总第２４６期 ２０１１年第３期 交通科技 ＳｅｒｉａＩ ＮＯ．２４６ Ｔｒａｎｓｐｏｒｔａｔｉｏｎ Ｓｃｉｅｎｃｅ＆Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｎｏ．３ Ｊｕｎｅ．２０１１ 基于光纤光栅传感的铁路异物侵限监测系统研究 刘建斌 （中国石油庆阳石化分公司 庆阳７４５ｌ１５） 摘要随着我国铁路建设进入快速发展时期，对铁路安全运输提出了更高的要求，建立铁路异 物侵限监测系统显得很有必要。由此提出用光纤布喇格光栅应力传感器替代传统的电类传感器， 分析了光纤布喇格光栅应力传感器的工作原理，设计了基于光纤光栅传感的铁路异物侵限监测系 统并分析了预警过程。所设计的铁路异物侵限监测系统实现了分布式测量、光缆传输、系统集成、 实时监测、在线控制等功能，为列车安全运行提供了可靠保障。 关键词 光纤布喇格光栅应力传感器铁路运输 异物侵限 实时监测 从“十五”规划开始，我国铁路进入快速发展 的新时期，但伴随铁路运输的自然灾害所造成的 损失一直居高不下。这主要是因为我国大部分铁 高，因此对铁路两旁异物入侵的监测和预警进行 研究是十分必要和迫切的。 １ 铁路异物侵限监测概述 一路都穿越于崎岖的高原、山区、丘陵地带，这些地 带地质的不稳定性以及自然灾害对铁路的客货运 输都造成巨大的威胁，这些灾害主要有山体滑坡、 山石滚落、泥石流等。如１９８７年７月泥石流冲毁 成昆铁路利子依达沟大桥，酿成一列客车坠落， 般对于穿越地质灾害多发地区的铁路，为 了防止山体滑坡，冲毁铁路，造成重大的经济损失 和安全事故，在危岩陡坡路段建造了钢筋混凝土 堤坝对边坡进行了加固，并在铁路两侧配以防护 网，以防山上落石对铁路造成破坏。铁路异物侵 限监测主要是指通过在铁路沿线设置防护网，并 在防护网上安装相应的传感器，以实现对山石或 ３００余人伤亡。２００９年７月２９日，襄樊至湛江 １４７３次旅客列车运行到焦柳线广西境内时，因线 路路堑发生坍塌落石，造成机车及机车后部分车 辆脱轨，事故造成４人死亡，１１人重伤，２３人轻 其他异物对铁路入侵的实时监测和有效预警，以 降低异物入侵对铁路运输造成的生命和财产损 失。在铁路异物侵限监测与预警技术方面，国内 外已开展了部分研究与应用。例如我国铁路部门 在公铁并行段、公（桥梁）跨铁段等设置刚性防护 网并在网上安装电网传感器，一旦异物撞坏防护 网，通过电网感应的方式即可向调度中心告警。 伤。２０１０年７月９日，因受持续暴雨影响，川黔 铁路大河坝至新场区间线路右侧发生持续山体坍 塌，坍塌量累计４ ３００多Ｉｎ。，泥石流上道２ ２００多 ｉｎ。，掩埋铁路８０ １ＴＩ，造成这条线路中断，多趟列车 受影响。随着我国经济快速发展，对铁路运输能 力的大幅增加，大批的客运、货运专线正在建设之 中，对铁路运输的安全性和可靠性的要求越来越 收稿１３期：２０１１－０２－２０ 但这种传统的电网传感技术存在易受电磁干扰和 参考文献 京：中国计划出版社，２００８． ［１］李兆磊，张雅琪．高速公路智能化监控系统设计［Ｊ］． 河北交通科技２００７，１２（４）：１７—１９． ［５］严海，耿雪，关宏志．城市地下道路紧急事件监 控系统规划生态文明视角下的城乡规划［Ｃ］．２００８ 中国城市规划年会论文集．大连：大连出版社， ２００８． ［２］王岩．智能化居住小区安防系统的设计实例分析 波，王静．视频安防监控系统的检测 ［Ｊ］．建筑设计管理，２０１０（２）：５２—５３． ［３］李 良，秦［６］李政．