān)測光纖Bragg光柵中心波長的偏移量，能夠達(dá)到監(jiān)測軌道是否被占用的目的。圖4(a)中，鋼軌所受壓力、相鄰兩軌枕之間的距離以及車輪對與軌枕的距離分別用F、L與x來表示，1～4表示4個光纖Bragg光柵壓力傳感器，p為1、4傳感器點與最近軌枕之間的距離，q為1、2傳感器點之間與3、4傳感器點之間的距離。

圖4 鋼軌受力測試示意Fig.4 Schematic diagram of rail stress test

對不同的鋼軌點施加壓力，鋼軌會受力發(fā)生形變，致使各點出現(xiàn)差異化的彎矩變化。以斯尼德橋原理[8]為指導(dǎo)，對1～4個光纖Bragg光柵壓力傳感器所在位置彎矩M1—M4的彎矩變化函數(shù)進(jìn)行定義，用∑M=(M1-M2)-(M3-M4)來表示，則有：

(3)

所得鋼軌彎矩函數(shù)進(jìn)行分析，在執(zhí)行對2、3之間的測量任務(wù)時，縱向壓力與彎矩函數(shù)之間的關(guān)系為正比例關(guān)系，根據(jù)式(3)，光纖Bragg光柵的中心波長漂移量正比于彎矩函數(shù)。設(shè)4個光纖Bragg光柵點的中心波長漂移量分別表示為Δλ1、Δλ2、Δλ3、Δλ4，對光纖Bragg光柵的應(yīng)力特性進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)，光纖Bragg光柵的中心波長漂移量正比于外力發(fā)生的形變，作用力強度會對光纖Bragg光柵波長的漂移范圍產(chǎn)生直接影響。

(2)軌道占用情況計軸計算。以峰值檢測算法為依據(jù)，光纖反射譜的中心波長能夠被精確地定位下來，而基于光纖光柵傳感原理可知，當(dāng)列車輪對行駛過在鋼軌底部位置安裝的光纖Bragg光柵傳感器(簡稱FBG傳感器)時，反射譜中心波長會出現(xiàn)一定的漂移現(xiàn)象，若列車的質(zhì)量比較小而行駛速度較快，所形成的波峰會又窄又尖，與脈沖峰比較像，若列車的質(zhì)量比較大而形式速度較慢，形成的波峰則會又寬又長，這會使信號計軸工作的開展難度減小。以某一重載、車速相對較慢的列車為例，當(dāng)其經(jīng)過某FBG傳感節(jié)點，可得到中心波長漂移曲線，如圖5所示。

圖5 中心波長漂移曲線Fig.5 Curve of center wavelength drift

列車在運行至閉塞分區(qū)時，多路傳感信號都會被采集并傳至軟件執(zhí)行相應(yīng)的處理操作，明確中心波長，而若列車未運行至閉塞分區(qū)，光柵反射譜對應(yīng)的中心波長不會出現(xiàn)偏移。在有行車經(jīng)過閉塞分區(qū)時，車輪會對FBG傳感點的上方進(jìn)行碾壓，而由于列車比較重，此時會在短時間內(nèi)令鋼軌出現(xiàn)微應(yīng)變，讓光柵反射譜的中心波長偏移量逐漸由零變大，到達(dá)峰值，之后慢慢下降并變回零點，如此，便會有1個曲線峰形成，意味著曾經(jīng)有1個輪軸駛過。在此基礎(chǔ)上，軟件程序會進(jìn)行1次計數(shù)，通過在程序中進(jìn)行靈活閾值的設(shè)定，可在循環(huán)判斷中明確列車駛過時的軸數(shù)，系統(tǒng)的計軸功能得以實現(xiàn)。

