光纖綜合探測技術(shù)在運(yùn)營高鐵外部環(huán)境監(jiān)測中的應(yīng)用

王東

（中國鐵路上海局集團(tuán)有限公司工務(wù)部，上海 200071）

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、外部入侵（主要包括閑雜人員進(jìn)入線路封閉區(qū)域、橋梁限高防護(hù)架被撞及公鐵并行段車輛侵入安全限界）等事故，該類事故具有突發(fā)性和對(duì)鐵路運(yùn)輸具有較大的破壞性以及鐵路沿線點(diǎn)多線長難以及時(shí)發(fā)現(xiàn)等特性。為盡早發(fā)現(xiàn)該類突發(fā)事故，及時(shí)進(jìn)行應(yīng)急處置，確保高速鐵路運(yùn)營安全，上海局集團(tuán)公司于2016—2019年在金溫高鐵存在風(fēng)險(xiǎn)的16處深路塹邊坡、23處高陡隧道口仰坡、24處易發(fā)生外部入侵地段（含16處橋梁限高架、7處公鐵并行地段和1處外部人員易入侵地段）研制安裝了鐵路沿線光纖綜合監(jiān)測系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)鐵路沿線突發(fā)事件的實(shí)時(shí)監(jiān)測、定位和預(yù)警。

1 光纖監(jiān)測系統(tǒng)的工作原理

該監(jiān)測系統(tǒng)是將分布式光纖按適當(dāng)?shù)拈g距縱橫固定在被監(jiān)測結(jié)構(gòu)物表面或安防區(qū)域周界，利用光纖中光脈沖信號(hào)的后向散射效應(yīng)（包括拉曼散射、布里淵散射和瑞利散射），通過對(duì)光纖形變、應(yīng)力和振動(dòng)等物理量變化的連續(xù)測量，實(shí)現(xiàn)對(duì)鐵路沿線邊坡滑移（變形）、塹坡落石、限高架撞擊及異物外部入侵等突發(fā)安全問題進(jìn)行全天候的實(shí)時(shí)監(jiān)控和快速定位，輔助激光雷達(dá)技術(shù)和視頻監(jiān)控，建立網(wǎng)絡(luò)化的智能監(jiān)控系統(tǒng)和管理平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)對(duì)突發(fā)事件進(jìn)行預(yù)警、快速瀏覽及記錄和回放。

1.1 分布式光纖探測定位技術(shù)

利用分布式光纖探測定位儀接入光纜，通過對(duì)光纖中后向散射光的頻率、幅度和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。

1.2 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)練和模板分類4部分，識(shí)別流程如圖1所示。

圖1 快速模式識(shí)別流程圖

1.3 激光雷達(dá)技術(shù)

激光雷達(dá)是一種利用激光測距原理進(jìn)行掃描，從而對(duì)二維場景復(fù)現(xiàn)的技術(shù)，通過旋轉(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)算測量距離，掃描原理如圖2所示（示例為270°，半徑50 m的激光雷達(dá)）。

圖2 激光雷達(dá)監(jiān)控示意圖

2 光纖監(jiān)測系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)組成

光纖綜合監(jiān)測系統(tǒng)由監(jiān)測單元、功能模塊檢測單元、數(shù)據(jù)中心、監(jiān)測終端和通信網(wǎng)絡(luò)設(shè)備等組成。監(jiān)測單元由監(jiān)測主機(jī)、防雷單元、機(jī)柜等組成，安裝于監(jiān)測現(xiàn)場附近的GSM-R基站或車站通信機(jī)房內(nèi)；功能模塊檢測單元由鐵路既有通信光纜、應(yīng)力檢測光纜、振動(dòng)檢測光纜、攝像機(jī)、激光雷達(dá)等設(shè)備組成，分布于鐵路沿線各監(jiān)測點(diǎn)；數(shù)據(jù)中心由數(shù)據(jù)服務(wù)器、應(yīng)用服務(wù)器、通信服務(wù)器、串口服務(wù)器和網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)等設(shè)備組成；監(jiān)測終端包括監(jiān)控主機(jī)、顯示器、網(wǎng)絡(luò)和音響設(shè)備等，分別安裝在設(shè)備管理單位車間、調(diào)度指揮中心和集團(tuán)公司防洪辦等。金溫鐵路沿線光纖監(jiān)測系統(tǒng)框架構(gòu)成如圖3所示。

