基于光纤感测技术的城市轨道交通钢轨状态实时监测方法

马天鸽

(北京市地铁运营有限公司线路分公司，北京 100082)

0 引言

城市轨道交通是一种车辆运输系统，以钢轨道结构为支撑，完成车辆的承重[1]，在交通整体规划和管理下的专用轨道线路，呈半封闭或者全封闭状态，完成交通运输的公共交通方式。如地铁、轻轨和有轨电车等多种轨道系统，具备节能减排、运输量较大等显著优势，成为当下各个大城市中主要的绿色交通系统[2]。实时监测钢轨的状态，是保证城市轨道交通钢轨安全的重要方法。但是，钢轨是电源电压的回路，在某种情况下电磁会干扰钢轨，从而影响监测结果[3]。

针对钢轨状态实时监测的需求，于晓东等[4]和周长义等[5]分别研究基于IoT传感器网络和基于声发射检测的钢轨实时监测方法，其分别以获取钢轨的振动信号和声信号完成监测为目的。但上述方法在监测过程中，抗电磁干扰性能相对较差，从而获取的信号结果容易受到干扰，导致监测结果存在一定误差。因此，本文提出基于光纤感测技术的城市轨道交通钢轨状态实时监测方法。光纤感测技术是一种新型传感技术，也可称为光纤传感测量技术，它利用光运载物质，并通过光纤传递能量，由此对外界信号进行感知、物理参量测量等。光纤光栅传感器则属于一种新型光纤无源器件，能够有效避免电磁的干扰，具备较好的耐久性以及较高的灵敏度等显著特点[6]。本文方法利用光纤感测技术具备的显著特点，可靠地完成轨道状态实时变化的连续信号的采集，经由光纤无线传输系统将信号传送至远程监控中心，完成城市轨道交通钢轨状态实时监测。

1 城市轨道交通钢轨状态实时监测方法

1.1 方法总体架构

基于光纤光栅传感器的城市轨道交通钢轨状态实时监测方法，以光纤光栅传感器为核心，使光在通过光纤时会发生折射率周期性变化，且该变化在纤芯内完成，变化方向为纤芯轴向方向，以此产生空间相位，且为永久性。其中,折射率可随着多种物理量的变化而变化[7]，光波随着改变反射光的波长而改变，可以通过检测，确定待测物理量的变化结果，完成待测目标的实时监测，方法架构如图1所示。

图1 钢轨状态实时监测方法总体架构

整体架构分为3个部分，分别为钢轨状态数据采集模块、 光纤无线传输模块以及远程监控模块。

状态数据采集模块通过各类光纤光栅传感器完成钢轨各个状态的连续信号采集[8]，将采集的连续信号通过光纤无线传输模块传送至远程监控模块，完成钢轨的实时监测。

采集模块：该模块主要对钢轨的温度、应力、位移和振动等多种状态信号进行连续采集，通过相对应的光纤传感器来完成。采集后的信号经由光纤光栅解调仪进行全光谱扫描[9]，该扫描和接收是通过解调仪发射宽谱光源完成；利用光纤光栅解调仪全光谱扫描采集信号[9]，将解调后的数据经由光纤无线传输模块进行传输。

光纤无线传输模块：该模块包含无线局域网和广域网等，主要用于采集的连锁信号的传输；并且该模块具有TCP/IP协议，网络接口以该协议为依据，完成反射窄带光的接收。

监控模块：监控模块包含2个子模块，分别为现场控制和远程监控。现场控制子模块接收经由光纤无线传输模块传送的解调后的数据[10]，通过GPRS模块将该数据传送至远程监控子模块。远程控制子模块通过小波分析结果实行分析，将分析后数据存储至数据库中；同时显示分析结果，如果结果存在异常，则发生信号异常提醒，相关人员则可依据异常信号位置实行钢轨运行状态检查。

