基于光纤光栅传感技术的高速铁路轨道状态远程监测数传系统

蒋金洲，吕国辉，梁 晨，徐玉坡，杜香刚，商绍华

(1.中国铁道科学研究院 铁道建筑研究所，北京 100081;2.高速铁路轨道技术国家重点实验室，北京 100081; 3.光纤传感技术国家地方联合工程研究中心，哈尔滨 黑龙江 150080;4.黑龙江大学电子工程学院，哈尔滨 黑龙江 150080)

基于光纤光栅传感技术的高速铁路轨道状态远程监测数传系统

蒋金洲1，2，吕国辉3，4，梁 晨1，2，徐玉坡1，2，杜香刚1，2，商绍华3，4

(1.中国铁道科学研究院 铁道建筑研究所，北京 100081;2.高速铁路轨道技术国家重点实验室，北京 100081; 3.光纤传感技术国家地方联合工程研究中心，哈尔滨 黑龙江 150080;4.黑龙江大学电子工程学院，哈尔滨 黑龙江 150080)

介绍了基于光纤光栅传感技术的高速铁路轨道状态远程监测系统的构成，详细阐述了系统的数据采集、处理和传输方法，包括数据的读取、预处理及无线网络等相关技术方法。针对大流量监测数据实时无线传输的瓶颈问题，提出光纤光栅解调系统数据处理和无线传输的方案，可对监测数据自动进行加密、校验和打包，并通过GPRS模块将监测数据推送至远端数据中心。该系统已应用于我国多处高速铁路轨道状态长期监测工点，系统运行状态良好，数据传输系统稳定可靠。

光纤光栅传感 远程监测 无线传输 LabVIEW

轨道状态远程监测系统(Detecting SystemOf Track，以下简称DSOT)能够实现全天候的在线自动监测，并可实现轨道结构温度、位移和应变等相关监测参数的自动采集、处理和传输，适用于高速铁路典型地段轨道状态参数的长期监测工作。

DSOT是据我国高速铁路监测的实际需要，基于光纤光栅传感技术进行研发的。相对传统使用电信号作为信号载体的传感器来说，光纤光栅传感器具有较强的抗电磁干扰能力，并且测试信号的温度漂移不明显。这些技术特点对结构的长期监测十分有利。随着光纤光栅传感技术的发展，适用于监测温度、应变、位移和振动加速度等参数的光纤光栅传感器不断涌现，也使得DSOT的监测对象能够不断扩展。

1 轨道状态远程监测系统构成

DSOT主要由硬件系统和软件系统构成，其系统框架如图1所示。

图1 高速铁路轨道状态远程监测系统组成

图2 国产HD808N光纤光栅解调仪

DSOT硬件系统主要包括传感器、数据采集与调理设备、主控计算机、电源供电设备和辅助设备等部分。其中数据采集与调理设备即光纤光栅解调仪(以下简称“解调仪”)是DSOT中的关键设备，用于采集光纤光栅传感器监测信号。几年前，国外解调仪占据了我国轨道状态远程监测领域较大市场份额。近年来随着国产研发能力的提高，国产解调仪性能基本达到了国际同类设备的技术水平。图2所示的国产HD808N解调仪可实现8个通道同步实时采集数据，光栅波长测量范围为1 510～1 590 nm，测量精度达到±1 pm，工作环境温度范围为-35℃～55℃。

DSOT软件系统则由多个相关数据处理软件子系统组成，根据其应用对象可分为前端数据处理及传输子系统(以下简称数传系统)、终端数据浏览子系统和服务器端数据库管理子系统三大部分。本文主要针对数传系统构建方法进行重点讨论。

2 DSOT数传系统

DSOT数传系统主要具备数据采集、数据预处理和数据发送等功能。该系统采用LabVIEW语言进行编写，运行在W indows系统环境下，其将解调仪采集到的光纤光栅传感器波长信息通过网络接口从解调仪传输到主控计算机，在主控计算机内对数据进行压缩和加密处理，之后将监测数据向指定的在线数据处理服务器进行推送。

2.1 工作流程

DSOT数传系统工作流程:首先将解调仪采集到的光纤光栅传感器波长信号读取出来，并通过解调仪网络接口传输到主控计算机内，在主控计算机内对数据进行存储;其次对采集数据进行数据处理和打包加密，将调制后的监测数据通过有线(或无线)通信设备经互联网推送至指定的在线数据处理服务器;最后由在线数据处理服务器对接收到的数据进行解调、存储和分析，并针对指定的用户提供相关监测数据的在线查询和统计等服务，及时地为决策者提供参考。

2.2 数据采集

主控计算机和解调仪通过RJ45接口进行通信，二者之间通过TCP协议以特定的数据格式进行数据传输。为叙述方便，以下将主控计算机称为“Server端”，解调仪称为“Client端”，Server端和Client端的数据传输框架如图3所示。依据图3设计了图4所示的数据采集模块，以实现基于TCP协议的Server端和Client端之间的数据通信。

