光纖綜合探測技術在運營高鐵外部環境監測中的應用

王東

（中國鐵路上海局集團有限公司工務部，上海 200071）

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、外部入侵（主要包括閑雜人員進入線路封閉區域、橋梁限高防護架被撞及公鐵并行段車輛侵入安全限界）等事故，該類事故具有突發性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等特性。為盡早發現該類突發事故，及時進行應急處置，確保高速鐵路運營安全，上海局集團公司于2016—2019年在金溫高鐵存在風險的16處深路塹邊坡、23處高陡隧道口仰坡、24處易發生外部入侵地段（含16處橋梁限高架、7處公鐵并行地段和1處外部人員易入侵地段）研制安裝了鐵路沿線光纖綜合監測系統，實現對鐵路沿線突發事件的實時監測、定位和預警。

1 光纖監測系統的工作原理

該監測系統是將分布式光纖按適當的間距縱橫固定在被監測結構物表面或安防區域周界，利用光纖中光脈沖信號的后向散射效應（包括拉曼散射、布里淵散射和瑞利散射），通過對光纖形變、應力和振動等物理量變化的連續測量，實現對鐵路沿線邊坡滑移（變形）、塹坡落石、限高架撞擊及異物外部入侵等突發安全問題進行全天候的實時監控和快速定位，輔助激光雷達技術和視頻監控，建立網絡化的智能監控系統和管理平臺，實現對突發事件進行預警、快速瀏覽及記錄和回放。

1.1 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、幅度和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。

1.2 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、模板訓練和模板分類4部分，識別流程如圖1所示。

圖1 快速模式識別流程圖

1.3 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，掃描原理如圖2所示（示例為270°，半徑50 m的激光雷達）。

圖2 激光雷達監控示意圖

2 光纖監測系統的結構組成

光纖綜合監測系統由監測單元、功能模塊檢測單元、數據中心、監測終端和通信網絡設備等組成。監測單元由監測主機、防雷單元、機柜等組成，安裝于監測現場附近的GSM-R基站或車站通信機房內；功能模塊檢測單元由鐵路既有通信光纜、應力檢測光纜、振動檢測光纜、攝像機、激光雷達等設備組成，分布于鐵路沿線各監測點；數據中心由數據服務器、應用服務器、通信服務器、串口服務器和網絡交換機等設備組成；監測終端包括監控主機、顯示器、網絡和音響設備等，分別安裝在設備管理單位車間、調度指揮中心和集團公司防洪辦等。金溫鐵路沿線光纖監測系統框架構成如圖3所示。

圖3 金溫鐵路沿線安全光纖綜合監測系統框架圖

3 報警等級的設定

3.1 邊坡滑移

當光纖發生6 mm縱向變形即被監控對象發生6 mm位移時，系統會發出III級報警（語音報警，下同）；當光纖發生8 mm縱向變形即被監控對象發生8 mm位移時，系統會發出II級報警；當光纖發生10 mm縱向變形即被監控對象發生10 mm位移時，系統會發出I級報警。（變形值的設定可以在使用過程中根據積累的經驗，申請后臺進行調整）。

3.2 塹坡（或隧道口仰坡）落石

當發生落石引起塹坡（或隧道口仰坡）被動防護網上敷設的光纖變形超出光纖漲縮變形值時，系統會發出II級報警；當系統發生II級報警且線路安全限界外的激光雷達波信號受到異常干擾時，系統會發出I級報警。

3.3 外部入侵

當外部入侵防護光纖發生異常振動時（已排除風雨引起的振動），系統會發出I級報警。

4 報警處置規定

4.1 現場確認

發生報警時，值班調度人員及時查看視頻監控，首先瀏覽線路及路肩范圍內有無落石、雜樹等異物，確認鐵路安全限界內無異常時，再擴大瀏覽范圍，初步判斷路塹邊坡、隧道口及公鐵并行地段有無異常，并按以下規定通知車間、工區進行現場檢查。

發生III級報警時，設備管理單位值班調度員關注報警情況，觀察是否繼續報警，連續報警5次以上時，通知車間、工區工作人員，在24 h內利用窗點內（不含限高架報警）對報警區域進行檢查。

