基于分布式光纖傳感技術的高鐵安防系統

葉 雯

（中國人民武裝警察部隊海警學院艦艇指揮系，浙江寧波 315801）

1 概述

信息技術和社會經濟的飛速發展，使人們對交通出行方式提出了越來越高的要求。民航由于受到天氣和航空流量控制的影響，雖然在速度方面有一定的優越性，但是比較容易出現航班延誤和取消的情況，具有一定的限制性；公路交通，由于其經常會受到天氣和高速公路擁堵的影響，也具有一定的限制性。而高速鐵路，由于其具有運行準時、安全、舒適、運輸量大且速度快的優點，已經漸漸成為人們出行的首選交通方式。進入21世紀以來，高速鐵路得到了迅速發展，不僅在速度上得到飛速進步，在列控和安全防控方面也越來越往智能方向發展。目前，國內高鐵列控技術在實際應用中已經發展到CTCS-3級列控系列，采用準移動閉塞方式，應用于時速300 km以上的高鐵系列，而更高一級的CTCS-4級列控系統，可以實現移動閉塞和虛擬閉塞，從而縮短行車間隔，尚處于理論研究階段[1]。

高鐵系統在提升速度的同時，還必須考慮到安全性問題，因此專家學者們在研究如何提高高鐵運行速度的同時，也開展對高鐵安全性問題的科學研究。國內在這方面的工作已經取得一定的進展。參考文獻2分析不同鐵路場所下的不同安防系統，主要運用到了紅外對射、電子圍欄、振動光纖、視頻監控等多種安防手段[2]。參考文獻3對目前國內鐵路正在試行的周界入侵報警系統進行了優化[3]。參考文獻4在分析了以上安防系統不足的基礎上，提出基于微波列陣技術的高鐵周界安防系統，彌補主流安防系統的不足[4]。

2 高鐵安防系統

本文闡述一種高鐵安防系統，該系統包括檢測模塊、報警模塊、傳輸模塊3部分，而檢測模塊又包括電力檢測模塊、溫度傳感檢測模塊、空氣壓力檢測模塊和光纖振動檢測模塊。其中的光纖振動檢測模塊是利用光纖的瑞利散射信號，通過光相位變化來檢測入侵信號，具有實時、多點、長距離遠程監控報警功能。該模塊可以根據對比反射回來的振動波形來判斷高鐵周界的不安全因素源的位置和類型，給予報警和視頻監控，針對不同的不安全因素源來采取不同的應對措施，排除不安全因素。

高鐵周界安防系統的工作原理如圖1所示。系統由傳輸模塊、檢測模塊和報警模塊構成。檢測模塊又由空氣壓力檢測模塊、電力檢測模塊、溫度傳感檢測模塊、光纖振動檢測模塊組成。傳輸模塊包括無線傳輸部分和有線傳輸部分。報警模塊包括信息記錄部分和語音警示部分。信息記錄部分又包括圖像顯示和數據記錄兩部分，其中的圖像主要是記錄光纖振動模塊中非正常擾動的視頻監控錄像，提示有非正常擾動信號時，顯示擾動源的相關視頻情況。語音提示部分是當各個模塊超過設定閾值時給予報警提示，并且記錄相關信息。

2.1 光纖振動傳感檢測模塊

高鐵安防系統中，光纖振動傳感檢測模塊部分是本設計的一個重要部分，可以實現實時、多點、遠距離的24 h無人監控，該技術還被應用在邊境安防監控中[5]。工作原理如圖2所示，激光器發出1550 nm的單頻激光光源，脈沖寬帶在10～100 ns，經過脈沖調制后，發射出的脈沖光源經過功率放大，使獲得足夠強的功率可以得到回波信號，被放大的脈沖激光經過光濾波器，使放大過程中產生的非發射波段干擾得以去除。在傳輸的過程中，由于光纖內部產生了瑞利散射[6]，在光纖的不同位置會產生一個反向的散射信號，信號通過光纖耦合器，經過光濾波和放大器，由高靈敏的光信號接收系統接收，通過光電轉換變成隨時間變化的電信號波形，經過計算機對波形進行分析，假如在光纖鋪設的整個檢測路段，有非正常擾動產生，那么通過檢測反射回來的波形變化，將其和之前沒有擾動的波形進行比較，就可以判斷出非正常振動的位置和振動源的類型[6]，進而啟動報警系統報警。

該光纖振動傳感模塊是利用光時域反射計原理[7-8],在光時域譜上通過對比反射光譜的變化來感知外界擾動情況。該模塊所用的激光光源是脈沖光源，其脈沖的頻率需要根據系統要求設定，最高頻率決定于傳感光纖的鋪設總長，為使兩個脈沖信號之間無干擾，設定的脈沖周期應大于光脈沖在光纖中的來回時間。根據傳感光纖的總長度，可以確定下一個脈沖的發射時間，例如，對于10 km的光纖長度，光纖發射和經過的光纖總長度為20 km，對應的來回傳輸時間約為10-4s，因此脈沖間隔必須大于10-4s，這樣脈沖的最高頻率可以設定為10 kHz。如果光纖長度擴展為50 km，對應的來回時間為5×10-4s，這時脈沖的最高頻率可以設定為2 kHz。由此可見，該光纖振動檢測模塊的激光光源需要根據實際情況進行選擇，不同的傳感檢測距離，選擇不同頻率和功率的脈沖激光光源。

