國鐵新一代光纖分布式鐵路周界安全監測系統

創新者：張玲雨　易文明　任 翔　王 強　張 令

國鐵新一代光纖分布式鐵路周界安全監測系統

創新者：張玲雨易文明任 翔王 強張 令

國鐵新一代光纖分布式鐵路周界安全監測系統，采用相位敏感光時域反射計技術，以及雙參量光時域反射技術，利用沿光纜傳輸的后向瑞利散射光相干探測外部入侵，并根據注入光脈沖與接收信號之間的時間延遲定位入侵地點，從而實現大范圍、長距離、連續多點的分布式入侵監測與報警，并徹底解決了誤報問題。滿足鐵路一線對事故預防及安全預警等安全生產的要求。

概述

基于相位敏感光時域反射計（Φ-OTDR） 技術的國鐵光纖分布式鐵路周界安全監測系統，利用沿光纜傳輸的后向瑞利散射光相干探測外部入侵，并根據注入光脈沖與接收信號之間的時間延遲定位入侵地點，從而實現大范圍、長距離的分布式入侵監測與報警。該系統最大的特點是整個光纜均為敏感區域，靈敏度高、定位精度高、實時性高，數據處理簡單。在處理終端，通過時域、頻域多種信號分析方法、多參數特征提取方法等現代信號處理技術，實現長距離周界上單點和多點同時入侵的準確檢測、精確定位。該系統還可以根據特定算法對于環境及非人為因素入侵予以排除，只對具有威脅性的行為進行及時的聲光報警，報警同時對入侵的具體位置進行數字地圖定位顯示，并與入侵對應位置的攝像頭進行視頻聯動。同時，系統具有SQL數據庫管理功能，能夠對監測數據和報警日志進行實時自動記錄、跟蹤、調用和管理。

系統的技術創新點：

圖1　國鐵光纖分布式鐵路周界安全監測系統光纖圍欄組成示意圖

雙參量光時域反射技術優勢：高靈敏度振動探測模塊對微弱的振動信號敏感，保證了系統的靈敏度和檢測率，可對翻越周界護欄的入侵行為進行有效捕捉和預警。光纜應變探測模塊只對較大的光纜彎曲應變敏感（但對振動不敏感），可對翻越周界護欄的入侵動作可以進行二次判別和有效確認。通過一根光纜獲得雙重判據，在保證檢測率的基礎上大幅降低系統的誤報率。

OTDR光時域反射技術優勢：基于OTDR（光時域反射）技術的光纖分布式定位型周界監測系統具有全程無源、抗電磁干擾、抗雷擊、定位精確、靈敏度高、超長距離監測等諸多優點。

在技術上與防區型的光纖周界監測系統相比的優勢：在監測距離、定位精度和防誤報這三個方面具有明顯的優勢。并具備多點入侵同時監測與定位功能。

工程上的優勢：光纖分布式定位型周界監測系統采用單根振動傳感光纜單向布設，無需構成回路，并且單套系統監測距離可達數十公里，無需續接輔件（無中繼和續接單元），大幅降低了施工難度和后期維護成本。

圖2　雙參量光時域反射技術組成示意圖

圖3　國鐵光纖分布式鐵路周界安全監測系統報警示意圖

圖4　國鐵光纖分布式周界監測系統組成示意圖

系統的特色

實時報警：響應時間＜0.1 s ；

極高探測率：入侵探測率100% ；

極低誤報率：誤報率＜2% ；

單套系統監測防護范圍：10-60km不等 ；

定位精度：可實現監測周界沿線的連續定位。入侵定位精度為±10m；

可實現2點以上的多點入侵同時監測，多點入侵的定位精度有保證；

可以在單套系統中實現對周界不同入侵行為和環境干擾的雙重判斷，從而大大降低了系統的誤報率；

具備聲光報警及數字地圖定位功能 ；

具備設備故障自查和反破壞能力 ；

具備數據庫管理功能，實現實時監測數據及報警日志的自動輸入、查詢、調用與管理 ；

具備視頻聯動（遙視、搖控）功能 ；

手動設置報警門限 ；

全天候運行，實時監控 。

本文將就國鐵光纖分布式鐵路周界安全監測系統的設計方案進行討論。

系統設備組成

國鐵新一代光纖分布式鐵路周界安全監測系統，如圖4所示，由三個主要部分組成：入侵探測光纜、入侵信號解調主機和控制主機單元。入侵信號解調主機由激光發射系統、激光方法系統、激光接收系統以及激光處理系統等部分集成。控制主機單元作為上位機，基于計算機平臺，實現系統控制和信息顯示，信息處理和數據通信等功能。

