基于光纖傳感技術的鐵路沿線崩塌落石監測點布設研究

閻 震 張新錦 叢宇殊

閻 震:同方威視技術股份有限公司 工程師 100081 北京

張新錦:昆明鐵路局工務處 高級工程師 650011 昆明

叢宇殊:同方威視技術股份有限公司 工程師 100081 北京

1 系統介紹

鐵路沿線邊坡落石報警系統，由危險源捕捉分系統、光纖光柵解調分系統、信號分析分系統、報警分系統四部分組成。系統拓撲如圖1所示。

1．危險源捕捉分系統:由光纖光柵傳感器及配套設備組成，采集各種振動信號。

2．光纖光柵解調分系統:將波長變化的光信號轉換成電信號，通過網絡傳給PC服務器。

3．信號分析分系統:專用的落石信號分析處理軟件。

4．報警分系統:通過聲、光、手機短信發出報警信號。

圖1 鐵路沿線邊坡落石報警系統拓撲圖

當有巨石落下引起鋼軌振動時，光纖光柵傳感器隨鋼軌振動產生波長變化的光信號，通過光纜傳輸給光纖光柵解調分系統，將波長變化的光信號轉換成電信號，然后經網絡傳給PC服務器，用落石信號分析軟件對電信號進行分析、判定，并根據設定方式進行判斷，判斷結果以觸發信號的方式傳給報警分系統進行聲、光、電信號報警。

利用光纖光柵技術研制成的傳感器件，具有反射帶寬范圍大的特性，可在一定帶寬下大量使用，節約成本;光纖光柵傳感器件體積小，易與光纖耦合，附加損耗小，同時不受電磁干擾。

網絡課堂的教學模式可以使用家長管理系統，即學生在觀看網絡視頻中不能操作其他界面，或是長時間沒有對電腦進行操作時，實施相應的鎖屏辦法。要求學生必須通過完整的網絡課堂學習而取得相應的網絡教學學分。

2 傳感器監測點布設方案

鐵路沿線邊坡落石報警系統的核心問題是監測點的布設，其合理性決定了底層數據的有效性和上層報警機制的準確性。為此，在云南曲靖地區鐵路現場(廢棄不久)進行大量的試驗工作。

工具及材料:特制龍門吊車落石試驗裝置、80 kg天然石、400 kg天然石、80 kg水泥塊(不同形狀)等，見圖2。

圖2 現場試驗裝置圖和落石

2.1 試驗方法(如圖3)

1．從坐標“0”開始，每間隔5個單位將80 kg天然石塊、正方形水泥、長方形水泥塊、圓形水泥塊，分別從5，4，3 m高度拋下，落點分別為主枕頭、主軌、枕中、副軌、副枕頭。

2．從坐標“0”開始，每間隔5個單位將400 kg正方形水泥塊從5 m高度拋下，落點為軌道界限。

除此之外，又進行了傳感器位置更換，落點改變等一系列試驗，共計500余次，得到有效數據2500萬組。

圖3 云南曲靖落石現場試驗布設圖

2.2 數據分析(布設距離)

通過試驗得到，常態噪聲下振幅隨時間變化的曲線如圖4所示;軌道基礎結構受到落石沖擊后的振幅隨時間變化曲線如圖5所示。

從圖4可看出，常態下傳感器的振幅值為0.005 nm，噪聲下振幅隨時間的變化很小，且保持穩定持續。從圖5可看出，在落石沖擊軌道結構后振幅會在瞬間產生較大變化，且隨著時間逐漸衰減，衰減時間大約1 s。通過MATLAB結合傅里葉變換來分析所得數據，受到沖擊后的最大振幅值遠大于常態下傳感器的振幅值0.005 nm。

2.3 數據分析(布設方式選擇)

對試驗數據進行分析后，得到布設距離關系曲線如圖6所示。振幅值隨著距離的增大而逐漸變小，超過25m則無法分辨。

圖7為五點位置不同距離的傳感器振幅值(nm)。落石沖擊軌道基礎結構后，主軌的振幅變化最大，其次是副軌和主枕頭，隨著距離增加枕中和副枕頭上的振幅值相近。

3 屏蔽列車通過報警

由于列車通過時也會引起很強的振動，應對振動規律進行研究，屏蔽列車通過報警。客運列車和貨運列車速度在40～140 km/h，在通過光柵光纖傳感器后的振動傳導規律基本一致，如圖8所示。客運列車和貨運列車通過時，信號圖像的特點是振動持續時間較長，有多個峰值，且峰值較大。

圖8 列車通過振動傳導波形圖

屏蔽列車通過報警方法如下。

1．將光纖光柵傳感器進行分組，每組統一進行報警(并非所有通道的傳感器統一報警)。最簡單的分組就是光纖光柵解調儀的每個通道的所有傳感器為一組。

2．對于某個傳感器的分組，記錄組內的所有傳感器的觸發次數，如果本組內所有傳感器達到報警閾值次數一致則認為是列車通過。

3．記錄到達報警閾值的開始時間和結束時間，計算時間差，如果發生的是單一落石或者一組落石，時間差是快速的;而列車通過的時間是較長的，一般可達到幾秒時間。

4．判斷光纖光柵傳感器達到報警閾值是否按照順序進行的，列車通過時光纖光柵傳感器會由列車通過處逐一產生大于報警閾值的振動信號。

4 結論

通過試驗數據進行擬合分析可得，在布設距離為25 m時，最大振幅大于0.005 nm，故傳感器可監測范圍為25 m。本系統可完成80 kg落石從5 m高度落到鐵路界限內的監測工作，并即時報警。

落點位置:在主軌上振幅最大，且在距傳感器很遠的距離上可以分辨;其次是在主枕頭和副軌上振幅較大;而在枕中和副枕頭這2個位置相對較小，且可分辨的距離也比較近。

衰減規律:根據試驗數據，對振幅與距落點的距離進行擬合，在某種程度上以指數函數的擬合來近似，且函數曲線特點隨時間而趨于衰減，其中前5 m衰減速率最快，是個急速衰減的過程，而后面的衰減比較緩慢。

根據五點位置，考慮把傳感器布設在單軌上，傳感器間距25 m。單軌布設的一個很重要的優點在于便于通信線路施工。

目前，本系統已在渝懷鐵路線白沙沱地區使用3年，對研究鐵路沿線邊坡落石報警系統的布設提供了一手資料，獲得了大量的現場實際工程經驗，形成一套切實可行的系統方案，為山區鐵路安全運營帶來保障。

［1］趙勇．光纖光柵及其傳感技術［M］．北京:國防工業出版社，2007．

［2］哈里斯．沖擊與振動手冊(第五版)［M］．北京:中國石化出版社，2008．

［3］趙天池．傳感器與探測器的物理原理和應用［M］．北京:科學出版社，2008．