基于光纖傳感技術的鐵路沿線崩塌落石監(jiān)測點布設研究

閻 震 張新錦 叢宇殊

閻 震:同方威視技術股份有限公司 工程師 100081 北京

張新錦:昆明鐵路局工務處 高級工程師 650011 昆明

叢宇殊:同方威視技術股份有限公司 工程師 100081 北京

1 系統(tǒng)介紹

鐵路沿線邊坡落石報警系統(tǒng)，由危險源捕捉分系統(tǒng)、光纖光柵解調分系統(tǒng)、信號分析分系統(tǒng)、報警分系統(tǒng)四部分組成。系統(tǒng)拓撲如圖1所示。

1．危險源捕捉分系統(tǒng):由光纖光柵傳感器及配套設備組成，采集各種振動信號。

2．光纖光柵解調分系統(tǒng):將波長變化的光信號轉換成電信號，通過網(wǎng)絡傳給PC服務器。

3．信號分析分系統(tǒng):專用的落石信號分析處理軟件。

4．報警分系統(tǒng):通過聲、光、手機短信發(fā)出報警信號。

圖1 鐵路沿線邊坡落石報警系統(tǒng)拓撲圖

當有巨石落下引起鋼軌振動時，光纖光柵傳感器隨鋼軌振動產(chǎn)生波長變化的光信號，通過光纜傳輸給光纖光柵解調分系統(tǒng)，將波長變化的光信號轉換成電信號，然后經(jīng)網(wǎng)絡傳給PC服務器，用落石信號分析軟件對電信號進行分析、判定，并根據(jù)設定方式進行判斷，判斷結果以觸發(fā)信號的方式傳給報警分系統(tǒng)進行聲、光、電信號報警。

利用光纖光柵技術研制成的傳感器件，具有反射帶寬范圍大的特性，可在一定帶寬下大量使用，節(jié)約成本;光纖光柵傳感器件體積小，易與光纖耦合，附加損耗小，同時不受電磁干擾。

網(wǎng)絡課堂的教學模式可以使用家長管理系統(tǒng)，即學生在觀看網(wǎng)絡視頻中不能操作其他界面，或是長時間沒有對電腦進行操作時，實施相應的鎖屏辦法。要求學生必須通過完整的網(wǎng)絡課堂學習而取得相應的網(wǎng)絡教學學分。

2 傳感器監(jiān)測點布設方案

鐵路沿線邊坡落石報警系統(tǒng)的核心問題是監(jiān)測點的布設，其合理性決定了底層數(shù)據(jù)的有效性和上層報警機制的準確性。為此，在云南曲靖地區(qū)鐵路現(xiàn)場(廢棄不久)進行大量的試驗工作。

工具及材料:特制龍門吊車落石試驗裝置、80 kg天然石、400 kg天然石、80 kg水泥塊(不同形狀)等，見圖2。

圖2 現(xiàn)場試驗裝置圖和落石

2.1 試驗方法(如圖3)

1．從坐標“0”開始，每間隔5個單位將80 kg天然石塊、正方形水泥、長方形水泥塊、圓形水泥塊，分別從5，4，3 m高度拋下，落點分別為主枕頭、主軌、枕中、副軌、副枕頭。

2．從坐標“0”開始，每間隔5個單位將400 kg正方形水泥塊從5 m高度拋下，落點為軌道界限。

除此之外，又進行了傳感器位置更換，落點改變等一系列試驗，共計500余次，得到有效數(shù)據(jù)2500萬組。

圖3 云南曲靖落石現(xiàn)場試驗布設圖

2.2 數(shù)據(jù)分析(布設距離)

通過試驗得到，常態(tài)噪聲下振幅隨時間變化的曲線如圖4所示;軌道基礎結構受到落石沖擊后的振幅隨時間變化曲線如圖5所示。

從圖4可看出，常態(tài)下傳感器的振幅值為0.005 nm，噪聲下振幅隨時間的變化很小，且保持穩(wěn)定持續(xù)。從圖5可看出，在落石沖擊軌道結構后振幅會在瞬間產(chǎn)生較大變化，且隨著時間逐漸衰減，衰減時間大約1 s。通過MATLAB結合傅里葉變換來分析所得數(shù)據(jù)，受到?jīng)_擊后的最大振幅值遠大于常態(tài)下傳感器的振幅值0.005 nm。

