鐵道信號智能網絡監測系統軌道占用檢測方案設計

彭顯辰

(中鐵第一勘察設計院集團有限公司，陜西 西安 710043)

當前國內外軌道占用檢測所用設備主要有2種：①軌道電路，在全球應用的都比較多，既能進行行車信息的傳遞，又可以向列車與調車運行下達行車命令，在檢測軌道占用與否、確保行車安全等方面意義重大。但由于其對電類傳感器予以采用，同時，基于電信號進行軌道占用傳感，受到雷電、銹蝕和其他物理量的電磁干擾比較明顯，加之電磁傳感器在防潮防濕方面能力相對欠缺，若長期工作，檢測靈敏度也會受到影響，易引發誤判情況。最為重要的是，現階段軌道電路的并行保障措施有所欠缺，在單獨工作之時，若有故障發生，行車組織安全很容易被破壞。②電磁計軸，同樣需要進行電磁傳感器的安裝，既能判斷軌道區段是空閑還是被占用，又能確定列車行駛速度與方向，然而，該檢測設備與方法亦存在不足，例如，電磁感應探頭自身穩定性比較差，容易受到電磁的干擾，容易引發誤報現象；另外，采集點至控制室傳輸線需用到屏蔽電纜，對標準與防干擾性能都有較高的要求，安裝工藝需嚴謹，資金投入也比較大。

為了從根本上解決容易受到雷電等電磁干擾的問題，提高采集檢測速率，保證列車的穩定可靠運行，需要減少電磁元件的使用。作為一種光纖無源器件，光纖光柵通過協調波長與溫度變化及應力應變之間的相互關系，同時借助接入光纖系統等優勢，在傳感單元的制作中有良好應用[1]。光纖光柵傳感器表現出靈敏度高、抗腐蝕與抗電磁干擾性能強以及可分布式測量等優點，很多學者對其作了豐富的理論及實驗研究，光纖光柵傳感器在工程建設中的應用愈發廣泛[2-5]。基于提前預埋等技術的支持，能夠實時監測構件應變情況及其應力，結合軌道占用檢測實際需求，通過光纖光柵壓力傳感器優勢的發揮，對列車進入軌道區段時鋼軌受力出現的彎矩變化狀況加以分析，設計傳感器在軌道占用狀態的監測系統結構，根據光纖光柵傳感器中心波長漂移量變化完成對列車軸數統計工作，明確軌道占用情況，能夠規避電磁干擾，在保證系統可靠性與穩定性的同時，發揮價格低、速度高、易組網等優勢。

1 光纖光柵傳感原理

在傳感領域，周期性光纖Bragg光柵[6]屬于應用最多的光纖光柵，具有以下結構特征：光柵柵格周期在軸向是均勻的，光柵在徑向的不同位置均有調制一致的折射率。光纖光柵基于耦合模理論進行模型的構建與分析，在該理論的指導下，光纖Bragg光柵的反射率與透射率解析見式(1)。

(1)

光纖Bragg光柵的周期折射率微擾只會影響一段窄段光譜，在寬帶光波信號進入光纖Bragg光柵時，光纖Bragg光柵只對某種有著特定波長的光波信號進行反射處理，并不影響其他波段的光波信號，它們依舊會沿著光纖按原方向傳輸。根據波長匹配條件，可進行式(2)所示Bragg方程(一階場取P=1)的推導：

λB=2neffΛ

(2)

