金溫高鐵安全光纖綜合監(jiān)測(cè)系統(tǒng)研究

王 東 中國(guó)鐵路上海局集團(tuán)有限公司工務(wù)部

1 引言

金溫高鐵位于浙江省南部山區(qū)，塹高隧多、鐵路沿線地理環(huán)境復(fù)雜，鐵路沿線時(shí)常發(fā)生邊坡滑移（變形）、塹坡落石、閑雜人員進(jìn)入、橋梁限高防護(hù)架被撞等事故，鑒于該類事故具有突發(fā)性及和對(duì)鐵路運(yùn)輸具有較大的破壞性以及鐵路沿線點(diǎn)多線長(zhǎng)難以及時(shí)發(fā)現(xiàn)。因此本文研究利用分布式光纖傳感、探測(cè)、定位技術(shù)為核心，輔助以激光雷達(dá)技術(shù)、衛(wèi)星定位技術(shù)、視頻跟蹤定位等先進(jìn)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)鐵路沿線突發(fā)事件的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、精確定位和報(bào)警，及時(shí)發(fā)現(xiàn)鐵路設(shè)備、周邊環(huán)境變化及自然災(zāi)害等突發(fā)事件，以便及時(shí)進(jìn)行應(yīng)急處置，確保高速鐵路運(yùn)營(yíng)安全。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)框架與技術(shù)原理

2.1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)框架如圖1所示

圖1 金溫鐵路沿線安全光纖綜合監(jiān)測(cè)系統(tǒng)框架圖

2.2 項(xiàng)目技術(shù)原理

2.2.1 分布式光纖探測(cè)定位技術(shù)

利用分布式光纖探測(cè)定位儀接入光纜，通過(guò)對(duì)光纖中后向散射光的頻率、幅度、相位等信息的采集分析，實(shí)現(xiàn)對(duì)光纜的通斷、溫度、應(yīng)變、振動(dòng)的感知和定位等信息進(jìn)行監(jiān)測(cè)。

2.2.2 快速模式識(shí)別技術(shù)

快速模式識(shí)別主要分為信號(hào)預(yù)處理、特征提取、模板訓(xùn)練、模板分類等四部分

2.2.3 激光雷達(dá)技術(shù)

激光雷達(dá)是一種利用激光測(cè)距原理進(jìn)行掃描，從而對(duì)二維場(chǎng)景復(fù)現(xiàn)的技術(shù),通過(guò)旋轉(zhuǎn)鏡面將脈沖激光發(fā)射并由主機(jī)接收反射光線，通過(guò)計(jì)時(shí)器計(jì)算發(fā)射和接收之間的時(shí)間差就可以計(jì)算測(cè)量距離。

3 系統(tǒng)技術(shù)指標(biāo)

金溫鐵路沿線安全光纖綜合監(jiān)測(cè)系統(tǒng)是一種多參量的分布式光纖傳感技術(shù)，單個(gè)系統(tǒng)的單向傳感距離在30km 左右，系統(tǒng)具備雙端口，能夠?qū)?0 km 范圍同時(shí)進(jìn)行監(jiān)測(cè)。本系統(tǒng)參數(shù)指標(biāo)分別為：傳感光纖采用G.652,G.657、傳感距離為30 km×2、響應(yīng)時(shí)間1 s～3 min，傳感參量為溫度、應(yīng)變和振動(dòng)，測(cè)量溫度范圍為-40℃～200℃，溫度精度±1℃，應(yīng)變范圍0 με～8 000 με，應(yīng)變精度±20 με，位移精度2 mm，空間精度2 m～10 m，光纖接口為FC/APC。

4 系統(tǒng)功能模塊

金溫鐵路沿線安全光纖綜合監(jiān)測(cè)系統(tǒng)具有路基激擾監(jiān)測(cè)、邊坡滑移（變形）監(jiān)測(cè)、塹坡落石監(jiān)測(cè)和外部入侵監(jiān)測(cè)四大基本功能模塊，同時(shí)融合了激光雷達(dá)監(jiān)測(cè)和攝像機(jī)監(jiān)測(cè)模塊，對(duì)鐵路沿線形成實(shí)時(shí)在線監(jiān)控。通過(guò)對(duì)監(jiān)測(cè)信號(hào)的幅度特性、空間特性、頻率特性進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，從而獲得最佳的報(bào)警閾值。

