光纤综合探测技术在运营高铁外部环境监测中的应用

王东

（中国铁路上海局集团有限公司工务部，上海 200071）

金温高铁位于浙江省南部山区，堑高隧多、铁路沿线地理环境复杂，铁路沿线时常发生边坡滑移（变形）、堑坡落石、外部入侵（主要包括闲杂人员进入线路封闭区域、桥梁限高防护架被撞及公铁并行段车辆侵入安全限界）等事故，该类事故具有突发性和对铁路运输具有较大的破坏性以及铁路沿线点多线长难以及时发现等特性。为尽早发现该类突发事故，及时进行应急处置，确保高速铁路运营安全，上海局集团公司于2016—2019年在金温高铁存在风险的16处深路堑边坡、23处高陡隧道口仰坡、24处易发生外部入侵地段（含16处桥梁限高架、7处公铁并行地段和1处外部人员易入侵地段）研制安装了铁路沿线光纤综合监测系统，实现对铁路沿线突发事件的实时监测、定位和预警。

1 光纤监测系统的工作原理

该监测系统是将分布式光纤按适当的间距纵横固定在被监测结构物表面或安防区域周界，利用光纤中光脉冲信号的后向散射效应（包括拉曼散射、布里渊散射和瑞利散射），通过对光纤形变、应力和振动等物理量变化的连续测量，实现对铁路沿线边坡滑移（变形）、堑坡落石、限高架撞击及异物外部入侵等突发安全问题进行全天候的实时监控和快速定位，辅助激光雷达技术和视频监控，建立网络化的智能监控系统和管理平台，实现对突发事件进行预警、快速浏览及记录和回放。

1.1 分布式光纤探测定位技术

利用分布式光纤探测定位仪接入光缆，通过对光纤中后向散射光的频率、幅度和相位等信息的采集分析，实现对光缆的通断、温度、应变、振动的感知和定位等信息进行监测。

1.2 快速模式识别技术

快速模式识别主要分为信号预处理、特征提取、模板训练和模板分类4部分，识别流程如图1所示。

图1 快速模式识别流程图

1.3 激光雷达技术

激光雷达是一种利用激光测距原理进行扫描，从而对二维场景复现的技术，通过旋转镜面将脉冲激光发射并由主机接收反射光线，通过计时器计算发射和接收之间的时间差就可以计算测量距离，扫描原理如图2所示（示例为270°，半径50 m的激光雷达）。

图2 激光雷达监控示意图

2 光纤监测系统的结构组成

光纤综合监测系统由监测单元、功能模块检测单元、数据中心、监测终端和通信网络设备等组成。监测单元由监测主机、防雷单元、机柜等组成，安装于监测现场附近的GSM-R基站或车站通信机房内；功能模块检测单元由铁路既有通信光缆、应力检测光缆、振动检测光缆、摄像机、激光雷达等设备组成，分布于铁路沿线各监测点；数据中心由数据服务器、应用服务器、通信服务器、串口服务器和网络交换机等设备组成；监测终端包括监控主机、显示器、网络和音响设备等，分别安装在设备管理单位车间、调度指挥中心和集团公司防洪办等。金温铁路沿线光纤监测系统框架构成如图3所示。

图3 金温铁路沿线安全光纤综合监测系统框架图

3 报警等级的设定

3.1 边坡滑移

当光纤发生6 mm纵向变形即被监控对象发生6 mm位移时，系统会发出III级报警（语音报警，下同）；当光纤发生8 mm纵向变形即被监控对象发生8 mm位移时，系统会发出II级报警；当光纤发生10 mm纵向变形即被监控对象发生10 mm位移时，系统会发出I级报警。（变形值的设定可以在使用过程中根据积累的经验，申请后台进行调整）。

3.2 堑坡（或隧道口仰坡）落石

当发生落石引起堑坡（或隧道口仰坡）被动防护网上敷设的光纤变形超出光纤涨缩变形值时，系统会发出II级报警；当系统发生II级报警且线路安全限界外的激光雷达波信号受到异常干扰时，系统会发出I级报警。

3.3 外部入侵

当外部入侵防护光纤发生异常振动时（已排除风雨引起的振动），系统会发出I级报警。

4 报警处置规定

4.1 现场确认

发生报警时，值班调度人员及时查看视频监控，首先浏览线路及路肩范围内有无落石、杂树等异物，确认铁路安全限界内无异常时，再扩大浏览范围，初步判断路堑边坡、隧道口及公铁并行地段有无异常，并按以下规定通知车间、工区进行现场检查。

发生III级报警时，设备管理单位值班调度员关注报警情况，观察是否继续报警，连续报警5次以上时，通知车间、工区工作人员，在24 h内利用窗点内（不含限高架报警）对报警区域进行检查。