在監(jiān)測區(qū)域內(nèi)，若各計軸點的FBG傳感器是穩(wěn)定安裝的，系統(tǒng)的通信也符合流暢性要求，則計軸點所得車軸數(shù)應(yīng)是一致的，唯一有區(qū)別的地方在于時間上略有延遲。當(dāng)且僅當(dāng)各端點兩軸數(shù)相同時，程序也會認(rèn)定軸數(shù)是有效的，此時，會將計軸數(shù)目顯示出來，相等則意味著無車，不等即有車占用，以此為依據(jù)將區(qū)段軌道空閑或者被占用的狀態(tài)輸出。

4 應(yīng)用實驗

4.1 實驗結(jié)果

由于鋼軌的形變過程同步于其受力過程，而光纖Bragg光柵的波長漂移量會與列車的經(jīng)過相伴隨而出現(xiàn)相應(yīng)的變化，因而能夠借助光纖Bragg光柵對列車經(jīng)過情況進(jìn)行實時檢測。

在軌道某一區(qū)段起始及末端分別進(jìn)行光纖Bragg光柵壓力傳感器的安裝，基于對光纖Bragg光柵中心波長變化的監(jiān)測，執(zhí)行對安裝位置經(jīng)過列車的輪對軸數(shù)計數(shù)任務(wù)。同時，比較起始及末端位置的計軸數(shù)，若計軸數(shù)不同，則意味著此區(qū)段被列車占用，反之則未被占用，軌道狀態(tài)為空閑。

測試所用監(jiān)測系統(tǒng)包括光纖Bragg光柵壓力傳感器、光纖光柵解調(diào)儀以及計算機處理器等模塊。如果列車輪對靠近傳感器，光纖Bragg光柵的波長漂移量會呈現(xiàn)出逐漸增加之勢，最大值會出現(xiàn)在輪對位于光纖Bragg光柵壓力傳感器的正上方之時，之后，輪對會逐漸遠(yuǎn)離光纖Bragg光柵壓力傳感器，對應(yīng)的波長漂移量亦會呈現(xiàn)出逐漸下降之勢。因此，當(dāng)每一輪對經(jīng)過傳感器之時，均會出現(xiàn)1個波峰，通過對這些波峰的識別，便能將經(jīng)過傳感器上方的輪軸數(shù)計算出來。光纖光柵解調(diào)儀的功能在于解調(diào)光纖反射回來的反射譜，在光纖光信號轉(zhuǎn)換為電信號之后，經(jīng)UDP通信向計算機處理器輸出波長數(shù)據(jù)，之后，計算機處理器執(zhí)行對光纖Bragg光柵波長漂移量波峰的計軸計算任務(wù)，同上一傳感器計軸數(shù)相比較，確定軌道的占用情況。

為了對縱向應(yīng)力同光纖Bragg光柵波長漂移量之間的關(guān)系進(jìn)行驗證，確定光纖Bragg光柵是否可以在軌道占用監(jiān)測中應(yīng)用，進(jìn)行具體的實驗分析。具體地，在實驗平臺上針對鋼軌不同位置，借助液壓泵向鋼軌施加一個恒定縱向力，對列車輪軸經(jīng)過監(jiān)測點進(jìn)行模擬；同時，將壓力桿底部位置制作成一個弧面，對輪軌耦合狀態(tài)下的接觸面進(jìn)行模擬。實驗過程中，所用液壓桿缸徑為45 mm，液壓泵加壓范圍在0～100 MPa，對紫外光照射經(jīng)過氫敏處理的普通單模光纖形成的光纖光柵壓力傳感器加以應(yīng)用，在正常無壓力條件之下，其中一個傳感器的中心波長為1 564 nm，反射率不低于90%，3 dB帶寬不超過0.3 nm，另外一個傳感器的中心波長為1 555 nm，反射率大于90%，3 dB帶寬同樣不超過0.3 nm。實驗平臺如圖6所示。圖6中，施壓點位置以實驗平臺最右側(cè)為起點，也就是0 cm，剩下的位置是相對于起點的位移。按照以上分析，光纖光柵壓力傳感器安裝于枕木及枕木之間鋼軌的中心位置，也就是第1個傳感器在50 cm的位置，第2個在110 cm的位置，3根枕木依次在20、80、140 cm的位置。在鋼軌不同位置，借助液壓泵將壓力加到40 MPa，同時，將傳感器的中心波長記錄下來。