4.1 路基激擾監(jiān)測(cè)模塊

（1）路基激擾監(jiān)測(cè)系統(tǒng)處理流程為：監(jiān)測(cè)光纖通過(guò)震動(dòng)、噪聲的幅度、空間范圍持續(xù)時(shí)間、頻率等感知環(huán)境變化，利用既有傳輸光纜將信號(hào)傳輸?shù)奖O(jiān)測(cè)主機(jī)，監(jiān)測(cè)主機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)分析、判斷路基激擾類別，篩選信息上傳到綜合監(jiān)測(cè)系統(tǒng)平臺(tái)并分布到相應(yīng)終端。

（2）監(jiān)測(cè)項(xiàng)目及參數(shù)路基激擾監(jiān)測(cè)項(xiàng)目分為：挖掘機(jī)作業(yè)、搗固機(jī)作業(yè)、人工挖掘作業(yè)、打樁作業(yè)等四類場(chǎng)景，通過(guò)模擬試驗(yàn)獲得各類場(chǎng)景激擾信號(hào)參數(shù)如表1所示：

表1 各類場(chǎng)景產(chǎn)生的激擾信號(hào)參數(shù)

（3）報(bào)警值設(shè)定

根據(jù)作業(yè)時(shí)間及其它內(nèi)置參數(shù)，當(dāng)持續(xù)時(shí)間分別達(dá)到30 s、60 s、120 s以上時(shí)，系統(tǒng)分別發(fā)出I級(jí)、II級(jí)、III級(jí)報(bào)警并判別作業(yè)類別。

4.2 邊坡滑移（變形）監(jiān)測(cè)

（1）邊坡滑移（變形）監(jiān)測(cè)系統(tǒng)處理流程為：邊坡滑移引起監(jiān)測(cè)光纖變形，光纖將信號(hào)傳輸?shù)奖O(jiān)測(cè)主機(jī)，監(jiān)測(cè)主機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)分析、判斷滑移量級(jí)，篩選信息上傳到綜合監(jiān)測(cè)系統(tǒng)平臺(tái)并分布到相應(yīng)終端。

（2）監(jiān)測(cè)項(xiàng)目及參數(shù)

邊坡滑移監(jiān)測(cè)光纜敷設(shè)如圖2所示：

圖2 邊坡滑移監(jiān)測(cè)專用光纜敷設(shè)示意圖

通過(guò)模擬變形，獲得系統(tǒng)應(yīng)變值隨光纖側(cè)向拉伸變形量增加而變大，具體參數(shù)為：光纖側(cè)向拉伸量分別為20 mm、40 mm、60 mm、80 mm、100 mm 時(shí)，系統(tǒng)所得應(yīng)變值分別為：70 με、151 με、280 με、402 με、497 με。

（3）報(bào)警等級(jí)設(shè)定

當(dāng)應(yīng)力纜側(cè)向拉伸值分別達(dá)到40 mm、60 mm、80 mm 以上時(shí)，系統(tǒng)分別發(fā)出I級(jí)、II級(jí)、III級(jí)報(bào)警。

4.3 塹坡落石監(jiān)測(cè)

（1）塹坡落石監(jiān)測(cè)系統(tǒng)處理流程為：落石引起監(jiān)測(cè)光纖振動(dòng)，光纖將振動(dòng)信號(hào)傳輸?shù)奖O(jiān)測(cè)主機(jī)，監(jiān)測(cè)主機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)分析、判斷落石量級(jí)，篩選信息上傳到綜合監(jiān)測(cè)系統(tǒng)平臺(tái)并分布到相應(yīng)終端。

（2）監(jiān)測(cè)項(xiàng)目及參數(shù)

落石項(xiàng)目監(jiān)測(cè)分為塹坡上的被動(dòng)網(wǎng)、擋墻和明洞頂?shù)热悎?chǎng)景，各類場(chǎng)景激擾信號(hào)參數(shù)如表2所示：

表2 被動(dòng)網(wǎng)、擋墻和明洞落石產(chǎn)生的激擾信號(hào)參數(shù)

（3）報(bào)警值設(shè)定

根據(jù)光纖應(yīng)變情況當(dāng)檢測(cè)到光纖分別受到1 kg、5 kg、10 kg以上時(shí)沖擊時(shí)，系統(tǒng)分別發(fā)出III級(jí)、II級(jí)、I級(jí)報(bào)警。

4.4 外部入侵監(jiān)測(cè)