发生II级报警时，设备管理单位值班调度员持续关注现场报警情况，并通知车间、工区工作人员在2 h内赶到现场进行查看确认，并对发现问题及时组织整改和上报。

发生I级报警时，值班调度员立即通知车间工作人员赶赴现场进行检查确认及处置，同时查看视频监控，如发现安全限界内有异常时或不能判断是否影响行车安全时，立即通知车站扣停列车，宁可错停，不可错放。

4.2 现场处置原则

车间、工区工作人员接到报警通知（接到I级报警通知时需携带防护旗、短路铜线及必要的工具）后需在规定的时间内赶赴现场，到达报警地点现场后，首先检查线路上、路肩范围内及安全限界内有无落石、杂树等异物，发现异常时应果断采取拦停列车措施，如确认铁路安全限界内无异常时，再扩大巡查范围，检查路堑边坡、隧道口及公铁并行地段有无异常。

4.3 调度员处置规定

值班调度员接到系统声控报警后，及时查看视频监控，按照报警等级通知车间、工区人员现场检查，同时在系统内录入通知时间、现场人员、处置情况、是否影响行车及保存图片、视频等相关资料信息。

5 运用情况

该监测系统自正式运行以来，运行稳定，能够及时发现边坡滑移、堑坡落石和外部入侵（撞击限高架）等突发事件，未出现漏报、误报警情况。运行期间共显示发生报警42次，其中外部入侵I级报警32次（闲杂人员入侵9次、撞击限高架23次），边坡滑移II级报警1次，堑坡落石报警3次（I、II、III级各1次）。典型案例如下：

（1）2016年10月26日9时左右，系统密集发出落石III级报警（图4），经青田工区现场检查发现，K170+925处第二道、第三道被动网根部堆积大量被雨水冲刷下来的碎石、枯木（图5）。

图4 系统报警截图

图5 K170+925处现场情况图

（2）2017年2月26日10：54，系统发出金温高铁K158+888泽雅隧道进口边坡滑移II级报警，经现场确认发现边坡第7道混凝土防护骨架出现裂缝并发生约6 mm滑移（图6）。

图6 K158+888现场情况图

（3）2020年3月24日14：56，系统发出I级报警，终端平台显示金温高铁（下行）K25+664处限高架被撞击（图7）。

图7 金温高铁（下行）K25+664现场情况图

（4）2021年6月7日16：45：13，系统发出I级报警，终端平台显示金温高铁（上行）K72+922限高架撞击异常I级报警（图8）。

图8 金温高铁（上行）K72+922处现场情况图

6 监测系统优点

6.1 实时显示报警数据时间、位置、等级等信息

当出现报警时，系统会在界面上显示时间、铁路线名、里程、报警类型、危险等级及处置状态等信息，同时显示该处的具体图片信息，指示具体报警位置及文字说明等信息。

6.2 对报警的数据进行分类归纳统计

可以对各种类型的报警分线路、时间、类型和报警等级等进行查询分析、归纳统计。

6.3 视频监控联动显示功能

根据需要对监控区域安装视频监控，发生报警时，系统会自动调动摄像机等视频设备对报警区域进行抓拍和录影，并在监控平台显示相应的视频信息。

6.4 对报警事件及监控设备自身状态进行跟踪管理

系统发出报警信息后，会同步记录、显示处置的时间、人员、过程和结果等信息，并可以进行信息回放；系统实现对所有检测单元运行状态进行实时自身监控和报警，便于及时维护。

7 预期效益

7.1 及时预警，有效避免行车灾害

光纤监测系统实现对落石、堑坡位移的设备异常的精准监测和及时预警，避免人工检查的盲区、误差和疏忽，为控制列车运行赢得黄金时间，有效避免行车灾害的发生。

7.2 治早治小，降低工程成本

该系统可以及早发现铁路支挡设备的结构微小变形，动态掌握设备变化情况，为设备病害尽早整治提供依据，防止病害加剧影响行车，同时在病害初期整治可以大大降低工程成本以及避免抢险发生的代价。

7.3 改变防洪及外部环境巡查方式，降低人工成本

该系能够快速核查现场实际状况，可以降低前期排查的人工成本。

8 结束语

本系统利用分布式光纤探测定位、激光雷达、视频监控及北斗定位等先进技术综合应用于铁路沿线安全监控，实现了对铁路沿线边坡滑移（变形）、堑坡落石、外部入侵等多种事件实时进行在线监控，能够发现各类突发事故和铁路沿线设备设施变化情况并能够及时发出预警，为铁路运营安全提供有力保障。