光纤光栅传感技术在高速铁路轨道状态监测中的应用

张　政

（中铁第四勘察设计院集团有限公司，湖北武汉　430063）



光纤光栅传感技术在高速铁路轨道状态监测中的应用

张政

（中铁第四勘察设计院集团有限公司，湖北武汉430063）

摘要高速铁路列车运行速度快，行车密度大，对直接承载列车运行的轨道结构有严格的要求。采用光纤光栅传感技术对轨道结构服役状态进行实时在线监测，并根据关键位置可能发生的破坏建立预警应对系统，有助于运营维护部门及时发现轨道结构存在的问题，通过采取相应措施确保线路运营的安全性和平稳性。本文结合目前已在国内运营高铁线路上实施的监测案例，对光纤光栅传感技术应用在高速铁路轨道状态监测中的方法、优点以及存在的问题进行探讨，并提出相应的优化改进措施，为高速铁路轨道状态监测的发展提供实践依据。

关键词高速铁路；光纤光栅传感技术；轨道状态；实时在线监测

我国幅员辽阔，铁路跨越区域广，工程地质因素多样，高速铁路轨道结构所面临的使用环境复杂。而且，不断提高的列车运行速度和行车密度使得轨道结构承载的周期性高速动载增强，其与复杂环境因素结合产生的多重作用进一步加速了轨道结构损伤和破坏。

目前，国内运营部门对于高速铁路轨道结构的检测和养护维修主要是在夜间天窗点内依靠人工和轨道车巡检，在有限的天窗时间内往往难以完成辖区轨道结构的全覆盖检查。最令人不安的是，运营部门无法实时掌握线路关键位置的轨道结构状态，对于白天运营过程中发生的病害险情不能及时发现，这直接威胁到行车安全。在这些情况下，针对高速铁路轨道结构的健康状态进行实时在线监测与预警就显得尤为必要。相对于传统的机械、电类传感检测技术，光纤光栅传感检测技术具有无源器件特性、不受电磁干扰、远程信号传输性能优越、大量传感器便于组网分布式测量、测试精度高、重复稳定性好，以及可实现长期实时在线的数据采集和处理分析等优点［1-6］。近些年来，光纤光栅传感技术已经逐渐应用在我国高速铁路轨道系统状态监测领域。

本文通过目前已在国内运营高铁线路上实施的监测案例，对光纤光栅传感技术应用在高速铁路轨道状态监测中的方法、优点以及存在的问题进行探讨，并提出相应的优化改进措施，为高速铁路轨道状态监测的成熟发展提供实践依据。

1　光纤光栅传感监测系统

1. 1光纤光栅传感技术原理［7-8］

光纤光栅（FBG，Fiber Bragg Grating）传感技术于1978年问世。FBG本质是一段纤芯折射率周期性变化的光纤，长度一般只有10 mm左右。如图1所示。当一束宽光谱光λ（如图中的入射光谱）经过光纤Bragg光栅时，被光栅反射回一单色光（如图中的反射光谱），相当于一个窄带的反射镜。反射光的中心波长λB与光栅的折射率变化周期Λ和纤芯有效折射率neff有如下关系

图1　光纤光栅结构

图2为光纤光栅结构及工作原理示意图。

当光纤光栅周围的应力或温度发生变化时，将导致光栅周期Λ和纤芯有效折射率neff产生变化，从而使反射回的波长发生变化。光纤光栅Bragg波长的变化与环境温度或应变的变化呈线性变化关系，通过检测光纤光栅Bragg波长，就可以测得相应环境变量。

图2　光纤光栅工作原理

1. 2光纤光栅传感监测系统组成［8-10］

光纤光栅传感监测系统主要包括传感部分、传输光纤和光纤光栅解调仪三大部分，如图3所示。由于光纤光栅可以制作成不同的中心波长，因此多个光栅可以方便地串接在同一条光路上形成分布式测量系统。

图3　光纤光栅传感监测系统示意

光纤光栅信号处理器内置超辐射宽带光源，通过耦合器将光源耦合到现场光纤光栅探测器，现场光纤光栅探测器所反射的各中心波长再次反射回耦合器，耦合器将反射信号送入波长检测单元，在波长检测单元中通过FP扫描技术感知各探测器反射的中心波长值，比较各探测器中心波长的变化量推算环境温度、应变等。光纤光栅信号处理器最后将检测到的信息输出并显示，有报警等信息时同时输出报警信号。

