基于光纖傳感的無源鐵路防護門開關狀態監測系統

王超東

（中鐵第四勘察設計院集團有限公司，湖北 武漢 430063）

引 言

中國鐵路建設正在有序推進，鐵路運營安全越來越受到重視。長大隧道在鐵路中較為普遍，根據《鐵路隧道防災疏散救援工程設計規范》[1]、《鐵路工程設計防火規范》[2]等相關規范要求，與長大隧道連接的各類通道及安裝了設備的洞室均設置了防護門，如隧道應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、雙洞雙線隧道的聯絡通道，以及安裝了通風、電力、通信、信號、牽引供電設備的洞室等位置[3]。大量防護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營帶來了一定的安全隱患。近年來，發生了幾起隧道防護門脫落影響鐵路運營的事件，因此部分鐵路局集團公司提出拆除防護門的意見，這就違背了前面提及的鐵路行業規范，長大隧道一旦發生火災，后果不堪設想。

出現這種兩難的局面，主要原因是目前沒有對防護門進行實時監測，無法掌握門的開閉狀態，從而在隧道門脫落或打開時及時報警，與運營指揮系統聯動，及時采取措施，保證運營安全。對于防護門的狀態監控有多種實現方案，如按普通門禁方式設置門禁系統或利用視頻監控系統對門進行監測，這些都需要安裝較多的現場設備。普通門禁的現場監測設備還要有線或無線傳輸通道將信息傳送至中心，視頻監控系統需要在合適的位置設置全天候的攝像頭，這些都需要現場供電。設備安裝、供電和傳輸通道提供都需要成本，少量的防護門問題不大。但當隧道防護門的數量較多時，建設成本以及今后的維護及改造成本將不可忽視。

光纖傳感因其現場無源、環境適應性強、易于組網等優點，與光纖通信技術一同起步，經過幾十年的發展已可傳感數十種物理量。光纖傳感同被測物理量所在的行業密切交叉，往往為解決某一種特定的需求而特殊設計[4]。例如利用多芯光纖中的布里淵散射可實現對三維形狀的感知[5]，利用在多芯光纖中設計的馬赫-曾德爾干涉儀可實現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門監測系統，憑借光纖傳感的靈敏度高、傳送距離遠的特點，利用單芯光纖及簡單的現場光反射和接收裝置即可實現門的開關狀態監控。該監測系統還可推廣應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，然后對多門組網方案及功率優化等關鍵技術進行研究，最后提出工程應用中需要重點關注的問題及應對措施。

1 基本原理及系統構成

1.1 基本原理

光纖傳感因其具有傳感現場無源的特性，特別適用于現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，光信號可以實現遠距離的傳播，進而實現遠距離的傳感監測。因此，利用光纖傳感技術滿足無源場合的鐵路沿線隧道洞室防護門、設備門等“門”的開關狀態檢測需求是最佳的解決途經。在此種應用場景下，為了利用光纖傳感技術，最直接、最有效的方案就是設計一種結構將“門”的開關狀態轉化為光路的通斷狀態。

如圖1所示，光纖準直器和反射鏡固定在金屬盒子內，在光纖準直器和反射鏡之間設置一個可以移動的滑塊。滑塊的一端與彈簧相連，另一端凸出盒子外。當滑塊擠壓彈簧時，光路處于一種狀態；當彈簧處于松弛狀態時，光路處于另外一種狀態。將此裝置安裝在被監測的“門”的附近，當“門”關閉時，滑塊受到擠壓；當“門”打開時，滑塊釋放。如此一來，即實現了將“門”的開關狀態轉換為光路的通斷狀態。

