国铁新一代光纤分布式铁路周界安全监测系统

2016-09-06创新者张玲雨易文明

中国科技信息 2016年7期

创新者：张玲雨　易文明　任翔　王强　张令

创新者：张玲雨易文明任翔王强张令

国铁新一代光纤分布式铁路周界安全监测系统，采用相位敏感光时域反射计技术，以及双参量光时域反射技术，利用沿光缆传输的后向瑞利散射光相干探测外部入侵，并根据注入光脉冲与接收信号之间的时间延迟定位入侵地点，从而实现大范围、长距离、连续多点的分布式入侵监测与报警，并彻底解决了误报问题。满足铁路一线对事故预防及安全预警等安全生产的要求。

概述

基于相位敏感光时域反射计（Φ-OTDR）技术的国铁光纤分布式铁路周界安全监测系统，利用沿光缆传输的后向瑞利散射光相干探测外部入侵，并根据注入光脉冲与接收信号之间的时间延迟定位入侵地点，从而实现大范围、长距离的分布式入侵监测与报警。该系统最大的特点是整个光缆均为敏感区域，灵敏度高、定位精度高、实时性高，数据处理简单。在处理终端，通过时域、频域多种信号分析方法、多参数特征提取方法等现代信号处理技术，实现长距离周界上单点和多点同时入侵的准确检测、精确定位。该系统还可以根据特定算法对于环境及非人为因素入侵予以排除，只对具有威胁性的行为进行及时的声光报警，报警同时对入侵的具体位置进行数字地图定位显示，并与入侵对应位置的摄像头进行视频联动。同时，系统具有SQL数据库管理功能，能够对监测数据和报警日志进行实时自动记录、跟踪、调用和管理。

系统的技术创新点：

图1　国铁光纤分布式铁路周界安全监测系统光纤围栏组成示意图

双参量光时域反射技术优势：高灵敏度振动探测模块对微弱的振动信号敏感，保证了系统的灵敏度和检测率，可对翻越周界护栏的入侵行为进行有效捕捉和预警。光缆应变探测模块只对较大的光缆弯曲应变敏感（但对振动不敏感），可对翻越周界护栏的入侵动作可以进行二次判别和有效确认。通过一根光缆获得双重判据，在保证检测率的基础上大幅降低系统的误报率。

OTDR光时域反射技术优势：基于OTDR（光时域反射）技术的光纤分布式定位型周界监测系统具有全程无源、抗电磁干扰、抗雷击、定位精确、灵敏度高、超长距离监测等诸多优点。

在技术上与防区型的光纤周界监测系统相比的优势：在监测距离、定位精度和防误报这三个方面具有明显的优势。并具备多点入侵同时监测与定位功能。

工程上的优势：光纤分布式定位型周界监测系统采用单根振动传感光缆单向布设，无需构成回路，并且单套系统监测距离可达数十公里，无需续接辅件（无中继和续接单元），大幅降低了施工难度和后期维护成本。

图2　双参量光时域反射技术组成示意图

图3　国铁光纤分布式铁路周界安全监测系统报警示意图

图4　国铁光纤分布式周界监测系统组成示意图

系统的特色

实时报警：响应时间＜0.1 s ；

极高探测率：入侵探测率100% ；

极低误报率：误报率＜2% ；

单套系统监测防护范围：10-60km不等；

定位精度：可实现监测周界沿线的连续定位。入侵定位精度为±10m；

可实现2点以上的多点入侵同时监测，多点入侵的定位精度有保证；

可以在单套系统中实现对周界不同入侵行为和环境干扰的双重判断，从而大大降低了系统的误报率；

具备声光报警及数字地图定位功能；

具备设备故障自查和反破坏能力；

具备数据库管理功能，实现实时监测数据及报警日志的自动输入、查询、调用与管理；

具备视频联动（遥视、摇控）功能；

手动设置报警门限；

全天候运行，实时监控。

本文将就国铁光纤分布式铁路周界安全监测系统的设计方案进行讨论。

系统设备组成

国铁新一代光纤分布式铁路周界安全监测系统，如图4所示，由三个主要部分组成：入侵探测光缆、入侵信号解调主机和控制主机单元。入侵信号解调主机由激光发射系统、激光方法系统、激光接收系统以及激光处理系统等部分集成。控制主机单元作为上位机，基于计算机平台，实现系统控制和信息显示，信息处理和数据通信等功能。

