光纖光柵傳感技術在高速鐵路軌道狀態監測中的應用

張　政

（中鐵第四勘察設計院集團有限公司，湖北武漢　430063）

?

光纖光柵傳感技術在高速鐵路軌道狀態監測中的應用

張政

（中鐵第四勘察設計院集團有限公司，湖北武漢430063）

摘要高速鐵路列車運行速度快，行車密度大，對直接承載列車運行的軌道結構有嚴格的要求。采用光纖光柵傳感技術對軌道結構服役狀態進行實時在線監測，并根據關鍵位置可能發生的破壞建立預警應對系統，有助于運營維護部門及時發現軌道結構存在的問題，通過采取相應措施確保線路運營的安全性和平穩性。本文結合目前已在國內運營高鐵線路上實施的監測案例，對光纖光柵傳感技術應用在高速鐵路軌道狀態監測中的方法、優點以及存在的問題進行探討，并提出相應的優化改進措施，為高速鐵路軌道狀態監測的發展提供實踐依據。

關鍵詞高速鐵路；光纖光柵傳感技術；軌道狀態；實時在線監測

我國幅員遼闊，鐵路跨越區域廣，工程地質因素多樣，高速鐵路軌道結構所面臨的使用環境復雜。而且，不斷提高的列車運行速度和行車密度使得軌道結構承載的周期性高速動載增強，其與復雜環境因素結合產生的多重作用進一步加速了軌道結構損傷和破壞。

目前，國內運營部門對于高速鐵路軌道結構的檢測和養護維修主要是在夜間天窗點內依靠人工和軌道車巡檢，在有限的天窗時間內往往難以完成轄區軌道結構的全覆蓋檢查。最令人不安的是，運營部門無法實時掌握線路關鍵位置的軌道結構狀態，對于白天運營過程中發生的病害險情不能及時發現，這直接威脅到行車安全。在這些情況下，針對高速鐵路軌道結構的健康狀態進行實時在線監測與預警就顯得尤為必要。相對于傳統的機械、電類傳感檢測技術，光纖光柵傳感檢測技術具有無源器件特性、不受電磁干擾、遠程信號傳輸性能優越、大量傳感器便于組網分布式測量、測試精度高、重復穩定性好，以及可實現長期實時在線的數據采集和處理分析等優點［1-6］。近些年來，光纖光柵傳感技術已經逐漸應用在我國高速鐵路軌道系統狀態監測領域。

本文通過目前已在國內運營高鐵線路上實施的監測案例，對光纖光柵傳感技術應用在高速鐵路軌道狀態監測中的方法、優點以及存在的問題進行探討，并提出相應的優化改進措施，為高速鐵路軌道狀態監測的成熟發展提供實踐依據。

1　光纖光柵傳感監測系統

1. 1光纖光柵傳感技術原理［7-8］

光纖光柵（FBG，Fiber Bragg Grating）傳感技術于1978年問世。FBG本質是一段纖芯折射率周期性變化的光纖，長度一般只有10 mm左右。如圖1所示。當一束寬光譜光λ（如圖中的入射光譜）經過光纖Bragg光柵時，被光柵反射回一單色光（如圖中的反射光譜），相當于一個窄帶的反射鏡。反射光的中心波長λB與光柵的折射率變化周期Λ和纖芯有效折射率neff有如下關系

圖1　光纖光柵結構

圖2為光纖光柵結構及工作原理示意圖。

當光纖光柵周圍的應力或溫度發生變化時，將導致光柵周期Λ和纖芯有效折射率neff產生變化，從而使反射回的波長發生變化。光纖光柵Bragg波長的變化與環境溫度或應變的變化呈線性變化關系，通過檢測光纖光柵Bragg波長，就可以測得相應環境變量。

圖2　光纖光柵工作原理

1. 2光纖光柵傳感監測系統組成［8-10］

光纖光柵傳感監測系統主要包括傳感部分、傳輸光纖和光纖光柵解調儀三大部分，如圖3所示。由于光纖光柵可以制作成不同的中心波長，因此多個光柵可以方便地串接在同一條光路上形成分布式測量系統。