图3 数据传输框架

图4 数据采集模块设计

数据采集模块通过LabVIEW提供的“TCP监听器函数”来实现两个网络主机之间的点对点通信。通信流程为Server端通过“TCP监听器函数”建立监听器，对指定端口进行监听。当采集到测试数据之后，Client端向Server端被监听的指定端口发出连接请求。Server端接收到请求后建立与Client端的连接，并通过该连接进行通信，将采集数据接入。通信结束后，两端关闭连接。

数据采集模块通过相关算式将光栅光纤传感器的中心波长分成两段进行传输，每次都以ASCII码方式传输8个字节。

2.3 数据预处理

1)数据压缩

当解调仪连接多个光纤光栅传感器时，单位时间采集的数据量较大。但受制于现场环境，数据传输带宽和传输速率往往不是很理想。基于此，DSOT数传系统提供了一种压缩算法。通过该算法可实现约70%～90%的数据压缩比，这样大大降低远程数据传输的数据量，保证了在高速采集状态下数据传输的实时性与可靠性。

HD808N光纤光栅解调仪最高采样频率为2 Hz，若同时接入40只光栅传感器，未压缩前所需数据带宽为48 kb/s。通过设计的压缩算法，可将带宽需求降低至10 kb/s左右。目前移动网络通信2G网络实际带宽为20～30 kb/s(3G和4G网络的带宽条件更为优越)，可见现有移动网络通信能够满足数据实时传输要求。

2)数据加密

由于监测信息要通过互联网传输至指定的服务器，为杜绝网络传输过程中数据泄密，监测信息需进行数据加密后才可发送。数据加密的基本过程就是对原来为明文的数据按某种算法进行处理，使其成为不可读的“密文”。

DSOT数传系统采用了编码变换方式，将采集到的数据进行加密。具体加密方法:首先Server端将从Client端接收到的明文字符串数据流通过“字符串至字节数组”转换函数转换为不带符号的数组。之后读取数组中的各个字节对应的ASCⅡ码值，并通过密钥将其转化为数值类型。最后将上述ASCⅡ码值与密码数值相加，得到新的ASCⅡ码值再转化为字符串(即密文)输出，从而实现了传输过程中的加密，具体示意如图5。

图5 加密算法实现示意

3)数据校验

TCP协议理论上可以保证数据传输的100%正确，但是在无线网络出现堵塞的时候还是会出现部分数据丢包的现象。DSOT数传系统通过对数据加入识别标志奇偶校验码(以下简称CRC码)来校验数据传输的正确性。如果接收端接受到的CRC码有误，则说明数据通信中出现了丢包，接收端可对接收到的数据进行丢弃，继续下组数据的处理。

2.4 数据传输

建立网络连接以后，将接收到的网络数据开始存储于预先设置的内存空间，并转发至无线数据模块进行数据推送。每发送1 024个字节组成1帧，每帧数据结构由包头、数据段、CRC校验码和包尾组成，其中数据段由采集时间、传感器对应通道、序号和中心波长等信息组成。具体信息如表1所示。

表1 每帧的数据构成

3 应用实例

DOST已先后应用于郑西高速铁路350 km/h钢轨伸缩调节器、哈大高铁长春西站62#道岔和盘营高铁桥上CRTSⅢ型板等轨道结构监测。监测参数包括轨温、环境温度、梁温、钢轨纵向力和轨道结构累积位移等，监测效果良好。图6为郑西高铁现场传感器布置情况。

图6郑西高铁现场传感器布置

图7 为数据中心的接收信息界面，可以清楚地看到数据中心和现场的传输平台已建立起有效链接，系统提示远程IP为121.199.160.33，端口号为2000，这是一个典型的TCP连接提示，系统正处于监听模式。服务器已经接收到52个波长值，远程数据同时携带着时间信息和波长信息，通过图形可直观地看到数据得到很好的压缩和还原。

图7数据中心接收盘营高铁监测信息界面

图8 揭示了郑西高铁数据监测情况。通过该监测系统采集的数据可以看出2011年至2012年度测区轨温变化幅度为61℃，气温变化幅度为46℃，梁温变化幅度为42℃。

图8 郑西高速铁路数据监测情况

4 结语

本文详细介绍了DSOT数传系统进行数据采集、数据预处理和数据传输的原理。DSOT数传系统具有完整的自主知识产权，通过该系统可将国产光栅光纤解调仪纳入到DSOT中，从而实现我国高速铁路轨道状态远程监测系统从软件到硬件的全面国产化。

目前，该系统已在国内高速铁路投入使用达两年，系统状态稳定，累积了大量原始数据。实践证明，DSOT能够适应铁路沿线的复杂环境，可实现铁路基础设施全天候的长期在线自动监测，系统的使用为基础设施服役状态判定提供数据支撑。

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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

(责任审编 葛全红)

2014-09-19;

2014-10-10

国家973计划项目(2012CB723806);国家高技术研究发展计划项目(2011AA11A102)

蒋金洲(1968—)，男，福建漳平人，研究员，硕士。