铁道信号智能网络监测系统轨道占用检测方案设计

彭显辰

(中铁第一勘察设计院集团有限公司，陕西 西安 710043)

当前国内外轨道占用检测所用设备主要有2种：①轨道电路，在全球应用的都比较多，既能进行行车信息的传递，又可以向列车与调车运行下达行车命令，在检测轨道占用与否、确保行车安全等方面意义重大。但由于其对电类传感器予以采用，同时，基于电信号进行轨道占用传感，受到雷电、锈蚀和其他物理量的电磁干扰比较明显，加之电磁传感器在防潮防湿方面能力相对欠缺，若长期工作，检测灵敏度也会受到影响，易引发误判情况。最为重要的是，现阶段轨道电路的并行保障措施有所欠缺，在单独工作之时，若有故障发生，行车组织安全很容易被破坏。②电磁计轴，同样需要进行电磁传感器的安装，既能判断轨道区段是空闲还是被占用，又能确定列车行驶速度与方向，然而，该检测设备与方法亦存在不足，例如，电磁感应探头自身稳定性比较差，容易受到电磁的干扰，容易引发误报现象；另外，采集点至控制室传输线需用到屏蔽电缆，对标准与防干扰性能都有较高的要求，安装工艺需严谨，资金投入也比较大。

为了从根本上解决容易受到雷电等电磁干扰的问题，提高采集检测速率，保证列车的稳定可靠运行，需要减少电磁元件的使用。作为一种光纤无源器件，光纤光栅通过协调波长与温度变化及应力应变之间的相互关系，同时借助接入光纤系统等优势，在传感单元的制作中有良好应用[1]。光纤光栅传感器表现出灵敏度高、抗腐蚀与抗电磁干扰性能强以及可分布式测量等优点，很多学者对其作了丰富的理论及实验研究，光纤光栅传感器在工程建设中的应用愈发广泛[2-5]。基于提前预埋等技术的支持，能够实时监测构件应变情况及其应力，结合轨道占用检测实际需求，通过光纤光栅压力传感器优势的发挥，对列车进入轨道区段时钢轨受力出现的弯矩变化状况加以分析，设计传感器在轨道占用状态的监测系统结构，根据光纤光栅传感器中心波长漂移量变化完成对列车轴数统计工作，明确轨道占用情况，能够规避电磁干扰，在保证系统可靠性与稳定性的同时，发挥价格低、速度高、易组网等优势。

1 光纤光栅传感原理

在传感领域，周期性光纤Bragg光栅[6]属于应用最多的光纤光栅，具有以下结构特征：光栅栅格周期在轴向是均匀的，光栅在径向的不同位置均有调制一致的折射率。光纤光栅基于耦合模理论进行模型的构建与分析，在该理论的指导下，光纤Bragg光栅的反射率与透射率解析见式(1)。

(1)

光纤Bragg光栅的周期折射率微扰只会影响一段窄段光谱，在宽带光波信号进入光纤Bragg光栅时，光纤Bragg光栅只对某种有着特定波长的光波信号进行反射处理，并不影响其他波段的光波信号，它们依旧会沿着光纤按原方向传输。根据波长匹配条件，可进行式(2)所示Bragg方程(一阶场取P=1)的推导：

λB=2neffΛ

(2)