圖3 金溫鐵路沿線安全光纖綜合監(jiān)測系統(tǒng)框架圖

3 報(bào)警等級(jí)的設(shè)定

3.1 邊坡滑移

當(dāng)光纖發(fā)生6 mm縱向變形即被監(jiān)控對(duì)象發(fā)生6 mm位移時(shí)，系統(tǒng)會(huì)發(fā)出III級(jí)報(bào)警（語音報(bào)警，下同）；當(dāng)光纖發(fā)生8 mm縱向變形即被監(jiān)控對(duì)象發(fā)生8 mm位移時(shí)，系統(tǒng)會(huì)發(fā)出II級(jí)報(bào)警；當(dāng)光纖發(fā)生10 mm縱向變形即被監(jiān)控對(duì)象發(fā)生10 mm位移時(shí)，系統(tǒng)會(huì)發(fā)出I級(jí)報(bào)警。（變形值的設(shè)定可以在使用過程中根據(jù)積累的經(jīng)驗(yàn)，申請后臺(tái)進(jìn)行調(diào)整）。

3.2 塹坡（或隧道口仰坡）落石

當(dāng)發(fā)生落石引起塹坡（或隧道口仰坡）被動(dòng)防護(hù)網(wǎng)上敷設(shè)的光纖變形超出光纖漲縮變形值時(shí)，系統(tǒng)會(huì)發(fā)出II級(jí)報(bào)警；當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生II級(jí)報(bào)警且線路安全限界外的激光雷達(dá)波信號(hào)受到異常干擾時(shí)，系統(tǒng)會(huì)發(fā)出I級(jí)報(bào)警。

3.3 外部入侵

當(dāng)外部入侵防護(hù)光纖發(fā)生異常振動(dòng)時(shí)（已排除風(fēng)雨引起的振動(dòng)），系統(tǒng)會(huì)發(fā)出I級(jí)報(bào)警。

4 報(bào)警處置規(guī)定

4.1 現(xiàn)場確認(rèn)

發(fā)生報(bào)警時(shí)，值班調(diào)度人員及時(shí)查看視頻監(jiān)控，首先瀏覽線路及路肩范圍內(nèi)有無落石、雜樹等異物，確認(rèn)鐵路安全限界內(nèi)無異常時(shí)，再擴(kuò)大瀏覽范圍，初步判斷路塹邊坡、隧道口及公鐵并行地段有無異常，并按以下規(guī)定通知車間、工區(qū)進(jìn)行現(xiàn)場檢查。

發(fā)生III級(jí)報(bào)警時(shí)，設(shè)備管理單位值班調(diào)度員關(guān)注報(bào)警情況，觀察是否繼續(xù)報(bào)警，連續(xù)報(bào)警5次以上時(shí)，通知車間、工區(qū)工作人員，在24 h內(nèi)利用窗點(diǎn)內(nèi)（不含限高架報(bào)警）對(duì)報(bào)警區(qū)域進(jìn)行檢查。

發(fā)生II級(jí)報(bào)警時(shí)，設(shè)備管理單位值班調(diào)度員持續(xù)關(guān)注現(xiàn)場報(bào)警情況，并通知車間、工區(qū)工作人員在2 h內(nèi)趕到現(xiàn)場進(jìn)行查看確認(rèn)，并對(duì)發(fā)現(xiàn)問題及時(shí)組織整改和上報(bào)。

發(fā)生I級(jí)報(bào)警時(shí)，值班調(diào)度員立即通知車間工作人員趕赴現(xiàn)場進(jìn)行檢查確認(rèn)及處置，同時(shí)查看視頻監(jiān)控，如發(fā)現(xiàn)安全限界內(nèi)有異常時(shí)或不能判斷是否影響行車安全時(shí)，立即通知車站扣停列車，寧可錯(cuò)停，不可錯(cuò)放。

4.2 現(xiàn)場處置原則

車間、工區(qū)工作人員接到報(bào)警通知（接到I級(jí)報(bào)警通知時(shí)需攜帶防護(hù)旗、短路銅線及必要的工具）后需在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)趕赴現(xiàn)場，到達(dá)報(bào)警地點(diǎn)現(xiàn)場后，首先檢查線路上、路肩范圍內(nèi)及安全限界內(nèi)有無落石、雜樹等異物，發(fā)現(xiàn)異常時(shí)應(yīng)果斷采取攔停列車措施，如確認(rèn)鐵路安全限界內(nèi)無異常時(shí)，再擴(kuò)大巡查范圍，檢查路塹邊坡、隧道口及公鐵并行地段有無異常。

