中鐵電氣化局集團(tuán)有限公司 李耀東
隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展,國內(nèi)與高速鐵路相關(guān)的項(xiàng)目越來越多,在以日本為代表的、高速鐵路較為發(fā)達(dá)的國家,普遍采用了能夠監(jiān)測(cè)異物侵限并進(jìn)行報(bào)警的系統(tǒng),但是在實(shí)踐過程中人們發(fā)現(xiàn),選擇光纜作為傳輸和監(jiān)測(cè)系統(tǒng)信號(hào)部位的主要構(gòu)成,會(huì)增大傳輸段發(fā)生故障的幾率,基于此,研究人員將光纖光柵和負(fù)責(zé)監(jiān)測(cè)異物侵限的系統(tǒng)進(jìn)行了結(jié)合,這樣做不僅降低了分區(qū)監(jiān)測(cè)和傳感需要的成本,還提高了監(jiān)測(cè)的準(zhǔn)確性。
首先對(duì)光纖光柵技術(shù)的定義進(jìn)行簡明扼要的概括:光纖光柵主要是在光纖芯中對(duì)紫外曝光技術(shù)加以利用,使折射率出現(xiàn)周期性變化所形成的?;诖?,光纖光柵所對(duì)應(yīng)折射率在分布方面具有的周期性結(jié)構(gòu),不僅會(huì)導(dǎo)致特定波長出現(xiàn)光的反射,還會(huì)形成相應(yīng)的反射譜。對(duì)反射光波長而言,無論是應(yīng)變、溫度還是應(yīng)力發(fā)生變化,都會(huì)導(dǎo)致光的峰值波長出現(xiàn)漂移情況,也就是說,工作人員通過度量波長漂移量的方式,就能夠完成感測(cè)應(yīng)變、溫度和應(yīng)力的相關(guān)工作[1]。
將光纖光柵與異物侵限監(jiān)測(cè)進(jìn)行相結(jié)合的優(yōu)勢(shì),主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面:其一,具備較高的可靠性,漏報(bào)、誤報(bào)等情況出現(xiàn)的幾率大大降低。將波長信息作為監(jiān)測(cè)量,能夠保證針對(duì)異物侵限事件探測(cè)工作的準(zhǔn)確性,漏報(bào)情況自然不會(huì)出現(xiàn),將光波長信號(hào)用于傳感及傳輸,不會(huì)被傳輸距離所影響,誤報(bào)的可能性也隨之降低;其二,通過簡化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的方式降低成本。將光纖光柵與濾波片進(jìn)行結(jié)合,完成后續(xù)的解調(diào)工作,能夠在滿足鐵路系統(tǒng)對(duì)技術(shù)具有需求的基礎(chǔ)上降低成本,另外,光纖傳輸?shù)木嚯x較長,工作人員可以將位于信號(hào)中繼站或車站管轄范圍之內(nèi)的監(jiān)測(cè)點(diǎn)通過監(jiān)測(cè)得到的數(shù)據(jù)信息,向自然災(zāi)害及異物侵限監(jiān)測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行接入,與雙電網(wǎng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)相比較而言,該監(jiān)控系統(tǒng)不僅具有較多的監(jiān)測(cè)點(diǎn),集成度也更高,監(jiān)控單元數(shù)量自然能夠隨之減少;其三,使分區(qū)、故障自檢成為了現(xiàn)實(shí)。在過去很長一段時(shí)間內(nèi),用于異物侵限監(jiān)測(cè)的電類技術(shù)和光類技術(shù),不僅無法對(duì)傳輸段信號(hào)和傳感段信號(hào)進(jìn)行分辨,還無法實(shí)現(xiàn)線路故障的自檢,基于光纖光柵所構(gòu)建的、對(duì)異物侵限加以監(jiān)控的系統(tǒng),能夠?qū)鬏敼收闲盘?hào)與報(bào)警信號(hào)進(jìn)行分離,無論是分區(qū)還是故障自檢都成為了現(xiàn)實(shí);其四,非電監(jiān)測(cè),對(duì)電磁具有較強(qiáng)的抗干擾能力。該系統(tǒng)負(fù)責(zé)監(jiān)測(cè)和傳輸?shù)牟糠志晒饫w組成,光纖具有抗干擾和防雷擊的特性。