式中，Λ为光栅周期[7]。

根据式(2)，当宽带光波信号在光纤Bragg光栅中传输时，会有模式耦合作用产生，此时，与式(2)所列条件相符的光波信号会被反射，如图1所示。

图1 光纤Bragg光栅传感机理Fig.1 Sensing mechanism of fiber Bragg grating

2 光纤传感轨道占用检测方案

基于光纤光栅传感原理的指导，采用以轨道力为基础的计轴方法对光纤传感轨道区间的占用情况进行检测，分别在一段闭塞分区的入口与出口端点位置处放置1个光纤Bragg光栅传感计数器。基于计轴原理，当入口位置所记录的列车轮对数与出口位置所记录的列车轮对数相等时，意味着接受检测的区域并没有出现列车占用的情况，但如若不等，则意味着区间存在占用车辆。将封装好的光纤Bragg光栅传感器在钢轨底部位置安装好，当有车轮经过光纤Bragg光栅传感点时，钢轨会有微小应变情况产生，这会引起光纤Bragg光栅传感器中心波长的漂移，经解调处理后生成光纤反射谱动态应变曲线，光纤解调设备在以太网的支持下将数据向监测中心上传；之后，监测中心运用计轴算法对应变脉冲峰进行分析处理与统计，达到计轴目的。另外，有较广泛应用的工频交流连续式轨道电路是此次所设计的智能网络监测系统主要监测对象，系统对其占用与出清状态进行实时在线监测，从室内信号楼采集轨道电路接收端继电器端电压；之后，经由以太网向监测中心上传电压值，结合轨道电路的工作原理，监测中心可对列车占用情况进行判断。

上述2种采集装置对闭塞分区轨道占用与出清状态的同时检测，形成了2取2并行检测方案，可在较大程度上为轨道占用情况检测工作的准确性及安全性提供保证。监测系统光纤传感轨道区间占用检测方案如图2所示。

图2 光纤传感轨道占用检测方案Fig.2 Detection scheme of optical fiber sensing track occupancy

3 具体设计

3.1 光纤信号峰值检测

对峰值检测基本原理进行简单地分析，在于比较各采样点同其左右邻近的两个采样点值的大小，若此点值均大于左右2个样点值，则意味着其是1个峰值点。在采样点连成平滑曲线的情况下适用，不过本文监测系统所测光纤光栅传感信号受到采集设备波动、脉冲干扰、光源噪声干扰等的影响，会掺杂不少的“毛刺”，对其进行峰值检测(也就是寻峰)，会将干扰峰值也检测出来，因而需要执行相应的优化处理。通常情况下，寻峰的优化处理算法包括离散求导法、高斯拟合法以及多项式拟合法等，出于对算法便捷性、计算量大小以及效果的考虑，对多项式拟合方法加以采用，能够做到以对寻峰检测准确性的保证为前提，降低数据量，对于光纤光栅传感实时性及准确性检测优势的发挥具有积极意义。

对适宜的多项式阶数进行选择，同时，将合适的数据点集截取下来，这是多项式拟合的关键。借助的Express VI曲线进行函数的拟合，可运用指定数学模型将数据与结果显示出来，通过对多项式阶数的选择，还可自动、准确求解多项式系数，实现对观测波形拟合效果、残差以及均方误差等的直观与动态观测。出于对光纤光栅光谱不能重叠这一问题的考虑，在待检轨道区间进行4个光纤光栅传感器的安装，光谱反射会有4个波峰形成，共有256个采样点。结合适宜的数据点集将光谱反射曲线截为4部分，借助Express VI拟合函数执行分段拟合任务。以1号光纤Bragg光栅反射谱波峰为例，当所选多项式阶数为24时，可以得到最小的均方误差与残差，此时波峰附近曲线的拟合效果最好，拟合之后的波形如图3所示。

图3 1号光纤Bragg光栅反射谱波峰拟合波形Fig.3 Reflection spectrum peak fitting wave formof No.1 fiber Bragg grating

剩下的光纤Bragg光栅传感器形成的反射谱波峰一致于以上拟合原理，均通过Express VI拟合函数进行最优阶数拟合，待完成分段拟合任务之后，在“数组插入函数”的支持下实现对整个拟合曲线波形的连接。

3.2 轨道占用判断

(1)光纤Bragg光栅压力传感器受力情况分析。按顺序在相邻两轨枕之间安装4个光纤Bragg光栅压力传感器，轨道振动位移能够将列车是否经过反映出来。如果钢轨受到压力发生形变，钢轨的弯矩也会相应改变，进而造成光纤Bragg光栅中心波长漂移。所以，通过监测光纤Bragg光栅中心波长的偏移量，能够达到监测轨道是否被占用的目的。图4(a)中，钢轨所受压力、相邻两轨枕之间的距离以及车轮对与轨枕的距离分别用F、L与x来表示，1～4表示4个光纤Bragg光栅压力传感器，p为1、4传感器点与最近轨枕之间的距离，q为1、2传感器点之间与3、4传感器点之间的距离。