1. 3光纤光栅传感技术的特点

光纤光栅传感技术的原理和本质决定了其具有如下特点：

1）光纤光栅传感器具有体积小、柔韧度高、重量轻等优点，可以方便地附挂在被测物体上，并且对被测物体既有行为影响较小；

2）光纤光栅传感器具有高精度、高灵敏度和高稳定性；

3）该技术采用的是光信号调制方式，本质上具备优良的抗电磁干扰能力，并且作为无源器件该技术采用的传感设备和传输线路也不会对待测环境中的电路产生影响；

4）传感设备和传输线路耐高温、抗腐蚀，使用寿命长；

5）该技术可将多个光纤光栅传感器串联在一个通道上，采用多通道解调仪即可实现较大规模的多参数监测；

6）光纤中光信号传输效能高、传输距离远，便于组网实现分布式测量。

2　光纤光栅传感监测系统在高速铁路中的应用

目前我国设计时速350 km/h的高速铁路大都采用无砟轨道。对大跨度桥梁、路桥过渡段、长大隧道、道岔区等容易出现问题的特殊地段需进行轨道结构状态监测。根据轨道结构类型不同，关注位置也各有侧重。一般情况下，监测都会涉及下面的内容：

1）环境温度、湿度、风速等环境因素；

2）钢轨、轨道板、底座、下部基础等轨道结构组成部分的温度场；

3）钢轨与轨道板、轨道板与底座、底座与下部基础等结构层间相对位移；

4）钢轨应变，轨道板、底座板、宽接缝等结构相关的钢筋与混凝土内部或表面应变；

5）宽接缝、砂浆层、凸形挡台与轨道板等结构间离缝值以及梁缝伸缩量。

根据具体监测工点实际情况制定相应的监测方案和测点布置图后，需要结合各类传感器波段合理配置传感器通道表以及每个传感器的实际波长。在光纤光栅解调仪通道数确定的条件下，应按照便于现场施工的原则，“松散”安排各通道传感器的数量和波长，对每个传感器内的光栅波长变化预留充足的波段范围，避免在监测过程中出现通道内相邻传感器波峰重叠的情况发生，导致解调仪无法寻波解析出监测数据。

2. 1传感器的安装

传感器的安装是现场施工耗时较长的工作。若要监测轨道结构中混凝土和钢筋的应变等信息，则需在轨道结构混凝土浇筑前就到现场预埋传感器，整个监测方案要做好施工全周期的策划。

在轨道结构中预埋传感器，应确认传感器引线足以伸出轨道结构一定长度。引线选择具有厚实铠装层的延长光纤，避免混凝土浇筑时引线断裂，造成传感器无法存活。引线伸出轨道结构的部分应外套橡胶管保护，并且要求混凝土浇筑时避免在传感器安装位置处过度振捣。

轨道结构的各监测量几乎与环境温度都属强相关，在每个监测工点都会安装有环境温度传感器，环境湿度、风速等传感器根据工点的需要选择性安装。为了确保环境温度测量准确，应将传感器置于塔式防辐射罩内，避免阳光直射（图4）。并且，传感器应至少离地1. 2 m高，以免地面辐射温度影响其测量。

图4　环境温度传感器

在轨道结构表面安装温度、位移和应变等传感器，需要等钢轨锁定、施工现场清场后再进行，避免安装的传感器及引线被现场施工破坏。为了保护已安装的传感器，应根据传感器的安装位置和传感器的形状设计合理的保护工装，并且将传感器的引线均外套加强橡胶管固定在轨道结构表面（图5）。

图5　传感器及其保护工装

对于轨道结构温度场的测定，一般是在轨道施工完成后，采用取芯钻自轨道板板顶向下贯穿到目标深度，将温度传感器按照相应的高度绑在铁丝上深入孔内（图6），再用与被测结构强度等级相同或接近的混凝土封堵孔洞即可。

图6　轨道结构温度场的测点布置

2. 2光纤熔接（图7）

图7　光纤熔接

传感器安装完毕后，需要按照通道配置表将每个通道里的传感器首尾相连串联成一串，再将这串传感器的一端与主光缆的其中一芯连接。

在这个过程中，传感器之间的连接是将不同传感器的尾纤纤芯熔接在一起，并外套不锈钢钢管防护。与主光缆连接时，需要用到光缆串接盒，只需将该通道对应的主光缆纤芯与传感器串熔接在一起即可，其他截断的主光缆纤芯需要在截断处重新熔接在一起。整个施工过程中的熔接工作非常耗时耗力，并且有可能因熔接接头质量问题返工，在熔接时要十分严谨细致。

2. 3传输光缆的铺设

传感器安装、熔接完毕后，需要铺设传输光缆将监测工点的所有传感器与光纤光栅解调仪等主机设备相连。在高速铁路轨道状态监测时，一般线上将传输光缆置于线缆槽内埋设。引出线下至机房内，若通过架空走线的方式，应在光缆旁悬挂相应标示牌，注明光缆用途及责任人所属单位和联系方式；若通过埋地走线的方式，应将光缆外套PE管，并做好防水工作，避免冬季光缆外积水结冰冻裂光纤。