圖3　光纖光柵傳感監測系統示意

光纖光柵信號處理器內置超輻射寬帶光源，通過耦合器將光源耦合到現場光纖光柵探測器，現場光纖光柵探測器所反射的各中心波長再次反射回耦合器，耦合器將反射信號送入波長檢測單元，在波長檢測單元中通過FP掃描技術感知各探測器反射的中心波長值，比較各探測器中心波長的變化量推算環境溫度、應變等。光纖光柵信號處理器最后將檢測到的信息輸出并顯示，有報警等信息時同時輸出報警信號。

1. 3光纖光柵傳感技術的特點

光纖光柵傳感技術的原理和本質決定了其具有如下特點：

1）光纖光柵傳感器具有體積小、柔韌度高、重量輕等優點，可以方便地附掛在被測物體上，并且對被測物體既有行為影響較小；

2）光纖光柵傳感器具有高精度、高靈敏度和高穩定性；

3）該技術采用的是光信號調制方式，本質上具備優良的抗電磁干擾能力，并且作為無源器件該技術采用的傳感設備和傳輸線路也不會對待測環境中的電路產生影響；

4）傳感設備和傳輸線路耐高溫、抗腐蝕，使用壽命長；

5）該技術可將多個光纖光柵傳感器串聯在一個通道上，采用多通道解調儀即可實現較大規模的多參數監測；

6）光纖中光信號傳輸效能高、傳輸距離遠，便于組網實現分布式測量。

2　光纖光柵傳感監測系統在高速鐵路中的應用

目前我國設計時速350 km/h的高速鐵路大都采用無砟軌道。對大跨度橋梁、路橋過渡段、長大隧道、道岔區等容易出現問題的特殊地段需進行軌道結構狀態監測。根據軌道結構類型不同，關注位置也各有側重。一般情況下，監測都會涉及下面的內容：

1）環境溫度、濕度、風速等環境因素；

2）鋼軌、軌道板、底座、下部基礎等軌道結構組成部分的溫度場；

3）鋼軌與軌道板、軌道板與底座、底座與下部基礎等結構層間相對位移；

4）鋼軌應變，軌道板、底座板、寬接縫等結構相關的鋼筋與混凝土內部或表面應變；

5）寬接縫、砂漿層、凸形擋臺與軌道板等結構間離縫值以及梁縫伸縮量。

根據具體監測工點實際情況制定相應的監測方案和測點布置圖后，需要結合各類傳感器波段合理配置傳感器通道表以及每個傳感器的實際波長。在光纖光柵解調儀通道數確定的條件下，應按照便于現場施工的原則，“松散”安排各通道傳感器的數量和波長，對每個傳感器內的光柵波長變化預留充足的波段范圍，避免在監測過程中出現通道內相鄰傳感器波峰重疊的情況發生，導致解調儀無法尋波解析出監測數據。

2. 1傳感器的安裝

傳感器的安裝是現場施工耗時較長的工作。若要監測軌道結構中混凝土和鋼筋的應變等信息，則需在軌道結構混凝土澆筑前就到現場預埋傳感器，整個監測方案要做好施工全周期的策劃。

在軌道結構中預埋傳感器，應確認傳感器引線足以伸出軌道結構一定長度。引線選擇具有厚實鎧裝層的延長光纖，避免混凝土澆筑時引線斷裂，造成傳感器無法存活。引線伸出軌道結構的部分應外套橡膠管保護，并且要求混凝土澆筑時避免在傳感器安裝位置處過度振搗。

軌道結構的各監測量幾乎與環境溫度都屬強相關，在每個監測工點都會安裝有環境溫度傳感器，環境濕度、風速等傳感器根據工點的需要選擇性安裝。為了確保環境溫度測量準確，應將傳感器置于塔式防輻射罩內，避免陽光直射（圖4）。并且，傳感器應至少離地1. 2 m高，以免地面輻射溫度影響其測量。

圖4　環境溫度傳感器

在軌道結構表面安裝溫度、位移和應變等傳感器，需要等鋼軌鎖定、施工現場清場后再進行，避免安裝的傳感器及引線被現場施工破壞。為了保護已安裝的傳感器，應根據傳感器的安裝位置和傳感器的形狀設計合理的保護工裝，并且將傳感器的引線均外套加強橡膠管固定在軌道結構表面（圖5）。

