基于分布式光纤传感技术的高铁安防系统

2021-07-05叶雯

铁路通信信号工程技术 2021年6期

叶雯

（中国人民武装警察部队海警学院舰艇指挥系，浙江宁波 315801）

1 概述

信息技术和社会经济的飞速发展，使人们对交通出行方式提出了越来越高的要求。民航由于受到天气和航空流量控制的影响，虽然在速度方面有一定的优越性，但是比较容易出现航班延误和取消的情况，具有一定的限制性；公路交通，由于其经常会受到天气和高速公路拥堵的影响，也具有一定的限制性。而高速铁路，由于其具有运行准时、安全、舒适、运输量大且速度快的优点，已经渐渐成为人们出行的首选交通方式。进入21世纪以来，高速铁路得到了迅速发展，不仅在速度上得到飞速进步，在列控和安全防控方面也越来越往智能方向发展。目前，国内高铁列控技术在实际应用中已经发展到CTCS-3级列控系列，采用准移动闭塞方式，应用于时速300 km以上的高铁系列，而更高一级的CTCS-4级列控系统，可以实现移动闭塞和虚拟闭塞，从而缩短行车间隔，尚处于理论研究阶段[1]。

高铁系统在提升速度的同时，还必须考虑到安全性问题，因此专家学者们在研究如何提高高铁运行速度的同时，也开展对高铁安全性问题的科学研究。国内在这方面的工作已经取得一定的进展。参考文献2分析不同铁路场所下的不同安防系统，主要运用到了红外对射、电子围栏、振动光纤、视频监控等多种安防手段[2]。参考文献3对目前国内铁路正在试行的周界入侵报警系统进行了优化[3]。参考文献4在分析了以上安防系统不足的基础上，提出基于微波列阵技术的高铁周界安防系统，弥补主流安防系统的不足[4]。

2 高铁安防系统

本文阐述一种高铁安防系统，该系统包括检测模块、报警模块、传输模块3部分，而检测模块又包括电力检测模块、温度传感检测模块、空气压力检测模块和光纤振动检测模块。其中的光纤振动检测模块是利用光纤的瑞利散射信号，通过光相位变化来检测入侵信号，具有实时、多点、长距离远程监控报警功能。该模块可以根据对比反射回来的振动波形来判断高铁周界的不安全因素源的位置和类型，给予报警和视频监控，针对不同的不安全因素源来采取不同的应对措施，排除不安全因素。

高铁周界安防系统的工作原理如图1所示。系统由传输模块、检测模块和报警模块构成。检测模块又由空气压力检测模块、电力检测模块、温度传感检测模块、光纤振动检测模块组成。传输模块包括无线传输部分和有线传输部分。报警模块包括信息记录部分和语音警示部分。信息记录部分又包括图像显示和数据记录两部分，其中的图像主要是记录光纤振动模块中非正常扰动的视频监控录像，提示有非正常扰动信号时，显示扰动源的相关视频情况。语音提示部分是当各个模块超过设定阈值时给予报警提示，并且记录相关信息。

2.1 光纤振动传感检测模块

高铁安防系统中，光纤振动传感检测模块部分是本设计的一个重要部分，可以实现实时、多点、远距离的24 h无人监控，该技术还被应用在边境安防监控中[5]。工作原理如图2所示，激光器发出1550 nm的单频激光光源，脉冲宽带在10～100 ns，经过脉冲调制后，发射出的脉冲光源经过功率放大，使获得足够强的功率可以得到回波信号，被放大的脉冲激光经过光滤波器，使放大过程中产生的非发射波段干扰得以去除。在传输的过程中，由于光纤内部产生了瑞利散射[6]，在光纤的不同位置会产生一个反向的散射信号，信号通过光纤耦合器，经过光滤波和放大器，由高灵敏的光信号接收系统接收，通过光电转换变成随时间变化的电信号波形，经过计算机对波形进行分析，假如在光纤铺设的整个检测路段，有非正常扰动产生，那么通过检测反射回来的波形变化，将其和之前没有扰动的波形进行比较，就可以判断出非正常振动的位置和振动源的类型[6]，进而启动报警系统报警。

