振动光纤在铁路沿线边坡报警系统中的应用

赵 旭，连翠玲，王 帅

（河北省自动化研究所，石家庄 050081）

我国是一个山地、丘陵大国，每年发生的地质自然灾害主要集中于山区地带，而自然灾害中的山体滑坡、崩塌落石和泥石流占据了多数[1]。位于山区的铁路，在工程的勘察建设过程中，尽管已经尽可能地避开重大不良地质地段和集中的崩塌危岩落石地段，但由于山区高坡险地地段覆盖范围广泛，高陡边坡和危岩落石防护仍是常见且无法避免的工程形式，不断发生的高陡边坡失稳滑坡、危岩落石侵入交通路线等事件严重威胁着人们的生命和财产安全和国家正常的交通运输安全[2]。因此我国规定客运专线铁路（高速铁路）必须实施对自然灾害以及入侵交通线等开展监控，为列车的正常运营、行车计划等提供有效的灾害预警数据。

由于边坡落石报警系统长期工作于环境恶劣、无人值守的野外，必须保证其使用时的可靠性与准确性，因此利用振动光纤作为传感单元的优势便体现出来。振动光纤采用传统铠装通信光缆[3]，其中的光传输能够在外界多变的气候和恶劣环境的影响下，仍然能采集细小的振动信号。利用振动光纤与信号采集器、环境传感器、火车探测传感器、视频采集与分析单元和报警装置组成的落石报警系统，可自动探测落石等侵害线路的情况，并能够为列车提供预警，保证铁路的安全运营。

1 振动光纤简介

光纤不仅可以用于信号传输，还可用作特殊的传感元件[4]。当有振动或压力作用于传感光缆上时，纤芯直径、纤芯折射率及光纤长度都将发生变化，这些变化会使得传感光缆中传输光的相位发生变化，经过光电转换后这种光特性变化就被转换成携带了外界行为信息的光纤振动信号。

本文所应用的振动光纤基于马赫—泽德光纤干涉仪原理，其原理示意如图1所示。为了检测微弱振动，采用两芯单模光纤构成平衡光纤干涉仪，一根光纤为信号光纤，另一根为参考光纤[5]。激光器发射激光经光纤耦合器分别至参考光纤和信号光纤中，当有振动或者压力信号作用到信号臂光纤时引起其几何尺寸和折射率等参数发生变化，导致传输的光波相位产生变化，从而两束光再次相遇时发生干涉形成干涉光，通过光探测器探测后至光电转换器，将光信号转换为可被直接测量的电信号，以供系统分析和处理。

图1 振动光纤原理示意图Fig.1 Schematic diagram of vibrating optical fibers

2 落石报警系统组成

2.1 系统介绍

铁路沿线边坡落石自动报警系统由振动光纤、信号采集器、传感器系统、视频采集与分析单元和报警装置组成，系统安装示意图如图2所示。振动光纤安装于铁路沿线靠近山体的一侧，地埋区域安装有防护装置，防止人畜经过引起不正常的反应；信号采集器采集光纤的振动信号，如果振动强度达到阈值将报警信号传给报警装置；视频采集与分析单元可捕捉现场视频图像，分析图像内容，辅助工作人员有效观察现场情况，做出判断；报警装置由嵌入式工业计算机系统组成，外置DTU，可实现远程数据的接收和发送；报警装置内置报警的联动模型，实时接收传感器系统的数据信息，判断到有落石发生或可能危及铁路安全时，立即报警，以短信、GPRS等形式通知相关人员和调度中心进行处理。

图2 系统现场安装示意图Fig.2 Schematic diagram of system on-site installation

2.2 振动光纤的安装

振动光纤必须安装于铁路沿线的合适位置，既要保证灾害发生时，在落石的冲击下传感光缆能够发出报警信号，又要避免有轻微晃动或者小型落石不足以对铁路造成伤害时产生误报。因此根据现场条件，为保证探测无死角，光纤的安装采用地埋与半坡敷设相结合的方式，每50 m设置安装一个终端盒作为一个防区，无论是地埋还是半坡敷设，光纤采用4折的敷设方式，如图3所示。使用该方式铺设光纤可提高探测灵敏度，抗干扰性能好。