圖5　傳感器及其保護工裝

對于軌道結構溫度場的測定，一般是在軌道施工完成后，采用取芯鉆自軌道板板頂向下貫穿到目標深度，將溫度傳感器按照相應的高度綁在鐵絲上深入孔內（圖6），再用與被測結構強度等級相同或接近的混凝土封堵孔洞即可。

圖6　軌道結構溫度場的測點布置

2. 2光纖熔接（圖7）

圖7　光纖熔接

傳感器安裝完畢后，需要按照通道配置表將每個通道里的傳感器首尾相連串聯成一串，再將這串傳感器的一端與主光纜的其中一芯連接。

在這個過程中，傳感器之間的連接是將不同傳感器的尾纖纖芯熔接在一起，并外套不銹鋼鋼管防護。與主光纜連接時，需要用到光纜串接盒，只需將該通道對應的主光纜纖芯與傳感器串熔接在一起即可，其他截斷的主光纜纖芯需要在截斷處重新熔接在一起。整個施工過程中的熔接工作非常耗時耗力，并且有可能因熔接接頭質量問題返工，在熔接時要十分嚴謹細致。

2. 3傳輸光纜的鋪設

傳感器安裝、熔接完畢后，需要鋪設傳輸光纜將監測工點的所有傳感器與光纖光柵解調儀等主機設備相連。在高速鐵路軌道狀態監測時，一般線上將傳輸光纜置于線纜槽內埋設。引出線下至機房內，若通過架空走線的方式，應在光纜旁懸掛相應標示牌，注明光纜用途及責任人所屬單位和聯系方式；若通過埋地走線的方式，應將光纜外套PE管，并做好防水工作，避免冬季光纜外積水結冰凍裂光纖。

2. 4數據采集設備及無線傳輸模塊

傳感器經傳輸光纖連接至監測工點附近的機房，機房內設備包括機柜、光纖光柵解調儀、終端盒、顯示器、鼠標鍵盤以及無線模塊。

傳感器信號通過傳輸光纖接入終端盒內，經光纖光柵解調儀將光信號解調為數字信息存儲在主機硬盤，并通過無線模塊定時將這些信息回傳至遠端的主服務器進行處理和分析。

2. 5數據處理及安全預警系統

在主服務器端安裝有集數據存儲、分析和預警于一體的綜合管理平臺軟件。各監測工點的數據回傳至主服務器后，由綜合管理軟件進行分類管理。

首先對現場的原始采集數據進行甄別和篩除，去掉因傳感器自身穩定性導致的數據大幅跳躍、非數字信息、明顯錯誤信息等異常數據。再經過相應的數據分析軟件進行整理，并將數據分析結果與預置的報警限值進行對比，由特定的算法對報警情況進行確認，核實警情后，報警信息通過短信、微信、郵件等方式發送給高速鐵路運營維護部門和服務器管理人員。

引入大數據概念，在積累了一定量的監測數據后，通過分析監測數據與既有數據、警情以及對設計理論和經驗進行對比和套用，評估被監測區域的軌道結構健康狀態，對可能存在的警情進行預警。

3　光纖光柵傳感技術的總結與探討

總結已實施的監測案例，光纖光柵傳感技術應用在高速鐵路軌道狀態監測上，有很多其他傳統檢測方法不具備的優勢。但是，該技術目前應用時也存在不少缺點，在后續的工作中需要研究改進。

3. 1光纖光柵傳感技術的優勢

鋼軌的溫度、應變、縱向爬行位移等參數是比較重要的監測量。鋼軌作為動力電壓的回路和軌道電路信號傳輸的介質，對傳感器的電磁干擾和受傳感器的反饋影響都比較強。由于光纖光柵傳感器的無源特性，用以監測鋼軌參量，能夠完美地解決這個問題。