式中，Λ為光柵周期[7]。

根據式(2)，當寬帶光波信號在光纖Bragg光柵中傳輸時，會有模式耦合作用產生，此時，與式(2)所列條件相符的光波信號會被反射，如圖1所示。

圖1 光纖Bragg光柵傳感機理Fig.1 Sensing mechanism of fiber Bragg grating

2 光纖傳感軌道占用檢測方案

基于光纖光柵傳感原理的指導，采用以軌道力為基礎的計軸方法對光纖傳感軌道區間的占用情況進行檢測，分別在一段閉塞分區的入口與出口端點位置處放置1個光纖Bragg光柵傳感計數器?；谟嬢S原理，當入口位置所記錄的列車輪對數與出口位置所記錄的列車輪對數相等時，意味著接受檢測的區域并沒有出現列車占用的情況，但如若不等，則意味著區間存在占用車輛。將封裝好的光纖Bragg光柵傳感器在鋼軌底部位置安裝好，當有車輪經過光纖Bragg光柵傳感點時，鋼軌會有微小應變情況產生，這會引起光纖Bragg光柵傳感器中心波長的漂移，經解調處理后生成光纖反射譜動態應變曲線，光纖解調設備在以太網的支持下將數據向監測中心上傳；之后，監測中心運用計軸算法對應變脈沖峰進行分析處理與統計，達到計軸目的。另外，有較廣泛應用的工頻交流連續式軌道電路是此次所設計的智能網絡監測系統主要監測對象，系統對其占用與出清狀態進行實時在線監測，從室內信號樓采集軌道電路接收端繼電器端電壓；之后，經由以太網向監測中心上傳電壓值，結合軌道電路的工作原理，監測中心可對列車占用情況進行判斷。

上述2種采集裝置對閉塞分區軌道占用與出清狀態的同時檢測，形成了2取2并行檢測方案，可在較大程度上為軌道占用情況檢測工作的準確性及安全性提供保證。監測系統光纖傳感軌道區間占用檢測方案如圖2所示。

圖2 光纖傳感軌道占用檢測方案Fig.2 Detection scheme of optical fiber sensing track occupancy

3 具體設計

3.1 光纖信號峰值檢測

對峰值檢測基本原理進行簡單地分析，在于比較各采樣點同其左右鄰近的兩個采樣點值的大小，若此點值均大于左右2個樣點值，則意味著其是1個峰值點。在采樣點連成平滑曲線的情況下適用，不過本文監測系統所測光纖光柵傳感信號受到采集設備波動、脈沖干擾、光源噪聲干擾等的影響，會摻雜不少的“毛刺”，對其進行峰值檢測(也就是尋峰)，會將干擾峰值也檢測出來，因而需要執行相應的優化處理。通常情況下，尋峰的優化處理算法包括離散求導法、高斯擬合法以及多項式擬合法等，出于對算法便捷性、計算量大小以及效果的考慮，對多項式擬合方法加以采用，能夠做到以對尋峰檢測準確性的保證為前提，降低數據量，對于光纖光柵傳感實時性及準確性檢測優勢的發揮具有積極意義。

對適宜的多項式階數進行選擇，同時，將合適的數據點集截取下來，這是多項式擬合的關鍵。借助的Express VI曲線進行函數的擬合，可運用指定數學模型將數據與結果顯示出來，通過對多項式階數的選擇，還可自動、準確求解多項式系數，實現對觀測波形擬合效果、殘差以及均方誤差等的直觀與動態觀測。出于對光纖光柵光譜不能重疊這一問題的考慮，在待檢軌道區間進行4個光纖光柵傳感器的安裝，光譜反射會有4個波峰形成，共有256個采樣點。結合適宜的數據點集將光譜反射曲線截為4部分，借助Express VI擬合函數執行分段擬合任務。以1號光纖Bragg光柵反射譜波峰為例，當所選多項式階數為24時，可以得到最小的均方誤差與殘差，此時波峰附近曲線的擬合效果最好，擬合之后的波形如圖3所示。

圖3 1號光纖Bragg光柵反射譜波峰擬合波形Fig.3 Reflection spectrum peak fitting wave formof No.1 fiber Bragg grating

剩下的光纖Bragg光柵傳感器形成的反射譜波峰一致于以上擬合原理，均通過Express VI擬合函數進行最優階數擬合，待完成分段擬合任務之后，在“數組插入函數”的支持下實現對整個擬合曲線波形的連接。

3.2 軌道占用判斷

(1)光纖Bragg光柵壓力傳感器受力情況分析。按順序在相鄰兩軌枕之間安裝4個光纖Bragg光柵壓力傳感器，軌道振動位移能夠將列車是否經過反映出來。如果鋼軌受到壓力發生形變，鋼軌的彎矩也會相應改變，進而造成光纖Bragg光柵中心波長漂移。所以，通過監測光纖Bragg光柵中心波長的偏移量，能夠達到監測軌道是否被占用的目的。圖4(a)中，鋼軌所受壓力、相鄰兩軌枕之間的距離以及車輪對與軌枕的距離分別用F、L與x來表示，1～4表示4個光纖Bragg光柵壓力傳感器，p為1、4傳感器點與最近軌枕之間的距離，q為1、2傳感器點之間與3、4傳感器點之間的距離。