图4 钢轨受力测试示意Fig.4 Schematic diagram of rail stress test

对不同的钢轨点施加压力，钢轨会受力发生形变，致使各点出现差异化的弯矩变化。以斯尼德桥原理[8]为指导，对1～4个光纤Bragg光栅压力传感器所在位置弯矩M1—M4的弯矩变化函数进行定义，用∑M=(M1-M2)-(M3-M4)来表示，则有：

(3)

所得钢轨弯矩函数进行分析，在执行对2、3之间的测量任务时，纵向压力与弯矩函数之间的关系为正比例关系，根据式(3)，光纤Bragg光栅的中心波长漂移量正比于弯矩函数。设4个光纤Bragg光栅点的中心波长漂移量分别表示为Δλ1、Δλ2、Δλ3、Δλ4，对光纤Bragg光栅的应力特性进行分析发现，光纤Bragg光栅的中心波长漂移量正比于外力发生的形变，作用力强度会对光纤Bragg光栅波长的漂移范围产生直接影响。

(2)轨道占用情况计轴计算。以峰值检测算法为依据，光纤反射谱的中心波长能够被精确地定位下来，而基于光纤光栅传感原理可知，当列车轮对行驶过在钢轨底部位置安装的光纤Bragg光栅传感器(简称FBG传感器)时，反射谱中心波长会出现一定的漂移现象，若列车的质量比较小而行驶速度较快，所形成的波峰会又窄又尖，与脉冲峰比较像，若列车的质量比较大而形式速度较慢，形成的波峰则会又宽又长，这会使信号计轴工作的开展难度减小。以某一重载、车速相对较慢的列车为例，当其经过某FBG传感节点，可得到中心波长漂移曲线，如图5所示。

图5 中心波长漂移曲线Fig.5 Curve of center wavelength drift

列车在运行至闭塞分区时，多路传感信号都会被采集并传至软件执行相应的处理操作，明确中心波长，而若列车未运行至闭塞分区，光栅反射谱对应的中心波长不会出现偏移。在有行车经过闭塞分区时，车轮会对FBG传感点的上方进行碾压，而由于列车比较重，此时会在短时间内令钢轨出现微应变，让光栅反射谱的中心波长偏移量逐渐由零变大，到达峰值，之后慢慢下降并变回零点，如此，便会有1个曲线峰形成，意味着曾经有1个轮轴驶过。在此基础上，软件程序会进行1次计数，通过在程序中进行灵活阈值的设定，可在循环判断中明确列车驶过时的轴数，系统的计轴功能得以实现。

在监测区域内，若各计轴点的FBG传感器是稳定安装的，系统的通信也符合流畅性要求，则计轴点所得车轴数应是一致的，唯一有区别的地方在于时间上略有延迟。当且仅当各端点两轴数相同时，程序也会认定轴数是有效的，此时，会将计轴数目显示出来，相等则意味着无车，不等即有车占用，以此为依据将区段轨道空闲或者被占用的状态输出。

4 应用实验

4.1 实验结果

由于钢轨的形变过程同步于其受力过程，而光纤Bragg光栅的波长漂移量会与列车的经过相伴随而出现相应的变化，因而能够借助光纤Bragg光栅对列车经过情况进行实时检测。

在轨道某一区段起始及末端分别进行光纤Bragg光栅压力传感器的安装，基于对光纤Bragg光栅中心波长变化的监测，执行对安装位置经过列车的轮对轴数计数任务。同时，比较起始及末端位置的计轴数，若计轴数不同，则意味着此区段被列车占用，反之则未被占用，轨道状态为空闲。

测试所用监测系统包括光纤Bragg光栅压力传感器、光纤光栅解调仪以及计算机处理器等模块。如果列车轮对靠近传感器，光纤Bragg光栅的波长漂移量会呈现出逐渐增加之势，最大值会出现在轮对位于光纤Bragg光栅压力传感器的正上方之时，之后，轮对会逐渐远离光纤Bragg光栅压力传感器，对应的波长漂移量亦会呈现出逐渐下降之势。因此，当每一轮对经过传感器之时，均会出现1个波峰，通过对这些波峰的识别，便能将经过传感器上方的轮轴数计算出来。光纤光栅解调仪的功能在于解调光纤反射回来的反射谱，在光纤光信号转换为电信号之后，经UDP通信向计算机处理器输出波长数据，之后，计算机处理器执行对光纤Bragg光栅波长漂移量波峰的计轴计算任务，同上一传感器计轴数相比较，确定轨道的占用情况。