圖1 光門開關傳感頭結構設計圖Fig. 1 Structure design of optical switch sensor

在圖1所示設計中，通過使用反射鏡實現了單端口測量，這在工程應用中可大大節約光纖資源。從圖1可以看出，當傳感頭的滑塊受到擠壓時，光路可以設計為“通”或者“斷”。首先，被監測的鐵路防護門設計為常閉狀態，當門被異常開啟時需要報警提醒。第二，當連接傳感頭的光纖斷纖或者光門開關自身異常時，也應該提醒系統異常。因此，我們認為將傳感頭設計為常開狀態是最好的選擇，即滑塊受到擠壓時光路為“通”的狀態。

1.2 光門開關傳感頭測試

按照圖1所示傳感頭設計圖制作了樣品若干個（實物照片如圖2所示），并對其性能指標進行了測試。經測試，傳感頭開-關消光比均大于30 dB，插入損耗均小于1 dB。另外，考慮到現場使用的環境，在傳感頭制作時考慮了防水防塵工藝，經測試可達IP56等級。

圖2 光門開關傳感頭實物樣品照片Fig. 2 Photograph of the sensor

為測試傳感頭動態響應，將傳感頭安裝在設備柜門上以模擬鐵路防護門進行開關狀態的傳感測試，如圖3（a）所示。將連續光注入傳感頭，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域波形。當柜門反復打開-關閉時，觀察到圖3（b）所示波形，示波器采樣頻率為1 MSa/s。可以看到開-閉狀態變換時，光探測器信號快速響應。模擬測試了100次開閉動作，信號均存在圖3（b）所示響應波形。放大其中一個由閉合變換為開啟狀態的波形，如圖3（c）所示，可以看到在柜門開啟時，光路由通轉為斷，光信號立即消失，響應時間約為2 μs。需要說明的是，此響應時間為光路由通轉為斷的時間，并不是柜門由關閉到完全開啟的時間，但開關動作的快慢影響光路通斷轉換的快慢，因此響應時間與柜門開啟動作的快慢也存在一定關系。

2 光門開關典型組網方案

在具體鐵路工程應用中，往往不止一個而是一系列的防護門狀態需要監測。為了降低系統的復雜度和工程成本，需要考慮對解調儀進行復用，對光門開關傳感頭進行組網。首先根據現場條件選擇具有取電方便、聯網便捷等條件的位置作為光門開關解調儀的安置點。然后調查需要監測的防護門位置以解調儀為中心時的分布情況，根據分布情況選擇最優的組網方案。下面將介紹兩種典型的組網方案。

2.1 星型組網方案

當被測防護門以解調儀為中心呈現星型或類似星型分布時，我們設計了光門開關星型組網方案，如圖4所示。其中黑色虛線框中為解調儀的組成部分，包含直流光寬帶光源、光環行器、WDM1（波分復用器）、WDM2（解波分復用器）、光電探測器以及信號處理及上報等部分。

圖3 光門開關傳感頭動態響應測試Fig. 3 Dynamic response measurement of optical switch sensor

圖4 光門開關星型組網方案Fig. 4 Star network of optical switch sensor

在圖4所示的組網方案中，寬帶光源輸出光經過光環行器進入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場的光門開關相連。根據前述設計，當被測防護門處于關閉狀態時，光門開關中的光路處于通路狀態，反射回的光經過WDM1合波，再經過光環行器由端口3輸出至WDM2。WDM2的參數和WDM1一致。因此由WDM2按照波長進行分光之后，來自不同光門開關傳感頭的光波被依次分配到相應的光電探測器端。信號處理及上報單元對光電探測器的數據進行實時采樣分析，判斷光門開關狀態并將狀態信息進行上報。

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

2.2 單芯級聯組網方案及功率優化

當被測防護門以光門開關解調儀為中心呈現線型分布時，宜采用單芯級聯方案，如圖5所示。光源為分布反饋式直接調制光源，光脈沖通過一個三端口光纖環行器耦合進光纖鏈路，來自光門開關的反射信號耦合進光電探測器。2×2耦合器的輸出口一端連接光門開關傳感頭，另一端與下一個耦合器級聯。所有的支路共享同一套脈沖光源、光纖環行器、光電探測器、信號處理及上報單元等，這種設計有利于對監控“門”的集中管理并降低系統成本。光門開關傳感器可以根據現場的情況預先給定位置編號，這在實際的工程應用中十分方便。