發生II級報警時，設備管理單位值班調度員持續關注現場報警情況，并通知車間、工區工作人員在2 h內趕到現場進行查看確認，并對發現問題及時組織整改和上報。

發生I級報警時，值班調度員立即通知車間工作人員趕赴現場進行檢查確認及處置，同時查看視頻監控，如發現安全限界內有異常時或不能判斷是否影響行車安全時，立即通知車站扣停列車，寧可錯停，不可錯放。

4.2 現場處置原則

車間、工區工作人員接到報警通知（接到I級報警通知時需攜帶防護旗、短路銅線及必要的工具）后需在規定的時間內趕赴現場，到達報警地點現場后，首先檢查線路上、路肩范圍內及安全限界內有無落石、雜樹等異物，發現異常時應果斷采取攔停列車措施，如確認鐵路安全限界內無異常時，再擴大巡查范圍，檢查路塹邊坡、隧道口及公鐵并行地段有無異常。

4.3 調度員處置規定

值班調度員接到系統聲控報警后，及時查看視頻監控，按照報警等級通知車間、工區人員現場檢查，同時在系統內錄入通知時間、現場人員、處置情況、是否影響行車及保存圖片、視頻等相關資料信息。

5 運用情況

該監測系統自正式運行以來，運行穩定，能夠及時發現邊坡滑移、塹坡落石和外部入侵（撞擊限高架）等突發事件，未出現漏報、誤報警情況。運行期間共顯示發生報警42次，其中外部入侵I級報警32次（閑雜人員入侵9次、撞擊限高架23次），邊坡滑移II級報警1次，塹坡落石報警3次（I、II、III級各1次）。典型案例如下：

（1）2016年10月26日9時左右，系統密集發出落石III級報警（圖4），經青田工區現場檢查發現，K170+925處第二道、第三道被動網根部堆積大量被雨水沖刷下來的碎石、枯木（圖5）。

圖4 系統報警截圖

圖5 K170+925處現場情況圖

（2）2017年2月26日10：54，系統發出金溫高鐵K158+888澤雅隧道進口邊坡滑移II級報警，經現場確認發現邊坡第7道混凝土防護骨架出現裂縫并發生約6 mm滑移（圖6）。

圖6 K158+888現場情況圖

（3）2020年3月24日14：56，系統發出I級報警，終端平臺顯示金溫高鐵（下行）K25+664處限高架被撞擊（圖7）。

圖7 金溫高鐵（下行）K25+664現場情況圖

（4）2021年6月7日16：45：13，系統發出I級報警，終端平臺顯示金溫高鐵（上行）K72+922限高架撞擊異常I級報警（圖8）。

圖8 金溫高鐵（上行）K72+922處現場情況圖

6 監測系統優點

6.1 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、危險等級及處置狀態等信息，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。

6.2 對報警的數據進行分類歸納統計

可以對各種類型的報警分線路、時間、類型和報警等級等進行查詢分析、歸納統計。

6.3 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。

6.4 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、過程和結果等信息，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。

7 預期效益

7.1 及時預警，有效避免行車災害

光纖監測系統實現對落石、塹坡位移的設備異常的精準監測和及時預警，避免人工檢查的盲區、誤差和疏忽，為控制列車運行贏得黃金時間，有效避免行車災害的發生。

7.2 治早治小，降低工程成本

該系統可以及早發現鐵路支擋設備的結構微小變形，動態掌握設備變化情況，為設備病害盡早整治提供依據，防止病害加劇影響行車，同時在病害初期整治可以大大降低工程成本以及避免搶險發生的代價。

7.3 改變防洪及外部環境巡查方式，降低人工成本

該系能夠快速核查現場實際狀況，可以降低前期排查的人工成本。

8 結束語

本系統利用分布式光纖探測定位、激光雷達、視頻監控及北斗定位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，能夠發現各類突發事故和鐵路沿線設備設施變化情況并能夠及時發出預警，為鐵路運營安全提供有力保障。