鐵路自然災(zāi)害及異物侵限監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的構(gòu)成,主要分為光纖光柵監(jiān)測(cè)網(wǎng),監(jiān)控單元,監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)處理設(shè)備以及終端設(shè)備。光纖的作用是對(duì)光纖光柵監(jiān)測(cè)網(wǎng)收集到的數(shù)據(jù)信息向監(jiān)控單元進(jìn)行傳遞,為后續(xù)分析處理工作的開展提供便利。一旦在開展系統(tǒng)工作的過程中,發(fā)現(xiàn)在監(jiān)測(cè)現(xiàn)場(chǎng)有異物侵限的情況存在,監(jiān)控單元會(huì)將報(bào)警信息通過監(jiān)控單元繼電器組合聯(lián)動(dòng)觸發(fā)信號(hào)系統(tǒng)控制列車停車,同時(shí)將報(bào)警信息上傳至監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)處理設(shè)備,監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)處理設(shè)備在收到報(bào)警信息后,分發(fā)至工務(wù)段、調(diào)度等終端顯示。
首先是雙區(qū)雙光路監(jiān)測(cè)并判別狀態(tài)。雙區(qū)雙光路的光纖光柵監(jiān)控系統(tǒng),與其他系統(tǒng)相比具有更加良好的可靠性,該系統(tǒng)的特點(diǎn)如下:任意監(jiān)測(cè)點(diǎn)均采用兩套獨(dú)立存在的光線光柵監(jiān)測(cè)網(wǎng)以及傳輸網(wǎng)。如果這兩套裝置監(jiān)測(cè)到的信號(hào)狀態(tài)均為正常,則說明監(jiān)測(cè)點(diǎn)沒有異物侵限的情況存在,如果這兩套裝置監(jiān)測(cè)到的信號(hào)狀態(tài)為均斷線,此時(shí),自然災(zāi)害及異物侵限監(jiān)測(cè)系統(tǒng)就需要向外傳遞出報(bào)警的相關(guān)信息,如果這兩套裝置監(jiān)測(cè)到了不同于上述情況的狀態(tài)組合,那么,就需發(fā)出故障報(bào)警信號(hào),之所以會(huì)出現(xiàn)這樣的情況,是因?yàn)閮商追謩e獨(dú)立于對(duì)方而存在的光纖光柵監(jiān)測(cè)網(wǎng)以及傳輸網(wǎng),對(duì)應(yīng)的系統(tǒng)不僅可以根據(jù)所接受信號(hào)數(shù)據(jù),對(duì)故障現(xiàn)行加以判斷,還能夠完成報(bào)警等級(jí)的設(shè)定、選擇應(yīng)對(duì)措施等工作,誤報(bào)警的可能性自然也會(huì)隨之減少[2]。
其次是對(duì)異物侵限進(jìn)行分區(qū)監(jiān)測(cè)。自然災(zāi)害及異物侵限監(jiān)測(cè)系統(tǒng)內(nèi)光源所發(fā)出的往往是寬帶光,寬帶光需要經(jīng)過光分路器,才能分別傳輸光纖、異物侵限對(duì)應(yīng)的傳感器內(nèi)部。這里需要注意一點(diǎn),異物侵限所對(duì)應(yīng)傳感器,負(fù)責(zé)連接傳輸光纜的兩端,所安裝光纖光柵的規(guī)格往往有所區(qū)別,這樣能夠?qū)崿F(xiàn)反射波長不同的光信號(hào)的目標(biāo)。將反射波長信號(hào)分別設(shè)為λ1、λ2,那么,位于λ1、λ2間的區(qū)域?yàn)閭鞲袇^(qū)域,作用主要是對(duì)異物侵限情況進(jìn)行監(jiān)測(cè),位于自然災(zāi)害及異物侵限監(jiān)測(cè)系統(tǒng)和光纖光柵間的區(qū)域?yàn)樾盘?hào)傳輸區(qū),λ1、λ2所對(duì)應(yīng)的波長信號(hào),在正常情況下,都需要經(jīng)由傳輸光纜,向光分路器返回,從而成功地進(jìn)入到光信號(hào)處理器的內(nèi)部,完成后續(xù)的監(jiān)控工作。針對(duì)后一種情況,選擇兩臺(tái)光信號(hào)處理器的目的,是對(duì)傳輸光纜所返回的信號(hào)進(jìn)行分別接收,如果兩臺(tái)處理器同時(shí)收到兩個(gè)波長不同的光信號(hào),則表明系統(tǒng)處于正常的運(yùn)行狀態(tài),沒有異物侵限的情況發(fā)生,如果兩臺(tái)處理器只接收到了其中的某個(gè)光信號(hào),而沒有接收到從另一個(gè)傳輸光纜返回的信號(hào),則代表有光信號(hào)返回的傳輸光纜、光纖光柵監(jiān)測(cè)網(wǎng)并沒有發(fā)生斷線的情況,無光信號(hào)返回的傳輸光纜斷線,如果處理器只有通過傳輸光纜1,才能收到λ1對(duì)應(yīng)的波長信號(hào),通過傳輸光纜2收到λ2對(duì)應(yīng)的波長信號(hào),說明傳輸光纜未斷線,但光纖光柵監(jiān)測(cè)網(wǎng)出現(xiàn)了斷線的問題。另外,雖然監(jiān)測(cè)網(wǎng)以及傳輸網(wǎng)同時(shí)出現(xiàn)斷線問題的可能性較小,但工作人員仍舊可以根據(jù)傳輸線路返回的信號(hào),完成對(duì)故障區(qū)域進(jìn)行判斷的工作,具體來說,就是兩臺(tái)光信號(hào)處理器無法接受信號(hào)、兩條傳輸線路同時(shí)斷線,當(dāng)出現(xiàn)上述情況時(shí),工作人員就可以默認(rèn)為監(jiān)測(cè)網(wǎng)出現(xiàn)斷線問題,并根據(jù)實(shí)際情況對(duì)其進(jìn)行處理。而將傳輸區(qū)和監(jiān)測(cè)區(qū)分開,使二者分別獨(dú)立于對(duì)方而存在,主要目的是使對(duì)異物侵限現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行監(jiān)控、對(duì)線路自身狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測(cè),這兩項(xiàng)工作的同時(shí)開展成為現(xiàn)實(shí),基于此所產(chǎn)生的傳輸故障和異物侵限報(bào)警信號(hào),具有良好的可靠性,誤報(bào)的幾率明顯的下降。