圖4 鋼軌受力測試示意Fig.4 Schematic diagram of rail stress test

對不同的鋼軌點施加壓力，鋼軌會受力發生形變，致使各點出現差異化的彎矩變化。以斯尼德橋原理[8]為指導，對1～4個光纖Bragg光柵壓力傳感器所在位置彎矩M1—M4的彎矩變化函數進行定義，用∑M=(M1-M2)-(M3-M4)來表示，則有：

(3)

所得鋼軌彎矩函數進行分析，在執行對2、3之間的測量任務時，縱向壓力與彎矩函數之間的關系為正比例關系，根據式(3)，光纖Bragg光柵的中心波長漂移量正比于彎矩函數。設4個光纖Bragg光柵點的中心波長漂移量分別表示為Δλ1、Δλ2、Δλ3、Δλ4，對光纖Bragg光柵的應力特性進行分析發現，光纖Bragg光柵的中心波長漂移量正比于外力發生的形變，作用力強度會對光纖Bragg光柵波長的漂移范圍產生直接影響。

(2)軌道占用情況計軸計算。以峰值檢測算法為依據，光纖反射譜的中心波長能夠被精確地定位下來，而基于光纖光柵傳感原理可知，當列車輪對行駛過在鋼軌底部位置安裝的光纖Bragg光柵傳感器(簡稱FBG傳感器)時，反射譜中心波長會出現一定的漂移現象，若列車的質量比較小而行駛速度較快，所形成的波峰會又窄又尖，與脈沖峰比較像，若列車的質量比較大而形式速度較慢，形成的波峰則會又寬又長，這會使信號計軸工作的開展難度減小。以某一重載、車速相對較慢的列車為例，當其經過某FBG傳感節點，可得到中心波長漂移曲線，如圖5所示。

圖5 中心波長漂移曲線Fig.5 Curve of center wavelength drift

列車在運行至閉塞分區時，多路傳感信號都會被采集并傳至軟件執行相應的處理操作，明確中心波長，而若列車未運行至閉塞分區，光柵反射譜對應的中心波長不會出現偏移。在有行車經過閉塞分區時，車輪會對FBG傳感點的上方進行碾壓，而由于列車比較重，此時會在短時間內令鋼軌出現微應變，讓光柵反射譜的中心波長偏移量逐漸由零變大，到達峰值，之后慢慢下降并變回零點，如此，便會有1個曲線峰形成，意味著曾經有1個輪軸駛過。在此基礎上，軟件程序會進行1次計數，通過在程序中進行靈活閾值的設定，可在循環判斷中明確列車駛過時的軸數，系統的計軸功能得以實現。

在監測區域內，若各計軸點的FBG傳感器是穩定安裝的，系統的通信也符合流暢性要求，則計軸點所得車軸數應是一致的，唯一有區別的地方在于時間上略有延遲。當且僅當各端點兩軸數相同時，程序也會認定軸數是有效的，此時，會將計軸數目顯示出來，相等則意味著無車，不等即有車占用，以此為依據將區段軌道空閑或者被占用的狀態輸出。

4 應用實驗

4.1 實驗結果

由于鋼軌的形變過程同步于其受力過程，而光纖Bragg光柵的波長漂移量會與列車的經過相伴隨而出現相應的變化，因而能夠借助光纖Bragg光柵對列車經過情況進行實時檢測。

在軌道某一區段起始及末端分別進行光纖Bragg光柵壓力傳感器的安裝，基于對光纖Bragg光柵中心波長變化的監測，執行對安裝位置經過列車的輪對軸數計數任務。同時，比較起始及末端位置的計軸數，若計軸數不同，則意味著此區段被列車占用，反之則未被占用，軌道狀態為空閑。

測試所用監測系統包括光纖Bragg光柵壓力傳感器、光纖光柵解調儀以及計算機處理器等模塊。如果列車輪對靠近傳感器，光纖Bragg光柵的波長漂移量會呈現出逐漸增加之勢，最大值會出現在輪對位于光纖Bragg光柵壓力傳感器的正上方之時，之后，輪對會逐漸遠離光纖Bragg光柵壓力傳感器，對應的波長漂移量亦會呈現出逐漸下降之勢。因此，當每一輪對經過傳感器之時，均會出現1個波峰，通過對這些波峰的識別，便能將經過傳感器上方的輪軸數計算出來。光纖光柵解調儀的功能在于解調光纖反射回來的反射譜，在光纖光信號轉換為電信號之后，經UDP通信向計算機處理器輸出波長數據，之后，計算機處理器執行對光纖Bragg光柵波長漂移量波峰的計軸計算任務，同上一傳感器計軸數相比較，確定軌道的占用情況。