（1）外部入侵監(jiān)測(cè)系統(tǒng)處理流程為：外部入侵引起監(jiān)測(cè)光纖振動(dòng)，光纖將振動(dòng)信號(hào)傳輸?shù)奖O(jiān)測(cè)主機(jī)，監(jiān)測(cè)主機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)分析、判斷落石量級(jí)，篩選信息上傳到綜合監(jiān)測(cè)系統(tǒng)平臺(tái)并分布到相應(yīng)終端。

（2）監(jiān)測(cè)項(xiàng)目及參數(shù)

外部入侵監(jiān)測(cè)項(xiàng)目分為柵欄網(wǎng)入侵、限高架撞擊兩類場(chǎng)景，分別在柵欄網(wǎng)底部和限高架上安裝監(jiān)測(cè)光纖，通過(guò)模擬試驗(yàn)分別獲得各類場(chǎng)景激擾信號(hào)參數(shù)如表3所示：

表3 入侵產(chǎn)生的激擾信號(hào)參數(shù)

（3）報(bào)警值設(shè)定

當(dāng)光纖應(yīng)變達(dá)到表內(nèi)參數(shù)指標(biāo)以上時(shí)，系統(tǒng)發(fā)出I 級(jí)報(bào)警。

5 數(shù)據(jù)中心及監(jiān)控管理平臺(tái)

（1）數(shù)據(jù)中心是整個(gè)系統(tǒng)的核心，包括三個(gè)層次：信息交換層、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)層、業(yè)務(wù)處理層數(shù)據(jù)中心，框架如圖3所示：

圖3 數(shù)據(jù)中心和平臺(tái)系統(tǒng)架構(gòu)圖

（藍(lán)色部分為本系統(tǒng)數(shù)據(jù)中心，綠色部分是本系統(tǒng)圖基站，橙色部分是外部輔助系統(tǒng)）

（1）監(jiān)測(cè)功能

①實(shí)時(shí)顯示報(bào)警數(shù)據(jù)時(shí)間、位置、等級(jí)等信息

當(dāng)出現(xiàn)報(bào)警時(shí)，系統(tǒng)會(huì)在界面上顯示，時(shí)間、鐵路線名、里程、報(bào)警類型、危險(xiǎn)等級(jí)以及處置狀態(tài)等信息，若為附加監(jiān)測(cè)點(diǎn)，會(huì)同時(shí)顯示該處的具體圖片信息，指示具體報(bào)警位置及文字說(shuō)明等信息。

②對(duì)報(bào)警的數(shù)據(jù)進(jìn)行分類歸納統(tǒng)計(jì)

可以對(duì)各種類型的報(bào)警可以按分線路、時(shí)間、類型、報(bào)警等級(jí)等進(jìn)行查詢、分析功能。

③視頻監(jiān)控聯(lián)動(dòng)顯示功能

根據(jù)需要對(duì)監(jiān)控區(qū)域安裝視頻監(jiān)控，發(fā)生報(bào)警時(shí)，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)調(diào)動(dòng)攝像機(jī)等視頻設(shè)備對(duì)報(bào)警區(qū)域進(jìn)行抓拍和錄影，并在監(jiān)控平臺(tái)顯示相應(yīng)的視頻信息。

④對(duì)報(bào)警事件及監(jiān)控設(shè)備自身狀態(tài)進(jìn)行跟蹤管理

系統(tǒng)發(fā)出報(bào)警信息后，會(huì)同步記錄、顯示處置的時(shí)間、人員、過(guò)程、結(jié)果等信息，并可以進(jìn)行信息回放；系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對(duì)所有檢測(cè)單元運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)自身監(jiān)控和報(bào)警，便于及時(shí)維護(hù)。

6 結(jié)論

本系統(tǒng)利用分布式光纖探測(cè)定位技術(shù)、激光雷達(dá)技術(shù)等先進(jìn)技術(shù)綜合應(yīng)用于鐵路沿線安全監(jiān)控，實(shí)現(xiàn)了對(duì)鐵路沿線的路基激擾、邊坡滑移（變形）、塹坡落石、外部入侵等多種事件實(shí)時(shí)進(jìn)行在線監(jiān)控。各監(jiān)測(cè)功能之間又能夠相互關(guān)聯(lián)，防止單一信息來(lái)源導(dǎo)致信息不充分、對(duì)現(xiàn)場(chǎng)掌控能力不足等情況的發(fā)生。為鐵路沿線設(shè)備設(shè)施的安全狀態(tài)提供實(shí)時(shí)信息，為工務(wù)的安全生產(chǎn)提供及時(shí)的預(yù)報(bào)警信息。