基于光柵陣列的軌道交通隧道機電設備安全狀態監測

楊迎卯，王鶴桐

（1.溫州市鐵路與軌道交通投資集團有限公司，浙江 溫州 325000；2.大連地鐵建設有限公司，遼寧 大連 116000）

軌道交通隧道的機電系統復雜龐大，設備布設較為分散，在日常巡檢過程中需要考慮到行車停車安全、登高等工作條件，巡檢人員日常工作量較大，并且所面臨的安全風險相對較高。軌道交通隧道機電設備常年不間斷運行，更容易導致設備老化，性能下降，因此對隧道機電設備運行情況的實時監測極為重要。引進智能化的隧道機電設備監測系統，對整條隧道機電設備運行狀態進行實時監控，及時了解隧道機電設備安全狀態，能夠節約巡檢人員的作業頻次，降低人工巡檢作業引入的風險，保障軌道交通隧道機電設備的高效運維工作，進而有效保障軌道交通隧道的安全運營。

光纖光柵傳感通過光柵反射波長的移動量感應外界被測物理量的變化，可對溫度、振動等多種不同物理量進行監測，具有現場器件無需供電、抗電磁干擾、環境適應性強、使用壽命長、靈敏度高、測量范圍廣、可移植性強及組網能力強等優勢。采用光柵陣列技術，將光波分復用技術與光時域反射技術進行結合，則能夠極大地提高光纖光柵傳感系統的空間分辨率和復用容量，使光纖光柵傳感系統能夠實現長距離分布式測量。將光柵陣列傳感技術與軌道交通隧道機電設備安全狀態的監控需求相結合，設計一種全光纖監測系統，對軌道交通隧道機電設備的溫度，振動等多種物理參量進行連續實時監測，將有效提升軌道交通隧道機電設備運營管理水平。

1 系統架構

利用光柵陣列傳感技術，設計一種全光纖的軌道交通隧道機電設備狀態監測系統，利用光纖自身的兼容性，光纖探測光纜與光纖通信光纜集成為一體，實時的監測信號經過通信光纜傳回，系統對返回信號進行解調和分析后，判斷是否發出相應的安全警報，實現對軌道交通隧道機電設備溫度以及異常振動的連續實時監測。系統架構如圖1所示。

圖1 系統架構

軌道交通隧道機電設備安全狀態監測系統架構可分為感知傳感層、數據監測層和遠程監控層三個層面，具體包括：

（1）探測感知層。探測感知層位于監測系統最底層，主要負責監測光纖線路上的外部擾動信息，并將其轉化為可分辨的光學參量。包括光柵陣列測溫光纜和光柵陣列測振光纜。

（2）數據監測層。數據監測層通過傳輸光纜將感知傳感層所獲得的溫度探測信號和振動探測信號傳給光電探測器；再由儀表將光電信號數據通過采集卡采集，傳送到監控計算機，以實現在線監測，提取并分析信號特征，通過模式識別，可提供各種形式的告警。

（3）管理監控層。將數據監測層監測到的數據整理后打包通過網絡傳給管理監控中心，實現遠程智能監控。

軌道交通隧道機電設備安全狀態監測平臺具備工程配置、網絡拓撲、數據實時顯示、數據存儲、報警查詢、報表輸出等功能，為軌道交通隧道監測區域的安全運營管理提供決策依據。

2 信號分析

信號分析系統包含溫度監測模塊和振動監測模塊。溫度監測主機與光柵陣列測溫光纜連接，采集軌道交通隧道機電設備的溫度數據，并發送到溫度監測模塊。振動監測主機與光柵陣列測振光纜連接，采集軌道交通隧道機電設備的振動數據，并發送到振動監測模塊。

2.1 溫度監測

系統利用溫度傳感器將動力設備的溫度轉換為數字化信息，上傳至監控中心進行處理和記錄，實現了機電設備溫度的實時監視。系統自動記錄溫度數據，制作歷史曲線，并根據各個參數的報警值進行及時預警和報警。

溫度報警分為預警、差溫報警和定溫報警。預警是指當溫度達到預警設定溫度時提醒溫度過高或過低，提前采取措施以防止溫度進一步的偏離正常值，以免造成不可挽回的損失。差溫報警是指溫度變化速率超過設定值時，輸出報警。定溫報警是指溫度達到定溫設定溫度時，輸出報警。相比預警，差溫報警和定溫報警的優先級別更高，可能造成的后果更嚴重，更需要及時的處理。

溫度報警算法由溫度采集模塊、溫度預警模塊、定溫報警模塊、基準溫度更新模塊、溫變時長檢測模塊以及差溫報警模塊構成。溫度采集模塊定時采集溫度傳感器的溫度，采集周期為1s。溫度預警模塊判斷溫度采集模塊獲取的傳感器溫度是否達到預警門限。當傳感器溫度達到預警門限時，輸出溫度預警。

