基于光纖光柵傳感技術(shù)的高速鐵路軌道狀態(tài)遠(yuǎn)程監(jiān)測數(shù)傳系統(tǒng)

蔣金洲，呂國輝，梁 晨，徐玉坡，杜香剛，商紹華

(1.中國鐵道科學(xué)研究院 鐵道建筑研究所，北京 100081;2.高速鐵路軌道技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100081; 3.光纖傳感技術(shù)國家地方聯(lián)合工程研究中心，哈爾濱 黑龍江 150080;4.黑龍江大學(xué)電子工程學(xué)院，哈爾濱 黑龍江 150080)

基于光纖光柵傳感技術(shù)的高速鐵路軌道狀態(tài)遠(yuǎn)程監(jiān)測數(shù)傳系統(tǒng)

蔣金洲1，2，呂國輝3，4，梁 晨1，2，徐玉坡1，2，杜香剛1，2，商紹華3，4

(1.中國鐵道科學(xué)研究院 鐵道建筑研究所，北京 100081;2.高速鐵路軌道技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100081; 3.光纖傳感技術(shù)國家地方聯(lián)合工程研究中心，哈爾濱 黑龍江 150080;4.黑龍江大學(xué)電子工程學(xué)院，哈爾濱 黑龍江 150080)

介紹了基于光纖光柵傳感技術(shù)的高速鐵路軌道狀態(tài)遠(yuǎn)程監(jiān)測系統(tǒng)的構(gòu)成，詳細(xì)闡述了系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集、處理和傳輸方法，包括數(shù)據(jù)的讀取、預(yù)處理及無線網(wǎng)絡(luò)等相關(guān)技術(shù)方法。針對大流量監(jiān)測數(shù)據(jù)實(shí)時無線傳輸?shù)钠款i問題，提出光纖光柵解調(diào)系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理和無線傳輸?shù)姆桨福蓪ΡO(jiān)測數(shù)據(jù)自動進(jìn)行加密、校驗(yàn)和打包，并通過GPRS模塊將監(jiān)測數(shù)據(jù)推送至遠(yuǎn)端數(shù)據(jù)中心。該系統(tǒng)已應(yīng)用于我國多處高速鐵路軌道狀態(tài)長期監(jiān)測工點(diǎn)，系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)良好，數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)穩(wěn)定可靠。

光纖光柵傳感 遠(yuǎn)程監(jiān)測 無線傳輸 LabVIEW

軌道狀態(tài)遠(yuǎn)程監(jiān)測系統(tǒng)(Detecting SystemOf Track，以下簡稱DSOT)能夠?qū)崿F(xiàn)全天候的在線自動監(jiān)測，并可實(shí)現(xiàn)軌道結(jié)構(gòu)溫度、位移和應(yīng)變等相關(guān)監(jiān)測參數(shù)的自動采集、處理和傳輸，適用于高速鐵路典型地段軌道狀態(tài)參數(shù)的長期監(jiān)測工作。

DSOT是據(jù)我國高速鐵路監(jiān)測的實(shí)際需要，基于光纖光柵傳感技術(shù)進(jìn)行研發(fā)的。相對傳統(tǒng)使用電信號作為信號載體的傳感器來說，光纖光柵傳感器具有較強(qiáng)的抗電磁干擾能力，并且測試信號的溫度漂移不明顯。這些技術(shù)特點(diǎn)對結(jié)構(gòu)的長期監(jiān)測十分有利。隨著光纖光柵傳感技術(shù)的發(fā)展，適用于監(jiān)測溫度、應(yīng)變、位移和振動加速度等參數(shù)的光纖光柵傳感器不斷涌現(xiàn)，也使得DSOT的監(jiān)測對象能夠不斷擴(kuò)展。

1 軌道狀態(tài)遠(yuǎn)程監(jiān)測系統(tǒng)構(gòu)成

DSOT主要由硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)構(gòu)成，其系統(tǒng)框架如圖1所示。

