金溫高鐵安全光纖綜合監測系統研究

王 東 中國鐵路上海局集團有限公司工務部

1 引言

金溫高鐵位于浙江省南部山區，塹高隧多、鐵路沿線地理環境復雜，鐵路沿線時常發生邊坡滑移（變形）、塹坡落石、閑雜人員進入、橋梁限高防護架被撞等事故，鑒于該類事故具有突發性及和對鐵路運輸具有較大的破壞性以及鐵路沿線點多線長難以及時發現。因此本文研究利用分布式光纖傳感、探測、定位技術為核心，輔助以激光雷達技術、衛星定位技術、視頻跟蹤定位等先進技術，實現對鐵路沿線突發事件的實時監測、精確定位和報警，及時發現鐵路設備、周邊環境變化及自然災害等突發事件，以便及時進行應急處置，確保高速鐵路運營安全。

2 系統設計框架與技術原理

2.1 系統設計框架如圖1所示

圖1 金溫鐵路沿線安全光纖綜合監測系統框架圖

2.2 項目技術原理

2.2.1 分布式光纖探測定位技術

利用分布式光纖探測定位儀接入光纜，通過對光纖中后向散射光的頻率、幅度、相位等信息的采集分析，實現對光纜的通斷、溫度、應變、振動的感知和定位等信息進行監測。

2.2.2 快速模式識別技術

快速模式識別主要分為信號預處理、特征提取、模板訓練、模板分類等四部分

2.2.3 激光雷達技術

激光雷達是一種利用激光測距原理進行掃描，從而對二維場景復現的技術,通過旋轉鏡面將脈沖激光發射并由主機接收反射光線，通過計時器計算發射和接收之間的時間差就可以計算測量距離。

3 系統技術指標

金溫鐵路沿線安全光纖綜合監測系統是一種多參量的分布式光纖傳感技術，單個系統的單向傳感距離在30km 左右，系統具備雙端口，能夠對60 km 范圍同時進行監測。本系統參數指標分別為：傳感光纖采用G.652,G.657、傳感距離為30 km×2、響應時間1 s～3 min，傳感參量為溫度、應變和振動，測量溫度范圍為-40℃～200℃，溫度精度±1℃，應變范圍0 με～8 000 με，應變精度±20 με，位移精度2 mm，空間精度2 m～10 m，光纖接口為FC/APC。

4 系統功能模塊

金溫鐵路沿線安全光纖綜合監測系統具有路基激擾監測、邊坡滑移（變形）監測、塹坡落石監測和外部入侵監測四大基本功能模塊，同時融合了激光雷達監測和攝像機監測模塊，對鐵路沿線形成實時在線監控。通過對監測信號的幅度特性、空間特性、頻率特性進行統計分析，從而獲得最佳的報警閾值。

4.1 路基激擾監測模塊

（1）路基激擾監測系統處理流程為：監測光纖通過震動、噪聲的幅度、空間范圍持續時間、頻率等感知環境變化，利用既有傳輸光纜將信號傳輸到監測主機，監測主機進行數據分析、判斷路基激擾類別，篩選信息上傳到綜合監測系統平臺并分布到相應終端。

（2）監測項目及參數路基激擾監測項目分為：挖掘機作業、搗固機作業、人工挖掘作業、打樁作業等四類場景，通過模擬試驗獲得各類場景激擾信號參數如表1所示：

表1 各類場景產生的激擾信號參數

（3）報警值設定

根據作業時間及其它內置參數，當持續時間分別達到30 s、60 s、120 s以上時，系統分別發出I級、II級、III級報警并判別作業類別。

4.2 邊坡滑移（變形）監測

（1）邊坡滑移（變形）監測系統處理流程為：邊坡滑移引起監測光纖變形，光纖將信號傳輸到監測主機，監測主機進行數據分析、判斷滑移量級，篩選信息上傳到綜合監測系統平臺并分布到相應終端。

（2）監測項目及參數

邊坡滑移監測光纜敷設如圖2所示：

圖2 邊坡滑移監測專用光纜敷設示意圖

通過模擬變形，獲得系統應變值隨光纖側向拉伸變形量增加而變大，具體參數為：光纖側向拉伸量分別為20 mm、40 mm、60 mm、80 mm、100 mm 時，系統所得應變值分別為：70 με、151 με、280 με、402 με、497 με。

（3）報警等級設定

當應力纜側向拉伸值分別達到40 mm、60 mm、80 mm 以上時，系統分別發出I級、II級、III級報警。

4.3 塹坡落石監測

（1）塹坡落石監測系統處理流程為：落石引起監測光纖振動，光纖將振動信號傳輸到監測主機，監測主機進行數據分析、判斷落石量級，篩選信息上傳到綜合監測系統平臺并分布到相應終端。

（2）監測項目及參數

落石項目監測分為塹坡上的被動網、擋墻和明洞頂等三類場景，各類場景激擾信號參數如表2所示：

表2 被動網、擋墻和明洞落石產生的激擾信號參數

（3）報警值設定

根據光纖應變情況當檢測到光纖分別受到1 kg、5 kg、10 kg以上時沖擊時，系統分別發出III級、II級、I級報警。

4.4 外部入侵監測

（1）外部入侵監測系統處理流程為：外部入侵引起監測光纖振動，光纖將振動信號傳輸到監測主機，監測主機進行數據分析、判斷落石量級，篩選信息上傳到綜合監測系統平臺并分布到相應終端。

（2）監測項目及參數

外部入侵監測項目分為柵欄網入侵、限高架撞擊兩類場景，分別在柵欄網底部和限高架上安裝監測光纖，通過模擬試驗分別獲得各類場景激擾信號參數如表3所示：

表3 入侵產生的激擾信號參數

（3）報警值設定

當光纖應變達到表內參數指標以上時，系統發出I 級報警。

5 數據中心及監控管理平臺

（1）數據中心是整個系統的核心，包括三個層次：信息交換層、數據存儲層、業務處理層數據中心，框架如圖3所示：

圖3 數據中心和平臺系統架構圖

（藍色部分為本系統數據中心，綠色部分是本系統圖基站，橙色部分是外部輔助系統）

（1）監測功能

①實時顯示報警數據時間、位置、等級等信息

當出現報警時，系統會在界面上顯示，時間、鐵路線名、里程、報警類型、危險等級以及處置狀態等信息，若為附加監測點，會同時顯示該處的具體圖片信息，指示具體報警位置及文字說明等信息。

②對報警的數據進行分類歸納統計

可以對各種類型的報警可以按分線路、時間、類型、報警等級等進行查詢、分析功能。

③視頻監控聯動顯示功能

根據需要對監控區域安裝視頻監控，發生報警時，系統會自動調動攝像機等視頻設備對報警區域進行抓拍和錄影，并在監控平臺顯示相應的視頻信息。

④對報警事件及監控設備自身狀態進行跟蹤管理

系統發出報警信息后，會同步記錄、顯示處置的時間、人員、過程、結果等信息，并可以進行信息回放；系統實現對所有檢測單元運行狀態進行實時自身監控和報警，便于及時維護。

6 結論

本系統利用分布式光纖探測定位技術、激光雷達技術等先進技術綜合應用于鐵路沿線安全監控，實現了對鐵路沿線的路基激擾、邊坡滑移（變形）、塹坡落石、外部入侵等多種事件實時進行在線監控。各監測功能之間又能夠相互關聯，防止單一信息來源導致信息不充分、對現場掌控能力不足等情況的發生。為鐵路沿線設備設施的安全狀態提供實時信息，為工務的安全生產提供及時的預報警信息。