处理终端

系统处理终端由处理主机、显示器、键盘鼠标等外设构成，由于本系统涉及海量数据运算，系统配置最低要求如下：

操作系统：Windows XP/7/ME/2000

CPU速度与类型：2GHZ Intel Pentium Ⅳ处理器

硬盘空间：500M剩余硬盘空间

内存：1G

CD/DVD-ROM驱动器：16倍速以上

输入设备：键盘，鼠标

系统推荐配置为：

操作系统：Windows 7

CPU速度与类型：1.5GHZ Intel Core dual 处理器或更好

硬盘空间：80G

内存：4G

CD/DVD-ROM驱动器：16倍速以上

输入设备：键盘，鼠标

入侵信号解调设备

入侵信号解调设备，如图3所示，是国铁光纤分布式铁路周界安全监测系统的核心器件，其监测原理是将光纤一端注入光脉冲信号，探测后向瑞利散射光，由于注入光纤中的激光线宽很窄，具有很好的相干性，因此入侵信号解调设备探测的信号实际上就是脉冲宽度区域内反射回来的瑞利散射光相干干涉的结果。当光纤线路上的某个位置由于入侵而发生扰动时，光纤相应位置的折射率将发生变化，这将导致该处光相位发生变化，由于干涉作用，相位的变化将引起后向散射光光强发生变化，所以这些光强变化的时间将会对应于入侵发生的位置。

入侵信号解调主机是光纤分布式铁路周界安全监测系统的核心设备，如下图所示。该主机光纤通道的光学接口类型为FC-APC接口。

主要技术指标：

监测长度：0-10km，0-20km，0-40km

报警定位精度：±10～20m

报警响应时间：＜3s

入侵检测率：100%

误报率：＜2%

响应频率：0～500HZ

连接方式：单端连接

通信接口：100M以太网

工作温度：-15～+45℃

存储温度：-30～+60℃

环境湿度：5～90%（无凝露）

供电：AC 100～240V，50～60HZ

监测系统硬件连接

图5　入侵信号解调设备实物图

图6　监测系统的硬件连接示意图

该系统硬件连接方式：（1）探测光缆与入侵系统解调主机之间通过FC-APC光缆接口方式连接；（2）入侵信号解调主机与控制主机之间采用网线连接；（3）控制主机与其它监控系统可通过以太网连接。

传感光缆及其工程施工

探测光缆安装方式根据具体周界类型不同可进行灵活调整。对于周界围栏的挂网安装方式，一般在网面上采用S型或直线型的路径布设光缆，光缆长度对实际物理距离长度的推荐比例为1.5～2：1。整个铺设光缆的线路即为所监控的区域周界。沿着需要监控的区域将光缆按上述方式布铺设好，光缆上下端固定处可采用尼龙绑带固定，光缆布设过程中应避免光缆被拉的太紧或者弯曲太大，导致传输的光信号衰减较大影响传感光缆的有效检测距离。部分光缆布设实例如图7所示。

监测系统软件功能的实现

系统软件通过控制数据采集卡，实时读取数据，并通过后台对数据的分析、处理，监控防护周界上的传感光缆状态，并将处理结果进行报警输出，通过报警声音提示保安人员作及时响应，同时将报警入侵的具体地点显示在程序主界面的数字地图上。同时，通过视频联动，可以控制视频监控系统进行重点区域或入侵地域的图像记录和捕捉。

监测系统软件包括光纤主机的周界入侵检测识别模块、可视化综合交互功能模块、数据库日志综合管理功能模块、周界入侵视频联动模块4个主要功能模块，以及登录及权限管理等其他功能模块。

当监测系统检测到光缆扰动，怀疑有入侵行为时，监控软件会自动跳转到电子地图的监控主页面，点亮“黄色”预警灯，在电子地图上显示该入侵位置以及该入侵点所处的区段，并将其对应的光缆位置及物理位置等信息显示于界面右边报警信息栏中，如图8所示。

结束语

本文对国铁新一代光纤分布式铁路周界安全监测系统的设计方案进行了分析和探讨，提出了硬件和软件的实现方案，并对系统运用进行的描述。该系统在国铁系统，特别是高铁系统的推广运用，将有效提高铁路非法入侵检测的能力，对入侵行为提前预警、精准定位、快速反应，准确报警，全面提升铁路非法入侵的防护，实现物防、技防、联防、人防四防一体化水平，为确保铁路运输生产的安全，发挥保驾护航的重要作用。