借鉴国外经验加强我国应急通信体系建设 ［Ｊ］．品牌与标准化，２０１０（２）：４２． ［４３ ＧＢ５０１１６—９８火灾自动报警系统设计规范 ｓ］．北 ［Ｊ］．世界通信，２００９（９）：４４—４７． ２０１１年第３期 刘建斌：基于光纤光栅传感的铁路异物侵限监测系统研究 雷击、电信号远距离传输可靠性差、后期使用维护 费用高、传输电缆断裂或停电会产生误报等技术 难题。近年来一种名为ＳＮＳ被动防护网在铁路 工程施工中得到了应用，ＳＮＳ被动防护系统网采 向应变带来的影响，导致中心反射波长值发生变 化。常见有贴片式的光纤布喇格光栅应力传感 器，其结构如图１所示，其工作原理一般为：将 ＦＢＧ粘贴于敏感元件表面的线槽内，当传感器的 敏感元件受拉或受压时，粘贴在线槽内的ＦＢＧ将 随之受到纵向拉伸或压缩，光栅所受到的应变会 改变有效折射率挖 和栅距Ａ，进而引起ＦＢＧ的 用锚杆、钢柱、支撑绳和拉锚绳等固定方式将钢丝 绳网在坡面上形成栅栏形式的拦石网，从而实现 拦截落石的一种边坡柔性防护系统。具有防护效 果好、施工简单、绿色环保、维护方便、使用寿命长 等特点。但针对这种被动柔性防护网的防滚石侵 限的自动监测技术还没有得到大规模的应用。 鉴于现有的铁路异物侵限监测系统的不足， 本文设计了基于光纤光栅传感的铁路异物侵限监 测系统。该系统的传感器采用光纤布喇格光栅应 力传感器，该传感器是基于波长调制的传感器件， 其与传统的电类传感器相比，具有抗电磁干扰和 雷击、光信号传输距离远、可实现分布式测量、灵 敏度高等优点。 ２光纤布喇格光栅应力传感器工作原理 光纤布喇格光栅（ｆｉｂｅｒ ｂｒａｇｇ ｇｒａｔｉｎｇ，ＦＢＧ） 出现于２Ｏ世纪９Ｏ年代，经过几十年的发展，已成 为一种在光纤通信、光纤传感等光电子领域有着 广泛应用前景的基础性光纤器件。它是利用掺杂 光纤的紫外光敏特性，将呈空间周期性的强紫外 激光照射掺杂光纤，从而使掺杂光纤的纤芯形成 折射率沿轴向周期性分布，称为光纤布喇格 光栅 一引。 光纤光栅的折射率调制周期和纤芯折射率决 定着光纤光栅中反射和透射光的波长值，而光纤 光栅的折射率调制周期和纤芯折射率受外界温度 以及光纤光栅应变的影响，所以光纤光栅传感器 的基本传感原理是外界温度的变化和光纤光栅上 的应变引起光纤光栅中折射调制周期以及纤芯折 射率的变化，从而对光纤光栅中发射或透射光波 长值造成影响。 根据布喇格衍射原理，当多种波长的光束由 光纤内入射到ＦＢＧ上时，只有某一个波长的光被 ＦＢＧ反射并沿原路返回，其余所有波长的光都无 损失地穿过ＦＢＧ继续往前传输。被ＦＢＧ反射的 那一个波长称为布喇格波长 ，它由ＦＢＧ的栅 距Ａ及有效折射率 。“决定，即下式： Ｂ一２ｎ。ｆｆＡ （１） 当沿光纤光栅轴向施加应力时，光纤光栅产 生轴向应变，假设光纤光栅处温度不变，只考虑轴 布喇格波长变化，因此可以通过监测ＦＢＧ的反射 波长，实现结构的应变监测【３］。考虑对光纤布喇 格光栅应力传感器进行温度补偿，以便消除温度 对传感器性能的影响。 图１ 贴片式的光纤布喇格光栅应力传感器结构示意图 ３铁路异物侵限监测系统 铁路异物侵限监测系统由硬件系统和软件系 统两部分组成，原理如图２所示，主要实现实时监 测铁路防护网异物入侵致网破坏的情况，并即时 将监测结果通知车辆调度中心，以便提前发现隐 患，并告知正在运行车辆采取停车或紧急制动措 施，从而减少生命和财产损失。硬件系统由宽带 光源、光纤光栅传感器、光纤光栅解调仪、通信模 块和计算机等构成；软件系统由各种硬件设备的 驱动、控制、信号处理、专家系统评估及通信等软 件构成。 ３区应力传感器 ］ ｎ区应力传感器 图２铁路异物侵限监测系统原理图 ３．１传感系统 首先将防护网分成若干区域，每个区域设计 若干个监测点，不同区域采用不同波长的光纤光 栅应力传感器，同一区域采用全同光纤光栅应力 传感器，传感器采用串接方式，将光纤布喇格光栅 应力传感器布置于铁路两旁的防护网上。传感器 １２８ 刘建斌：基于光纤光栅传感的铁路异物侵限监测系统研究 ２０１１年第３期 可以焊接在防护网锚索钢绞线表面，也可布置在 被动网的钢丝拉绳上。传感系统主要有宽带光 源、若干光纤布喇格光栅应力传感器、传输光信号 的传输光缆构成。 ３．２光纤光栅解调系统 光纤光栅解调系统采用的是基于可调Ｆ—Ｐ 家系统能依据各种静力指标综合评估防护网的状 况，当应力测量值超过某一特定指标时，就发出报 警。同时，在车辆调度中心设置实时监测数据显 示屏，当有异物侵入防护网并对列车行车安全造 成威胁时，调度中心即发出调度命令，命令运行至 该区间附近的列车采取停车或紧急制动措施，以 避免恶性安全事故的发生。 ４ 结语 滤波器的波长解调仪［４］，宽带光源发出的光经传 感光栅反射后，到达可调光纤Ｆ—Ｐ滤波器。Ｆ—Ｐ 滤波器工作在扫描状态，锯齿波扫描电压加在其 中的压电元件上调动腔间隔，使其窄通带在一定 范围内扫描，当它与传感光栅的布喇格波长相匹 配时，则让传感光栅反射的光信号通过。观测滤 波器的透射光，并结合施加电压就可以判断传感 光栅上所测物理量的大小。传感系统采集到的信 号经过光纤光栅解调系统解调后，实现了光信号 本文通过选用光纤布喇格光栅应力传感器替 代传统的电类传感器作为铁路异物侵限监测系统 的传感模块，所设计的基于光纤光栅传感的铁路 异物侵限监测系统实现了分布式测量、光缆传输、 系统集成、实时监测、在线控制等功能，为列车安 全运行提供了可靠保障。 参考文献 到电信号的转换，为后续的计算机处理以及预警 提供了方便。 ３．３监测系统工作原理 ［１］ ＢＥＮＮ１０Ｎ Ｉ，ＷＩＬＬＩＡＭＳ Ｊ Ｒ Ａ，ＺｈＡＮＧ Ｌ，ｅｔ ａ１． ＵＶ－ｗｒｉｔｔｅｎ ｉｎ ｆｉｂｅｒ ｂｒａｇｇ ｇｒａｔｉｎｇｓ［Ｊ］．Ｏｐｔ．Ｑｕａｎ— ｔｕｒｎ Ｅｌｅｃｔｒｏｎ，１９９６，２８：９３－１３５． 当分布在各个区域防护网上的光纤布喇格光 栅应力传感器所采集到的波长信号经埋人铁路沿 线的传输光缆引入车辆调度中心，经过基于可调 Ｆ—Ｐ滤波器的波长解调仪解调后的信号由光信 号变成电信号，即实现了由波长信号转化为电压 信号，此时的信号通过计算机接口模块送至计算 机直接处理。所采集到的监测数据由计算机进行 信号处理后形成铁路防护网异物侵限状况实时监 测数据库。利用该数据库，铁路安全状况评估专 ［２］ＲＡＯ Ｙ Ｊ．Ｉｎ－ｆｉｂｅｒ Ｂｒａｇｇ ｇｒａｔｉｎｇ ｓｅｎｓｏｒｓ［Ｊ］．Ｍｅａｓ— ｕｒｅｍｅｎｔ Ｓｃｉ．Ｔｅｃｈ．，１９９７，２６（８）：３５５—３７５． ［３］黄尚廉，陈伟民，饶云江，等．光纤应变传感器及其 在结构健康监测中的应用［Ｊ］．测控技术，２００４，２３ （５）：１－４． ［４］余有龙，谭华耀．基于干涉解调技术的光纤光栅传 感解调系统［Ｊ］．