監測鋼軌與軌道板的相對位移時，需要把傳感器安裝在相鄰扣件節點之間，對于有擋肩扣件，傳感器的安裝空間更加狹小。光纖光柵傳感器的核心光柵只有10 mm左右，在位移傳感器量程確定的情況下，改變光柵封裝工藝，就能把傳感器尺寸做得很小，方便地安裝在這個空間。測量CRTSⅡ型板式無砟軌道砂漿層與軌道板張開離縫寬度時，留給傳感器的安裝長度小于一塊軌道板的厚度，這樣苛刻的安裝環境光纖光柵傳感器也沒有任何問題。

軌道結構中的很多參量值都是毫米級的變化量，光纖光柵傳感器具有高精度和高靈敏度，完全可以勝任這些參量值的數據采集；并且光纖光柵傳感器穩定性很強，對于高速鐵路這種不易上道維護的環境更加適用。

軌道結構呈細長帶狀，采用光纖光柵傳感技術監測時，一般按照斷面分配通道，不同的斷面之間可以通過布置在線纜槽里的主光纜連接起來。光纖中光信號傳輸效能高、傳輸距離遠，因此，光纖光柵傳感技術非常適合對長遠距離的帶狀軌道結構進行監測。

3. 2光纖光柵傳感技術的缺點

為了減少光信號在光纜中傳輸的能量損耗，需要將光纜斷頭采用纖芯熔接的方式連接起來。光纖光柵傳感器在安裝完畢后，需要在尾纖上熔接跳線接頭，然后插入單通道光纖光柵解調儀中記錄初始波長數據。在整合通道內的傳感器時，需要將傳感器之間首尾相連熔接起來，最后將傳感器串與主光纜熔接。上述熔接過程步驟繁瑣，熔接工作量也非常大，尤其是在既有線天窗時間內上道熔接，由于視線不好，熔接成功率很低，這嚴重阻緩了傳感器的安裝進度。而且對于光纖光柵傳感器，每支傳感器的波長都必須根據具體項目確定，這就意味著傳感器不具通用性而無法大量備貨。所以，采用光纖光柵傳感監測的工點，傳感器前期準備、安裝、調試工期會非常長，這是該技術應用在高速鐵路尤其是既有線上的一大劣勢。

近年來，我國北部地區也開通了哈大、哈齊等高速鐵路。這些地區冬天最冷的時候溫度可低至- 40℃，而光纖纖芯材料特性與玻璃相同，容易低溫脆斷［11］，這就決定了光纖光柵傳感技術應用在北部寒冷地區時會出現較大概率斷纖的情況。這在哈齊客專上的光纖光柵監測工點中已經有所體現，目前尚無很好的解決辦法。

3. 3相關問題的改進

應用光纖光柵傳感技術監測高速鐵路軌道結構狀態，既要保證監測系統后期運行正常，減小數據采集偏差，又要保證線路運營安全。在監測系統安裝調試過程中需要注意改進以下問題：

1）軌道結構中傳感器預埋后，繼續在軌道上施工的工程車輛以及臨時安裝的精調爪等器具均可能對傳感器的引線造成嚴重的破壞。光纖光柵傳感器的引線斷頭若要熔接修復，斷頭兩端尾纖長度需＞15 cm，而大多數預埋傳感器的引線斷頭均僅露出混凝土5～10 cm，這就會造成預埋的光纖光柵傳感器失效無法救活的情況。為此引線伸出混凝土面的部分除外套橡膠管保護外，如有條件應在橡膠管露出混凝土部分再倒扣長度＞10 cm的角鋼作防護。

2）為了防腐防銹，傳感器保護工裝一般采用不銹鋼制造，在線路通車運營后，不銹鋼工裝表面在陽光照射下會產生鏡面反射，有可能導致列車司機緊急剎車。因此，傳感器保護工裝外表面均需作亞光處理。

3）在軌道結構上進行傳感器和保護工裝的安裝以及連接光纜的走線，都需要在軌道結構表面鉆孔進行固定。不可避免地會對軌道結構內的鋼筋絕緣和預應力體系造成破壞。為了降低破壞程度，在設備安裝前需要根據實際的軌道結構布筋圖，結合鋼筋探測儀來確定合適的安裝孔位，盡量避免鉆頭鉆削鋼筋和預應力鋼棒的情形發生。考慮到線路運營時，軌道結構振動強烈，需要在特殊位置采用2個螺母疊加防松，并在螺母、螺栓上涂抹植筋膠，加強防松防銹措施。