该光纤振动传感模块是利用光时域反射计原理[7-8],在光时域谱上通过对比反射光谱的变化来感知外界扰动情况。该模块所用的激光光源是脉冲光源，其脉冲的频率需要根据系统要求设定，最高频率决定于传感光纤的铺设总长，为使两个脉冲信号之间无干扰，设定的脉冲周期应大于光脉冲在光纤中的来回时间。根据传感光纤的总长度，可以确定下一个脉冲的发射时间，例如，对于10 km的光纤长度，光纤发射和经过的光纤总长度为20 km，对应的来回传输时间约为10-4s，因此脉冲间隔必须大于10-4s，这样脉冲的最高频率可以设定为10 kHz。如果光纤长度扩展为50 km，对应的来回时间为5×10-4s，这时脉冲的最高频率可以设定为2 kHz。由此可见，该光纤振动检测模块的激光光源需要根据实际情况进行选择，不同的传感检测距离，选择不同频率和功率的脉冲激光光源。

该光纤振动传感检测模块的优点在于，可以实时监控高铁周边情况，一旦非正常扰动产生，可以即时报警，并且由计算机软件系统分析出非正常扰动的位置和扰动源的类型。扰动源的位置判断是根据回波信号的时间序列中读出来，因此可以根据波形的时间序列图读到多个位置点的不同扰动，这样就提高了检测效率。振动源的类型通过波形图上振动频率和振动强度的不同来判断。当然，这需要一些前期的实践工作，根据一些实验数据来建立扰动数据库，对高铁运行经常会遇到的一些非正常扰动波形进行建模，然后将实际检测到的数据跟它们比对，判断出扰动类型，启动报警系统。报警系统给予报警，同时给出扰动源各自对应的位置信息，并且记录视频监控录像，给后期事故处理提供依据。具体操作流程如图3所示。

安防系统中光纤振动传感检测模块因其实时性、工作距离大、高定位精度的要求，其结构模块架构相对比较精细，而且需要前期数据建模工作，相对其他3个检测模块来说，研究工作更复杂。

2.2 空气压力检测模块

安防系统中的空气压力检测模块，是利用高铁在高速前行时，两侧的空气压力骤减，产生的压力差高达几十千克以上，进入高铁的人和物体都会被“吸向”高铁，因此该空气压力模块，是利用了对压力敏感的压敏式电阻，其阻值会随着压力的变化而变化，使电路中的电流发生变化，给出了不同的电信号，报警系统根据电信号的情况给予报警。在检测风力的同时，也检测高铁周边的空气压力，起到很好的安防作用。其工作原理如图4所示，空气通过导气管进入真空管，真空管的一端接有压敏电阻，压敏电阻根据气体不同压强产生着变化，使回路中的电流产生变化，产生不同的电信号，电信号检测器通过不同电信号变化控制着电路，给予报警。

2.3 温度传感检测模块

安防系统中的温度传感检测模块，利用热敏电阻的变化引起电压的变化，来实现对高铁表面以及高铁周边的空气温度的检测，其工作原理跟上面相类似，只是使用的电阻不同而已。热敏电阻被安置在高铁车身外靠近轨道的地方，高铁运行速度过快或者有其他异常情况例如起火等，热敏电阻值会发生变化，引起电路中的电流和电压的变化，启动回路中的报警系统报警，保证高铁的安全运行。另外，在每一节车厢也安装一个温度报警器，在车厢温度异常的情况下同样报警，保证车厢内部的安全。

2.4 电力检测模块

安防系统中的电力检测模块，通过检测高铁供电系统中输出端的电压和功率值以及输入端的电压和功率值来判断其电力系统是否正常，检测数据由传输系统传输到计算机系统，由相关的软件进行数据分析，分析出高铁电力系统的运行状况，假如出现异常，则启动报警系统报警，同时记录数据，做出应对方案，实时保证高铁安全运行。

安防系统的4个检测模块都是通过传输模块进行无线和有线信号的传输，最后由报警系统给出视频监控图像和报警信息，保障高铁的运行稳定。报警系统可以实现24 h的无人监控智能报警，计算机分析出高铁运行的不稳定因素类型，实现自动报警后，记录相关信息，方便事故处理。

3 安防系统的优点

本文所介绍的高铁安防系统，通过对高铁运行过程压力、温度、振动、电压和功率几个参数值的变化来监测高铁的安全性，具有实时、智能、多方面的监测特点，其中的光纤振动检测模块，引入国际先进技术，具有很高的监测精度和准确度，不仅可以实现24 h无人监控，还可以准确分辨出振动源的类型，判断出非正常扰动情况，做出相应的应对方案，具有很强的智能性。