最后,對(duì)光纖光柵的異物侵限對(duì)應(yīng)的監(jiān)測(cè)信號(hào)進(jìn)行解調(diào)。經(jīng)由光纖光柵所反射的信號(hào)作為系統(tǒng)傳感信號(hào)而存在,在很長一段時(shí)間內(nèi),負(fù)責(zé)對(duì)其進(jìn)行解調(diào)的主體均為MOI公司(美),價(jià)格昂貴的情況無法被避免,由此而引發(fā)的問題就是該項(xiàng)技術(shù)無法大規(guī)模的在工程中加以應(yīng)用,基于此,以降低成本為主要目的,工作人員成功研發(fā)出了一種全新的解調(diào)方法,即將光纖光柵和濾波片進(jìn)行結(jié)合。光纖光柵的異物侵限對(duì)應(yīng)的傳感器所反射回的波長信號(hào)有兩個(gè),分別是λ1、λ2,部分光路用作對(duì)λ1所對(duì)應(yīng)光纖光柵的濾波片進(jìn)行匹配,完成報(bào)警監(jiān)測(cè)信號(hào)的捕捉工作,所捕捉信號(hào)經(jīng)模塊轉(zhuǎn)換,與報(bào)警接口電路相連。如果波長光信號(hào)能夠正常返回,表明該信號(hào)對(duì)應(yīng)的光電模塊,輸出高電平;如果波長光信號(hào)無法正常范圍,則表明該型號(hào)對(duì)應(yīng)的光電模塊,輸出低電平。與此同時(shí),光路中還存在用作對(duì)λ2所對(duì)應(yīng)光纖光柵的濾波片進(jìn)行匹配,完成報(bào)警監(jiān)測(cè)信號(hào)的捕捉工作的部分。如果在監(jiān)測(cè)過程中發(fā)現(xiàn)有異物侵限的報(bào)警信息,自然災(zāi)害及異物侵限監(jiān)測(cè)系統(tǒng)包含的繼電器組合,需要在第一時(shí)間將報(bào)警信息傳遞至列控中心和監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)處理設(shè)備;如果在監(jiān)測(cè)過程中發(fā)現(xiàn)有異物侵限的預(yù)警信息,則需要及時(shí)將預(yù)警信息傳遞至數(shù)據(jù)信息處理設(shè)備,為后續(xù)工作的開展提供便利[3]。但是由于異物侵限監(jiān)測(cè)對(duì)應(yīng)的使用環(huán)境往往十分復(fù)雜,利用通斷信號(hào)無法完成對(duì)現(xiàn)場(chǎng)狀態(tài)進(jìn)行有效判斷及預(yù)警的工作,例如,在鐵路邊坡的被動(dòng)防護(hù)網(wǎng)上,對(duì)應(yīng)用光纖光柵的監(jiān)測(cè)網(wǎng)進(jìn)行設(shè)置,雖然被動(dòng)防護(hù)網(wǎng)屬于柔性網(wǎng),即使承受了大量石塊的堆積,也不會(huì)出現(xiàn)斷裂的問題,但是鐵路上方堆積大量石塊,給列車運(yùn)行安全性帶來的威脅往往難以預(yù)估,想要避免上述問題的出現(xiàn),工作人員可以針對(duì)光纖光柵對(duì)應(yīng)的監(jiān)測(cè)網(wǎng),從應(yīng)力和通斷兩個(gè)方面進(jìn)行雙重監(jiān)測(cè)。負(fù)責(zé)解調(diào)波長和信號(hào)分析的模塊,還能夠?qū)饫w網(wǎng)應(yīng)力的變化情況進(jìn)行監(jiān)測(cè),因此,可以根據(jù)實(shí)際需求將其加入到監(jiān)控單元中,并將輸出信號(hào)作為預(yù)警信號(hào)向數(shù)據(jù)信息處理設(shè)備進(jìn)行傳遞,應(yīng)用波長解調(diào)模塊中的濾波器通常以角調(diào)式為主,這一類型的濾波器具有監(jiān)測(cè)監(jiān)測(cè)網(wǎng)受力情況的功能。
綜上所述,對(duì)鐵路而言,異物侵限監(jiān)測(cè)系統(tǒng)作為災(zāi)害監(jiān)測(cè)系統(tǒng)不可或缺的組成部分,應(yīng)用光纖光柵的異物侵限系統(tǒng),具有抗雷擊、穩(wěn)定性好等優(yōu)點(diǎn),具有現(xiàn)實(shí)意義不言而喻。
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