金温高铁安全光纤综合监测系统研究

王 东 中国铁路上海局集团有限公司工务部

1 引言

金温高铁位于浙江省南部山区，堑高隧多、铁路沿线地理环境复杂，铁路沿线时常发生边坡滑移（变形）、堑坡落石、闲杂人员进入、桥梁限高防护架被撞等事故，鉴于该类事故具有突发性及和对铁路运输具有较大的破坏性以及铁路沿线点多线长难以及时发现。因此本文研究利用分布式光纤传感、探测、定位技术为核心，辅助以激光雷达技术、卫星定位技术、视频跟踪定位等先进技术，实现对铁路沿线突发事件的实时监测、精确定位和报警，及时发现铁路设备、周边环境变化及自然灾害等突发事件，以便及时进行应急处置，确保高速铁路运营安全。

2 系统设计框架与技术原理

2.1 系统设计框架如图1所示

图1 金温铁路沿线安全光纤综合监测系统框架图

2.2 项目技术原理

2.2.1 分布式光纤探测定位技术

利用分布式光纤探测定位仪接入光缆，通过对光纤中后向散射光的频率、幅度、相位等信息的采集分析，实现对光缆的通断、温度、应变、振动的感知和定位等信息进行监测。

2.2.2 快速模式识别技术

快速模式识别主要分为信号预处理、特征提取、模板训练、模板分类等四部分

2.2.3 激光雷达技术

激光雷达是一种利用激光测距原理进行扫描，从而对二维场景复现的技术,通过旋转镜面将脉冲激光发射并由主机接收反射光线，通过计时器计算发射和接收之间的时间差就可以计算测量距离。

3 系统技术指标

金温铁路沿线安全光纤综合监测系统是一种多参量的分布式光纤传感技术，单个系统的单向传感距离在30km 左右，系统具备双端口，能够对60 km 范围同时进行监测。本系统参数指标分别为：传感光纤采用G.652,G.657、传感距离为30 km×2、响应时间1 s～3 min，传感参量为温度、应变和振动，测量温度范围为-40℃～200℃，温度精度±1℃，应变范围0 με～8 000 με，应变精度±20 με，位移精度2 mm，空间精度2 m～10 m，光纤接口为FC/APC。

4 系统功能模块

金温铁路沿线安全光纤综合监测系统具有路基激扰监测、边坡滑移（变形）监测、堑坡落石监测和外部入侵监测四大基本功能模块，同时融合了激光雷达监测和摄像机监测模块，对铁路沿线形成实时在线监控。通过对监测信号的幅度特性、空间特性、频率特性进行统计分析，从而获得最佳的报警阈值。

4.1 路基激扰监测模块

（1）路基激扰监测系统处理流程为：监测光纤通过震动、噪声的幅度、空间范围持续时间、频率等感知环境变化，利用既有传输光缆将信号传输到监测主机，监测主机进行数据分析、判断路基激扰类别，筛选信息上传到综合监测系统平台并分布到相应终端。

（2）监测项目及参数路基激扰监测项目分为：挖掘机作业、捣固机作业、人工挖掘作业、打桩作业等四类场景，通过模拟试验获得各类场景激扰信号参数如表1所示：

表1 各类场景产生的激扰信号参数

（3）报警值设定

根据作业时间及其它内置参数，当持续时间分别达到30 s、60 s、120 s以上时，系统分别发出I级、II级、III级报警并判别作业类别。

4.2 边坡滑移（变形）监测

（1）边坡滑移（变形）监测系统处理流程为：边坡滑移引起监测光纤变形，光纤将信号传输到监测主机，监测主机进行数据分析、判断滑移量级，筛选信息上传到综合监测系统平台并分布到相应终端。

（2）监测项目及参数

边坡滑移监测光缆敷设如图2所示：

图2 边坡滑移监测专用光缆敷设示意图

通过模拟变形，获得系统应变值随光纤侧向拉伸变形量增加而变大，具体参数为：光纤侧向拉伸量分别为20 mm、40 mm、60 mm、80 mm、100 mm 时，系统所得应变值分别为：70 με、151 με、280 με、402 με、497 με。

（3）报警等级设定

当应力缆侧向拉伸值分别达到40 mm、60 mm、80 mm 以上时，系统分别发出I级、II级、III级报警。

4.3 堑坡落石监测

（1）堑坡落石监测系统处理流程为：落石引起监测光纤振动，光纤将振动信号传输到监测主机，监测主机进行数据分析、判断落石量级，筛选信息上传到综合监测系统平台并分布到相应终端。

（2）监测项目及参数

落石项目监测分为堑坡上的被动网、挡墙和明洞顶等三类场景，各类场景激扰信号参数如表2所示：

表2 被动网、挡墙和明洞落石产生的激扰信号参数

（3）报警值设定

根据光纤应变情况当检测到光纤分别受到1 kg、5 kg、10 kg以上时冲击时，系统分别发出III级、II级、I级报警。

4.4 外部入侵监测

（1）外部入侵监测系统处理流程为：外部入侵引起监测光纤振动，光纤将振动信号传输到监测主机，监测主机进行数据分析、判断落石量级，筛选信息上传到综合监测系统平台并分布到相应终端。

（2）监测项目及参数

外部入侵监测项目分为栅栏网入侵、限高架撞击两类场景，分别在栅栏网底部和限高架上安装监测光纤，通过模拟试验分别获得各类场景激扰信号参数如表3所示：

表3 入侵产生的激扰信号参数

（3）报警值设定

当光纤应变达到表内参数指标以上时，系统发出I 级报警。

5 数据中心及监控管理平台

（1）数据中心是整个系统的核心，包括三个层次：信息交换层、数据存储层、业务处理层数据中心，框架如图3所示：

图3 数据中心和平台系统架构图

（蓝色部分为本系统数据中心，绿色部分是本系统图基站，橙色部分是外部辅助系统）

（1）监测功能

①实时显示报警数据时间、位置、等级等信息

当出现报警时，系统会在界面上显示，时间、铁路线名、里程、报警类型、危险等级以及处置状态等信息，若为附加监测点，会同时显示该处的具体图片信息，指示具体报警位置及文字说明等信息。

②对报警的数据进行分类归纳统计

可以对各种类型的报警可以按分线路、时间、类型、报警等级等进行查询、分析功能。

③视频监控联动显示功能

根据需要对监控区域安装视频监控，发生报警时，系统会自动调动摄像机等视频设备对报警区域进行抓拍和录影，并在监控平台显示相应的视频信息。

④对报警事件及监控设备自身状态进行跟踪管理

系统发出报警信息后，会同步记录、显示处置的时间、人员、过程、结果等信息，并可以进行信息回放；系统实现对所有检测单元运行状态进行实时自身监控和报警，便于及时维护。

6 结论

本系统利用分布式光纤探测定位技术、激光雷达技术等先进技术综合应用于铁路沿线安全监控，实现了对铁路沿线的路基激扰、边坡滑移（变形）、堑坡落石、外部入侵等多种事件实时进行在线监控。各监测功能之间又能够相互关联，防止单一信息来源导致信息不充分、对现场掌控能力不足等情况的发生。为铁路沿线设备设施的安全状态提供实时信息，为工务的安全生产提供及时的预报警信息。