为了对纵向应力同光纤Bragg光栅波长漂移量之间的关系进行验证，确定光纤Bragg光栅是否可以在轨道占用监测中应用，进行具体的实验分析。具体地，在实验平台上针对钢轨不同位置，借助液压泵向钢轨施加一个恒定纵向力，对列车轮轴经过监测点进行模拟；同时，将压力杆底部位置制作成一个弧面，对轮轨耦合状态下的接触面进行模拟。实验过程中，所用液压杆缸径为45 mm，液压泵加压范围在0～100 MPa，对紫外光照射经过氢敏处理的普通单模光纤形成的光纤光栅压力传感器加以应用，在正常无压力条件之下，其中一个传感器的中心波长为1 564 nm，反射率不低于90%，3 dB带宽不超过0.3 nm，另外一个传感器的中心波长为1 555 nm，反射率大于90%，3 dB带宽同样不超过0.3 nm。实验平台如图6所示。图6中，施压点位置以实验平台最右侧为起点，也就是0 cm，剩下的位置是相对于起点的位移。按照以上分析，光纤光栅压力传感器安装于枕木及枕木之间钢轨的中心位置，也就是第1个传感器在50 cm的位置，第2个在110 cm的位置，3根枕木依次在20、80、140 cm的位置。在钢轨不同位置，借助液压泵将压力加到40 MPa，同时，将传感器的中心波长记录下来。

图6 实验平台示意Fig.6 Schematic of test platform

通过向此光纤Bragg光栅施加压力，逐渐地改变其纵向应变量，能够得到光纤Bragg光栅压力传感器中心波长随纵向应力改变量变化的曲线，如图7所示。

由图7可知，光纤Bragg光栅中心波长漂移量正相关于纵向应力的变化，也就是正相关于钢轨受力形变造成的弯矩变化。在平均发生0.5‰应力改变的情况下，波长漂移值为0.54 nm。这种正相关关系能够较好地在纵向应力变化检测中应用。

图7 中心波长随纵向应力改变量变化的曲线Fig.7 Changing curve of center wave length with change of longitudinal stress

4.2 对比分析

由于受到风吹、雨淋等自然损害以及化学物质的侵蚀等影响，传统轨道电路不常通车区段容易有锈蚀现象发生，轨道区段的占用情况也难以被有效判断出来，进而引起分路不良，对行车安全产生影响。本文设计的系统与方案恰好可以对轨道占用情况进行检测，经验证，安全性与可靠性均达标。与以往的轨道电路与电磁计轴方案相比，可从2方面节约成本：①全部设备均在一个总线上，各自之间不会产生相互的影响，可节省施工与电缆敷设支出；②室内设计很少，无需进行机柜等的单独设立，整个工程建设、维护以及设备等成本都不高。另外，在可靠性方面，系统具备自诊断功能，且当某一组设备发生故障时不会对其他设备产生影响，施工与可维护性大为提升。

5 结语

基于光纤光栅传感原理设计光纤传感轨道占用检测方案，经测试，光纤Bragg光栅中心波长漂移量正相关于钢轨受力形变造成的弯矩变化，能够较好地在纵向应力变化检测中应用；同时，与以往的轨道电路与电磁计轴方案相比，成本更低，系统安全性与可靠性均达标。但是，本文系统同样有待优化之处存在，目前系统功能主要面向的是“地对车”监测，也就是通过对地面轨道状态的监测，达到监测车辆状态的目的。在今后的研究中，应向动态监测拓展，通过对系统的进一步优化，将其应用于轨道结构损伤等监测中，尤其是在铁路线路中一些薄弱路段中应用。基于轨道结构存在损伤时刚度会有所改变这一原理，借助于系统执行对轨道的长期监测任务，以此实现对轨道结构健康状态演变规律的准确掌握。