為了對縱向應力同光纖Bragg光柵波長漂移量之間的關系進行驗證，確定光纖Bragg光柵是否可以在軌道占用監測中應用，進行具體的實驗分析。具體地，在實驗平臺上針對鋼軌不同位置，借助液壓泵向鋼軌施加一個恒定縱向力，對列車輪軸經過監測點進行模擬；同時，將壓力桿底部位置制作成一個弧面，對輪軌耦合狀態下的接觸面進行模擬。實驗過程中，所用液壓桿缸徑為45 mm，液壓泵加壓范圍在0～100 MPa，對紫外光照射經過氫敏處理的普通單模光纖形成的光纖光柵壓力傳感器加以應用，在正常無壓力條件之下，其中一個傳感器的中心波長為1 564 nm，反射率不低于90%，3 dB帶寬不超過0.3 nm，另外一個傳感器的中心波長為1 555 nm，反射率大于90%，3 dB帶寬同樣不超過0.3 nm。實驗平臺如圖6所示。圖6中，施壓點位置以實驗平臺最右側為起點，也就是0 cm，剩下的位置是相對于起點的位移。按照以上分析，光纖光柵壓力傳感器安裝于枕木及枕木之間鋼軌的中心位置，也就是第1個傳感器在50 cm的位置，第2個在110 cm的位置，3根枕木依次在20、80、140 cm的位置。在鋼軌不同位置，借助液壓泵將壓力加到40 MPa，同時，將傳感器的中心波長記錄下來。

圖6 實驗平臺示意Fig.6 Schematic of test platform

通過向此光纖Bragg光柵施加壓力，逐漸地改變其縱向應變量，能夠得到光纖Bragg光柵壓力傳感器中心波長隨縱向應力改變量變化的曲線，如圖7所示。

由圖7可知，光纖Bragg光柵中心波長漂移量正相關于縱向應力的變化，也就是正相關于鋼軌受力形變造成的彎矩變化。在平均發生0.5‰應力改變的情況下，波長漂移值為0.54 nm。這種正相關關系能夠較好地在縱向應力變化檢測中應用。

圖7 中心波長隨縱向應力改變量變化的曲線Fig.7 Changing curve of center wave length with change of longitudinal stress

4.2 對比分析

由于受到風吹、雨淋等自然損害以及化學物質的侵蝕等影響，傳統軌道電路不常通車區段容易有銹蝕現象發生，軌道區段的占用情況也難以被有效判斷出來，進而引起分路不良，對行車安全產生影響。本文設計的系統與方案恰好可以對軌道占用情況進行檢測，經驗證，安全性與可靠性均達標。與以往的軌道電路與電磁計軸方案相比，可從2方面節約成本：①全部設備均在一個總線上，各自之間不會產生相互的影響，可節省施工與電纜敷設支出；②室內設計很少，無需進行機柜等的單獨設立，整個工程建設、維護以及設備等成本都不高。另外，在可靠性方面，系統具備自診斷功能，且當某一組設備發生故障時不會對其他設備產生影響，施工與可維護性大為提升。

5 結語

基于光纖光柵傳感原理設計光纖傳感軌道占用檢測方案，經測試，光纖Bragg光柵中心波長漂移量正相關于鋼軌受力形變造成的彎矩變化，能夠較好地在縱向應力變化檢測中應用；同時，與以往的軌道電路與電磁計軸方案相比，成本更低，系統安全性與可靠性均達標。但是，本文系統同樣有待優化之處存在，目前系統功能主要面向的是“地對車”監測，也就是通過對地面軌道狀態的監測，達到監測車輛狀態的目的。在今后的研究中，應向動態監測拓展，通過對系統的進一步優化，將其應用于軌道結構損傷等監測中，尤其是在鐵路線路中一些薄弱路段中應用?；谲壍澜Y構存在損傷時剛度會有所改變這一原理，借助于系統執行對軌道的長期監測任務，以此實現對軌道結構健康狀態演變規律的準確掌握。