圖1 高速鐵路軌道狀態(tài)遠(yuǎn)程監(jiān)測系統(tǒng)組成

圖2 國產(chǎn)HD808N光纖光柵解調(diào)儀

DSOT硬件系統(tǒng)主要包括傳感器、數(shù)據(jù)采集與調(diào)理設(shè)備、主控計(jì)算機(jī)、電源供電設(shè)備和輔助設(shè)備等部分。其中數(shù)據(jù)采集與調(diào)理設(shè)備即光纖光柵解調(diào)儀(以下簡稱“解調(diào)儀”)是DSOT中的關(guān)鍵設(shè)備，用于采集光纖光柵傳感器監(jiān)測信號。幾年前，國外解調(diào)儀占據(jù)了我國軌道狀態(tài)遠(yuǎn)程監(jiān)測領(lǐng)域較大市場份額。近年來隨著國產(chǎn)研發(fā)能力的提高，國產(chǎn)解調(diào)儀性能基本達(dá)到了國際同類設(shè)備的技術(shù)水平。圖2所示的國產(chǎn)HD808N解調(diào)儀可實(shí)現(xiàn)8個通道同步實(shí)時采集數(shù)據(jù)，光柵波長測量范圍為1 510～1 590 nm，測量精度達(dá)到±1 pm，工作環(huán)境溫度范圍為-35℃～55℃。

DSOT軟件系統(tǒng)則由多個相關(guān)數(shù)據(jù)處理軟件子系統(tǒng)組成，根據(jù)其應(yīng)用對象可分為前端數(shù)據(jù)處理及傳輸子系統(tǒng)(以下簡稱數(shù)傳系統(tǒng))、終端數(shù)據(jù)瀏覽子系統(tǒng)和服務(wù)器端數(shù)據(jù)庫管理子系統(tǒng)三大部分。本文主要針對數(shù)傳系統(tǒng)構(gòu)建方法進(jìn)行重點(diǎn)討論。

2 DSOT數(shù)傳系統(tǒng)

DSOT數(shù)傳系統(tǒng)主要具備數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)預(yù)處理和數(shù)據(jù)發(fā)送等功能。該系統(tǒng)采用LabVIEW語言進(jìn)行編寫，運(yùn)行在W indows系統(tǒng)環(huán)境下，其將解調(diào)儀采集到的光纖光柵傳感器波長信息通過網(wǎng)絡(luò)接口從解調(diào)儀傳輸?shù)街骺赜?jì)算機(jī)，在主控計(jì)算機(jī)內(nèi)對數(shù)據(jù)進(jìn)行壓縮和加密處理，之后將監(jiān)測數(shù)據(jù)向指定的在線數(shù)據(jù)處理服務(wù)器進(jìn)行推送。

2.1 工作流程

DSOT數(shù)傳系統(tǒng)工作流程:首先將解調(diào)儀采集到的光纖光柵傳感器波長信號讀取出來，并通過解調(diào)儀網(wǎng)絡(luò)接口傳輸?shù)街骺赜?jì)算機(jī)內(nèi)，在主控計(jì)算機(jī)內(nèi)對數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲;其次對采集數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和打包加密，將調(diào)制后的監(jiān)測數(shù)據(jù)通過有線(或無線)通信設(shè)備經(jīng)互聯(lián)網(wǎng)推送至指定的在線數(shù)據(jù)處理服務(wù)器;最后由在線數(shù)據(jù)處理服務(wù)器對接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行解調(diào)、存儲和分析，并針對指定的用戶提供相關(guān)監(jiān)測數(shù)據(jù)的在線查詢和統(tǒng)計(jì)等服務(wù)，及時地為決策者提供參考。

2.2 數(shù)據(jù)采集

主控計(jì)算機(jī)和解調(diào)儀通過RJ45接口進(jìn)行通信，二者之間通過TCP協(xié)議以特定的數(shù)據(jù)格式進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。為敘述方便，以下將主控計(jì)算機(jī)稱為“Server端”，解調(diào)儀稱為“Client端”，Server端和Client端的數(shù)據(jù)傳輸框架如圖3所示。依據(jù)圖3設(shè)計(jì)了圖4所示的數(shù)據(jù)采集模塊，以實(shí)現(xiàn)基于TCP協(xié)議的Server端和Client端之間的數(shù)據(jù)通信。

圖3 數(shù)據(jù)傳輸框架

圖4 數(shù)據(jù)采集模塊設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)采集模塊通過LabVIEW提供的“TCP監(jiān)聽器函數(shù)”來實(shí)現(xiàn)兩個網(wǎng)絡(luò)主機(jī)之間的點(diǎn)對點(diǎn)通信。通信流程為Server端通過“TCP監(jiān)聽器函數(shù)”建立監(jiān)聽器，對指定端口進(jìn)行監(jiān)聽。當(dāng)采集到測試數(shù)據(jù)之后，Client端向Server端被監(jiān)聽的指定端口發(fā)出連接請求。Server端接收到請求后建立與Client端的連接，并通過該連接進(jìn)行通信，將采集數(shù)據(jù)接入。通信結(jié)束后，兩端關(guān)閉連接。