光学学报，２００１（８）：９８７—９８９． Ｓｔｕｄｙ ｏｆ Ｒａｉｌｗａｙｓ Ｒｏｃｋｆａｌｌ Ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ Ｓｙｓｔｅｍ Ｂａｓｅｄ ｏｎ Ｆｉｂｅｒ Ｂｒａｇｇ Ｇｒａｔｉｎｇ Ｓｅｎｓｉｎｇ Ｌｉｕ Ｊｉａｎｂｉｎ （Ｐｅｔｒｏ Ｃｈｉｎａ Ｑｉｎｇｙａｎｇ Ｐｅｔｒｏｃｈｅｍｉｃａｌ Ｃｏｍｐａｎｙ，Ｑｉｎｇｙａｎｇ ７４５１１５，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ａｓ Ｃｈｉｎｅｓｅ ｒａｉｌｒｏａｄｉｎｇ ｉｓ ｄｅｖｅｌｏｐｉｎｇ ｒａｐｉｄｌｙ，ｍｏｒｅ ｄｅｍａｎｄｓ ｆｏｒ ｓａｆｅ ｒａｉｌｗａｙ ｔｒａｎｓｐｏｒｔａｔｉｏｎ ｈａｓ ｂｅｅｎ ｐｒｅｓｅｎｔｅｄ，ａｎｄ ｉｔ ｉｓ ｃｏｍｐｌｅｔｅｌｙ ｎｅｃｅｓｓａｒｙ ｔｏ ｂｕｉｌｄ ａ ｒａｉｌｗａｙ Ｓ ｒｏｃｋｆａｌｌ ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ ｓｙｓｔｅｍ．Ｉｎ ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ，ｆｉｂｅｒ Ｂｒａｇｇ ｇｒａｔｉｎｇ ｓｔｒｅｓｓ ｓｅｎｓｏｒ ｉｓ ｃｏｎｓｉｄｅｒｅｄ ａｓ ａ ｒｅｐｌａｃｅｒ ｏｆ ｔｈｅ ｔｒａｄｉｔｉｏｎａｌ ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ ｓｅｎ— ｓｏｒ．Ｔｈｅ ｗｏｒｋｉｎｇ ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ ｏｆ ｆｉｂｅｒ Ｂｒａｇｇ ｇｒａｔｉｎｇ ｓｔｒｅｓｓ ｓｅｎｓｏｒ ｈａｓ ｂｅｅｎ ａｎａｌｙｓｉｚｅｄ，ａｎｄ ｔｈｅ ｒａｉｌｗａｙｓ ｒｏｃｋｆａｌｌ ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ ｓｙｓｔｅｍ ｂａｓｅｄ ｏｎ ｆｉｂｅｒ Ｂｒａｇｇ ｇｒａｔｉｎｇ ｓｅｎｓｉｎｇ ｈａｓ ｂｅｅｎ ｐｒｏｊｅｃｔｅｄ，ｔｈｅ ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ ｏｆ ｅａｒｌｙ ｗａｒｎｉｎｇ ｈａｓ ｂｅｅｎ ｄｅｓｃｒｉｂｅｄ ｕｌｔｉｍａｔｅｌｙ．Ｔｈｅ ｓｙｓｔｅｍ ｈａｓ ｒｅａｌｉｚｅｄ ｓｅｖｅｒａｌ ｆｕｎｃｔｉｏｎｓ ｏｆ ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄ ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ，ｏｐｔｉｃａｌ ｃａｂｌｅ ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ，ｒｅａｌ—ｔｉｍｅ ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ ａｎｄ ｏｎ ｌｉｎｅ ｃｏｎｔｒｏｌ，ｔｈｅｒｅｆｏｒｅ ｉｔ ｈａｓ ｐｒｏｖｉｄｅｄ ａ ｒｅｌｉａｂｌｅ ｓａｆｅｇｕａｒｄ ｆｏｒ ｔｒａｉｎ ｏｐｅｒａｔｉｏｎ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｆｉｂｅｒ ｂｒａｇｇ ｇｒａｔｉｎｇ ｓｔｒｅｓｓ ｓｅｎｓｏｒ；ｒａｉｌｗａｙ ｔｒａｎｓｐｏｒｔａｔｉｏｎ；ｒｏｃｋｆａｌｌ ｉｎｖａｄｅｒ；ｒｅａｌ—ｔｉｍｅ ｍｏｎｉ— ｔｏｒｉｎｇ