1.2 光纤光栅传感器原理

采集模块采用光纤光栅传感器对物理量进行测量时，所测参量的变化与布拉格波长的变化相对应，因此，可保证测量的精度较高，避免受到电磁干扰。

全光谱由光纤光栅经过时，后者会发生窄谱分量的反射或者透射，且该分量的中心波长采用布拉格步长表示，为λB，其计算公式为

λB=2Λneff

(1)

Λ为周期，对应光栅；neff为折射率。

将具有波长选择滤波器性能的光纤光栅作为全光纤器件，可保证经过光纤光栅完成不同波长的光插入时，不发生损耗的同时具备很大透射率[11]。利用耦合模理论对周期光栅进行分析，得到光纤光栅反射率R为

R=λBK2SL/[δβ2sinh2SL+S2cosh2SL]

K2>δβ2

(2)

L为长度，对应光栅[12]；K为耦合系数；β为常量，对应模传播；m为整数；S=(K2-δβ2)1/2。

1.3 基于小波分析的钢轨状态实时监测

光纤传感器采集的钢轨运行状态信号经由光纤传感模块传送至监测模块后，该模块通过小波分析完成钢轨状态实时监测，由小波变换、小波包分解以及小波能量包分析3个步骤完成。

1.3.1 小波变换

通过光纤传感器完成钢轨状态信号采集后，监控模块通过小波变换对采集的钢轨状态信号实行细化处理，包含平移和伸缩2种方式，完成高频和低频2种情况下，时间和频率的细分处理[13]，实现钢轨状态信号高、低频段自适应转换。

小波变换时，为保证变换效果，其母小波函数需满足式(3)和式(4)的条件：

(3)

(4)

式(3)为等价条件；ψ(t)为单个母小波函数；ψ(ω)为傅里叶变换。

如果x(t)表示轨道状态信号，则连续小波变换为

(5)

1.3.2 小波包分解

完成钢轨信号的高频和低频信号的自适应转换后，采用小波包对其实行分解。小波包可对时间窗和频率窗实行改变[14]，获取更精细的信号分解结果。并且，当能自适应地选择频带时，完成与信号相对应的频谱；该选择和匹配的实现需以信号特征和分析需求为依据。

小波包分解的前提需要构建正交基库，且具备多种规范正交基，其中包含小波正交基，该构建依据函数族完成。φ(t)和ψ(t)均为函数，前者对应正交尺度，后者对应小波，其尺度关系公式为：

(6)

(7)

h0k和h1k均为系数，属于滤波器，且对应多分辨分析过程；k为平移。

在此基础上，为扩展二尺度方程，定义递推关系，其公式为：

(8)

(9)

当w0(t)=φ(t)、w1(t)=ψ(t)时，n=0。

综上可得，{wn(t)}n∈Z为小波包，由w0(t)=φ(t)确定。将高频和低频信号，分解到数个频带上，且各个频带相互独立。

1.3.3 小波包能量谱分析

完成高频和低频信号分解后，通过小波包能量谱分析监测结果。通过小波变换后，在轨道结构发生损伤时，各频段的总能量都会下降，损伤越严重，下降越明显。因此，判断钢轨是否发生损伤，可依据频带能量监测结果或能量的变化程度完成[15]。对各个频带上的能量实行分析，监测钢轨结构是否存在损伤。

小波包信号分量的能量公式为

(10)

为了避免能量出现多方向下降集中现象，影响监测结果的判断，可依据能量变化程度判断，变化程度越大，表示此处可能存在损伤，其公式为

(11)

i为节点号，且i=1,2,…,n；ΔEi为能量变化程度；Ei和Ei′均为i的能量，且经过小波包分解得出，前者对应没有发生损伤，后者对应发生损伤。

2 实验分析

为测试本文方法的监测性能和效果，以某市新建设完成且处于试运行阶段的有轨电车钢轨轨道作为测试对象，测试仅在该轨道2 000 m长度范围内展开。

测试前采用分布式光纤感测系统部署方式，以及光纤光栅阵列作为监测的传感系统，每个阵列的中心波长、带宽和反射率等光学参数是相同的。20个光栅、40个封装结构，每个光栅之间距离为10 m，将光柵放入封装结构中后，采用光栅夹将封装结构部署在钢轨和底轨，光纤的另一端连接解调仪，解调仪与数据采集卡相连接，实现信号的实时采集与存储。微机与数据采集卡通过USB接口连接，采集信号，并将其调入MATLAB软件，完成信号分析。测试过程中，可依据实际情况，调整传感点位置，保证钢轨测试长度内均被传感系统覆盖。监测目标为迟滞误差低于1%，保证实时性；光损耗程度低于0.8%，保证信号采集效果的可靠性。