2.3 數(shù)據(jù)分析(布設方式選擇)

對試驗數(shù)據(jù)進行分析后，得到布設距離關系曲線如圖6所示。振幅值隨著距離的增大而逐漸變小，超過25m則無法分辨。

圖7為五點位置不同距離的傳感器振幅值(nm)。落石沖擊軌道基礎結構后，主軌的振幅變化最大，其次是副軌和主枕頭，隨著距離增加枕中和副枕頭上的振幅值相近。

3 屏蔽列車通過報警

由于列車通過時也會引起很強的振動，應對振動規(guī)律進行研究，屏蔽列車通過報警。客運列車和貨運列車速度在40～140 km/h，在通過光柵光纖傳感器后的振動傳導規(guī)律基本一致，如圖8所示。客運列車和貨運列車通過時，信號圖像的特點是振動持續(xù)時間較長，有多個峰值，且峰值較大。

圖8 列車通過振動傳導波形圖

屏蔽列車通過報警方法如下。

1．將光纖光柵傳感器進行分組，每組統(tǒng)一進行報警(并非所有通道的傳感器統(tǒng)一報警)。最簡單的分組就是光纖光柵解調儀的每個通道的所有傳感器為一組。

2．對于某個傳感器的分組，記錄組內(nèi)的所有傳感器的觸發(fā)次數(shù)，如果本組內(nèi)所有傳感器達到報警閾值次數(shù)一致則認為是列車通過。

3．記錄到達報警閾值的開始時間和結束時間，計算時間差，如果發(fā)生的是單一落石或者一組落石，時間差是快速的;而列車通過的時間是較長的，一般可達到幾秒時間。

4．判斷光纖光柵傳感器達到報警閾值是否按照順序進行的，列車通過時光纖光柵傳感器會由列車通過處逐一產(chǎn)生大于報警閾值的振動信號。

4 結論

通過試驗數(shù)據(jù)進行擬合分析可得，在布設距離為25 m時，最大振幅大于0.005 nm，故傳感器可監(jiān)測范圍為25 m。本系統(tǒng)可完成80 kg落石從5 m高度落到鐵路界限內(nèi)的監(jiān)測工作，并即時報警。

落點位置:在主軌上振幅最大，且在距傳感器很遠的距離上可以分辨;其次是在主枕頭和副軌上振幅較大;而在枕中和副枕頭這2個位置相對較小，且可分辨的距離也比較近。

衰減規(guī)律:根據(jù)試驗數(shù)據(jù)，對振幅與距落點的距離進行擬合，在某種程度上以指數(shù)函數(shù)的擬合來近似，且函數(shù)曲線特點隨時間而趨于衰減，其中前5 m衰減速率最快，是個急速衰減的過程，而后面的衰減比較緩慢。

根據(jù)五點位置，考慮把傳感器布設在單軌上，傳感器間距25 m。單軌布設的一個很重要的優(yōu)點在于便于通信線路施工。

目前，本系統(tǒng)已在渝懷鐵路線白沙沱地區(qū)使用3年，對研究鐵路沿線邊坡落石報警系統(tǒng)的布設提供了一手資料，獲得了大量的現(xiàn)場實際工程經(jīng)驗，形成一套切實可行的系統(tǒng)方案，為山區(qū)鐵路安全運營帶來保障。

［1］趙勇．光纖光柵及其傳感技術［M］．北京:國防工業(yè)出版社，2007．

［2］哈里斯．沖擊與振動手冊(第五版)［M］．北京:中國石化出版社，2008．

［3］趙天池．傳感器與探測器的物理原理和應用［M］．北京:科學出版社，2008．