定溫報警溫度模塊判斷溫度采集模塊獲取的傳感器溫度是否達到定溫門限。當傳感器溫度達到定溫門限時，輸出定溫報警。基準溫度更新模塊以最近15min的溫度監測信號的最小值作為基準溫度。溫變時長檢測模塊判斷溫度變化時間是否正常，濾除異常溫度突變。差溫報警模塊判斷溫度采集模塊獲取的傳感器溫度變化速率是否達到差溫門限。當溫度變化速率達到差溫門限時，輸出差溫報警。

系統自動記錄溫度數據，繪制歷史曲線，自動記錄溫度的頻率根據需要可以調節。當溫度達到預警或者報警門限時，系統通過軟件界面顯示、語音等方式自動提醒用戶，并記錄預警和報警信息以便查詢。圖2為隧道內部某機電設備溫度監測點在一天內各時刻的溫度監測數值，圖3為隧道出入口處某機電設備溫度監測點在一天內各時刻的溫度監測數值。

將圖2和圖3對比可見：在隧道內部受外界溫度影響較小，一天內的測溫數值較為恒定，數值變化較小；而在隧道出入口處，隧道環境溫度與外界存在熱交換，在中午時段出現較為明顯的升溫。溫度采集模塊可以及時準確的描述各監測點溫度在各時刻的變化，具有較高的測溫靈敏度。基準溫度更新模塊根據一段時間內的測溫數據對各個監測點的報警門限值進行及時的更新調整，能夠有效保證系統的報警準確率。

圖2 隧道內部某機電設備溫度監測點數值記錄

圖3 隧道出入口處某機電設備溫度監測點數值記錄

2.2 振動監測

系統采集和分析軌道交通隧道機電設備監測區域的振動信號，通過對振動信號的時域、頻域等維度的分析提取關鍵特征，利用模式識別算法對異常振動進行識別和預警，判定異常振動發生的位置和類型，以幫助維護人員及時發現隧道內機電設備破壞和故障事件。

從振動信號提取特征包括：

（1）時域能量，表征探測系統在單位時間內接收的振動能量。

（2）能量變化率，反應振動幅度變化的程度。

（3）Lipschitz常數，其物理含義是指信號在奇異點處的光滑程度，也就是信號峰值陡峭程度的一個度量。

（4）峰度（Kurtosis），是反映振動信號分布特性的數值統計量。

（5）能量因子，計算系統頻域歸一化能量值，表征信號頻譜的頻帶分布。

（6）時頻矩陣變化因子，表征信號頻譜的變化率。以上特征均對機電設備在運行過程中產生的異常振動較為敏感，能夠及時探測到機電設備在運行過程中出現的異常振動，及早發現機電設備破壞和故障事件。通過時頻分析提取信號特征，感知信號頻譜的異常變化，能夠進一步提高系統對機電設備異常振動的探測靈敏度。

模式識別分類器使用SVM支持向量機。系統采集和存儲多種已知模式類別的振動信號樣本，進行人工標記并且形成數據庫。數據庫可以在系統運行過程中進行采樣、增刪和更新，并且對分類模型進行訓練和更新，以適應實際的應用環境。收集500組機電設備正常振動樣本信號和100組機電設備異常振動樣本信號。隨機選擇一半的信號樣本作為訓練樣本，以另一半作為測試樣本，表1為分類結果統計。

表1 分類結果統計

3 應用效果

某高速軌道交通隧道采用光柵陣列機電設備安全狀態監測系統，對隧道內機電設備的溫度和振動狀態進行空間連續的實時監測，采集機電設備的關鍵狀態量(溫度、振動信號等)，并且構建大數據傳感與傳輸網絡，能夠同時監測整條隧道多處機電設備的運行情況。現場長期的應用檢驗效果表明：光柵陣列機電設備安全狀態監測系統能夠對隧道內機電設備的溫度異常變化和異常振動進行及時有效的探測和定位，探測靈敏度以及探測距離能夠良好滿足實際工程應用的需求。系統具有以下優勢：

（1）采用全光纖監測系統，傳感探頭結構簡單，尺寸小，可根據安裝環境進行靈活的繞曲布設，后期維護方便、且能與現有通信光纜很好地兼容。

（2）傳感光纜室外無源，耐候防雷、抗電磁干擾、在工作過程中不會產生電火花、不會對被監測對象的安全造成額外的威脅，并且光柵的寫入工藝已較成熟，便于形成規模生產。

（3）能夠對高速軌道交通隧道機電設備的多種安全影響因素的物理量進行監測和分析，并對異常狀況進行準確地預警，同時，由于多種參量的測量可以共用光纜和主機設備，降低了高速軌道交通隧道機電工程監控設備的復雜程度和維保難度。

（4）監測畫面以圖形、文字、報表等形式直接顯示，能及時反饋監測結果。

4 結語

利用光柵陣列傳感技術對軌道交通隧道機電設備的工作溫度、異常振動等多種物理參量進行連續實時監測，對影響機電設備系統安全運行的各項指標進行實時分析評估。同時，由于多種參量的測量可以共用光纜和主機設備，降低了軌道交通隧道機電工程監控設備的復雜程度和維護保養難度，具有良好的工程應用價值，能夠有效地提高軌道交通隧道機電設備系統的運營管理水平。