2. 4数据采集设备及无线传输模块

传感器经传输光纤连接至监测工点附近的机房，机房内设备包括机柜、光纤光栅解调仪、终端盒、显示器、鼠标键盘以及无线模块。

传感器信号通过传输光纤接入终端盒内，经光纤光栅解调仪将光信号解调为数字信息存储在主机硬盘，并通过无线模块定时将这些信息回传至远端的主服务器进行处理和分析。

2. 5数据处理及安全预警系统

在主服务器端安装有集数据存储、分析和预警于一体的综合管理平台软件。各监测工点的数据回传至主服务器后，由综合管理软件进行分类管理。

首先对现场的原始采集数据进行甄别和筛除，去掉因传感器自身稳定性导致的数据大幅跳跃、非数字信息、明显错误信息等异常数据。再经过相应的数据分析软件进行整理，并将数据分析结果与预置的报警限值进行对比，由特定的算法对报警情况进行确认，核实警情后，报警信息通过短信、微信、邮件等方式发送给高速铁路运营维护部门和服务器管理人员。

引入大数据概念，在积累了一定量的监测数据后，通过分析监测数据与既有数据、警情以及对设计理论和经验进行对比和套用，评估被监测区域的轨道结构健康状态，对可能存在的警情进行预警。

3　光纤光栅传感技术的总结与探讨

总结已实施的监测案例，光纤光栅传感技术应用在高速铁路轨道状态监测上，有很多其他传统检测方法不具备的优势。但是，该技术目前应用时也存在不少缺点，在后续的工作中需要研究改进。

3. 1光纤光栅传感技术的优势

钢轨的温度、应变、纵向爬行位移等参数是比较重要的监测量。钢轨作为动力电压的回路和轨道电路信号传输的介质，对传感器的电磁干扰和受传感器的反馈影响都比较强。由于光纤光栅传感器的无源特性，用以监测钢轨参量，能够完美地解决这个问题。

监测钢轨与轨道板的相对位移时，需要把传感器安装在相邻扣件节点之间，对于有挡肩扣件，传感器的安装空间更加狭小。光纤光栅传感器的核心光栅只有10 mm左右，在位移传感器量程确定的情况下，改变光栅封装工艺，就能把传感器尺寸做得很小，方便地安装在这个空间。测量CRTSⅡ型板式无砟轨道砂浆层与轨道板张开离缝宽度时，留给传感器的安装长度小于一块轨道板的厚度，这样苛刻的安装环境光纤光栅传感器也没有任何问题。

轨道结构中的很多参量值都是毫米级的变化量，光纤光栅传感器具有高精度和高灵敏度，完全可以胜任这些参量值的数据采集；并且光纤光栅传感器稳定性很强，对于高速铁路这种不易上道维护的环境更加适用。

轨道结构呈细长带状，采用光纤光栅传感技术监测时，一般按照断面分配通道，不同的断面之间可以通过布置在线缆槽里的主光缆连接起来。光纤中光信号传输效能高、传输距离远，因此，光纤光栅传感技术非常适合对长远距离的带状轨道结构进行监测。

3. 2光纤光栅传感技术的缺点

为了减少光信号在光缆中传输的能量损耗，需要将光缆断头采用纤芯熔接的方式连接起来。光纤光栅传感器在安装完毕后，需要在尾纤上熔接跳线接头，然后插入单通道光纤光栅解调仪中记录初始波长数据。在整合通道内的传感器时，需要将传感器之间首尾相连熔接起来，最后将传感器串与主光缆熔接。上述熔接过程步骤繁琐，熔接工作量也非常大，尤其是在既有线天窗时间内上道熔接，由于视线不好，熔接成功率很低，这严重阻缓了传感器的安装进度。而且对于光纤光栅传感器，每支传感器的波长都必须根据具体项目确定，这就意味着传感器不具通用性而无法大量备货。所以，采用光纤光栅传感监测的工点，传感器前期准备、安装、调试工期会非常长，这是该技术应用在高速铁路尤其是既有线上的一大劣势。

近年来，我国北部地区也开通了哈大、哈齐等高速铁路。这些地区冬天最冷的时候温度可低至- 40℃，而光纤纤芯材料特性与玻璃相同，容易低温脆断［11］，这就决定了光纤光栅传感技术应用在北部寒冷地区时会出现较大概率断纤的情况。这在哈齐客专上的光纤光栅监测工点中已经有所体现，目前尚无很好的解决办法。

