基于光纤传感技术的铁路沿线崩塌落石监测点布设研究

阎 震 张新锦 丛宇殊

阎 震:同方威视技术股份有限公司 工程师 100081 北京

张新锦:昆明铁路局工务处 高级工程师 650011 昆明

丛宇殊:同方威视技术股份有限公司 工程师 100081 北京

1 系统介绍

铁路沿线边坡落石报警系统，由危险源捕捉分系统、光纤光栅解调分系统、信号分析分系统、报警分系统四部分组成。系统拓扑如图1所示。

1．危险源捕捉分系统:由光纤光栅传感器及配套设备组成，采集各种振动信号。

2．光纤光栅解调分系统:将波长变化的光信号转换成电信号，通过网络传给PC服务器。

3．信号分析分系统:专用的落石信号分析处理软件。

4．报警分系统:通过声、光、手机短信发出报警信号。

图1 铁路沿线边坡落石报警系统拓扑图

当有巨石落下引起钢轨振动时，光纤光栅传感器随钢轨振动产生波长变化的光信号，通过光缆传输给光纤光栅解调分系统，将波长变化的光信号转换成电信号，然后经网络传给PC服务器，用落石信号分析软件对电信号进行分析、判定，并根据设定方式进行判断，判断结果以触发信号的方式传给报警分系统进行声、光、电信号报警。

利用光纤光栅技术研制成的传感器件，具有反射带宽范围大的特性，可在一定带宽下大量使用，节约成本;光纤光栅传感器件体积小，易与光纤耦合，附加损耗小，同时不受电磁干扰。

网络课堂的教学模式可以使用家长管理系统，即学生在观看网络视频中不能操作其他界面，或是长时间没有对电脑进行操作时，实施相应的锁屏办法。要求学生必须通过完整的网络课堂学习而取得相应的网络教学学分。

2 传感器监测点布设方案

铁路沿线边坡落石报警系统的核心问题是监测点的布设，其合理性决定了底层数据的有效性和上层报警机制的准确性。为此，在云南曲靖地区铁路现场(废弃不久)进行大量的试验工作。

工具及材料:特制龙门吊车落石试验装置、80 kg天然石、400 kg天然石、80 kg水泥块(不同形状)等，见图2。

图2 现场试验装置图和落石

2.1 试验方法(如图3)

1．从坐标“0”开始，每间隔5个单位将80 kg天然石块、正方形水泥、长方形水泥块、圆形水泥块，分别从5，4，3 m高度抛下，落点分别为主枕头、主轨、枕中、副轨、副枕头。

2．从坐标“0”开始，每间隔5个单位将400 kg正方形水泥块从5 m高度抛下，落点为轨道界限。

除此之外，又进行了传感器位置更换，落点改变等一系列试验，共计500余次，得到有效数据2500万组。

图3 云南曲靖落石现场试验布设图

2.2 数据分析(布设距离)

通过试验得到，常态噪声下振幅随时间变化的曲线如图4所示;轨道基础结构受到落石冲击后的振幅随时间变化曲线如图5所示。

从图4可看出，常态下传感器的振幅值为0.005 nm，噪声下振幅随时间的变化很小，且保持稳定持续。从图5可看出，在落石冲击轨道结构后振幅会在瞬间产生较大变化，且随着时间逐渐衰减，衰减时间大约1 s。通过MATLAB结合傅里叶变换来分析所得数据，受到冲击后的最大振幅值远大于常态下传感器的振幅值0.005 nm。

2.3 数据分析(布设方式选择)

对试验数据进行分析后，得到布设距离关系曲线如图6所示。振幅值随着距离的增大而逐渐变小，超过25m则无法分辨。

图7为五点位置不同距离的传感器振幅值(nm)。落石冲击轨道基础结构后，主轨的振幅变化最大，其次是副轨和主枕头，随着距离增加枕中和副枕头上的振幅值相近。

3 屏蔽列车通过报警

由于列车通过时也会引起很强的振动，应对振动规律进行研究，屏蔽列车通过报警。客运列车和货运列车速度在40～140 km/h，在通过光栅光纤传感器后的振动传导规律基本一致，如图8所示。客运列车和货运列车通过时，信号图像的特点是振动持续时间较长，有多个峰值，且峰值较大。

图8 列车通过振动传导波形图

屏蔽列车通过报警方法如下。

1．将光纤光栅传感器进行分组，每组统一进行报警(并非所有通道的传感器统一报警)。最简单的分组就是光纤光栅解调仪的每个通道的所有传感器为一组。

2．对于某个传感器的分组，记录组内的所有传感器的触发次数，如果本组内所有传感器达到报警阈值次数一致则认为是列车通过。

3．记录到达报警阈值的开始时间和结束时间，计算时间差，如果发生的是单一落石或者一组落石，时间差是快速的;而列车通过的时间是较长的，一般可达到几秒时间。

4．判断光纤光栅传感器达到报警阈值是否按照顺序进行的，列车通过时光纤光栅传感器会由列车通过处逐一产生大于报警阈值的振动信号。

4 结论

通过试验数据进行拟合分析可得，在布设距离为25 m时，最大振幅大于0.005 nm，故传感器可监测范围为25 m。本系统可完成80 kg落石从5 m高度落到铁路界限内的监测工作，并即时报警。

落点位置:在主轨上振幅最大，且在距传感器很远的距离上可以分辨;其次是在主枕头和副轨上振幅较大;而在枕中和副枕头这2个位置相对较小，且可分辨的距离也比较近。

衰减规律:根据试验数据，对振幅与距落点的距离进行拟合，在某种程度上以指数函数的拟合来近似，且函数曲线特点随时间而趋于衰减，其中前5 m衰减速率最快，是个急速衰减的过程，而后面的衰减比较缓慢。

根据五点位置，考虑把传感器布设在单轨上，传感器间距25 m。单轨布设的一个很重要的优点在于便于通信线路施工。

目前，本系统已在渝怀铁路线白沙沱地区使用3年，对研究铁路沿线边坡落石报警系统的布设提供了一手资料，获得了大量的现场实际工程经验，形成一套切实可行的系统方案，为山区铁路安全运营带来保障。

［1］赵勇．光纤光栅及其传感技术［M］．北京:国防工业出版社，2007．

［2］哈里斯．冲击与振动手册(第五版)［M］．北京:中国石化出版社，2008．

［3］赵天池．传感器与探测器的物理原理和应用［M］．北京:科学出版社，2008．