數(shù)據(jù)采集模塊通過相關(guān)算式將光柵光纖傳感器的中心波長分成兩段進(jìn)行傳輸，每次都以ASCII碼方式傳輸8個字節(jié)。

2.3 數(shù)據(jù)預(yù)處理

1)數(shù)據(jù)壓縮

當(dāng)解調(diào)儀連接多個光纖光柵傳感器時，單位時間采集的數(shù)據(jù)量較大。但受制于現(xiàn)場環(huán)境，數(shù)據(jù)傳輸帶寬和傳輸速率往往不是很理想?；诖?，DSOT數(shù)傳系統(tǒng)提供了一種壓縮算法。通過該算法可實(shí)現(xiàn)約70%～90%的數(shù)據(jù)壓縮比，這樣大大降低遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量，保證了在高速采集狀態(tài)下數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶?shí)時性與可靠性。

HD808N光纖光柵解調(diào)儀最高采樣頻率為2 Hz，若同時接入40只光柵傳感器，未壓縮前所需數(shù)據(jù)帶寬為48 kb/s。通過設(shè)計(jì)的壓縮算法，可將帶寬需求降低至10 kb/s左右。目前移動網(wǎng)絡(luò)通信2G網(wǎng)絡(luò)實(shí)際帶寬為20～30 kb/s(3G和4G網(wǎng)絡(luò)的帶寬條件更為優(yōu)越)，可見現(xiàn)有移動網(wǎng)絡(luò)通信能夠滿足數(shù)據(jù)實(shí)時傳輸要求。

2)數(shù)據(jù)加密

由于監(jiān)測信息要通過互聯(lián)網(wǎng)傳輸至指定的服務(wù)器，為杜絕網(wǎng)絡(luò)傳輸過程中數(shù)據(jù)泄密，監(jiān)測信息需進(jìn)行數(shù)據(jù)加密后才可發(fā)送。數(shù)據(jù)加密的基本過程就是對原來為明文的數(shù)據(jù)按某種算法進(jìn)行處理，使其成為不可讀的“密文”。

DSOT數(shù)傳系統(tǒng)采用了編碼變換方式，將采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行加密。具體加密方法:首先Server端將從Client端接收到的明文字符串?dāng)?shù)據(jù)流通過“字符串至字節(jié)數(shù)組”轉(zhuǎn)換函數(shù)轉(zhuǎn)換為不帶符號的數(shù)組。之后讀取數(shù)組中的各個字節(jié)對應(yīng)的ASCⅡ碼值，并通過密鑰將其轉(zhuǎn)化為數(shù)值類型。最后將上述ASCⅡ碼值與密碼數(shù)值相加，得到新的ASCⅡ碼值再轉(zhuǎn)化為字符串(即密文)輸出，從而實(shí)現(xiàn)了傳輸過程中的加密，具體示意如圖5。

圖5 加密算法實(shí)現(xiàn)示意

3)數(shù)據(jù)校驗(yàn)

TCP協(xié)議理論上可以保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)?00%正確，但是在無線網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)堵塞的時候還是會出現(xiàn)部分?jǐn)?shù)據(jù)丟包的現(xiàn)象。DSOT數(shù)傳系統(tǒng)通過對數(shù)據(jù)加入識別標(biāo)志奇偶校驗(yàn)碼(以下簡稱CRC碼)來校驗(yàn)數(shù)據(jù)傳輸?shù)恼_性。如果接收端接受到的CRC碼有誤，則說明數(shù)據(jù)通信中出現(xiàn)了丟包，接收端可對接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行丟棄，繼續(xù)下組數(shù)據(jù)的處理。

2.4 數(shù)據(jù)傳輸

建立網(wǎng)絡(luò)連接以后，將接收到的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)開始存儲于預(yù)先設(shè)置的內(nèi)存空間，并轉(zhuǎn)發(fā)至無線數(shù)據(jù)模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)推送。每發(fā)送1 024個字節(jié)組成1幀，每幀數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)由包頭、數(shù)據(jù)段、CRC校驗(yàn)碼和包尾組成，其中數(shù)據(jù)段由采集時間、傳感器對應(yīng)通道、序號和中心波長等信息組成。具體信息如表1所示。