2.1 采集性能测试

采用本文方法获取该城市轨道交通在试通行1次时钢轨的状态信号，结果如图2和图3所示。

图2 1组光纤光栅阵列采集的钢轨状态信号

图3 轨道全程的信号采集结果

由图2采集结果可知，列车从开始通行后，随着时间的增加，信号呈现逐渐上升、增加、饱和、下降和衰减的变化，对应列车由远至近、再远离的整个过程。并且，信号的幅度变化在±20 kHz的范围内，属于低频段。该结果表明本文方法具备轨道信号采集能力。

由图3采集结果可知，轨道全程的信号幅度大部分均在±20 kHz的范围内，其中存在2处超过该范围内的信号值，分别位于轨道位置在950 m左右和1 300 m左右对应的位置处，该处的信号幅值超过30 kHz，为高频段。该结果表明，本文方法能够采集列车运行过程中的轨道高频和低频段的状态信号。

为测试本文方法的信号采集性能，采用光强损耗程度作为衡量指标，测试本文方法在不同时间段内的光强损耗结果，如图4所示。

图4 光强损耗测试结果

由图4可得，在相同的光栅数量下，传感系统分别在部署3天、15天以及30天的时间段内，光强损耗结果几乎一致；随着光栅数量的不断增加，光强损耗结果均呈现趋势一致的、无规律的波动变化，且3个时间段内的结果依旧极为接近。该结果表明，本文方法的光学损耗较小，低于0.8%，稳定性较高，长期应用也可保证信号的可靠采集。

为进一步测试本文方法信号采集性能，判断本文方法对于城市轨道交通钢轨实时监测的性能，以迟滞误差作为衡量指标，计算公式为

(12)

(ΔλH)max为最大差值，属于正反行程；Pmax、Pmin均为行程值，前者为最大，后者为最小。

依据该公式计算所提方法在不同应力下，温度变化量ΔT发生变化时的迟滞误差结果，如图5所示。

由图5测试结果可知，在不同的应力下，相同的温度变化量呈现小幅度变化波动，迟滞误差结果均低于0.8%；3种温度变化量在随着应力逐渐增加的情况下，发生的迟滞误差均在目标范围内，可保证钢轨状态的实时采集。

2.2 状态监测效果测试

对图2中轨道全程的信号采集结果实行信号分析，并获取能量变化程度结果，以此判断本文方法的监测结果，如图6所示。

图6 断裂信号的监测结果

由图6可知，本文方法可有效分析信号中的异常信号，并通过小波能量谱获取异常能量变化位置，为控制中心提供异常分析结果。监控中心依据该结果对信号异常位置检查后，发现在1 000 m和1 300 m左右2个位置分别发生轨道接缝处缝隙裂开和变形情况。该结果表明，本文方法具备良好的应用效果，能够可靠监测城市轨道钢轨的实时状态。

3 结束语

城市轨道交通已经成为各大城市的主要公共交通系统，其运行安全是城市轨道交通管理的重要内容，因此，实现城市轨道交通钢轨状态实时监测，是保证城市轨道交通安全的重要手段。文本提出基于光纤感测技术的城市轨道钢轨状态实时监测方法，通过光纤传感器获取钢轨的全面状态信号，并通过小波分析方法完成采集信号的分析，完成钢轨状态的实时监测。经测试：该方法具备轨道信号采集能力，可获取列车运行过程中，轨道的高频和低频段的所有状态信号，并且光学损耗较小，能够准确完成信号分析，确定异常状态信号，实现钢轨状态的实时监测。