光纖光柵在鐵路自然災害及異物侵限監測系統中的應用

中鐵電氣化局集團有限公司 李耀東

0 引言

隨著科學技術的發展，國內與高速鐵路相關的項目越來越多，在以日本為代表的、高速鐵路較為發達的國家，普遍采用了能夠監測異物侵限并進行報警的系統，但是在實踐過程中人們發現，選擇光纜作為傳輸和監測系統信號部位的主要構成，會增大傳輸段發生故障的幾率，基于此，研究人員將光纖光柵和負責監測異物侵限的系統進行了結合，這樣做不僅降低了分區監測和傳感需要的成本，還提高了監測的準確性。

1 應用光纖光柵的異物侵限監測技術的概述

首先對光纖光柵技術的定義進行簡明扼要的概括：光纖光柵主要是在光纖芯中對紫外曝光技術加以利用，使折射率出現周期性變化所形成的。基于此，光纖光柵所對應折射率在分布方面具有的周期性結構，不僅會導致特定波長出現光的反射，還會形成相應的反射譜。對反射光波長而言，無論是應變、溫度還是應力發生變化，都會導致光的峰值波長出現漂移情況，也就是說，工作人員通過度量波長漂移量的方式，就能夠完成感測應變、溫度和應力的相關工作[1]。

將光纖光柵與異物侵限監測進行相結合的優勢，主要體現在以下幾個方面：其一，具備較高的可靠性，漏報、誤報等情況出現的幾率大大降低。將波長信息作為監測量，能夠保證針對異物侵限事件探測工作的準確性，漏報情況自然不會出現，將光波長信號用于傳感及傳輸，不會被傳輸距離所影響，誤報的可能性也隨之降低；其二，通過簡化系統結構的方式降低成本。將光纖光柵與濾波片進行結合，完成后續的解調工作，能夠在滿足鐵路系統對技術具有需求的基礎上降低成本，另外，光纖傳輸的距離較長，工作人員可以將位于信號中繼站或車站管轄范圍之內的監測點通過監測得到的數據信息，向自然災害及異物侵限監測系統進行接入，與雙電網監測系統相比較而言，該監控系統不僅具有較多的監測點，集成度也更高，監控單元數量自然能夠隨之減少；其三，使分區、故障自檢成為了現實。在過去很長一段時間內，用于異物侵限監測的電類技術和光類技術，不僅無法對傳輸段信號和傳感段信號進行分辨，還無法實現線路故障的自檢，基于光纖光柵所構建的、對異物侵限加以監控的系統，能夠將傳輸故障信號與報警信號進行分離，無論是分區還是故障自檢都成為了現實；其四，非電監測，對電磁具有較強的抗干擾能力。該系統負責監測和傳輸的部分均由光纖組成，光纖具有抗干擾和防雷擊的特性。

2 應用光纖光柵的鐵路自然災害及異物侵限監測系統方案

2.1 方案概述

鐵路自然災害及異物侵限監測系統的構成，主要分為光纖光柵監測網，監控單元，監控數據處理設備以及終端設備。光纖的作用是對光纖光柵監測網收集到的數據信息向監控單元進行傳遞，為后續分析處理工作的開展提供便利。一旦在開展系統工作的過程中，發現在監測現場有異物侵限的情況存在，監控單元會將報警信息通過監控單元繼電器組合聯動觸發信號系統控制列車停車，同時將報警信息上傳至監控數據處理設備，監控數據處理設備在收到報警信息后，分發至工務段、調度等終端顯示。

2.2 現場監測

首先是雙區雙光路監測并判別狀態。雙區雙光路的光纖光柵監控系統，與其他系統相比具有更加良好的可靠性，該系統的特點如下：任意監測點均采用兩套獨立存在的光線光柵監測網以及傳輸網。如果這兩套裝置監測到的信號狀態均為正常，則說明監測點沒有異物侵限的情況存在，如果這兩套裝置監測到的信號狀態為均斷線，此時，自然災害及異物侵限監測系統就需要向外傳遞出報警的相關信息，如果這兩套裝置監測到了不同于上述情況的狀態組合，那么，就需發出故障報警信號，之所以會出現這樣的情況，是因為兩套分別獨立于對方而存在的光纖光柵監測網以及傳輸網，對應的系統不僅可以根據所接受信號數據，對故障現行加以判斷，還能夠完成報警等級的設定、選擇應對措施等工作，誤報警的可能性自然也會隨之減少[2]。

