振動光纖在鐵路沿線邊坡報警系統中的應用

趙 旭，連翠玲，王 帥

（河北省自動化研究所，石家莊 050081）

我國是一個山地、丘陵大國，每年發生的地質自然災害主要集中于山區地帶，而自然災害中的山體滑坡、崩塌落石和泥石流占據了多數[1]。位于山區的鐵路，在工程的勘察建設過程中，盡管已經盡可能地避開重大不良地質地段和集中的崩塌危巖落石地段，但由于山區高坡險地地段覆蓋范圍廣泛，高陡邊坡和危巖落石防護仍是常見且無法避免的工程形式，不斷發生的高陡邊坡失穩滑坡、危巖落石侵入交通路線等事件嚴重威脅著人們的生命和財產安全和國家正常的交通運輸安全[2]。因此我國規定客運專線鐵路（高速鐵路）必須實施對自然災害以及入侵交通線等開展監控，為列車的正常運營、行車計劃等提供有效的災害預警數據。

由于邊坡落石報警系統長期工作于環境惡劣、無人值守的野外，必須保證其使用時的可靠性與準確性，因此利用振動光纖作為傳感單元的優勢便體現出來。振動光纖采用傳統鎧裝通信光纜[3]，其中的光傳輸能夠在外界多變的氣候和惡劣環境的影響下，仍然能采集細小的振動信號。利用振動光纖與信號采集器、環境傳感器、火車探測傳感器、視頻采集與分析單元和報警裝置組成的落石報警系統，可自動探測落石等侵害線路的情況，并能夠為列車提供預警，保證鐵路的安全運營。

1 振動光纖簡介

光纖不僅可以用于信號傳輸，還可用作特殊的傳感元件[4]。當有振動或壓力作用于傳感光纜上時，纖芯直徑、纖芯折射率及光纖長度都將發生變化，這些變化會使得傳感光纜中傳輸光的相位發生變化，經過光電轉換后這種光特性變化就被轉換成攜帶了外界行為信息的光纖振動信號。

本文所應用的振動光纖基于馬赫—澤德光纖干涉儀原理，其原理示意如圖1所示。為了檢測微弱振動，采用兩芯單模光纖構成平衡光纖干涉儀，一根光纖為信號光纖，另一根為參考光纖[5]。激光器發射激光經光纖耦合器分別至參考光纖和信號光纖中，當有振動或者壓力信號作用到信號臂光纖時引起其幾何尺寸和折射率等參數發生變化，導致傳輸的光波相位產生變化，從而兩束光再次相遇時發生干涉形成干涉光，通過光探測器探測后至光電轉換器，將光信號轉換為可被直接測量的電信號，以供系統分析和處理。

圖1 振動光纖原理示意圖Fig.1 Schematic diagram of vibrating optical fibers

2 落石報警系統組成

2.1 系統介紹

鐵路沿線邊坡落石自動報警系統由振動光纖、信號采集器、傳感器系統、視頻采集與分析單元和報警裝置組成，系統安裝示意圖如圖2所示。振動光纖安裝于鐵路沿線靠近山體的一側，地埋區域安裝有防護裝置，防止人畜經過引起不正常的反應；信號采集器采集光纖的振動信號，如果振動強度達到閾值將報警信號傳給報警裝置；視頻采集與分析單元可捕捉現場視頻圖像，分析圖像內容，輔助工作人員有效觀察現場情況，做出判斷；報警裝置由嵌入式工業計算機系統組成，外置DTU，可實現遠程數據的接收和發送；報警裝置內置報警的聯動模型，實時接收傳感器系統的數據信息，判斷到有落石發生或可能危及鐵路安全時，立即報警，以短信、GPRS等形式通知相關人員和調度中心進行處理。

圖2 系統現場安裝示意圖Fig.2 Schematic diagram of system on-site installation

2.2 振動光纖的安裝

振動光纖必須安裝于鐵路沿線的合適位置，既要保證災害發生時，在落石的沖擊下傳感光纜能夠發出報警信號，又要避免有輕微晃動或者小型落石不足以對鐵路造成傷害時產生誤報。因此根據現場條件，為保證探測無死角，光纖的安裝采用地埋與半坡敷設相結合的方式，每50 m設置安裝一個終端盒作為一個防區，無論是地埋還是半坡敷設，光纖采用4折的敷設方式，如圖3所示。使用該方式鋪設光纖可提高探測靈敏度，抗干擾性能好。