該光纖振動傳感檢測模塊的優點在于，可以實時監控高鐵周邊情況，一旦非正常擾動產生，可以即時報警，并且由計算機軟件系統分析出非正常擾動的位置和擾動源的類型。擾動源的位置判斷是根據回波信號的時間序列中讀出來，因此可以根據波形的時間序列圖讀到多個位置點的不同擾動，這樣就提高了檢測效率。振動源的類型通過波形圖上振動頻率和振動強度的不同來判斷。當然，這需要一些前期的實踐工作，根據一些實驗數據來建立擾動數據庫，對高鐵運行經常會遇到的一些非正常擾動波形進行建模，然后將實際檢測到的數據跟它們比對，判斷出擾動類型，啟動報警系統。報警系統給予報警，同時給出擾動源各自對應的位置信息，并且記錄視頻監控錄像，給后期事故處理提供依據。具體操作流程如圖3所示。

安防系統中光纖振動傳感檢測模塊因其實時性、工作距離大、高定位精度的要求，其結構模塊架構相對比較精細，而且需要前期數據建模工作，相對其他3個檢測模塊來說，研究工作更復雜。

2.2 空氣壓力檢測模塊

安防系統中的空氣壓力檢測模塊，是利用高鐵在高速前行時，兩側的空氣壓力驟減，產生的壓力差高達幾十千克以上，進入高鐵的人和物體都會被“吸向”高鐵，因此該空氣壓力模塊，是利用了對壓力敏感的壓敏式電阻，其阻值會隨著壓力的變化而變化，使電路中的電流發生變化，給出了不同的電信號，報警系統根據電信號的情況給予報警。在檢測風力的同時，也檢測高鐵周邊的空氣壓力，起到很好的安防作用。其工作原理如圖4所示，空氣通過導氣管進入真空管，真空管的一端接有壓敏電阻，壓敏電阻根據氣體不同壓強產生著變化，使回路中的電流產生變化，產生不同的電信號，電信號檢測器通過不同電信號變化控制著電路，給予報警。

2.3 溫度傳感檢測模塊

安防系統中的溫度傳感檢測模塊，利用熱敏電阻的變化引起電壓的變化，來實現對高鐵表面以及高鐵周邊的空氣溫度的檢測，其工作原理跟上面相類似，只是使用的電阻不同而已。熱敏電阻被安置在高鐵車身外靠近軌道的地方，高鐵運行速度過快或者有其他異常情況例如起火等，熱敏電阻值會發生變化，引起電路中的電流和電壓的變化，啟動回路中的報警系統報警，保證高鐵的安全運行。另外，在每一節車廂也安裝一個溫度報警器，在車廂溫度異常的情況下同樣報警，保證車廂內部的安全。

2.4 電力檢測模塊

安防系統中的電力檢測模塊，通過檢測高鐵供電系統中輸出端的電壓和功率值以及輸入端的電壓和功率值來判斷其電力系統是否正常，檢測數據由傳輸系統傳輸到計算機系統，由相關的軟件進行數據分析，分析出高鐵電力系統的運行狀況，假如出現異常，則啟動報警系統報警，同時記錄數據，做出應對方案，實時保證高鐵安全運行。

安防系統的4個檢測模塊都是通過傳輸模塊進行無線和有線信號的傳輸，最后由報警系統給出視頻監控圖像和報警信息，保障高鐵的運行穩定。報警系統可以實現24 h的無人監控智能報警，計算機分析出高鐵運行的不穩定因素類型，實現自動報警后，記錄相關信息，方便事故處理。

3 安防系統的優點

本文所介紹的高鐵安防系統，通過對高鐵運行過程壓力、溫度、振動、電壓和功率幾個參數值的變化來監測高鐵的安全性，具有實時、智能、多方面的監測特點，其中的光纖振動檢測模塊，引入國際先進技術，具有很高的監測精度和準確度，不僅可以實現24 h無人監控，還可以準確分辨出振動源的類型，判斷出非正常擾動情況，做出相應的應對方案，具有很強的智能性。

4 結束語

該安防系統暫時還處于試驗階段，尚未正式進入實際鋪設過程，光纖振動模塊，由于其檢測裝置相對比較精細，而且又是全段光纖鋪設，對工程技術提出了很高的要求，光纖系統的后期維護工作也具有一定的技術性，因此，該系統跟之前別的安防系統相比，工程量會相對復雜一些，具有一定的挑戰性。