其次是對異物侵限進行分區監測。自然災害及異物侵限監測系統內光源所發出的往往是寬帶光，寬帶光需要經過光分路器，才能分別傳輸光纖、異物侵限對應的傳感器內部。這里需要注意一點，異物侵限所對應傳感器，負責連接傳輸光纜的兩端，所安裝光纖光柵的規格往往有所區別，這樣能夠實現反射波長不同的光信號的目標。將反射波長信號分別設為λ1、λ2，那么，位于λ1、λ2間的區域為傳感區域，作用主要是對異物侵限情況進行監測，位于自然災害及異物侵限監測系統和光纖光柵間的區域為信號傳輸區，λ1、λ2所對應的波長信號，在正常情況下，都需要經由傳輸光纜，向光分路器返回，從而成功地進入到光信號處理器的內部，完成后續的監控工作。針對后一種情況，選擇兩臺光信號處理器的目的，是對傳輸光纜所返回的信號進行分別接收，如果兩臺處理器同時收到兩個波長不同的光信號，則表明系統處于正常的運行狀態，沒有異物侵限的情況發生，如果兩臺處理器只接收到了其中的某個光信號，而沒有接收到從另一個傳輸光纜返回的信號，則代表有光信號返回的傳輸光纜、光纖光柵監測網并沒有發生斷線的情況，無光信號返回的傳輸光纜斷線，如果處理器只有通過傳輸光纜1，才能收到λ1對應的波長信號，通過傳輸光纜2收到λ2對應的波長信號，說明傳輸光纜未斷線，但光纖光柵監測網出現了斷線的問題。另外，雖然監測網以及傳輸網同時出現斷線問題的可能性較小，但工作人員仍舊可以根據傳輸線路返回的信號，完成對故障區域進行判斷的工作，具體來說，就是兩臺光信號處理器無法接受信號、兩條傳輸線路同時斷線，當出現上述情況時，工作人員就可以默認為監測網出現斷線問題，并根據實際情況對其進行處理。而將傳輸區和監測區分開，使二者分別獨立于對方而存在，主要目的是使對異物侵限現場進行監控、對線路自身狀態進行監測，這兩項工作的同時開展成為現實，基于此所產生的傳輸故障和異物侵限報警信號，具有良好的可靠性，誤報的幾率明顯的下降。

最后，對光纖光柵的異物侵限對應的監測信號進行解調。經由光纖光柵所反射的信號作為系統傳感信號而存在，在很長一段時間內，負責對其進行解調的主體均為MOI公司（美），價格昂貴的情況無法被避免，由此而引發的問題就是該項技術無法大規模的在工程中加以應用，基于此，以降低成本為主要目的，工作人員成功研發出了一種全新的解調方法，即將光纖光柵和濾波片進行結合。光纖光柵的異物侵限對應的傳感器所反射回的波長信號有兩個，分別是λ1、λ2，部分光路用作對λ1所對應光纖光柵的濾波片進行匹配，完成報警監測信號的捕捉工作，所捕捉信號經模塊轉換，與報警接口電路相連。如果波長光信號能夠正常返回，表明該信號對應的光電模塊，輸出高電平；如果波長光信號無法正常范圍，則表明該型號對應的光電模塊，輸出低電平。與此同時，光路中還存在用作對λ2所對應光纖光柵的濾波片進行匹配，完成報警監測信號的捕捉工作的部分。如果在監測過程中發現有異物侵限的報警信息，自然災害及異物侵限監測系統包含的繼電器組合，需要在第一時間將報警信息傳遞至列控中心和監控數據處理設備；如果在監測過程中發現有異物侵限的預警信息，則需要及時將預警信息傳遞至數據信息處理設備，為后續工作的開展提供便利[3]。但是由于異物侵限監測對應的使用環境往往十分復雜，利用通斷信號無法完成對現場狀態進行有效判斷及預警的工作，例如，在鐵路邊坡的被動防護網上，對應用光纖光柵的監測網進行設置，雖然被動防護網屬于柔性網，即使承受了大量石塊的堆積，也不會出現斷裂的問題，但是鐵路上方堆積大量石塊，給列車運行安全性帶來的威脅往往難以預估，想要避免上述問題的出現，工作人員可以針對光纖光柵對應的監測網，從應力和通斷兩個方面進行雙重監測。負責解調波長和信號分析的模塊，還能夠對光纖網應力的變化情況進行監測，因此，可以根據實際需求將其加入到監控單元中，并將輸出信號作為預警信號向數據信息處理設備進行傳遞，應用波長解調模塊中的濾波器通常以角調式為主，這一類型的濾波器具有監測監測網受力情況的功能。

3 結論

綜上所述，對鐵路而言，異物侵限監測系統作為災害監測系統不可或缺的組成部分，應用光纖光柵的異物侵限系統，具有抗雷擊、穩定性好等優點，具有現實意義不言而喻。

[1]邢厚俊.光纖光柵傳感技術用于鐵路邊坡滑動監測的試驗研究[J].鐵道建筑,2018,58(02)：85-88.

[2]張政.光纖光柵傳感技術在高速鐵路軌道狀態監測中的應用[J].鐵道建筑,2016(05)：77-81.

[3]蔣金洲,呂國輝,梁晨,徐玉坡,杜香剛,商紹華.基于光纖光柵傳感技術的高速鐵路軌道狀態遠程監測數傳系統[J].鐵道建筑,2015(01)：76-79.