圖3 光纖敷設方式Fig.3 Optical fiber laying mode

所有的光纖振動傳感單元都連接到信號采集器，每個防區都有其獨立編號，當某一防區有報警信號時，調度中心可快速分辨出是哪個防區出現異常，便于快速進行響應。

2.3 傳感器系統

傳感器系統包括雨量傳感器、風速傳感器及火車探測傳感器。雨量傳感器為精密型雙翻斗式雨量計，用于測量自然界降雨量。風速傳感器為三杯式風速傳感器，用于測量自然界的風速。將測量的雨量、風速值轉換為數字信息量輸出，以滿足信息傳輸、處理、記錄和顯示等的需要。火車探測傳感器采用遠距離反饋反射光電開關，在整體防區的兩端各設有一個，當有火車經過時，將會有規律的遮擋光電開關的激光信號，由此可判斷是否有火車經過。傳感器系統接入報警系統的嵌入式工業計算機上，由其分配地址進行數據采集。

2.4 視頻采集與分析單元

視頻采集與分析單元包括激光監控攝像機與視頻分析系統，激光監控攝像機安裝于整個防區的關鍵監測點，視頻分析系統對實時視頻圖像進行分析，通過算法規則的設定來進行圖像中的區域異物入侵監測，可根據情況產生報警。視頻采集與分析單元采用計算機視覺方式，在幾乎不需要人為干預的情況下，通過對激光監控攝像機拍錄的圖像序列進行定位、識別和跟蹤，并在此基礎上分析和判斷目標的行為，從而做到在異常情況發生的時候及時做出反應。

3 現場抗干擾處理

本系統在現場應用時的干擾類型主要有振動信號干擾、外界環境干擾等，通過現場抗干擾處理以保證本系統安全、可靠的運行。

3.1 振動信號降噪

振動光纖對于外界信號的反應非常敏感[6]。由于其敷設于在環境復雜的山區鐵路現場，在應用時采集到的信號包含外界的干擾噪聲，如不進行信號的降噪處理極易造成誤報，影響用戶的使用和判斷。

為了抑制光纖振動信號中攜帶的干擾噪聲，本系統采用小波閾值去噪法進行信號降噪處理，閾值函數選取軟閾值函數[7]，其表達式為

式中：dj（k）為處理前的小波系數；η（dj（k））為處理后的小波系數；T為閾值。

閾值的估計采用改進后的固定閾值方法[8]，即：

式中：N為信號長度；σ為噪聲的標準誤差。

圖4所示為一個模擬落石的信號圖及對其進行小波降噪后的信號圖。通過兩圖對比可看出，降噪前的模擬落石信號雖然較明顯，但是在信號的采樣過程中有許多明顯的背景噪聲信號，極易造成信號識別干擾；進行小波降噪后，背景噪聲基本被抑制，達到了期望的效果。

圖4 小波閾值去噪法降噪對比效果圖Fig.4 Contrast effect of wavelet threshold denoising

3.2 剔除外界干擾

外界環境干擾主要有刮風、下雨、人畜踩踏、火車經過等，為保證系統的準確及耐用，需建立報警邏輯，進行外界干擾誤報的甄別與剔除，實現落石報警信息綜合判斷并確定報警類型。截止到目前，確定的系統報警判斷信息如表1所示。

表1 綜合判斷信息列表Tab.1 Comprehensive judgment information list

系統根據以上條件聯合進行判斷確定報警，例如：在風速＜2級，未下雨的天氣情況下，如果半坡光纖發出報警信號，隨后地埋光纖也發出報警信號，而火車探測傳感器未探測到火車經過，則判斷為有落石滾落，系統則立即發出報警信號；在風速＜2級，未下雨的天氣情況下，如果半坡光纖未發出報警信號，而地埋光纖發出報警信號，此時火車探測傳感器探測到火車經過，則判斷為有干擾信號，系統則過濾，不發出報警信號。以上為幾個典型聯動判斷條件，實際聯動模型需在項目實施過程中逐步完善。

4 結語

及時有效地進行鐵路沿線邊坡的落石探測及報警，可以提高因地質災害造成鐵路事故的處理速度，減少經濟損失和社會影響，保證鐵路的安全運營，保障人民群眾的生命財產安全，具有相當重要的意義。本文所介紹的落石報警系統本系統能夠在無人值守的情況下，利用振動光纖探測落石情況，通過進行信號降噪、剔除外界干擾手段后將有效的報警信息發布給相關工作人員，聯動視頻遠程查看現場情況，可代替傳統的人工巡檢方式，提高監測效率，降低工作人員的勞動強度，能夠滿足鐵路邊坡落石病害監控的要求，而且該系統也可應用于公路等其他地質災害報警領域。