3. 3相关问题的改进

应用光纤光栅传感技术监测高速铁路轨道结构状态，既要保证监测系统后期运行正常，减小数据采集偏差，又要保证线路运营安全。在监测系统安装调试过程中需要注意改进以下问题：

1）轨道结构中传感器预埋后，继续在轨道上施工的工程车辆以及临时安装的精调爪等器具均可能对传感器的引线造成严重的破坏。光纤光栅传感器的引线断头若要熔接修复，断头两端尾纤长度需＞15 cm，而大多数预埋传感器的引线断头均仅露出混凝土5～10 cm，这就会造成预埋的光纤光栅传感器失效无法救活的情况。为此引线伸出混凝土面的部分除外套橡胶管保护外，如有条件应在橡胶管露出混凝土部分再倒扣长度＞10 cm的角钢作防护。

2）为了防腐防锈，传感器保护工装一般采用不锈钢制造，在线路通车运营后，不锈钢工装表面在阳光照射下会产生镜面反射，有可能导致列车司机紧急刹车。因此，传感器保护工装外表面均需作亚光处理。

3）在轨道结构上进行传感器和保护工装的安装以及连接光缆的走线，都需要在轨道结构表面钻孔进行固定。不可避免地会对轨道结构内的钢筋绝缘和预应力体系造成破坏。为了降低破坏程度，在设备安装前需要根据实际的轨道结构布筋图，结合钢筋探测仪来确定合适的安装孔位，尽量避免钻头钻削钢筋和预应力钢棒的情形发生。考虑到线路运营时，轨道结构振动强烈，需要在特殊位置采用2个螺母叠加防松，并在螺母、螺栓上涂抹植筋胶，加强防松防锈措施。

4）在安装监测钢轨相关参量的传感器及其保护工装时，需特别注意钢轨与下部基础中钢筋网的绝缘措施，避免在钢轨与大地之间形成通路，导致轨道电路红光带。

5）在北方寒冷区域，轨道结构表面的防水措施如被破坏，在结构内部产生过量积水无法排出，在冬天温度低于0℃时积水结冰，会带来胀裂轨道结构混凝土的风险。因此，在轨道结构表面的钻孔安装工作完毕后，均需对孔洞四周涂抹植筋胶或采取其他措施进行后期防水。

6）光纤光栅传感监测系统一般采用无线网络远程回传监测数据，安放在现场的光纤光栅解调仪和无线模块因频繁地进行数据采集、存储和网络数据传输，容易出现设备死机的情况，导致数据采集中断。因此，需要在接收端主服务器中添加相应的功能，能够自动侦听和分析监测工点现场数据回传情况，在判断出工点现场设备出现故障后，以短信或邮件方式通知服务器管理人员。

7）光纤光栅传感监测系统在安装前备货周期较长，设备安装和调试工作量巨大，加之轨道结构后期监测的较多参量的初值需要在轨道施工期间采集。为此，建议设计单位在设计文件中明确轨道结构的监测方案，在轨道结构施工期间就可同步进行监测系统安装的相关工作。

4　结语

本文针对光纤光栅传感技术的原理及其在高速铁路轨道结构状态监测中的应用方法作了简要介绍，并结合具体实施案例分析该技术应用时的优势和缺点，总结已实施的光纤光栅传感监测项目经验，对实施过程中存在的问题给出了相应改进措施。

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（责任审编孟庆伶）

Application of Fiber Bragg Grating Sensing Technology to Monitoring of High Speed Railway Track Condition

ZHANG Zheng
（China Railway Siyuan Survey and Design Croup Co.，Ltd.，Wuhan Hubei 430063，China）

AbstractHigh density and speed of trains running on high speed railway require good track state. Fiber Bragg grating sensing technology is used to realize real-time online monitoring of track in service，and warning system is established for precaution of potential damage at critical sections. W ith identification of problems of track state in time，administers may take effective measures to ensure safety and stability of operation. In this paper，a case study was proposed. T he monitoring method，advantages and problems of fiber bragg grating sensing technology applied to high speed railway track condition monitoring were analyzed. T he corresponding optimization measures were suggested.

Key wordsHigh speed railway；Fiber Bragg grating sensing technology；T rack state；Real-time online monitoring

中图分类号U216. 3

文献标识码A

DOI：10. 3969 /j. issn. 1003-1995. 2016. 05. 17

文章编号：1003-1995（2016）05-0077-05

收稿日期：2016-03-05；修回日期：2016-03-18

基金项目：中国铁路总公司科技研究开发计划（Z2013-G001；2014G001-A）

作者简介：张政（1987—），男，工程师，硕士。