4.3 調(diào)度員處置規(guī)定

值班調(diào)度員接到系統(tǒng)聲控報(bào)警后，及時(shí)查看視頻監(jiān)控，按照報(bào)警等級(jí)通知車間、工區(qū)人員現(xiàn)場檢查，同時(shí)在系統(tǒng)內(nèi)錄入通知時(shí)間、現(xiàn)場人員、處置情況、是否影響行車及保存圖片、視頻等相關(guān)資料信息。

5 運(yùn)用情況

該監(jiān)測系統(tǒng)自正式運(yùn)行以來，運(yùn)行穩(wěn)定，能夠及時(shí)發(fā)現(xiàn)邊坡滑移、塹坡落石和外部入侵（撞擊限高架）等突發(fā)事件，未出現(xiàn)漏報(bào)、誤報(bào)警情況。運(yùn)行期間共顯示發(fā)生報(bào)警42次，其中外部入侵I級(jí)報(bào)警32次（閑雜人員入侵9次、撞擊限高架23次），邊坡滑移II級(jí)報(bào)警1次，塹坡落石報(bào)警3次（I、II、III級(jí)各1次）。典型案例如下：

（1）2016年10月26日9時(shí)左右，系統(tǒng)密集發(fā)出落石III級(jí)報(bào)警（圖4），經(jīng)青田工區(qū)現(xiàn)場檢查發(fā)現(xiàn)，K170+925處第二道、第三道被動(dòng)網(wǎng)根部堆積大量被雨水沖刷下來的碎石、枯木（圖5）。

圖4 系統(tǒng)報(bào)警截圖

圖5 K170+925處現(xiàn)場情況圖

（2）2017年2月26日10：54，系統(tǒng)發(fā)出金溫高鐵K158+888澤雅隧道進(jìn)口邊坡滑移II級(jí)報(bào)警，經(jīng)現(xiàn)場確認(rèn)發(fā)現(xiàn)邊坡第7道混凝土防護(hù)骨架出現(xiàn)裂縫并發(fā)生約6 mm滑移（圖6）。

圖6 K158+888現(xiàn)場情況圖

（3）2020年3月24日14：56，系統(tǒng)發(fā)出I級(jí)報(bào)警，終端平臺(tái)顯示金溫高鐵（下行）K25+664處限高架被撞擊（圖7）。

圖7 金溫高鐵（下行）K25+664現(xiàn)場情況圖

（4）2021年6月7日16：45：13，系統(tǒng)發(fā)出I級(jí)報(bào)警，終端平臺(tái)顯示金溫高鐵（上行）K72+922限高架撞擊異常I級(jí)報(bào)警（圖8）。

圖8 金溫高鐵（上行）K72+922處現(xiàn)場情況圖

6 監(jiān)測系統(tǒng)優(yōu)點(diǎn)

6.1 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)及處置狀態(tài)等信息，同時(shí)顯示該處的具體圖片信息，指示具體報(bào)警位置及文字說明等信息。

6.2 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)警分線路、時(shí)間、類型和報(bào)警等級(jí)等進(jìn)行查詢分析、歸納統(tǒng)計(jì)。

6.3 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。

6.4 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、過程和結(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)。

7 預(yù)期效益

7.1 及時(shí)預(yù)警，有效避免行車災(zāi)害

光纖監(jiān)測系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對(duì)落石、塹坡位移的設(shè)備異常的精準(zhǔn)監(jiān)測和及時(shí)預(yù)警，避免人工檢查的盲區(qū)、誤差和疏忽，為控制列車運(yùn)行贏得黃金時(shí)間，有效避免行車災(zāi)害的發(fā)生。

7.2 治早治小，降低工程成本

該系統(tǒng)可以及早發(fā)現(xiàn)鐵路支擋設(shè)備的結(jié)構(gòu)微小變形，動(dòng)態(tài)掌握設(shè)備變化情況，為設(shè)備病害盡早整治提供依據(jù)，防止病害加劇影響行車，同時(shí)在病害初期整治可以大大降低工程成本以及避免搶險(xiǎn)發(fā)生的代價(jià)。

7.3 改變防洪及外部環(huán)境巡查方式，降低人工成本

該系能夠快速核查現(xiàn)場實(shí)際狀況，可以降低前期排查的人工成本。

8 結(jié)束語

本系統(tǒng)利用分布式光纖探測定位、激光雷達(dá)、視頻監(jiān)控及北斗定位等先進(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，能夠發(fā)現(xiàn)各類突發(fā)事故和鐵路沿線設(shè)備設(shè)施變化情況并能夠及時(shí)發(fā)出預(yù)警，為鐵路運(yùn)營安全提供有力保障。