表1 每幀的數(shù)據(jù)構(gòu)成

3 應(yīng)用實(shí)例

DOST已先后應(yīng)用于鄭西高速鐵路350 km/h鋼軌伸縮調(diào)節(jié)器、哈大高鐵長春西站62#道岔和盤營高鐵橋上CRTSⅢ型板等軌道結(jié)構(gòu)監(jiān)測。監(jiān)測參數(shù)包括軌溫、環(huán)境溫度、梁溫、鋼軌縱向力和軌道結(jié)構(gòu)累積位移等，監(jiān)測效果良好。圖6為鄭西高鐵現(xiàn)場傳感器布置情況。

圖6鄭西高鐵現(xiàn)場傳感器布置

圖7 為數(shù)據(jù)中心的接收信息界面，可以清楚地看到數(shù)據(jù)中心和現(xiàn)場的傳輸平臺已建立起有效鏈接，系統(tǒng)提示遠(yuǎn)程IP為121.199.160.33，端口號為2000，這是一個典型的TCP連接提示，系統(tǒng)正處于監(jiān)聽模式。服務(wù)器已經(jīng)接收到52個波長值，遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)同時攜帶著時間信息和波長信息，通過圖形可直觀地看到數(shù)據(jù)得到很好的壓縮和還原。

圖7數(shù)據(jù)中心接收盤營高鐵監(jiān)測信息界面

圖8 揭示了鄭西高鐵數(shù)據(jù)監(jiān)測情況。通過該監(jiān)測系統(tǒng)采集的數(shù)據(jù)可以看出2011年至2012年度測區(qū)軌溫變化幅度為61℃，氣溫變化幅度為46℃，梁溫變化幅度為42℃。

圖8 鄭西高速鐵路數(shù)據(jù)監(jiān)測情況

4 結(jié)語

本文詳細(xì)介紹了DSOT數(shù)傳系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)預(yù)處理和數(shù)據(jù)傳輸?shù)脑?。DSOT數(shù)傳系統(tǒng)具有完整的自主知識產(chǎn)權(quán)，通過該系統(tǒng)可將國產(chǎn)光柵光纖解調(diào)儀納入到DSOT中，從而實(shí)現(xiàn)我國高速鐵路軌道狀態(tài)遠(yuǎn)程監(jiān)測系統(tǒng)從軟件到硬件的全面國產(chǎn)化。

目前，該系統(tǒng)已在國內(nèi)高速鐵路投入使用達(dá)兩年，系統(tǒng)狀態(tài)穩(wěn)定，累積了大量原始數(shù)據(jù)。實(shí)踐證明，DSOT能夠適應(yīng)鐵路沿線的復(fù)雜環(huán)境，可實(shí)現(xiàn)鐵路基礎(chǔ)設(shè)施全天候的長期在線自動監(jiān)測，系統(tǒng)的使用為基礎(chǔ)設(shè)施服役狀態(tài)判定提供數(shù)據(jù)支撐。

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Remote monitoring data transmission system based on FBG(Fiber Bragg Grating)sensing technique for supervising high speed railway track conditions

JIANG Jinzhou1，2，Lü Guohui3，4，LIANG Chen1，2，XU Yupo1，2，DU Xianggang1，2，SHANG Shaohua3，4
(1.Railway Engineering Research Institute，China Academy of Railway Sciences，Beijing 100081，China; 2.State Key Laboratory for Track Technology of High-speed Railway，Beijing 100081，China; 3.National and Local Joint Engineering Research Center of Fiber-optic Sensing Technology，Harbin Heilongjiang 150080，China; 4.Electronic Engineering College Heilongjiang University，Harbin Heilongjiang 150080，China)

The remote monitoring system of high speed railway track based on fiber bragg grating sensing technique was introduced in this paper.Data acquisition，processing and transmission method of system in detail，including data reading，data pretreatment and wireless transmission network were expounded.In order to solve real-time wireless transmission problem of large flow monitoring data，data processing and wireless transmission scheme for fiber bragg grating wavelength demodulation system was proposed，which could automatically encrypt，check and package the monitoring data and transfer the data to remote data center through GPRS module.This system has been applied to a lot of long term monitoring sites of high speed railway track，which shows good operation state and has reliable data transmission system.

Fiber bragg grating sensor;Remote monitoring;Wireless transmission;LabV IEW

U213.2

A

10.3969/j.issn.1003-1995.2015.01.17

1003-1995(2015)01-0076-04

(責(zé)任審編 葛全紅)

2014-09-19;

2014-10-10

國家973計(jì)劃項(xiàng)目(2012CB723806);國家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃項(xiàng)目(2011AA11A102)

蔣金洲(1968—)，男，福建漳平人，研究員，碩士。