4）在安裝監測鋼軌相關參量的傳感器及其保護工裝時，需特別注意鋼軌與下部基礎中鋼筋網的絕緣措施，避免在鋼軌與大地之間形成通路，導致軌道電路紅光帶。

5）在北方寒冷區域，軌道結構表面的防水措施如被破壞，在結構內部產生過量積水無法排出，在冬天溫度低于0℃時積水結冰，會帶來脹裂軌道結構混凝土的風險。因此，在軌道結構表面的鉆孔安裝工作完畢后，均需對孔洞四周涂抹植筋膠或采取其他措施進行后期防水。

6）光纖光柵傳感監測系統一般采用無線網絡遠程回傳監測數據，安放在現場的光纖光柵解調儀和無線模塊因頻繁地進行數據采集、存儲和網絡數據傳輸，容易出現設備死機的情況，導致數據采集中斷。因此，需要在接收端主服務器中添加相應的功能，能夠自動偵聽和分析監測工點現場數據回傳情況，在判斷出工點現場設備出現故障后，以短信或郵件方式通知服務器管理人員。

7）光纖光柵傳感監測系統在安裝前備貨周期較長，設備安裝和調試工作量巨大，加之軌道結構后期監測的較多參量的初值需要在軌道施工期間采集。為此，建議設計單位在設計文件中明確軌道結構的監測方案，在軌道結構施工期間就可同步進行監測系統安裝的相關工作。

4　結語

本文針對光纖光柵傳感技術的原理及其在高速鐵路軌道結構狀態監測中的應用方法作了簡要介紹，并結合具體實施案例分析該技術應用時的優勢和缺點，總結已實施的光纖光柵傳感監測項目經驗，對實施過程中存在的問題給出了相應改進措施。

參考文獻

［1］代鑫.基于光纖光柵的高速鐵路軌道結構監測方法及關鍵技術研究［D］.武漢：武漢理工大學，2013.

［2］王濤，孫慶，高巖，等.光纖光柵應變特性及其在槽形梁試驗量測中的應用［J］.鐵道建筑，2014（11）：37-40.

［3］陳繼宣，龔華平，張在宣.光纖傳感器的工程應用及發展趨勢［J］.光通信技術，2009，33（10）：38-40.

［4］張丹丹.土木工程及模型試驗中的光纖光柵傳感技術研究［D］.大連：大連理工大學，2009.

［5］張家坤，弓俊青，岳清瑞，等.光纖光柵傳感技術在土木工程結構監測中的應用［J］.北方交通大學學報，2003，27 （5）：94-97.

［6］FILOGRANO M L，CORREDERA P G，RODRíGUEZ-PLAZA M. Real-Time Monitoring of Railway Traffic Using Fiber Bragg Grating Sensors［J］. IEEE Sensors Journal，2012，12（1）：85-92.

［7］廖延彪.光纖傳感技術與應用［M］.北京：清華大學出版社，2009.

［8］周威.基于光纖光柵的軌道應變監測技術研究［D］.成都：西南交通大學，2013.

［9］馬尚榮.基于光纖光柵傳感器的分布式溫度監測系統研究［D］.北京：北京交通大學，2012.

［10］孫汝蛟，孫利民，孫智. FBG傳感技術在大型橋梁健康監測中的應用［J］.同濟大學學報，2008，36（2）：149-154.

［11］唐雷.基于光纖光柵的寒區高鐵軌道安全監測系統研究［D］.哈爾濱：黑龍江大學，2013.

（責任審編孟慶伶）

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

中圖分類號U216. 3

文獻標識碼A

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

文章編號：1003-1995（2016）05-0077-05

收稿日期：2016-03-05；修回日期：2016-03-18

基金項目：中國鐵路總公司科技研究開發計劃（Z2013-G001；2014G001-A）

作者簡介：張政（1987—），男，工程師，碩士。