圖6 實驗平臺示意Fig.6 Schematic of test platform

通過向此光纖Bragg光柵施加壓力，逐漸地改變其縱向應(yīng)變量，能夠得到光纖Bragg光柵壓力傳感器中心波長隨縱向應(yīng)力改變量變化的曲線，如圖7所示。

由圖7可知，光纖Bragg光柵中心波長漂移量正相關(guān)于縱向應(yīng)力的變化，也就是正相關(guān)于鋼軌受力形變造成的彎矩變化。在平均發(fā)生0.5‰應(yīng)力改變的情況下，波長漂移值為0.54 nm。這種正相關(guān)關(guān)系能夠較好地在縱向應(yīng)力變化檢測中應(yīng)用。

圖7 中心波長隨縱向應(yīng)力改變量變化的曲線Fig.7 Changing curve of center wave length with change of longitudinal stress

4.2 對比分析

由于受到風(fēng)吹、雨淋等自然損害以及化學(xué)物質(zhì)的侵蝕等影響，傳統(tǒng)軌道電路不常通車區(qū)段容易有銹蝕現(xiàn)象發(fā)生，軌道區(qū)段的占用情況也難以被有效判斷出來，進(jìn)而引起分路不良，對行車安全產(chǎn)生影響。本文設(shè)計的系統(tǒng)與方案恰好可以對軌道占用情況進(jìn)行檢測，經(jīng)驗證，安全性與可靠性均達(dá)標(biāo)。與以往的軌道電路與電磁計軸方案相比，可從2方面節(jié)約成本：①全部設(shè)備均在一個總線上，各自之間不會產(chǎn)生相互的影響，可節(jié)省施工與電纜敷設(shè)支出；②室內(nèi)設(shè)計很少，無需進(jìn)行機柜等的單獨設(shè)立，整個工程建設(shè)、維護以及設(shè)備等成本都不高。另外，在可靠性方面，系統(tǒng)具備自診斷功能，且當(dāng)某一組設(shè)備發(fā)生故障時不會對其他設(shè)備產(chǎn)生影響，施工與可維護性大為提升。

5 結(jié)語

基于光纖光柵傳感原理設(shè)計光纖傳感軌道占用檢測方案，經(jīng)測試，光纖Bragg光柵中心波長漂移量正相關(guān)于鋼軌受力形變造成的彎矩變化，能夠較好地在縱向應(yīng)力變化檢測中應(yīng)用；同時，與以往的軌道電路與電磁計軸方案相比，成本更低，系統(tǒng)安全性與可靠性均達(dá)標(biāo)。但是，本文系統(tǒng)同樣有待優(yōu)化之處存在，目前系統(tǒng)功能主要面向的是“地對車”監(jiān)測，也就是通過對地面軌道狀態(tài)的監(jiān)測，達(dá)到監(jiān)測車輛狀態(tài)的目的。在今后的研究中，應(yīng)向動態(tài)監(jiān)測拓展，通過對系統(tǒng)的進(jìn)一步優(yōu)化，將其應(yīng)用于軌道結(jié)構(gòu)損傷等監(jiān)測中，尤其是在鐵路線路中一些薄弱路段中應(yīng)用。基于軌道結(jié)構(gòu)存在損傷時剛度會有所改變這一原理，借助于系統(tǒng)執(zhí)行對軌道的長期監(jiān)測任務(wù)，以此實現(xiàn)對軌道結(jié)構(gòu)健康狀態(tài)演變規(guī)律的準(zhǔn)確掌握。