圖5 光門開關單芯級聯組網方案Fig. 5 Single fiber cascade network of optical switch sensor

在本系統中，來自不同光門開關的信號可以根據他們的位置在時域上進行區分[7]。來自第j個光門開關的脈沖信號上升沿在時間軸上的位置為（如圖6所示）

在裝飾技法和顏料的選擇上，可以吸取其他藝術的精華再結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，展現方式更加多樣。

圖6 光門開關時域信號示意圖Fig. 6 Time domain signal diagram of optical switch sensor

為了防止來自不同光門開關的信號相互之間重疊干擾，并使得脈沖信號時域位置和光門開關的編號一一對應，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測鏈路的遠端，耦合器的高分光比的輸出端應該和傳導光纖相連。耦合進光門開關的分光比越高，系統的信噪比越好。但是，遠端的光門開關獲得的光功率就越低。這意味著系統所能支持的光門開關的數量將會減少。在仿真中，我們研究了不同耦合器分光比的情況下，來自光門開關的光功率與數量之間的關系，仿真結果如圖7所示。

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

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

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

圖8中前40個耦合器分光比為99∶1；第41至55個為90∶10；最后三個為50∶50。通過優化分光比，在不損失信號最低動態范圍的情況下，光門開關的數量從40個增加到了58個。

3 工程應用

該傳感器應用于鐵路防護門的門禁監測工程中時，需要特別注意系統的可靠性和環境適應性，為此特采取以下措施：1）光門開關傳感頭設計防水防塵等級可達IP56，有特殊需要的環境下還可進一步提高防水防塵設計等級；2）光門開關傳感頭建議牢固安裝于門框上，保證當門扇關閉時滑塊受到擠壓，且不會增加傳感頭脫落風險；3）當門扇和門框配合不緊密時設計安裝配件以保證門扇關閉時傳感頭滑塊依然可以受到擠壓。

鐵路防護門在列車進出隧道、大風等條件下容易產生振動。強烈的振動可能導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，進而引起誤報。而鐵路工程應用中對誤報特別敏感。一方面，誤報將大大增加人工巡檢的成本；另一方面，如果報警系統和運營調度聯動，誤報也會嚴重影響鐵路的正常運營管理。

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

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

4 結 論

本文設計了一種基于光纖傳感的光門開關傳感頭，該傳感頭可將門的開關狀態轉化為光路的通斷。按照設計方案制作了樣品，傳感頭開-關消光比均大于30 dB，插入損耗均小于1 dB，防水防塵指標可達IP56等級。在具體工程應用中，往往需要對一系列防護門進行監測。為了降低系統的復雜度和工程成本，需要考慮對解調儀進行復用，對光門開關傳感頭進行組網。首先根據現場條件選擇具有取電方便、聯網便捷等條件的位置作為光門開關解調儀的安置點。然后調查需要監測的防護門位置以解調儀為中心的分布情況，根據分布情況選擇最優的組網方案。針對被測防護門以解調儀為中心呈現星型或類似星型分布的情況，設計了光門開關星型組網方案。針對被測防護門以光門開關解調儀為中心呈現線型分布的情況，設計了單芯級聯方案。單芯級聯方案中，為了使更多的光功率耦合到傳感監測鏈路的遠端，對耦合器的功率分配進行了分析與優化。

針對鐵路防護門的應用場景，本文提出了提高系統可靠性和環境適應性的措施，針對振動可能引起的誤報在報警算法方面加以考慮。另外，在鐵路應用工程建設中，還需要重視對設備成本、安裝工程成本等建設成本的考慮，同時考慮系統后期的應用、管理及維護帶來的成本及管理方面的變化。