處理終端

系統處理終端由處理主機、顯示器、鍵盤鼠標等外設構成，由于本系統涉及海量數據運算，系統配置最低要求如下：

操作系統：Windows XP/7/ME/2000

CPU速度與類型：2GHZ Intel Pentium Ⅳ處理器

硬盤空間：500M剩余硬盤空間

內存：1G

CD/DVD-ROM驅動器：16倍速以上

輸入設備：鍵盤，鼠標

系統推薦配置為：

操作系統：Windows 7

CPU速度與類型：1.5GHZ Intel Core dual 處理器或更好

硬盤空間：80G

內存：4G

CD/DVD-ROM驅動器：16倍速以上

輸入設備：鍵盤，鼠標

入侵信號解調設備

入侵信號解調設備，如圖3所示，是國鐵光纖分布式鐵路周界安全監測系統的核心器件，其監測原理是將光纖一端注入光脈沖信號，探測后向瑞利散射光，由于注入光纖中的激光線寬很窄，具有很好的相干性，因此入侵信號解調設備探測的信號實際上就是脈沖寬度區域內反射回來的瑞利散射光相干干涉的結果。當光纖線路上的某個位置由于入侵而發生擾動時，光纖相應位置的折射率將發生變化，這將導致該處光相位發生變化，由于干涉作用，相位的變化將引起后向散射光光強發生變化，所以這些光強變化的時間將會對應于入侵發生的位置。

入侵信號解調主機是光纖分布式鐵路周界安全監測系統的核心設備，如下圖所示。該主機光纖通道的光學接口類型為FC-APC接口。

主要技術指標：

監測長度：0-10km，0-20km，0-40km

報警定位精度：±10～20m

報警響應時間：＜3s

入侵檢測率：100%

誤報率：＜2%

響應頻率：0～500HZ

連接方式：單端連接

通信接口：100M以太網

工作溫度：-15～+45℃

存儲溫度：-30～+60℃

環境濕度：5～90%（無凝露）

供電：AC 100～240V，50～60HZ

監測系統硬件連接

圖5　入侵信號解調設備實物圖

圖6　監測系統的硬件連接示意圖

該系統硬件連接方式：（1）探測光纜與入侵系統解調主機之間通過FC-APC光纜接口方式連接；（2）入侵信號解調主機與控制主機之間采用網線連接；（3）控制主機與其它監控系統可通過以太網連接。

傳感光纜及其工程施工

探測光纜安裝方式根據具體周界類型不同可進行靈活調整。對于周界圍欄的掛網安裝方式，一般在網面上采用S型或直線型的路徑布設光纜，光纜長度對實際物理距離長度的推薦比例為1.5～2：1。整個鋪設光纜的線路即為所監控的區域周界。沿著需要監控的區域將光纜按上述方式布鋪設好，光纜上下端固定處可采用尼龍綁帶固定，光纜布設過程中應避免光纜被拉的太緊或者彎曲太大，導致傳輸的光信號衰減較大影響傳感光纜的有效檢測距離。部分光纜布設實例如圖7所示。

監測系統軟件功能的實現

系統軟件通過控制數據采集卡，實時讀取數據，并通過后臺對數據的分析、處理，監控防護周界上的傳感光纜狀態，并將處理結果進行報警輸出，通過報警聲音提示保安人員作及時響應，同時將報警入侵的具體地點顯示在程序主界面的數字地圖上。同時，通過視頻聯動，可以控制視頻監控系統進行重點區域或入侵地域的圖像記錄和捕捉。

監測系統軟件包括光纖主機的周界入侵檢測識別模塊、可視化綜合交互功能模塊、數據庫日志綜合管理功能模塊、周界入侵視頻聯動模塊4個主要功能模塊，以及登錄及權限管理等其他功能模塊。

當監測系統檢測到光纜擾動，懷疑有入侵行為時，監控軟件會自動跳轉到電子地圖的監控主頁面，點亮“黃色”預警燈，在電子地圖上顯示該入侵位置以及該入侵點所處的區段，并將其對應的光纜位置及物理位置等信息顯示于界面右邊報警信息欄中，如圖8所示。

結束語

本文對國鐵新一代光纖分布式鐵路周界安全監測系統的設計方案進行了分析和探討，提出了硬件和軟件的實現方案，并對系統運用進行的描述。該系統在國鐵系統，特別是高鐵系統的推廣運用，將有效提高鐵路非法入侵檢測的能力，對入侵行為提前預警、精準定位、快速反應，準確報警，全面提升鐵路非法入侵的防護，實現物防、技防、聯防、人防四防一體化水平，為確保鐵路運輸生產的安全，發揮保駕護航的重要作用。

圖7　S型布纜安裝方式

圖8　監控主界面的入侵預警提示

張玲雨易文明任翔王 強張 令

長龍鐵路電子工程有限公司

張玲雨，工程師；易文明，工程師；任翔，工程師；王強，高級工程師；張令，工程師。

10.3969/j.issn.1001-8972.2016.07.022