图3 光纤敷设方式Fig.3 Optical fiber laying mode

所有的光纤振动传感单元都连接到信号采集器，每个防区都有其独立编号，当某一防区有报警信号时，调度中心可快速分辨出是哪个防区出现异常，便于快速进行响应。

2.3 传感器系统

传感器系统包括雨量传感器、风速传感器及火车探测传感器。雨量传感器为精密型双翻斗式雨量计，用于测量自然界降雨量。风速传感器为三杯式风速传感器，用于测量自然界的风速。将测量的雨量、风速值转换为数字信息量输出，以满足信息传输、处理、记录和显示等的需要。火车探测传感器采用远距离反馈反射光电开关，在整体防区的两端各设有一个，当有火车经过时，将会有规律的遮挡光电开关的激光信号，由此可判断是否有火车经过。传感器系统接入报警系统的嵌入式工业计算机上，由其分配地址进行数据采集。

2.4 视频采集与分析单元

视频采集与分析单元包括激光监控摄像机与视频分析系统，激光监控摄像机安装于整个防区的关键监测点，视频分析系统对实时视频图像进行分析，通过算法规则的设定来进行图像中的区域异物入侵监测，可根据情况产生报警。视频采集与分析单元采用计算机视觉方式，在几乎不需要人为干预的情况下，通过对激光监控摄像机拍录的图像序列进行定位、识别和跟踪，并在此基础上分析和判断目标的行为，从而做到在异常情况发生的时候及时做出反应。

3 现场抗干扰处理

本系统在现场应用时的干扰类型主要有振动信号干扰、外界环境干扰等，通过现场抗干扰处理以保证本系统安全、可靠的运行。

3.1 振动信号降噪

振动光纤对于外界信号的反应非常敏感[6]。由于其敷设于在环境复杂的山区铁路现场，在应用时采集到的信号包含外界的干扰噪声，如不进行信号的降噪处理极易造成误报，影响用户的使用和判断。

为了抑制光纤振动信号中携带的干扰噪声，本系统采用小波阈值去噪法进行信号降噪处理，阈值函数选取软阈值函数[7]，其表达式为

式中：dj（k）为处理前的小波系数；η（dj（k））为处理后的小波系数；T为阈值。

阈值的估计采用改进后的固定阈值方法[8]，即：

式中：N为信号长度；σ为噪声的标准误差。

图4所示为一个模拟落石的信号图及对其进行小波降噪后的信号图。通过两图对比可看出，降噪前的模拟落石信号虽然较明显，但是在信号的采样过程中有许多明显的背景噪声信号，极易造成信号识别干扰；进行小波降噪后，背景噪声基本被抑制，达到了期望的效果。

图4 小波阈值去噪法降噪对比效果图Fig.4 Contrast effect of wavelet threshold denoising

3.2 剔除外界干扰

外界环境干扰主要有刮风、下雨、人畜踩踏、火车经过等，为保证系统的准确及耐用，需建立报警逻辑，进行外界干扰误报的甄别与剔除，实现落石报警信息综合判断并确定报警类型。截止到目前，确定的系统报警判断信息如表1所示。

表1 综合判断信息列表Tab.1 Comprehensive judgment information list

系统根据以上条件联合进行判断确定报警，例如：在风速＜2级，未下雨的天气情况下，如果半坡光纤发出报警信号，随后地埋光纤也发出报警信号，而火车探测传感器未探测到火车经过，则判断为有落石滚落，系统则立即发出报警信号；在风速＜2级，未下雨的天气情况下，如果半坡光纤未发出报警信号，而地埋光纤发出报警信号，此时火车探测传感器探测到火车经过，则判断为有干扰信号，系统则过滤，不发出报警信号。以上为几个典型联动判断条件，实际联动模型需在项目实施过程中逐步完善。

4 结语

及时有效地进行铁路沿线边坡的落石探测及报警，可以提高因地质灾害造成铁路事故的处理速度，减少经济损失和社会影响，保证铁路的安全运营，保障人民群众的生命财产安全，具有相当重要的意义。本文所介绍的落石报警系统本系统能够在无人值守的情况下，利用振动光纤探测落石情况，通过进行信号降噪、剔除外界干扰手段后将有效的报警信息发布给相关工作人员，联动视频远程查看现场情况，可代替传统的人工巡检方式，提高监测效率，降低工作人员的劳动强度，能够满足铁路边坡落石病害监控的要求，而且该系统也可应用于公路等其他地质灾害报警领域。